黃志剛 馮靜婭 黎順全

（1.廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311； 2.西安交通大學(xué) 西安 710000）

引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)和人們生活水平的不斷提升，人們更傾向于選擇節(jié)能、綠色、高效的產(chǎn)品[1]。其中變頻空調(diào)更是因?yàn)槿藗兲峁┦孢m環(huán)境和節(jié)能效果得到市場(chǎng)的認(rèn)可。變頻空調(diào)最大的優(yōu)勢(shì)在于根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境溫度的變化進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié)，不在以固定不變的頻率、轉(zhuǎn)速運(yùn)行，給人們帶來更舒適和節(jié)能的使用體驗(yàn)[2]。然而變頻系統(tǒng)的性能受到室內(nèi)外環(huán)境、壓縮機(jī)頻率、室內(nèi)外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度等多因素的綜合影響，以不同的參數(shù)組合運(yùn)行，變頻系統(tǒng)將表現(xiàn)不一樣的性能，能力、能效差距較大。因此對(duì)變頻系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)的研究是至關(guān)重要的。

變頻空調(diào)可調(diào)節(jié)參數(shù)為壓縮機(jī)頻率、室內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度，加上室內(nèi)環(huán)境溫度、室外環(huán)境溫度，以往很多針對(duì)單因素研究往往忽略了各因素之間的耦合作用，亦或是多因素進(jìn)行全面分析，利用大量實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)才能得到相應(yīng)的結(jié)果。

本文選擇室內(nèi)環(huán)境溫度、壓縮機(jī)頻率、室內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度作為影響因子，變頻空調(diào)的制冷量和能效EER作為輸出結(jié)果來分析各因子組合對(duì)系統(tǒng)性能的影響。采用正交試驗(yàn)的方法，并通過設(shè)計(jì)得到的正交表來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后通過正交分析得出各個(gè)因素對(duì)空調(diào)器性能參數(shù)的影響程度以及最佳參數(shù)組合。

1 試驗(yàn)測(cè)試

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Orthogonal experimental design）是根據(jù)正交性從遍歷全面的試驗(yàn)中挑選有代表性的因素點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，是一種研究多水平多因素的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，具備了齊整可比、均勻分散的特點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、快速的科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[3]。

本文選取了一套熱泵型變頻房間空調(diào)器為研究對(duì)象，額定能力為5 600 W。在室外溫度為35 ℃時(shí)，選擇系統(tǒng)所考察的5個(gè)因素（室內(nèi)溫度Tn、壓縮機(jī)頻率Fr、內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速Nn、外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速Nw、膨脹閥開度Lr）作為研究對(duì)象，其中根據(jù)系統(tǒng)各參數(shù)常用的運(yùn)行范圍作為各因素的取值范圍（見表1），其中壓縮機(jī)頻率運(yùn)行的范圍20～90 Hz，內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍750～1 300 rpm，對(duì)內(nèi)機(jī)而言，750屬于超微風(fēng)，890屬于中風(fēng)，1 200是高風(fēng)，而1 300 rpm是樣機(jī)運(yùn)行強(qiáng)勁風(fēng)時(shí)的轉(zhuǎn)速。外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為450～850，450屬于超微風(fēng)、700中風(fēng)、800是高風(fēng)，850是強(qiáng)勁風(fēng)。電子膨脹閥的范圍是根據(jù)樣機(jī)正常運(yùn)行允許調(diào)節(jié)的范圍80～400，不同的膨脹閥開度對(duì)系統(tǒng)的節(jié)流產(chǎn)生較大的影響。

利用常規(guī)的L25(55)正交表，每個(gè)因素在各自允許的取值范圍內(nèi)分為5水平，帶入正交表（見表2），本實(shí)驗(yàn)共需進(jìn)行25組實(shí)驗(yàn)。相對(duì)于全方面實(shí)驗(yàn)55=3 125次，實(shí)驗(yàn)次數(shù)大幅度減少，節(jié)約了大量的人力和實(shí)驗(yàn)資源投入。

2 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過上述的正交試驗(yàn)表格進(jìn)行在焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，得到各組合運(yùn)行參數(shù)條件下的系統(tǒng)制冷量和能效數(shù)據(jù)。由于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)將各個(gè)因素綜合起來考慮，每組試驗(yàn)條件完全不同，因此在分析各因素各水平的影響時(shí)，也需要將實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合起來比較。本文極差分析法來對(duì)各因素與制冷量、EER的變化關(guān)系以及各因素對(duì)制冷量、EER的影響程度進(jìn)行分析。

表1 性能影響因素的取值范圍和水平

表2 L25(55)正交表設(shè)計(jì)

極差分析法是一種直觀分析法，極差是指各因素在不同水平下的指標(biāo)值的最大值與最小值之間的差值，極差的大小反映了實(shí)驗(yàn)中各個(gè)因素影響的大小，極差大表明該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響大，是主要因素；反之，極差小表明該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)影響小[4]。本測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，Ki值表示任一列上水平號(hào)i（本文中i=1，2，3，4，5）所對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和算術(shù)平均值，極差R 表示在任一列（單個(gè)影響因素）對(duì)應(yīng)最大K值和最小K值的差。公式如下：

圖1展示了室內(nèi)溫度Tn、壓縮機(jī)頻率Fr、內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速Nn、外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速Nw、膨脹閥開度Lr對(duì)制冷量的影響。從圖1可以看出，室內(nèi)環(huán)境溫度升高，正交分析時(shí)只考慮室內(nèi)環(huán)境因素變化的前提下，平均制冷量隨著Tn的增加而增加，這是因?yàn)槭覂?nèi)溫度升高會(huì)增加換熱溫差有助于室內(nèi)換熱，從而提高制冷量。頻率的增加制冷量也同樣增加，同時(shí)，制冷量也隨著室內(nèi)轉(zhuǎn)速增加而增加。但從圖中也可以看出，平均制冷量隨著室外轉(zhuǎn)速增加的幅度不大，隨著電子膨脹閥開的增加反而略微下降。這反映了空調(diào)系統(tǒng)制冷量的變化對(duì)不同因素的敏感度不一樣，其變化趨勢(shì)也略有不同。

圖2展示了各因素對(duì)制冷能效EER的影響。從圖中可以得到系統(tǒng)的EER隨著室內(nèi)環(huán)境溫度的升高而升高；EER隨著頻率的升高而降低且降低趨勢(shì)逐漸變緩；EER隨著室內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高EER逐漸提高，提高速度逐漸變緩；EER隨著室外轉(zhuǎn)速的提高而提高，在達(dá)到800轉(zhuǎn)以上達(dá)到最高，后面趨勢(shì)略微下降；電子膨脹閥的開度變化對(duì)EER的影響是EER先隨著Lr增大而后減小，說明系統(tǒng)在該工況下運(yùn)行時(shí)存在一個(gè)最佳開度。

各因素對(duì)制冷量和能效的影響程度的大小用能力極差進(jìn)行衡量。各因素的對(duì)制冷量的能力極差見圖3。從圖3中可以看出，對(duì)制冷量影響最大的是頻率，其次是室內(nèi)環(huán)境溫度，往后依次是室內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度和室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。從圖4中可以看出，對(duì)能效EER影響最大的是頻率，其次是室內(nèi)環(huán)境溫度，往后依次是室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、室內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥開度。

綜合上述正交分析，對(duì)制冷量和EER影響最大的兩個(gè)因素是壓縮機(jī)頻率和室內(nèi)環(huán)境溫度。因此系統(tǒng)在做優(yōu)化控制時(shí)，需要重點(diǎn)考慮的可調(diào)節(jié)參數(shù)是壓縮機(jī)頻率，然后才是室內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度和室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速這幾項(xiàng)參數(shù)。

圖1 各因素對(duì)制冷量的影響程度

圖2 各因素對(duì)EER的影響程度

圖3 各因素的能力極差

圖4 各因素的EER極差

表3 優(yōu)化前和優(yōu)化后系統(tǒng)性能表現(xiàn)對(duì)比

3 運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述，頻率是對(duì)系統(tǒng)制冷量和能效的最大影響因子，能力在達(dá)到77 Hz左右可以達(dá)到額定能力，本文對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)性調(diào)整，外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在800左右存在最佳轉(zhuǎn)速，電子膨脹閥在150步存在一個(gè)最佳開度。因此選擇運(yùn)行參數(shù)77-1050-800-150（分別對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)頻率-內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速-外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速-電子膨脹閥開度）進(jìn)行作為優(yōu)化后的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，得到優(yōu)化前和優(yōu)化后測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。優(yōu)化前系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的參數(shù)為81-1050-750-350，優(yōu)化后能力提升了1.6 %，但能效EER提升了7.8 %，說明優(yōu)化后的運(yùn)行參數(shù)在保證制冷量輸出的同時(shí)提升系統(tǒng)能效。

4 總結(jié)

本文通過正交試驗(yàn)方法對(duì)變頻空調(diào)性能的影響因素進(jìn)行研究，得到結(jié)論如下：

1）壓縮機(jī)頻率對(duì)制冷量和能效EER的影響程度最為顯著，其次是室內(nèi)環(huán)境溫度和室內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。而相對(duì)而言，室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度對(duì)制冷量和能效EER的影響程度較低。

2）變頻空調(diào)系統(tǒng)不同組合的運(yùn)行參數(shù)下，其系統(tǒng)性能不一樣，系統(tǒng)存在一個(gè)最優(yōu)的參數(shù)組合，對(duì)EER而言，在其他參數(shù)固定的情況，系統(tǒng)存在一個(gè)最佳開度和最佳室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使得能效最優(yōu)。

3）本文利用優(yōu)化后的參數(shù)運(yùn)行，保證制冷量輸出的同時(shí)提升系統(tǒng)能效7.8 % 。