直流變頻型空調(diào)器實驗研究

直流變頻型空調(diào)器實驗研究

1直流交流變頻空調(diào)技術(shù)頻繁降器具有能源利用率高、舒適度好等優(yōu)點。已成為世界上的發(fā)展趨勢，并已廣泛應(yīng)用于廣泛使用。變頻型空調(diào)器主要分為兩大類,一類交流變頻型空調(diào),另一類直流變頻型空調(diào)。眾所周知,直流電沒有頻率,但在空調(diào)領(lǐng)域中,直流變頻型空調(diào)已經(jīng)成為一個公認(rèn)的說法。從概念上來看,這種稱法不很準(zhǔn)確,但是由于人們已經(jīng)形成了習(xí)慣,將使用交流壓縮機的空調(diào)稱為交流變頻型空調(diào),將使用直流壓縮機的空調(diào)稱為直流變頻型空調(diào)。直流變頻型空調(diào)是指利用微處理器產(chǎn)生PWM(pulsewidthmodulation)信號,然后通過智能功率模塊(smartpowermodule-SPM)對無刷直流電機的輸入電壓進(jìn)行調(diào)壓調(diào)頻控制,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電機氣隙磁場的旋轉(zhuǎn)速度保持同步的控制方式的空調(diào)。直流變頻型空調(diào)器主要的能量消耗在驅(qū)動壓縮機上,直流變頻型壓縮機的驅(qū)動方法有兩種:120°梯形波驅(qū)動和180°正弦波驅(qū)動。180°正弦波驅(qū)動技術(shù)也就是當(dāng)前國際領(lǐng)先的永磁同步電動機無傳感器三相矢量控制技術(shù),目前在國內(nèi)只有個別廠家掌握這項技術(shù)。本文對采用此種控制技術(shù)的直流變頻空調(diào)不作深入探討,只對市場上較為常見的120°梯形波驅(qū)動的直流變頻型空調(diào)進(jìn)行重點研究。2005年3月1日實施的GB/T7725-2004中規(guī)定,制冷季節(jié)能源消耗效率(seasonalenergyefficiencyratio-SEER)是衡量變頻型空調(diào)器在制冷運行時能耗的標(biāo)準(zhǔn)。本文從提高SEER的角度入手,著重分析直流變頻型空調(diào)啟動特性、不同工作頻率的能耗分析及工作頻率的設(shè)定和制冷劑充注量對直流變頻型空調(diào)器性能的影響,并在實驗的基礎(chǔ)上,經(jīng)過總結(jié)歸納,最終得出提高直流變頻型空調(diào)器SEER的方法和規(guī)律,為從事變頻型空調(diào)器研究和開發(fā)的專業(yè)技術(shù)人員提供一些參考。2制冷季節(jié)能耗變頻型空調(diào)器制冷計算時所用性能參數(shù)如表1所示。SEER=CSTLCSTE(1)SEER=CSΤLCSΤE(1)式中CSTE——制冷季節(jié)耗電量CSTL——制冷季節(jié)總負(fù)荷結(jié)合GB/T7725-2004和SEER計算方法及其所需的參數(shù)可以分析得出,在CSTE一定的條件下,盡量增大CSTL可以提高SEER;或者在CSTL一定的條件下,減小CSTE也可以提高SEER。對于直流變頻型空調(diào)器,提高SEER最為有效的措施就是合理地控制和匹配制冷循環(huán)過程,改善每個工作頻率下的能效比(EER),并嚴(yán)格把握制冷劑的充注量。3實驗系統(tǒng)和設(shè)備3.1制器來實現(xiàn)調(diào)節(jié)采用圖1所示的實驗裝置作為被測對象,并采用控制器來實現(xiàn)調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥的開度,從而得到所要測量的過程參數(shù)。被測對象為某一品牌的直流型變頻空調(diào)器,其額定性能數(shù)據(jù)如表2所示。3.2各種排污液見圖1采用了房間型量熱計利用空氣焓值法對直流變頻型空調(diào)器進(jìn)行能力測量實驗(見圖2)。實驗條件依據(jù)GB/T7725-2004的要求設(shè)定,在T1氣候類型制冷工況條件下,室內(nèi)側(cè)干濕球溫度分別為27±1.0℃和19±0.5℃,室外側(cè)干濕球溫度分別為35±1.0℃和24±0.5℃。4結(jié)果與分析4.1空調(diào)啟動過程中頻率段數(shù)對cte運行的影響120°梯形波驅(qū)動的直流變頻型空調(diào)器頻率變化是斷續(xù)的,如圖4所示,一般在整個運行頻率范圍內(nèi)可以分為5段、7段、9段等,根據(jù)不同的要求可以有不同的頻率段劃分。當(dāng)然,頻率段數(shù)越多越接近無級變頻,溫度控制的效果也就越好,舒適性也會相應(yīng)改善。但是,當(dāng)頻率段數(shù)過多時,將造成控制程序復(fù)雜,系統(tǒng)可靠性降低,控制效果反而會變差。因此,頻率段數(shù)應(yīng)該折中選擇,一般選擇5～10段區(qū)間內(nèi)較為適宜。從圖3壓縮機頻率變化曲線可以看出,空調(diào)在啟動過程中經(jīng)歷了三個頻率,且緩慢增大,這就避免了壓縮機突加給定電壓而產(chǎn)生的階躍響應(yīng),延長了壓縮機的使用壽命,也在很大程度上有助于減輕對電網(wǎng)的沖擊,降低啟動能量,減小對電網(wǎng)的污染,從而降低了整個系統(tǒng)的能耗,使得CSTE下降,SEER提高。從圖3電子膨脹閥變化曲線可以看出,該系統(tǒng)在停機時,電子膨脹閥處于關(guān)斷狀態(tài),這樣就阻止了系統(tǒng)中工質(zhì)遷移現(xiàn)象的發(fā)生,即冷凝器中常溫高壓的液體將逐漸流入蒸發(fā)器,使蒸發(fā)器的溫度和壓力都升高。再次開機時,要重新建立壓差也需要消耗壓縮機額外一部分能量。另外,在系統(tǒng)開機的很短時間內(nèi),電子膨脹閥迅速增大到最大,然后再隨壓縮機頻率的變化而變化,這個過程可以避免壓縮機帶載啟動現(xiàn)象的發(fā)生,即在停機的期間為了防止工質(zhì)遷移,電子膨脹閥切斷高低壓側(cè),這雖然維持了蒸發(fā)器的低溫低壓,但再次啟動時,壓縮機處于帶載啟動,電流沖擊大,也會增加能量損失。因此,在實現(xiàn)相同的制冷量的前提下,直流變頻型空調(diào)器的電子膨脹閥控制策略減小了不必要的損耗,使得SEER值變大。4.2定額頻率的選取圖5為直流變頻型空調(diào)器在各個頻率段測得的EER關(guān)系曲線,從該曲線的變化趨勢可看出,當(dāng)工作頻率處于30Hz附近時,系統(tǒng)的EER處于最大值;當(dāng)工作頻率過高或者過低,系統(tǒng)的EER都將下降,而且高頻比低頻下降的幅度要大。因此,這就為提高直流變頻型空調(diào)的性能提出了改進(jìn)的方向,即額定頻率或者中間頻率的選定盡量接近EER最大值處,在保證能在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)變頻的前提下,最大最小頻率的選取盡量靠近中間頻率或者額定頻率,這就會使整個工作頻率范圍內(nèi)的EER均增大,SEER也相應(yīng)的提高。作者對額定頻率分別選定在55Hz和71Hz的SEER進(jìn)行了計算,計算結(jié)果如表2所示。其他工作頻率均已合理地分布在額定頻率兩側(cè)。從表3可以看出,工作頻率的選定對SEER的影響很大,額定頻率選擇較小時,SEER明顯較高,而額定頻率選擇較大時,SEER相對較低。盡管工作頻率的選定對系統(tǒng)性能影響很大,但工作頻率的選擇并不是隨意的,而是要充分考慮其他相關(guān)因素。如果額定頻率設(shè)計的過高,在實際使用中,空調(diào)器雖然在小負(fù)荷條件下室溫控制精度較高,但因大部分時間工作在中、高頻區(qū)域,不僅不能充分利用低頻區(qū)域的高能效比特性,使SEER降低,而且其高頻快速調(diào)溫性能也受到限制;如果額定頻率設(shè)計的過低,空調(diào)器將長時間工作在中、低頻區(qū)域,由于壓縮機有最低頻率的限制,故使啟/停損失增加;另一方面,雖然壓縮機頻率在高頻區(qū)仍有較大變化空間,但工作頻率限制了高頻區(qū)域的有效利用,致使空調(diào)器的快速調(diào)溫特性以及能效受到損失,而且浪費了壓縮機頻率資源。另外,我國地域遼闊,氣候類型復(fù)雜多變,文獻(xiàn)證明同一空調(diào)器在不同溫度帶的地區(qū)具有不同的SEER,文獻(xiàn)論證了不同濕度的地區(qū)空調(diào)器啟/停的損失,盡管直流變頻型空調(diào)器啟/停的次數(shù)相對較少,但是從一個工作頻率段移動至另一個工作頻率段的過程和定頻空調(diào)的啟/停過程是類似的,仍可用文獻(xiàn)的內(nèi)容論證。因此,針對不同的地區(qū)應(yīng)該有不同的工作頻率分配,既要考慮空氣溫度的影響,又要考慮空氣濕度的影響,從而使空調(diào)器具有較高的SEER。4.3充注量的影響圖6給出了系統(tǒng)工作在額定頻率的工況下,制冷劑充注量對空調(diào)性能的影響曲線,由圖可知,系統(tǒng)的制冷量和EER隨著制冷劑充注量的增大呈先增后減的趨勢,且二者均存在著最大值。這也說明對于一個給定系統(tǒng)和工況存在一個最佳充注量,使系統(tǒng)的制冷量和EER都達(dá)到比較理想的狀態(tài)。除此之外,無論是增加還是減少充注量,制冷系數(shù)都要下降。原因是充注量少,過熱度增加,吸氣比容增大、循環(huán)流量和制冷系數(shù)都顯著下降;反之,蒸發(fā)器和冷凝器中的積液增加,相變換熱面積減少,內(nèi)部壓力和壓比增加,導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加,制冷量下降。只有充注量適當(dāng)時,系統(tǒng)中各部件才能實現(xiàn)最佳匹配,獲得高效率。因此,系統(tǒng)制冷劑充注量的確定是提高小型制冷裝置,特別是工況變化大的空調(diào)器性能的關(guān)鍵。無論是變頻型空調(diào)器還是定頻型空調(diào)器,上述結(jié)論都是成立的,如果空調(diào)安裝過程中,嚴(yán)格把握制冷劑的充注量,對整個系統(tǒng)的SEER將會有顯著的改善。5系統(tǒng)的充注量(1)通過分析直流變頻型空調(diào)器的啟動特性可以看出,直流變頻型空調(diào)器的啟動過程中減少了不必要的損失,具有較好的節(jié)能效果。(2)實驗測得了系統(tǒng)工作在不同頻率下的EER,并做出了EER隨工作頻率的變化曲線。根據(jù)此曲線可以為變頻型空調(diào)的工作頻率設(shè)定提供理論指導(dǎo)。并在參考大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,總結(jié)出不同的地域