2024年4月12日发(作者：)
变频房间空调器和定速空调器开机特性的
动态仿真和比较
西安建筑科技大学 孟岩勇 南晓红 闫秋会
摘要：针对海信KFPR-35GW型变频房间空调器，利用SIMULINK语言建立了变频空调系统
和定速空调系统的动态仿真数学模型，分别模拟了变频空调器和定速空调器的开机特性，
根据模拟的结果比较了二者开机过程的能耗和房间的热舒适性。在开机过程中，定速空调
器的平均COP比变频空调器提高了37.15%，但是空调房间的温度由30℃降至27℃ 变频
空调器比定速空调器少用了204秒，提高了空调房间开机的热舒适性。
关键词：动态仿真 变频空调器 能耗 热舒适性
主 要 符 号 表
P： 压力（Pa）、电动机的磁极数
f
： 电动机的供电频率（Hz）
n
： 电动机的转速（r/min）
s
： 电动机的转差率
： 空气的导热系数、压缩机的输气系数
V
th
：压缩机的理论输气量（m/s）
3
R
： 压缩机气缸内半径（m）
N
th
：压缩机理论功率(kW)
K
c
：冷凝器的总传热系数（kW/(m·K)）
k
： 压缩过程的多变指数
2
L
： 毛细管的长度（m）
h
： 单位质量制冷剂的焓 （kJ/㎏）
Q
c
： 冷凝器的冷凝负荷（kW）
C
ca
：空气比热容（kJ/（kg·K））
F
c
： 冷凝器的总换热面积（m）
C
w
：单位管长的比热容（kJ/K）
2
out
：管外侧的平均表面传热系数（kW/(m·K)）
el
：电效率
2
in
： 管内侧的平均表面传热系数（kW/(m·K)）
Q
e
：制冷量（W）
2
t
w
、
t
n
：室内、外的空气温度（℃）
Q
in
：房间设备的散热量（W）
w
： 墙体外表面的表面传热系数（W/（m·K））
2
1 引言
空调器作为一种能够改善人们生活和工作环境的设备现已逐渐成为人们日常生活中
的必需品，由于空调耗能逐年增大，据统计，2004年我国家用空调的耗电量为400亿kW/h
[1]
以上，空调的节能研究已成为重点研究问题之一。变频空调器由于节能、舒适等优点也
[2]
正在受到人们的青睐。关于变频空调器节能的研究，前人已做过不少工作，国外Liles
在环境实验中对一台使用变频电源供电的热泵性能进行了试验研究，获得了不同供电频率
下热泵的COP值随室外温度的变化曲线，从中得出了变频热泵可取得20～30%的节能效果；
[3]
国内郭宪民等建立了定速风冷小型空调器模型，分析了空调器在启、停过程中的能量损
失。指出使用启、停机来调节室内温度，其损失是相当大的，且能量损失随着启停频率而
增大。本文利用SIMULINK语言分别建立变频空调器和定速空调器动态数学模型、室外温
度变化模型、变频控制模型及空调房间动态数学模型，耦合四个模型，建立了完整的变频
空调系统和定速空调系统动态仿真数学模型，对变频空调器和定速空调器开机特性进行模
拟，预测了各自的启动特性。
1
2 模型的建立
本文中空调系统的建模分为三部分：空调制冷系统的建模、空调房间模型的建立和空
调系统控制策略的建模。
2.1 空调制冷系统的建模
空调制冷系统的建模主要是换热两器（蒸发器和冷凝器）、压缩机和毛细管模型的建立。
2.1.1 压缩机模型的建立
[4～5]
本文以滚动转子式压缩机为研究对象建立数学模型。
压缩机的转速与供电频率的关系：
n
120f(1s)
（1）
P
压缩机制冷剂质量流量：
m
com
V
th
v
suc
（2）
k1
PkP
ec
压缩机的功率：
N
th
V
th
[()
k
1]
（3）
(k1)
el
P
e
2.1.2 毛细管模型的建立
毛细管的时变效应远高于换热器，因此可以忽略其时变效应。毛细管建模采用稳态模
型，可用集中参数法建立模型。模型中忽略一些次要因素，作以下假设：
（1）毛细管内制冷剂的流动为绝热流动；
（2）制冷剂在毛细管中流速很高，气、液两相混合均匀，因此不考虑相间滑移现象；
（3）毛细管很细，可视为一维的轴向流动；
（4）毛细管的内径一致，内部的粗糙度也一致，对模拟计算的影响忽略不计。
毛细管内的制冷剂流量可表述成下式：
[6]
p
q5.4410
3
L
2.1.3 两器模型的建立
0.571
d
2.71
（4）
换热器的实际工作过程是一个很复杂的过程，因此建立换热器的数学模型时有必要对
冷凝器进行简化，保留其主要的和起支配作用的因素，忽略次要的因素，使之能用最少的
参数，最简化的形式来描述对象的特点，并确保系统的稳定性。基于上述的简化原则，在
[4]
建立换热器的数学模型时，采用如下假设：
（1） 认为换热管内工质为均相饱和模型，工质不可压缩，装置中为纯工质且其中的工质
充注量变化很小。
（2） 冷凝器内制冷剂和管外空气在某一瞬时均视为一维、稳态流动，且管内制冷剂和管
外的空气逆流换热。
（3） 换热管内、外截面面积沿管长保持不变。
（4） 只考虑制冷剂和管壁，管壁和管外空气的热量交换，忽略换热管的轴向导热。
（5） 忽略不凝性气体、空气和润滑油的影响。
（6） 忽略换热管内制冷剂的压力的变化。
2
（7） 制冷剂侧的能量方程：
M
c,r
dh
c,r
d
m
c,r
(h
c,r1
h
c,r2
)Q
c
(5)
管壁的能量方程：
C
w
dT
w
in
F
in
(T
r
T
w
)
out
F
out
(T
w
T
air
)
(6)
d
d
T
c1
T
c2
()Q
c
C
ca
m
ca
(T
c2
T
c1
)
(7)
d
2
空气侧的能量方程：
C
ca
M
ca
2.2 空调房间建模
模拟房间的所在地区为西安市，房间的尺寸大小：长×宽×高：8×4×3.3m；外墙：
240㎜厚砖墙，内外粉刷；内墙：120㎜厚砖墙，两面粉刷；屋顶：120㎜现浇钢筋混凝
土板；外窗：3㎜厚天蓝色吸热玻璃钢窗，按作息时间开启且内挂浅色窗帘。
房间空调负荷计算时按三班制度工作模式，早中班4人，晚班2人，室内日光灯和镇
流器以及四支60W的白灯，晚上20点至早上8点连续使用12小时，室内设有一台500W
办公设备，也是连续使用。
采用动态集中参数法建立房间数学模型,房间的热力学模型可表述成如下形式：
[7]
(C
0
a
c
p
V)
dt
n
（8）
w
A
w
(t
w
t
n
)Q
in
Q
e
d
2.3 变频空调系统控制策略的建模
变频空调系统的控制策略由两部分组成，分别是：启动频率和运行频率，当变频空调
[8]
器通电运行时，压缩机的启动运行频率由室外环境温度确定，见下表：
表1 制冷频率变化表
室外温度（℃）
制冷启动频（Hz）
5～15
28
15～20
35
20～25
40
25以上
44
（1）压缩机运行频率由启动频率f
1
加上室内温度与设定温度之差dT= T
s
-T
n
来决定。室内
温度传感器每隔一分钟检测一次dT。压缩机当前的运行频率与上一时刻的运行频率关系
如下：
f
n
=f
n-1
+3dT 0≤dT≤3
其中f
n
应保证大于最小频率，小于最大频率。
（2）当室内温度高于设定温度3℃以上时，为了使室温达到设定温度，压缩机全速运转，
即以最高频率运行不下降。
（3）当室内温度低于设定温度1℃以上时，压缩机以最低频率运转不上升。
3 模型的耦和
变频空调器运行过程中性能受到室外环境、室内热湿负荷变化等多种干扰因素的影
响，这是一个多变化、多参数耦合的动态过程，因此房间的变频空调系统应是制冷模型、
房间的热力学模型、空调自控模型和室内、外环境模型的耦合的系统。基于上述分析房间
变频空调系统的耦合关系如图1。
3
空气
质量
流量
室外
空气
温度
变频控制
系统
房
间
内
空
气
温
度
压缩机频率
制冷剂出口焓
压缩机
蒸
发
器
出
口
焓
蒸
发
器
出
口
压
力
制冷剂质量流量
冷凝器
冷
凝
器
出
口
压
力
冷
凝
器
出
口
焓
房间模型
室外
空气
温度
制冷量
制冷剂质量流量
蒸发器
空气
质量
流量
制冷剂出口焓
毛细管
房间内空气温度
图1变频空调系统模型耦合图
系统仿真从压缩机开始，通过压缩机模型计算出制冷剂出压缩机的状态参数和制冷
剂的质量流量，将其作为冷凝器的输入参数，接着运行冷凝器模型，计算出制冷剂出冷
凝器的压力和比焓，并将其输入到毛细管模型中，在毛细管中近似认为是一个等焓的过
程，由输入的参数计算毛细管内的制冷剂的质量流量，把计算得到的制冷剂流量和制冷
剂比焓输入到蒸发器模型，在蒸发器模型中主要的输出参数是制冷量。蒸发器模型计算
得到的制冷量输入房间的热力学模型，通过运行房间的程序得到了房间内温度。最后把
房间的温度输入到空调系统的控制模型中，运行空调系统的控制模型，得到下一时刻制
冷压缩机的运行频率，送入压缩机，完成一个时间步长的循环。如此周而复始的循环就
可以模拟单位时间内变频空调系统的运行情况。
4 实验验证
[9]
本文对比试验数据源自文献。试验对象为KFPR-35GW型变频房间空调器，试验的室
内、外参数如表2所示。在固定频率下的标准制冷运行时的试验值与制冷仿真值比较见表
3。
表2 变频房间空调器试验工况
功率 风量
工 况
室外
标准制冷工况
室内
干球温度（℃） 湿球温度（℃） 名义制冷量（W）
35
27
24
3500
19
表3 试验值与模拟值比较
（W） （m
3
/h）
1600
1185
560
名 称
压缩机功率（W）
房间空调器制冷量（W）
冷凝压力（MPa）
蒸发压力（MPa）
压缩机排气温度（℃）
翅片式冷凝器出口空气温度（℃）
翅片式蒸发器出口空气温度（℃）
试验测试值
1315
3111
1.712
0.76
89.6
42.4
12.3
仿真计算值
1322
2975
1.761
0.79
88.57
42.77
11.67
仿真误差
5%
-4.4%
2.9%
4%
-1.2%
1%
-5.1%
由表3可以看出制冷系统的各主要参数的仿真误差都在10%以内，表明本文所建立的
变频空调系统动态数学仿真模型正确，可以用以模拟变频空调系统动态运行的特性。
4
5 开机模拟
定速空调系统模型主要靠启、停机来调节温度，在开机过程中定速空调系统会保持固
定频率运行，在相同的室内、外环境下运行变频空调动态仿真模型和定速空调动态仿真模
型，定速空调器的频率取50Hz,变频空调器的启动频率44Hz，室内的初始温度设为30℃，
当室内温度由30℃降至27℃停止运行，计算分析在此时间过程中变频空调系统和定速空
调系统各自所用的时间、系统的制冷量、压缩机耗费的功率及其他系统参数随时间的变化
情况
[10]
。
图2变频空调器与定频空调器开机频率 图3 变频空调器与定频空调器制冷量
图4变频空调器与定频空调器压缩机功率 图5变频空调器与定频空调器COP
图6 空调房间温度的变化
5
由图2可见在开机过程中，变频空调器的频率由44Hz迅速升高到120Hz，当房间的
温度降至指定的温度后，维持低频运行；定速空调器在开机过程中一直保持开机频率50Hz
不变；图3、4、5可见在此过程中变频空调器的制冷量、压缩机的功耗都随着频率先增大
后减小，而系统的COP却随着频率的先减小而后增大；定速空调器的制冷量、压缩机功耗
和系统的COP都是先增大而后几乎维持不变。整个开机过程，由模拟可知变频空调器的总
制冷量Q
v
=1285kJ，压缩机总功耗W
v
=639kJ，平均COP=Q
v
/W
v
≈2.011；定速空调器的总制
冷量Q
c
=1379kJ，压缩机总功耗W
c
=431kJ，平均COP= Q
c
/W
c
≈3.20。图6显示了变频空调
器和定速空调器分别使空调房间温度由30℃降至27℃所用的时间。由图可见空调房间温
度由30℃降到27 ℃，变频空调器用了356秒，定速空调器用了560秒。
6 结论
本文利用SIMULINK语言建立了空调器的动态仿真数学模型，对变频房间空调器和定
频空调器开机过程进行了模拟，得出如下结论。
⑴ 在开机过程中，变频空调器频率由开机频率44Hz变到最大120Hz，定速空调器维持开
机频率50Hz不变；在开机过程中，变频空调器的总制冷量为1285kJ，功耗为639kJ，平
均COP=2.011；定速空调器的总制冷量为1379kJ，功耗为431kJ，平均COP=3.20，二者相
比，在开机过程中定速空调器的平均COP提高37.15%，节能48%。
⑵ 在开机过程中，虽然变频空调系统比定速空调系统多消耗了能量，但是变频空调系统
提高了房间的热舒适性，房间温度由30℃降至27℃，变频空调器用了356秒，而定速空
调器用了560秒，二者相比，变频空调器少用了204秒。模拟研究表明开机过程中，变频
空调器虽然减少了空调房间的降温时间，但却多消耗了能量，并不节能。这说明开机过程
中变频空调器的节能特性并没有表现出来，对于变频空调器的节能问题则应对其长时间运
行特性进行研究。
参考文献
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[2] . Variable Frequency Modulation Versus Line Frequency Operation of
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[3] 郭宪民，王成生，徐建峰等.空调器启停过程动态数值模拟及启停损失分析.天津商
学院学报，2004，24（3）：5-10
[4] 丁国良，张春路.制冷空调装置仿真与优化.
北京：
科学出版社，2001
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北京：
科学出版社，2002
[6] 张祉祐.制冷原理与制冷设备.
北京：
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[8] 周兴禧，陈武，夏清等.双联变频空调系统控制方法的仿真.上海交通大学学报，2002，
36（10）：1388-1392
[9] 赵蕾.变频空调房间空调器的工质替代及动态特性研究.西安建筑科技大学博士学位
论文，2001
[10] 孟岩勇.基于SIMULINK的变频房间空调器制冷动态特性研究.西安建筑科技大学硕士
论文，2006
6
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