變頻空調(diào)器性能影響因素的正交試驗研究

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 西安 710000）

引言

近年來，隨著經(jīng)濟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)更是因為人們提供舒適環(huán)境和節(jié)能效果得到市場的認可。變頻空調(diào)最大的優(yōu)勢在于根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境溫度的變化進行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié)，不在以固定不變的頻率、轉(zhuǎn)速運行，給人們帶來更舒適和節(jié)能的使用體驗[2]。然而變頻系統(tǒng)的性能受到室內(nèi)外環(huán)境、壓縮機頻率、室內(nèi)外風機轉(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。因此對變頻系統(tǒng)最優(yōu)運行參數(shù)的研究是至關(guān)重要的。

變頻空調(diào)可調(diào)節(jié)參數(shù)為壓縮機頻率、室內(nèi)風機轉(zhuǎn)速、室外風機轉(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，亦或是多因素進行全面分析，利用大量實驗的實驗才能得到相應(yīng)的結(jié)果。

本文選擇室內(nèi)環(huán)境溫度、壓縮機頻率、室內(nèi)風機轉(zhuǎn)速、室外風機轉(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系統(tǒng)性能的影響。采用正交試驗的方法，并通過設(shè)計得到的正交表來進行實驗，最后通過正交分析得出各個因素對空調(diào)器性能參數(shù)的影響程度以及最佳參數(shù)組合。

1 試驗測試

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

本文選取了一套熱泵型變頻房間空調(diào)器為研究對象，額定能力為5 600 W。在室外溫度為35 ℃時，選擇系統(tǒng)所考察的5個因素（室內(nèi)溫度Tn、壓縮機頻率Fr、內(nèi)風機轉(zhuǎn)速Nn、外風機轉(zhuǎn)速Nw、膨脹閥開度Lr）作為研究對象，其中根據(jù)系統(tǒng)各參數(shù)常用的運行范圍作為各因素的取值范圍（見表1），其中壓縮機頻率運行的范圍20～90 Hz，內(nèi)風機轉(zhuǎn)速范圍750～1 300 rpm，對內(nèi)機而言，750屬于超微風，890屬于中風，1 200是高風，而1 300 rpm是樣機運行強勁風時的轉(zhuǎn)速。外風機轉(zhuǎn)速范圍為450～850，450屬于超微風、700中風、800是高風，850是強勁風。電子膨脹閥的范圍是根據(jù)樣機正常運行允許調(diào)節(jié)的范圍80～400，不同的膨脹閥開度對系統(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），本實驗共需進行25組實驗。相對于全方面實驗55=3 125次，實驗次數(shù)大幅度減少，節(jié)約了大量的人力和實驗資源投入。

2 正交實驗數(shù)據(jù)分析

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

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

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值的最大值與最小值之間的差值，極差的大小反映了實驗中各個因素影響的大小，極差大表明該因素對實驗結(jié)果的影響大，是主要因素；反之，極差小表明該因素對實驗影響小[4]。本測試實驗中，Ki值表示任一列上水平號i（本文中i=1，2，3，4，5）所對應(yīng)實驗結(jié)果之和算術(shù)平均值，極差R 表示在任一列（單個影響因素）對應(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、壓縮機頻率Fr、內(nèi)風機轉(zhuǎn)速Nn、外風機轉(zhuǎn)速Nw、膨脹閥開度Lr對制冷量的影響。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，這是因為室內(nèi)溫度升高會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，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)制冷量的變化對不同因素的敏感度不一樣，其變化趨勢也略有不同。

圖2展示了各因素對制冷能效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逐漸變緩；EER隨著室內(nèi)風機轉(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，在達到800轉(zhuǎn)以上達到最高，后面趨勢略微下降；電子膨脹閥的開度變化對EER的影響是EER先隨著Lr增大而后減小，說明系統(tǒng)在該工況下運行時存在一個最佳開度。

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

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

圖1 各因素對制冷量的影響程度

圖2 各因素對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)對比

3 運行參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述，頻率是對系統(tǒng)制冷量和能效的最大影響因子，能力在達到77 Hz左右可以達到額定能力，本文對系統(tǒng)的運行參數(shù)進性調(diào)整，外風機轉(zhuǎn)速在800左右存在最佳轉(zhuǎn)速，電子膨脹閥在150步存在一個最佳開度。因此選擇運行參數(shù)77-1050-800-150（分別對應(yīng)壓縮機頻率-內(nèi)風機轉(zhuǎn)速-外風機轉(zhuǎn)速-電子膨脹閥開度）進行作為優(yōu)化后的運行參數(shù)進行測試，得到優(yōu)化前和優(yōu)化后測試數(shù)據(jù)見表3。優(yōu)化前系統(tǒng)自動運行的參數(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)化后的運行參數(shù)在保證制冷量輸出的同時提升系統(tǒng)能效。

4 總結(jié)

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

1）壓縮機頻率對制冷量和能效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)風機轉(zhuǎn)速。而相對而言，室外風機轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度對制冷量和能效EER的影響程度較低。

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

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