變頻空調(diào)自動能效試驗系統(tǒng)設(shè)計

宋 飛

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

前言

變頻空調(diào)具有節(jié)能和提供舒適室內(nèi)環(huán)境的顯著特點，已經(jīng)成為空調(diào)市場的主流。變頻空調(diào)機組開發(fā)過程中，對于機組性能的研究和驗證，需要涉及一系列的測試。而整個測試過程中，需要設(shè)計員和實驗員跟進操作，難免出現(xiàn)人員誤操作、時間延誤、測試錯誤、判斷錯誤等問題，既耗費了大量的人力，也降低了產(chǎn)品開發(fā)的效率。對空調(diào)機組進行能效試驗，通常是指定能力限定值和能效目標值，通過人工調(diào)節(jié)的方式，調(diào)節(jié)機組中與能力和能效相關(guān)的負載和參數(shù)，得到一個最優(yōu)的能效值。傳統(tǒng)試驗方法對試驗人員的經(jīng)驗有一定的要求，如果試驗人員經(jīng)驗不足，則調(diào)節(jié)參數(shù)的時候會出現(xiàn)效率低下，耗時多，甚至不能閉環(huán)。

基于此，我們開發(fā)變頻空調(diào)自動能效試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在提高產(chǎn)品開發(fā)測試的高效性、準確性、智能性，即可解放設(shè)計員雙手、為產(chǎn)品開發(fā)節(jié)省大量的時間，又可通過智能化測試，精確指導(dǎo)和驗證產(chǎn)品開發(fā)的方向和效果。

1 技術(shù)理論分析

1.1 變頻空調(diào)原理

變頻空調(diào)使用室內(nèi)溫度傳感器檢測室內(nèi)溫度并將其傳輸?shù)绞彝饪刂破?，室外控制器計算溫差和室溫變化的速度，并根?jù)室外溫度確定能力需求。理論上，壓縮機的目標頻率值為能力需求的50 %，計算得出的壓縮機頻率目標值最終會被傳輸?shù)阶冾l器。變頻器通過調(diào)節(jié)直流電壓和脈沖寬度來調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速，使得空調(diào)的功耗和制冷量隨著環(huán)境溫度的變化而變化。在空調(diào)開始運行時，若室溫與設(shè)定值相差較大，則可采用高頻運行實現(xiàn)快速制冷;若室內(nèi)溫度與設(shè)定值差值較小，則壓縮機的運行頻率較小，制冷量也相應(yīng)較小，從而使制冷量與負荷相一致[1]。

變頻空調(diào)采用更為平滑的方式進行溫度調(diào)節(jié)，啟動運轉(zhuǎn)性能更好，開關(guān)動作減少，具備低溫制熱，保護不停機，低電壓啟動等優(yōu)良特性。

目前主流的變頻空調(diào)，按內(nèi)部通訊協(xié)議進行劃分，可以分為CAN、485、零火線協(xié)議機組。按系統(tǒng)構(gòu)成劃分，可分為多聯(lián)機、單元機機組。 按內(nèi)機臺數(shù)劃分，可分為一拖一和一拖多機組。不論是哪一種協(xié)議，哪一套系統(tǒng)，變頻空調(diào)都需要進行能效試驗，尋找該系統(tǒng)參數(shù)下的優(yōu)選系統(tǒng)參數(shù)構(gòu)成，來發(fā)揮上述變頻空調(diào)的優(yōu)勢。空調(diào)進行制冷（制熱）運行時，制冷量（制熱量）與有效輸入功率之比。

2） 部分負荷性能系數(shù)（IEER）：

式中：

A—100 %凈額定制冷量下的EER，四次測試取最大值；

B—75 %凈額定制冷量下的EER，四次測試取最大值；

C—50 %凈額定制冷量下的EER，四次測試取最大值；

D—25 %凈額定制冷量下的EER，四次測試取最大值。

1.2 能效介紹

變頻空調(diào)制冷系統(tǒng)是一個典型的非線性、強耦合、多干擾的系統(tǒng)，節(jié)能就意味著在能源的消耗和用戶的使用需求之間找到平衡點。 我們要對其進行準確的控制和調(diào)整，加強對空調(diào)系統(tǒng)的運行控制能力，優(yōu)化運行過程，既能滿足用戶需求，又可達到節(jié)能減排的目的，具有巨大的經(jīng)濟和社會效益[2]。因此，能效試驗是空調(diào)出廠前的必備試驗項目。

空調(diào)的能效比，就是額定制冷量（制熱量）與運行功率之比，能效等級是描寫空調(diào)質(zhì)量和參數(shù)的一個重要指標?？照{(diào)能效越高代表該空調(diào)越節(jié)能，性能越良好[3]。能效試驗的過程，就是在設(shè)定工況范圍內(nèi)進行能效試驗，如果可以找到某種參數(shù)的搭配使空調(diào)能效達到或超過目標值，則能效試驗成功，此時的工況、負載值、其它環(huán)境因素已經(jīng)能效值就是非常重要的出廠參數(shù)。毫無疑問合理范圍內(nèi)，能效值越高試驗效果就越理想。 如不論如何調(diào)整參數(shù)，空調(diào)能效均不能達到目標能效值，則能效試驗失敗，需要重新改善空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方式。

下面是常見的能效系數(shù)：

1） 能效比EER（COP）：在額定工況和規(guī)定條件下，

2 技術(shù)方案詳細介紹

2.1 平臺搭建

開發(fā)軟件，與實驗室工況臺打通數(shù)據(jù)接口，可以有多種實現(xiàn)方式。 本系統(tǒng)所搭配的80 PH工況臺，預(yù)設(shè)了一套TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸溫度值。也可以通過調(diào)用廠家提供的DLL文件中的方法進行寫入和讀取的操作。

如使用TCP協(xié)議進行交互，通過命令 “SETPID:地址@@SP@@23.45$$##”設(shè)置各個工況測點值，包括干球、濕球、靜壓、熱電偶等等。通過命令 “GETSENSOR##”讀取全部工況測點值，服務(wù)器會反饋一長串由溫度組成的字符串，從中提取出需要的工況測點狀態(tài)。

除控制工況臺外，軟件需與待測變頻空調(diào)機組打通數(shù)據(jù)接口，常用機組使用CAN協(xié)議進行通訊，故需要在CAN協(xié)議中指定某些行與列對應(yīng)機組的關(guān)鍵負載，如壓縮機頻率，風(fēng)機頻率，電子膨脹閥開度等參數(shù)的設(shè)置，機組按此協(xié)議進行開發(fā)。上位機軟件下發(fā)控制指令，開發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將16進制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成機組原始的CAN通訊數(shù)據(jù)寫入機組網(wǎng)絡(luò)進行控制，讀取的數(shù)據(jù)也反饋給軟件進行解析，從而達到試驗所需參數(shù)的自動控制與讀取的目的如圖1所示。

圖1 變頻空調(diào)自動能效平臺圖

此上位機軟件實現(xiàn)軟件與工況臺的接口，既可以接收工況臺的參數(shù)，同時可以控制一部分工況臺的參數(shù)；實現(xiàn)軟件與機組的接口，既可以接收機組的數(shù)據(jù)，同時可以控制一部分機組的參數(shù)。從而達到試驗所需參數(shù)的自動控制與讀取的目的，最終該系統(tǒng)取代人工進行自動能效試驗。

2.2 工況調(diào)節(jié)模塊

能效試驗中，工況調(diào)節(jié)是重點，能效的調(diào)節(jié)的過程中必須時刻保持工況溫度穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)，故需要實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)工況的效果來確保試驗環(huán)境的穩(wěn)定性。

表1是常規(guī)變頻多聯(lián)上出風(fēng)空調(diào)的部分工況參數(shù)表。

表1 變頻空調(diào)能效運行工況表

自動試驗系統(tǒng)必須開發(fā)獨立的工況調(diào)節(jié)模塊，采用多線程的方式獨立運行，貫穿整個試驗的過程。具體調(diào)節(jié)方式如下：

待測機組按正常控制啟動運行時，試驗系統(tǒng)模塊持續(xù)運行，連續(xù)5 min檢測到所有的實時工況|目標干球溫度-實際干球溫度|≤0.3+T且|目標濕球溫度-實際濕球溫度|≤0.2+T（先取T=0），就可以判定工況穩(wěn)定，并按照初始設(shè)定值運行；若不在此范圍區(qū)間內(nèi)，則需要向工況臺發(fā)送數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)干濕球溫度。對干球溫度來說，每一分鐘增加或者減小干球溫度0.3，對濕球溫度來說，每一分鐘增加或減小濕球溫度0.2。 這樣階梯式的進行調(diào)節(jié)，溫度曲線平滑不會出現(xiàn)突變，只要不出現(xiàn)故障，最終是可以確保溫度穩(wěn)定在區(qū)間內(nèi)的。

工況穩(wěn)定的時候，自動能效試驗按設(shè)定好的流程持續(xù)運行。 但如果判定工況不穩(wěn)定，則立即暫停能效試驗流程，持續(xù)調(diào)節(jié)工況直到穩(wěn)定，才能從暫停處繼續(xù)進行試驗。如果持續(xù)1 h無法達到穩(wěn)定區(qū)域，則需要動態(tài)調(diào)整T的值，從而擴大干濕球目標溫度與實際溫度的差值范圍，可依次取T=0.1、T=0.2等繼續(xù)進行調(diào)節(jié)，直到尋找到一個可以判定為工況穩(wěn)定的區(qū)間，就可以繼續(xù)進行能效試驗了。

2.3 自動能效試驗運行

開發(fā)能力調(diào)節(jié)模塊和能效調(diào)節(jié)模塊，同時可以獲取機組能力值和能效值進行能效分析。能力調(diào)節(jié)模塊，獨立調(diào)節(jié)壓縮機頻率可以最有效的調(diào)節(jié)機組能力值。能效調(diào)節(jié)模塊，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率、電子膨脹閥開度等負載可以最有效的調(diào)節(jié)機組的能效值（能效=能力/功率）。在此過程中能力值超過限定值則由能力調(diào)節(jié)模塊處理。

輸入能力的限定值，進入能力調(diào)節(jié)模塊。 該模塊中編寫代碼針對壓縮機頻率進行自動化調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)的思路是實時比較當(dāng)前能力值和能力限定值之間的差，差越大，調(diào)節(jié)的步長越大，通過變步長的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)能力最大且低于限定值的要求。設(shè)當(dāng)前能力值為M，能力限定值為N，設(shè)步長s = (N-M)/N * 5 取整取絕對值，最小值為1。如果初始M大于N，說明當(dāng)前能力值高于限定值，則壓縮機頻率每一步減小s，機組能力值M隨之減小，直到M最接近且大于能力限定值N，此時繼續(xù)調(diào)節(jié)一步，則能力值小于能力限定值，能力調(diào)節(jié)結(jié)束。 如果初始M小于N，則說明當(dāng)前能力值低于限定值，此時需要增加壓縮機頻率，步長同樣是s，直到M最接近且小于能力限定值N，此時繼續(xù)調(diào)節(jié)一步，則能力值大于能力限定值，還原之前的頻率值，能力調(diào)節(jié)結(jié)束。

進入能效調(diào)節(jié)模塊。 該模塊中我們通過調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率、電子膨脹閥開度等負載增加機組的能效值。這里也需要輸入一個能效目標值，這個值按能效試驗標準制定，也是我們能效試驗的最低要求。記錄當(dāng)前的能效值為m，能效目標值為n，定義步長s =(n-m)/n * L ，L對不同的負載來說取值不同，可以取負載上限值/10，如風(fēng)機頻率最大為100 Hz，則L=10。首先進行一個負載優(yōu)先級計算。增加風(fēng)機頻率s1，記錄此時的能效，然后還原，再增加電子膨脹閥開度s2，記錄此時的能效，以此類推，能效值增加較大的優(yōu)先級高，能效值增加較小的優(yōu)先級低。實際試驗中負載優(yōu)先級排序是風(fēng)機頻率、電子膨脹閥最小開度、目標過熱度。我們首先調(diào)節(jié)優(yōu)先級最高的負載，當(dāng)能效值低于目標值的時候，調(diào)節(jié)對應(yīng)的步長s使能效值增大。 當(dāng)某次調(diào)節(jié)之后能效值開始減小了，則立即還原，然后調(diào)整優(yōu)先級次一級的負載。當(dāng)所有負載調(diào)整完畢之后，理論上此時的能效值會達到一個最理想的狀態(tài)。

能效模塊中任意時間出現(xiàn)能力值大于限定值N，待機組狀態(tài)穩(wěn)定后，暫停能效調(diào)節(jié)模塊，執(zhí)行能力調(diào)節(jié)模塊，即減小壓縮機頻率直到能力值小于N，此時記錄當(dāng)前的能效值m，重新運行能效模塊。確保試驗過程中能力值不超出限定值。

如果全部負載調(diào)節(jié)完畢之后，能效值仍然小于目標能效值，則能效試驗失敗，機組不符合能效要求，記錄機組參數(shù)供后續(xù)整改參考。若調(diào)節(jié)后可滿足要求，則記錄當(dāng)前所有參數(shù)，并輸出合格報告，能效試驗結(jié)束。

2.4 試驗結(jié)果

能效試驗成功之后，記錄該能效數(shù)值對應(yīng)的全部負載的數(shù)值，包括壓縮機頻率、風(fēng)機頻率、電子膨脹閥開度、目標過熱度等參數(shù)值，并且計算能效系數(shù)。圖2是某變頻空調(diào)COP能效的試驗報告。

圖2 變頻空調(diào)能效報告

3 結(jié)語

本系統(tǒng)依托于空調(diào)和工況臺自有的通訊架構(gòu)，采用虛擬參數(shù)傳遞，擴展性、可實施性好；在電腦上進行操作，安全可靠、節(jié)約人力物力，可對空調(diào)機組進行自動化能效試驗，試驗過程中各個不同的參數(shù)進行動態(tài)調(diào)節(jié)，大幅降低對試驗人員經(jīng)驗的依賴性，同時提高試驗效率。建立系統(tǒng)進行自動化能效試驗，按一定的次序動態(tài)調(diào)節(jié)機組的各個負載參數(shù)，最終尋找到最優(yōu)能效值。

本系統(tǒng)可以提高產(chǎn)品開發(fā)測試的高效性、準確性、智能性，既可解放設(shè)計員雙手、為產(chǎn)品開發(fā)節(jié)省大量的時間，又可通過智能化測試，精確指導(dǎo)和驗證產(chǎn)品開發(fā)的方向和效果。