空调作为现代家庭的必需品,其市场需求持续旺盛。近年来,随着节能减排、低碳生活理念深入人心,具有显著节能优势的变频空调异军突起,市场占有率从2015年的38%跃升至2021年的67%[1],成为行业增长的主要驱动力。与此同时,传统的定频空调也在不断改进,两类产品呈现差异化竞争态势。那么,变频和定频的本质区别是什么?
空调作为现代家庭的必需品,其市场需求持续旺盛。近年来,随着节能减排、低碳生活理念深入人心,具有显著节能优势的变频空调异军突起,市场占有率从2015年的38%跃升至2021年的67%[1],成为行业增长的主要驱动力。与此同时,传统的定频空调也在不断改进,两类产品呈现差异化竞争态势。那么,变频和定频的本质区别是什么? 本文我们一起来探讨下。
变频,顾名思义,就是改变电源频率,进而调节电机转速的一种控制技术。传统空调采用市电固定频率(50Hz)驱动压缩机,转速恒定,输出功率难以根据负荷变化,属于定频控制。
变频空调采用变频器将市电转换成可变频率(0-100Hz)交流电,通过调节压缩机频率实现冷量的无级调节,属于变频控制[2]。
目前,变频器多采用电压型PWM(脉宽调制)技术,通过IGBT功率器件的开关组合,将直流电变换为幅值和频率可控的交流电,驱动空调压缩机以不同频率运行。
定频空调通过温控器设定目标温度,当室温高于设定值时,压缩机全速运转制冷;当室温达到设定值时,压缩机停机,风机继续送风,直到室温回升到一定范围,压缩机再次启动[3]。这种全开/全停的粗放控制模式,不仅温度波动大,影响舒适性,而且压缩机反复启停,能耗大,噪音高,还易引发电网冲击。
变频空调则通过变频器持续调节压缩机频率,使输出冷量与房间负荷动态匹配。当室温高于设定值时,压缩机高频运转,提供大冷量;随着室温逐渐接近目标值,压缩机频率降低,输出冷量减小;当室温稳定在设定值时,压缩机以较低频率维持恒温运行[4]。这种平滑的比例积分(PI)控制,有效抑制了温度波动,减少了启停次数,显著提高了舒适性和能效比。
定频空调采用传统的"DOL"直接启动,当压缩机停机一段时间后,由于冷凝器中的高温高压制冷剂液化流回蒸发器,使蒸发压力升高,与冷凝压力之差减小,压缩机启动阻力变大。此时若直接用工频电启动,电流可达额定电流的4-7倍,产生较大的启动转矩冲击,加剧压缩机磨损[5]。同时,启动电流的骤升易引起电网电压骤降,影响其他用电设备。因此,定频空调通常配备启动继电器,采取Y-△启动等降压启动,以限制涌入电流。
变频空调得益于变频调速技术,可实现压缩机的无冲击柔性启动。变频器内置的软启动电路,可在0.1s内将频率从0-50Hz线性加速,使压缩机平稳起动,启动电流仅为额定电流的1.2倍左右[6]。同时,变频器还具有功率因数校正(PFC)、制动斩波等功能,进一步优化启动性能,减轻对电网的冲击。丹佛斯推出的VLT变频器,采用矢量控制算法,可根据压缩机负载实时调节 V/F,实现恒转矩软启动,并内置模糊逻辑控制器,能根据环境温湿度等参数自适应调节,使启动过程更加平稳可靠[7]。
传统的定频空调多采用R22等氟利昂类制冷剂,但这类物质会破坏臭氧层、加剧温室效应,已被《蒙特利尔议定书》列为"controlledsubstance"。为减少有害物质排放,定频空调开始向R410a、R32等环保型制冷剂过渡[8]。然而这些新型工质GWP(全球变暖潜值)、压力、循环焓差等性能参数与传统工质差异较大,需要对压缩机、热交换器等进行重新匹配设计,对生产工艺难度和成本提出了更高要求。
变频空调由于可实现宽频调速,运行压力温度范围大,对制冷剂的物性适应性强。目前主流的R32、R410a等工质,在变频压缩机上均能稳定高效运行[9]。值得一提的是,变频空调还可较好匹配R290等天然工质,这类物质ODP为零,GWP极低,有助于空调产品的低碳化、环保化发展,但其可燃性对系统密封性提出了更高要求,目前主要应用于小型变频空调器。未来,随着合成新工质的不断问世,变频空调有望率先完成绿色升级换代。
定频空调的送风方式分为直流和交流两类,即风机匀速吹出冷风,或周期性地切换送冷/送暖风。但其输出冷量主要由压缩机排气量决定,排气量则取决于转速。由于交流电源频率恒定,定频压缩机转速难以调节,输出冷量不能根据房间负荷的动态变化而调整[10]。尤其是在小负荷工况下,定频空调常因冷量过剩而频繁启停,能源浪费严重。
变频空调可通过调节压缩机频率,实时改变排气量,使输出冷量与房间热负荷匹配。以丹佛斯DVS系列涡旋压缩机为例,在15-150Hz范围内,冷量可实现10-100%的无级调节[11]。尤其在小负荷时,变频压缩机可低频运转,避免过冷和频繁启停,有效适应房间热负荷的动态波动,提高了能源利用率。此外,变频空调还可搭配变频风机,通过改变送风量进一步优化舒适性、灵活性。
从上述技术对比可以看出,变频空调在节能性、舒适性、环保性等方面具有明显优势,代表了行业的发展方向。这也反映在空调市场的销售数据上:2021年,变频空调的零售量占比67%,销售额占比高达78%[12],在高端市场更是一枝独秀。预计到2025年,变频空调的市场渗透率将超过75%[13]。
相比之下,定频空调虽然能效、舒适性不如变频,但胜在技术成熟、价格便宜,尤其中低端机型具有较高性价比,仍受到普通消费者的欢迎。2021年,定频空调零售量占比33%,销售额占比22%,主要集中在一二级能效产品上[14]。未来,随着节能惠民、家电下乡等补贴政策的深入,定频空调有望进一步巩固低端市场,短期内不会被完全替代。
参考文献:
[1] 2021年中国家用空调行业市场分析报告.智研咨询,2022.
[2] 陈钟毅.变频空调器原理与设计.北京:机械工业出版社,2007.
[3] 邹继生.空调器原理与维修.上海:上海科学技术出版社,2004.
[4] 李珂,王磊.变频空调的控制策略研究.制冷与空调,2018,32(02):37-41.
[5] GB/T 7725-2004,房间空气调节器.
[6] 丹佛斯.变频器在空调系统中的应用.丹佛斯应用指南,2012.
[7] 丹佛斯.VLT? HVAC Drive FC 102.丹佛斯产品手册,2020.
[8] 王英辉.制冷空调用制冷剂替代技术现状及展望.制冷与空调,2021,35(01):1-11.
[9] 杨世铭,陶文铨.传热学.北京:高等教育出版社,2006.
[10] 朱家良.制冷原理与设备.北京:中国建筑工业出版社,2001.
[11] 丹佛斯.涡旋压缩机-商用空调.丹佛斯产品选型手册,2018.
[12] 2021年中国变频空调行业市场分析报告.智研咨询,2022.
[13] 2021-2027年中国变频空调行业市场需求预测与投资战略规划分析报告.前瞻产业研究院,2021.
[14] 2021年中国定频空调行业发展回顾与展望分析报告.中商产业研究院,2022.
