变频空调器性能影响因素的正交试验研究

黄志刚 冯静娅 黎顺全

（1.广东美的制冷设备有限公司 佛山 528311； 2.西安交通大学 西安 710000）

引言

近年来，随着经济和人们生活水平的不断提升，人们更倾向于选择节能、绿色、高效的产品[1]。其中变频空调更是因为人们提供舒适环境和节能效果得到市场的认可。变频空调最大的优势在于根据室内外环境温度的变化进行相应的参数调节，不在以固定不变的频率、转速运行，给人们带来更舒适和节能的使用体验[2]。然而变频系统的性能受到室内外环境、压缩机频率、室内外风机转速、电子膨胀阀开度等多因素的综合影响，以不同的参数组合运行，变频系统将表现不一样的性能，能力、能效差距较大。因此对变频系统最优运行参数的研究是至关重要的。

变频空调可调节参数为压缩机频率、室内风机转速、室外风机转速、电子膨胀阀开度，加上室内环境温度、室外环境温度，以往很多针对单因素研究往往忽略了各因素之间的耦合作用，亦或是多因素进行全面分析，利用大量实验的实验才能得到相应的结果。

本文选择室内环境温度、压缩机频率、室内风机转速、室外风机转速、电子膨胀阀开度作为影响因子，变频空调的制冷量和能效EER作为输出结果来分析各因子组合对系统性能的影响。采用正交试验的方法，并通过设计得到的正交表来进行实验，最后通过正交分析得出各个因素对空调器性能参数的影响程度以及最佳参数组合。

1 试验测试

正交试验设计（Orthogonal experimental design）是根据正交性从遍历全面的试验中挑选有代表性的因素点进行试验，是一种研究多水平多因素的实验设计方法，具备了齐整可比、均匀分散的特点，是一种经济、高效、快速的科学的实验设计方法[3]。

本文选取了一套热泵型变频房间空调器为研究对象，额定能力为5 600 W。在室外温度为35 ℃时，选择系统所考察的5个因素（室内温度Tn、压缩机频率Fr、内风机转速Nn、外风机转速Nw、膨胀阀开度Lr）作为研究对象，其中根据系统各参数常用的运行范围作为各因素的取值范围（见表1），其中压缩机频率运行的范围20～90 Hz，内风机转速范围750～1 300 rpm，对内机而言，750属于超微风，890属于中风，1 200是高风，而1 300 rpm是样机运行强劲风时的转速。外风机转速范围为450～850，450属于超微风、700中风、800是高风，850是强劲风。电子膨胀阀的范围是根据样机正常运行允许调节的范围80～400，不同的膨胀阀开度对系统的节流产生较大的影响。

利用常规的L25(55)正交表，每个因素在各自允许的取值范围内分为5水平，带入正交表（见表2），本实验共需进行25组实验。相对于全方面实验55=3 125次，实验次数大幅度减少，节约了大量的人力和实验资源投入。

2 正交实验数据分析

通过上述的正交试验表格进行在焓差实验室进行测试，得到各组合运行参数条件下的系统制冷量和能效数据。由于正交试验设计将各个因素综合起来考虑，每组试验条件完全不同，因此在分析各因素各水平的影响时，也需要将实验结果综合起来比较。本文极差分析法来对各因素与制冷量、EER的变化关系以及各因素对制冷量、EER的影响程度进行分析。

表1 性能影响因素的取值范围和水平

表2 L25(55)正交表设计

极差分析法是一种直观分析法，极差是指各因素在不同水平下的指标值的最大值与最小值之间的差值，极差的大小反映了实验中各个因素影响的大小，极差大表明该因素对实验结果的影响大，是主要因素；反之，极差小表明该因素对实验影响小[4]。本测试实验中，Ki值表示任一列上水平号i（本文中i=1，2，3，4，5）所对应实验结果之和算术平均值，极差R 表示在任一列（单个影响因素）对应最大K值和最小K值的差。公式如下：

图1展示了室内温度Tn、压缩机频率Fr、内风机转速Nn、外风机转速Nw、膨胀阀开度Lr对制冷量的影响。从图1可以看出，室内环境温度升高，正交分析时只考虑室内环境因素变化的前提下，平均制冷量随着Tn的增加而增加，这是因为室内温度升高会增加换热温差有助于室内换热，从而提高制冷量。频率的增加制冷量也同样增加，同时，制冷量也随着室内转速增加而增加。但从图中也可以看出，平均制冷量随着室外转速增加的幅度不大，随着电子膨胀阀开的增加反而略微下降。这反映了空调系统制冷量的变化对不同因素的敏感度不一样，其变化趋势也略有不同。

图2展示了各因素对制冷能效EER的影响。从图中可以得到系统的EER随着室内环境温度的升高而升高；EER随着频率的升高而降低且降低趋势逐渐变缓；EER随着室内风机转速的提高EER逐渐提高，提高速度逐渐变缓；EER随着室外转速的提高而提高，在达到800转以上达到最高，后面趋势略微下降；电子膨胀阀的开度变化对EER的影响是EER先随着Lr增大而后减小，说明系统在该工况下运行时存在一个最佳开度。

各因素对制冷量和能效的影响程度的大小用能力极差进行衡量。各因素的对制冷量的能力极差见图3。从图3中可以看出，对制冷量影响最大的是频率，其次是室内环境温度，往后依次是室内风机转速、电子膨胀阀开度和室外风机转速。从图4中可以看出，对能效EER影响最大的是频率，其次是室内环境温度，往后依次是室外风机转速、室内风机转速和电子膨胀阀开度。

综合上述正交分析，对制冷量和EER影响最大的两个因素是压缩机频率和室内环境温度。因此系统在做优化控制时，需要重点考虑的可调节参数是压缩机频率，然后才是室内风机转速、电子膨胀阀开度和室外风机转速这几项参数。

图1 各因素对制冷量的影响程度

图2 各因素对EER的影响程度

图3 各因素的能力极差

图4 各因素的EER极差

表3 优化前和优化后系统性能表现对比

3 运行参数优化

根据上述，频率是对系统制冷量和能效的最大影响因子，能力在达到77 Hz左右可以达到额定能力，本文对系统的运行参数进性调整，外风机转速在800左右存在最佳转速，电子膨胀阀在150步存在一个最佳开度。因此选择运行参数77-1050-800-150（分别对应压缩机频率-内风机转速-外风机转速-电子膨胀阀开度）进行作为优化后的运行参数进行测试，得到优化前和优化后测试数据见表3。优化前系统自动运行的参数为81-1050-750-350，优化后能力提升了1.6 %，但能效EER提升了7.8 %，说明优化后的运行参数在保证制冷量输出的同时提升系统能效。

4 总结

本文通过正交试验方法对变频空调性能的影响因素进行研究，得到结论如下：

1）压缩机频率对制冷量和能效EER的影响程度最为显著，其次是室内环境温度和室内风机转速。而相对而言，室外风机转速、电子膨胀阀开度对制冷量和能效EER的影响程度较低。

2）变频空调系统不同组合的运行参数下，其系统性能不一样，系统存在一个最优的参数组合，对EER而言，在其他参数固定的情况，系统存在一个最佳开度和最佳室外风机转速使得能效最优。

3）本文利用优化后的参数运行，保证制冷量输出的同时提升系统能效7.8 % 。