变频空调自动能效试验系统设计

宋 飞

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519000）

前言

变频空调具有节能和提供舒适室内环境的显著特点，已经成为空调市场的主流。变频空调机组开发过程中，对于机组性能的研究和验证，需要涉及一系列的测试。而整个测试过程中，需要设计员和实验员跟进操作，难免出现人员误操作、时间延误、测试错误、判断错误等问题，既耗费了大量的人力，也降低了产品开发的效率。对空调机组进行能效试验，通常是指定能力限定值和能效目标值，通过人工调节的方式，调节机组中与能力和能效相关的负载和参数，得到一个最优的能效值。传统试验方法对试验人员的经验有一定的要求，如果试验人员经验不足，则调节参数的时候会出现效率低下，耗时多，甚至不能闭环。

基于此，我们开发变频空调自动能效试验系统，该系统旨在提高产品开发测试的高效性、准确性、智能性，即可解放设计员双手、为产品开发节省大量的时间，又可通过智能化测试，精确指导和验证产品开发的方向和效果。

1 技术理论分析

1.1 变频空调原理

变频空调使用室内温度传感器检测室内温度并将其传输到室外控制器，室外控制器计算温差和室温变化的速度，并根据室外温度确定能力需求。理论上，压缩机的目标频率值为能力需求的50 %，计算得出的压缩机频率目标值最终会被传输到变频器。变频器通过调节直流电压和脉冲宽度来调节压缩机的转速，使得空调的功耗和制冷量随着环境温度的变化而变化。在空调开始运行时，若室温与设定值相差较大，则可采用高频运行实现快速制冷;若室内温度与设定值差值较小，则压缩机的运行频率较小，制冷量也相应较小，从而使制冷量与负荷相一致[1]。

变频空调采用更为平滑的方式进行温度调节，启动运转性能更好，开关动作减少，具备低温制热，保护不停机，低电压启动等优良特性。

目前主流的变频空调，按内部通讯协议进行划分，可以分为CAN、485、零火线协议机组。按系统构成划分，可分为多联机、单元机机组。 按内机台数划分，可分为一拖一和一拖多机组。不论是哪一种协议，哪一套系统，变频空调都需要进行能效试验，寻找该系统参数下的优选系统参数构成，来发挥上述变频空调的优势。空调进行制冷（制热）运行时，制冷量（制热量）与有效输入功率之比。

2） 部分负荷性能系数（IEER）：

式中：

A—100 %净额定制冷量下的EER，四次测试取最大值；

B—75 %净额定制冷量下的EER，四次测试取最大值；

C—50 %净额定制冷量下的EER，四次测试取最大值；

D—25 %净额定制冷量下的EER，四次测试取最大值。

1.2 能效介绍

变频空调制冷系统是一个典型的非线性、强耦合、多干扰的系统，节能就意味着在能源的消耗和用户的使用需求之间找到平衡点。 我们要对其进行准确的控制和调整，加强对空调系统的运行控制能力，优化运行过程，既能满足用户需求，又可达到节能减排的目的，具有巨大的经济和社会效益[2]。因此，能效试验是空调出厂前的必备试验项目。

空调的能效比，就是额定制冷量（制热量）与运行功率之比，能效等级是描写空调质量和参数的一个重要指标。空调能效越高代表该空调越节能，性能越良好[3]。能效试验的过程，就是在设定工况范围内进行能效试验，如果可以找到某种参数的搭配使空调能效达到或超过目标值，则能效试验成功，此时的工况、负载值、其它环境因素已经能效值就是非常重要的出厂参数。毫无疑问合理范围内，能效值越高试验效果就越理想。 如不论如何调整参数，空调能效均不能达到目标能效值，则能效试验失败，需要重新改善空调系统设计方式。

下面是常见的能效系数：

1） 能效比EER（COP）：在额定工况和规定条件下，

2 技术方案详细介绍

2.1 平台搭建

开发软件，与实验室工况台打通数据接口，可以有多种实现方式。 本系统所搭配的80 PH工况台，预设了一套TCP协议进行数据传输温度值。也可以通过调用厂家提供的DLL文件中的方法进行写入和读取的操作。

如使用TCP协议进行交互，通过命令 “SETPID:地址@@SP@@23.45$$##”设置各个工况测点值，包括干球、湿球、静压、热电偶等等。通过命令 “GETSENSOR##”读取全部工况测点值，服务器会反馈一长串由温度组成的字符串，从中提取出需要的工况测点状态。

除控制工况台外，软件需与待测变频空调机组打通数据接口，常用机组使用CAN协议进行通讯，故需要在CAN协议中指定某些行与列对应机组的关键负载，如压缩机频率，风机频率，电子膨胀阀开度等参数的设置，机组按此协议进行开发。上位机软件下发控制指令，开发数据转换器将16进制数据流转换成机组原始的CAN通讯数据写入机组网络进行控制，读取的数据也反馈给软件进行解析，从而达到试验所需参数的自动控制与读取的目的如图1所示。

图1 变频空调自动能效平台图

此上位机软件实现软件与工况台的接口，既可以接收工况台的参数，同时可以控制一部分工况台的参数；实现软件与机组的接口，既可以接收机组的数据，同时可以控制一部分机组的参数。从而达到试验所需参数的自动控制与读取的目的，最终该系统取代人工进行自动能效试验。

2.2 工况调节模块

能效试验中，工况调节是重点，能效的调节的过程中必须时刻保持工况温度稳定在一个范围内，故需要实现自动调节工况的效果来确保试验环境的稳定性。

表1是常规变频多联上出风空调的部分工况参数表。

表1 变频空调能效运行工况表

自动试验系统必须开发独立的工况调节模块，采用多线程的方式独立运行，贯穿整个试验的过程。具体调节方式如下：

待测机组按正常控制启动运行时，试验系统模块持续运行，连续5 min检测到所有的实时工况|目标干球温度-实际干球温度|≤0.3+T且|目标湿球温度-实际湿球温度|≤0.2+T（先取T=0），就可以判定工况稳定，并按照初始设定值运行；若不在此范围区间内，则需要向工况台发送数据来调节干湿球温度。对干球温度来说，每一分钟增加或者减小干球温度0.3，对湿球温度来说，每一分钟增加或减小湿球温度0.2。 这样阶梯式的进行调节，温度曲线平滑不会出现突变，只要不出现故障，最终是可以确保温度稳定在区间内的。

工况稳定的时候，自动能效试验按设定好的流程持续运行。 但如果判定工况不稳定，则立即暂停能效试验流程，持续调节工况直到稳定，才能从暂停处继续进行试验。如果持续1 h无法达到稳定区域，则需要动态调整T的值，从而扩大干湿球目标温度与实际温度的差值范围，可依次取T=0.1、T=0.2等继续进行调节，直到寻找到一个可以判定为工况稳定的区间，就可以继续进行能效试验了。

2.3 自动能效试验运行

开发能力调节模块和能效调节模块，同时可以获取机组能力值和能效值进行能效分析。能力调节模块，独立调节压缩机频率可以最有效的调节机组能力值。能效调节模块，通过调节风机频率、电子膨胀阀开度等负载可以最有效的调节机组的能效值（能效=能力/功率）。在此过程中能力值超过限定值则由能力调节模块处理。

输入能力的限定值，进入能力调节模块。 该模块中编写代码针对压缩机频率进行自动化调节。调节的思路是实时比较当前能力值和能力限定值之间的差，差越大，调节的步长越大，通过变步长的调节，实现能力最大且低于限定值的要求。设当前能力值为M，能力限定值为N，设步长s = (N-M)/N * 5 取整取绝对值，最小值为1。如果初始M大于N，说明当前能力值高于限定值，则压缩机频率每一步减小s，机组能力值M随之减小，直到M最接近且大于能力限定值N，此时继续调节一步，则能力值小于能力限定值，能力调节结束。 如果初始M小于N，则说明当前能力值低于限定值，此时需要增加压缩机频率，步长同样是s，直到M最接近且小于能力限定值N，此时继续调节一步，则能力值大于能力限定值，还原之前的频率值，能力调节结束。

进入能效调节模块。 该模块中我们通过调节风机频率、电子膨胀阀开度等负载增加机组的能效值。这里也需要输入一个能效目标值，这个值按能效试验标准制定，也是我们能效试验的最低要求。记录当前的能效值为m，能效目标值为n，定义步长s =(n-m)/n * L ，L对不同的负载来说取值不同，可以取负载上限值/10，如风机频率最大为100 Hz，则L=10。首先进行一个负载优先级计算。增加风机频率s1，记录此时的能效，然后还原，再增加电子膨胀阀开度s2，记录此时的能效，以此类推，能效值增加较大的优先级高，能效值增加较小的优先级低。实际试验中负载优先级排序是风机频率、电子膨胀阀最小开度、目标过热度。我们首先调节优先级最高的负载，当能效值低于目标值的时候，调节对应的步长s使能效值增大。 当某次调节之后能效值开始减小了，则立即还原，然后调整优先级次一级的负载。当所有负载调整完毕之后，理论上此时的能效值会达到一个最理想的状态。

能效模块中任意时间出现能力值大于限定值N，待机组状态稳定后，暂停能效调节模块，执行能力调节模块，即减小压缩机频率直到能力值小于N，此时记录当前的能效值m，重新运行能效模块。确保试验过程中能力值不超出限定值。

如果全部负载调节完毕之后，能效值仍然小于目标能效值，则能效试验失败，机组不符合能效要求，记录机组参数供后续整改参考。若调节后可满足要求，则记录当前所有参数，并输出合格报告，能效试验结束。

2.4 试验结果

能效试验成功之后，记录该能效数值对应的全部负载的数值，包括压缩机频率、风机频率、电子膨胀阀开度、目标过热度等参数值，并且计算能效系数。图2是某变频空调COP能效的试验报告。

图2 变频空调能效报告

3 结语

本系统依托于空调和工况台自有的通讯架构，采用虚拟参数传递，扩展性、可实施性好；在电脑上进行操作，安全可靠、节约人力物力，可对空调机组进行自动化能效试验，试验过程中各个不同的参数进行动态调节，大幅降低对试验人员经验的依赖性，同时提高试验效率。建立系统进行自动化能效试验，按一定的次序动态调节机组的各个负载参数，最终寻找到最优能效值。

本系统可以提高产品开发测试的高效性、准确性、智能性，既可解放设计员双手、为产品开发节省大量的时间，又可通过智能化测试，精确指导和验证产品开发的方向和效果。