變頻空調自動能效試驗系統設計

宋 飛

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

前言

變頻空調具有節能和提供舒適室內環境的顯著特點，已經成為空調市場的主流。變頻空調機組開發過程中，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，需要設計員和實驗員跟進操作，難免出現人員誤操作、時間延誤、測試錯誤、判斷錯誤等問題，既耗費了大量的人力，也降低了產品開發的效率。對空調機組進行能效試驗，通常是指定能力限定值和能效目標值，通過人工調節的方式，調節機組中與能力和能效相關的負載和參數，得到一個最優的能效值。傳統試驗方法對試驗人員的經驗有一定的要求，如果試驗人員經驗不足，則調節參數的時候會出現效率低下，耗時多，甚至不能閉環。

基于此，我們開發變頻空調自動能效試驗系統，該系統旨在提高產品開發測試的高效性、準確性、智能性，即可解放設計員雙手、為產品開發節省大量的時間，又可通過智能化測試，精確指導和驗證產品開發的方向和效果。

1 技術理論分析

1.1 變頻空調原理

變頻空調使用室內溫度傳感器檢測室內溫度并將其傳輸到室外控制器，室外控制器計算溫差和室溫變化的速度，并根據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到變頻器。變頻器通過調節直流電壓和脈沖寬度來調節壓縮機的轉速，使得空調的功耗和制冷量隨著環境溫度的變化而變化。在空調開始運行時，若室溫與設定值相差較大，則可采用高頻運行實現快速制冷;若室內溫度與設定值差值較小，則壓縮機的運行頻率較小，制冷量也相應較小，從而使制冷量與負荷相一致[1]。

變頻空調采用更為平滑的方式進行溫度調節，啟動運轉性能更好，開關動作減少，具備低溫制熱，保護不停機，低電壓啟動等優良特性。

目前主流的變頻空調，按內部通訊協議進行劃分，可以分為CAN、485、零火線協議機組。按系統構成劃分，可分為多聯機、單元機機組。 按內機臺數劃分，可分為一拖一和一拖多機組。不論是哪一種協議，哪一套系統，變頻空調都需要進行能效試驗，尋找該系統參數下的優選系統參數構成，來發揮上述變頻空調的優勢。空調進行制冷（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（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

變頻空調制冷系統是一個典型的非線性、強耦合、多干擾的系統，節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整，加強對空調系統的運行控制能力，優化運行過程，既能滿足用戶需求，又可達到節能減排的目的，具有巨大的經濟和社會效益[2]。因此，能效試驗是空調出廠前的必備試驗項目。

空調的能效比，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質量和參數的一個重要指標。空調能效越高代表該空調越節能，性能越良好[3]。能效試驗的過程，就是在設定工況范圍內進行能效試驗，如果可以找到某種參數的搭配使空調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、其它環境因素已經能效值就是非常重要的出廠參數。毫無疑問合理范圍內，能效值越高試驗效果就越理想。 如不論如何調整參數，空調能效均不能達到目標能效值，則能效試驗失敗，需要重新改善空調系統設計方式。

下面是常見的能效系數：

1） 能效比EER（COP）：在額定工況和規定條件下，

2 技術方案詳細介紹

2.1 平臺搭建

開發軟件，與實驗室工況臺打通數據接口，可以有多種實現方式。 本系統所搭配的80 PH工況臺，預設了一套TCP協議進行數據傳輸溫度值。也可以通過調用廠家提供的DLL文件中的方法進行寫入和讀取的操作。

如使用TCP協議進行交互，通過命令 “SETPID:地址@@SP@@23.45$$##”設置各個工況測點值，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。

除控制工況臺外，軟件需與待測變頻空調機組打通數據接口，常用機組使用CAN協議進行通訊，故需要在CAN協議中指定某些行與列對應機組的關鍵負載，如壓縮機頻率，風機頻率，電子膨脹閥開度等參數的設置，機組按此協議進行開發。上位機軟件下發控制指令，開發數據轉換器將16進制數據流轉換成機組原始的CAN通訊數據寫入機組網絡進行控制，讀取的數據也反饋給軟件進行解析，從而達到試驗所需參數的自動控制與讀取的目的如圖1所示。

圖1 變頻空調自動能效平臺圖

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

2.2 工況調節模塊

能效試驗中，工況調節是重點，能效的調節的過程中必須時刻保持工況溫度穩定在一個范圍內，故需要實現自動調節工況的效果來確保試驗環境的穩定性。

表1是常規變頻多聯上出風空調的部分工況參數表。

表1 變頻空調能效運行工況表

自動試驗系統必須開發獨立的工況調節模塊，采用多線程的方式獨立運行，貫穿整個試驗的過程。具體調節方式如下：

待測機組按正常控制啟動運行時，試驗系統模塊持續運行，連續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），就可以判定工況穩定，并按照初始設定值運行；若不在此范圍區間內，則需要向工況臺發送數據來調節干濕球溫度。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節，溫度曲線平滑不會出現突變，只要不出現故障，最終是可以確保溫度穩定在區間內的。

工況穩定的時候，自動能效試驗按設定好的流程持續運行。 但如果判定工況不穩定，則立即暫停能效試驗流程，持續調節工況直到穩定，才能從暫停處繼續進行試驗。如果持續1 h無法達到穩定區域，則需要動態調整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等繼續進行調節，直到尋找到一個可以判定為工況穩定的區間，就可以繼續進行能效試驗了。

2.3 自動能效試驗運行

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

輸入能力的限定值，進入能力調節模塊。 該模塊中編寫代碼針對壓縮機頻率進行自動化調節。調節的思路是實時比較當前能力值和能力限定值之間的差，差越大，調節的步長越大，通過變步長的調節，實現能力最大且低于限定值的要求。設當前能力值為M，能力限定值為N，設步長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，此時繼續調節一步，則能力值小于能力限定值，能力調節結束。 如果初始M小于N，則說明當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，此時繼續調節一步，則能力值大于能力限定值，還原之前的頻率值，能力調節結束。

進入能效調節模塊。 該模塊中我們通過調節風機頻率、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，如風機頻率最大為100 Hz，則L=10。首先進行一個負載優先級計算。增加風機頻率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先級高，能效值增加較小的優先級低。實際試驗中負載優先級排序是風機頻率、電子膨脹閥最小開度、目標過熱度。我們首先調節優先級最高的負載，當能效值低于目標值的時候，調節對應的步長s使能效值增大。 當某次調節之后能效值開始減小了，則立即還原，然后調整優先級次一級的負載。當所有負載調整完畢之后，理論上此時的能效值會達到一個最理想的狀態。

能效模塊中任意時間出現能力值大于限定值N，待機組狀態穩定后，暫停能效調節模塊，執行能力調節模塊，即減小壓縮機頻率直到能力值小于N，此時記錄當前的能效值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。

如果全部負載調節完畢之后，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，記錄機組參數供后續整改參考。若調節后可滿足要求，則記錄當前所有參數，并輸出合格報告，能效試驗結束。

2.4 試驗結果

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

圖2 變頻空調能效報告

3 結語

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

本系統可以提高產品開發測試的高效性、準確性、智能性，既可解放設計員雙手、為產品開發節省大量的時間，又可通過智能化測試，精確指導和驗證產品開發的方向和效果。