基于用戶使用場景下的冰箱節(jié)能控制策略探索

郭立芝 尚殿波 崔培培 鄧萍萍

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

冰箱是一個長期通電運行的電器，其耗電量在家庭總用電中所占比例較大，因此各電冰箱大國都制定了電冰箱能耗標準，并頒布實施了能耗等級制度，指導(dǎo)和促進冰箱生產(chǎn)企業(yè)研究應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，并引導(dǎo)消費者購買耗電量相對較小的產(chǎn)品。典型的能耗等級制度有中國、歐盟、澳大利亞、美國等國家或地區(qū)的電冰箱能效等級制度，冰箱能效等級及耗電量已成為消費者在決策購買冰箱過程中的重要的參考依據(jù)。

中華人民共和國國家標準GB/T 8059-2016《家用和類似用途制冷器具》[1]對耗電量的定義為：制冷器具在指定的時間段或指定的運行下，所消耗的能量，單位：kWh。該耗電量為銘牌標識中的標準耗電量，也是在冰箱穩(wěn)定狀態(tài)下所測得到的實驗室數(shù)據(jù)。行業(yè)內(nèi)，基本是圍繞該指標進行制冷系統(tǒng)和控制策略優(yōu)化并進行固化。

實際用戶使用過程中，控制策略若未能與使用情況匹配，冰箱能耗則偏離最優(yōu)控制策略而導(dǎo)致實際能耗有較大的偏差，行業(yè)內(nèi)也有相應(yīng)的探討。李建周等[2]通過不同的控制方式對閉門模式和開關(guān)門模式的冰箱的溫度和能耗的影響，提出綜合考慮了冰箱耗電量和控制溫度效果，能夠較全面的反映冰箱控制效果的評價。王金肖等[3]通過對變頻冰箱的模糊控制方式進行分析與研究，采用模擬的方法得出在模糊控制方式下對變頻冰箱的能耗和溫度的影響。方忠誠等[4]通過對直冷冰箱開門數(shù)學模型的研究，結(jié)合理論分析與實驗數(shù)據(jù)，研究了開門時各因素對冰箱能耗增加的影響程度。中標能效科技（北京）有限公司[5]從用戶家庭日常使用的角度出發(fā)，結(jié)合國家標準，將用戶存儲習慣、使用行為特征、用戶偏好等信息，進行有機整合后開展的能效檢測比對，重點關(guān)注消費者在家庭環(huán)境下正常使用冰箱時的能源消耗和性能體驗。本文試圖通過用戶使用角度，探討冰箱運行策略，并通過實驗室進行相應(yīng)的檢測驗證，僅為拋磚引玉。

1 影響冰箱能耗的外界條件

根據(jù)公司市場部對消費者的問卷調(diào)查結(jié)果分析，消費者的日常使用習慣對能耗影響最大的兩個因素，一是開門次數(shù)，二是開門時長；其次是存放物品的多少。前兩個因素導(dǎo)致開關(guān)門過程中內(nèi)外冷熱空氣交換，外界濕熱空氣進入導(dǎo)致冰箱熱負荷增加；存放物品需要制冷系統(tǒng)提供足夠的冷量進行降溫；均需要消耗電力增加冰箱能耗。

根據(jù)上述因素，形成三個控制變量，設(shè)計實驗方案進行耗電量對比。

使用試驗包進行“空載”、“半載”和“滿載”,設(shè)置為變量X；使用自動開關(guān)門試驗機實現(xiàn)開門次數(shù)和開門時長控制。開門次數(shù)設(shè)定為變量Y，開門時長（從開門到關(guān)門的過程時間）設(shè)定為變量Z。開門在冰箱進行穩(wěn)定運行后進行，連續(xù)開門10 h后停止開門。

環(huán)境溫度選擇32 ℃，間室溫度均按照國標控制進行穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的記錄。國標耗電量為穩(wěn)態(tài)耗電量加上化霜耗電量增量計算合成的標準耗電量，而本文中耗電量不同于國標耗電量之處在于冰箱24 h從穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)（包括開門周期及化霜能耗）的24 h耗電量總的測量記錄值，以方便對比實際能耗結(jié)果。

如圖1所示。本文以現(xiàn)有雙門變頻冰箱進行試驗，所述三個變量的測試分析，預(yù)先根據(jù)之前變頻控制策略所述的32 ℃能耗測試時壓縮機轉(zhuǎn)速和風機轉(zhuǎn)速進行固化，分別測試獲得的試驗數(shù)據(jù)。

圖1 雙門變頻冰箱測試圖

按現(xiàn)有試驗室工況設(shè)計的變頻冰箱控制規(guī)則，從表1～4數(shù)據(jù)可以得到的初步結(jié)論：負載量即參數(shù)X變量對冰箱耗電量影響最大，其次是單次開門時長即參數(shù)Z變量，最后是開門次數(shù)即參數(shù)Y變量。

表1 負載變化對能耗的影響測試數(shù)據(jù)

表2 開門次數(shù)對能耗的影響測試數(shù)據(jù)（開門時間固定為10 s）

表3 單次開門時長對能耗的影響測試數(shù)據(jù)（開門次數(shù)固定為10次）

表4 開門與時長對能耗的影響測試數(shù)據(jù)（總開門時長為固定值）

2 控制策略優(yōu)化方法

冰箱是一個不間斷供電的家用電器，但是用戶并不是全天24 h對冰箱的制冷訴求維持在同一水平上，在不同冰箱的使用過程中，均存在使用段與空閑段，且不同用戶存在時段分布不同、不同時段對冰箱制冷要求并不相同的情況。

在使用段，用戶使用冰箱時往往希望冰箱盡快制冷，能耗增幅不要過高；然而在閑時段，用戶使用冰箱的時間較少，箱內(nèi)溫度變化不大，用戶對制冷速度的要求并不高，由此有必要通過冰箱已經(jīng)普遍具備的信號來源，設(shè)計算法來搜集用戶習慣并加以分析利用，從而智能控制冰箱制冷參數(shù)，即在不增加成本的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種能針對用戶使用狀況的智能算法，合理控制變頻冰箱的運行策略，以達到控制降溫速度和節(jié)約能耗的目的。

通過前述影響能耗的三個因素分析，獲取參數(shù)的途徑是通過冰箱開門傳感器、蒸發(fā)器溫度及間室傳感器溫度。從實際測試情況分析，冰箱增加熱負荷后，比較明顯的變化是蒸發(fā)器溫度及間室溫度上升，其中蒸發(fā)器溫度變化比較明顯，因此保證合理的壓縮機轉(zhuǎn)速及風機策略是智能算法的目標。

3 控制策略驗證分析

根據(jù)國標耗電量測算要求，風冷冰箱存在穩(wěn)態(tài)耗電量和化霜耗電量增量計算合成的標準耗電量。本文分別對用戶狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)耗電量和化霜增量耗電量分別進行優(yōu)化控制。如圖2、3變頻控制策略。

圖2 穩(wěn)定運行控制策略

圖3 化霜運行控制策略

穩(wěn)定運行控制策略：首先，根據(jù)變頻冰箱當前所處環(huán)境的溫度信息確定壓縮機的第一參數(shù)確定變頻壓縮機檔位；在第一參數(shù)確定后，檢測冰箱的間室溫度與設(shè)定目標溫度，并進行計算差值，作為第二參數(shù)確定變頻壓縮機轉(zhuǎn)速；開機時間作為第三參數(shù)確定壓縮機轉(zhuǎn)速，以上三參數(shù)均可體現(xiàn)負載量X（包括負載熱量）的變化，為穩(wěn)態(tài)運行首選的三個參數(shù)。

同時變頻風機跟隨變頻壓縮機轉(zhuǎn)速同步變化。以上可優(yōu)化用戶使用狀態(tài)下，最優(yōu)化冰箱穩(wěn)定運行狀態(tài)變頻冰箱在間室溫度的升高或突然裝入大量熱負載導(dǎo)致的耗電量增加，加快了冰箱間室的制冷速度，利于變頻冰箱節(jié)能保鮮。

化霜增量控制策略：開門次數(shù)Y作為確定化霜進入的第一參數(shù)，開門時長Z作為確定化霜進入的第二參數(shù)，以間室溫度傳感器與目標溫度差距，和蒸發(fā)傳感器溫度作為確定進入化霜的第三參數(shù)。以上可優(yōu)化用戶使用狀態(tài)下，根據(jù)變頻冰箱實際運行工況確定化霜時刻，避免過化霜或多余化霜，利于冰箱化霜增量，同時最大限度的保證用戶對食品的保鮮需求。

按上述此控制策略方法優(yōu)化變頻控制程序，并根據(jù)上述實驗方法進行試驗，其優(yōu)化結(jié)果如圖4、5、6控制策略優(yōu)化后，負載量X變化、開門次數(shù)Y和開門時長Z對能耗的影響測試數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，通過上述控制策略優(yōu)化，在用戶使用場景下可節(jié)約能耗約2～4%左右能耗，節(jié)能效果明顯改善。

圖4 控制策略優(yōu)化后，負載量X變化對能耗的影響對比

圖5 控制策略優(yōu)化后，開門次數(shù)Y變化對能耗的影響對比

圖6 控制策略優(yōu)化后，開門時長Z變化對能耗的影響對比

4 結(jié)語

本文利用現(xiàn)有試驗工況下設(shè)計的兩門變頻冰箱進行試驗，通過模擬用戶不同使用工況負載量、開門次數(shù)和開門時長等對總耗電量的影響量，并根據(jù)各參數(shù)對耗電量的影響量大小，設(shè)定控制參數(shù)優(yōu)先級控制壓縮機和風機運行轉(zhuǎn)速，同時控制進入化霜的最優(yōu)時刻。通過優(yōu)化結(jié)果表明通過控制策略的變化，優(yōu)化冰箱在實際使用過程的節(jié)能控制策略，可明顯降低用戶使用工況下變頻冰箱能耗。