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(gè)長期通電運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)，并頒布實(shí)施了能耗等級(jí)制度，指導(dǎo)和促進(jìn)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(fèi)者購買耗電量相對(duì)較小的產(chǎn)品。典型的能耗等級(jí)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(jí)制度，冰箱能效等級(jí)及耗電量已成為消費(fèi)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 8059-2016《家用和類似用途制冷器具》[1]對(duì)耗電量的定義為：制冷器具在指定的時(shí)間段或指定的運(yùn)行下，所消耗的能量，單位：kWh。該耗電量為銘牌標(biāo)識(shí)中的標(biāo)準(zhǔn)耗電量，也是在冰箱穩(wěn)定狀態(tài)下所測(cè)得到的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)。行業(yè)內(nèi)，基本是圍繞該指標(biāo)進(jìn)行制冷系統(tǒng)和控制策略優(yōu)化并進(jìn)行固化。

實(shí)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(shí)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(duì)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(píng)價(jià)。王金肖等[3]通過對(duì)變頻冰箱的模糊控制方式進(jìn)行分析與研究，采用模擬的方法得出在模糊控制方式下對(duì)變頻冰箱的能耗和溫度的影響。方忠誠等[4]通過對(duì)直冷冰箱開門數(shù)學(xué)模型的研究，結(jié)合理論分析與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了開門時(shí)各因素對(duì)冰箱能耗增加的影響程度。中標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，將用戶存儲(chǔ)習(xí)慣、使用行為特征、用戶偏好等信息，進(jìn)行有機(jī)整合后開展的能效檢測(cè)比對(duì)，重點(diǎn)關(guān)注消費(fèi)者在家庭環(huán)境下正常使用冰箱時(shí)的能源消耗和性能體驗(yàn)。本文試圖通過用戶使用角度，探討冰箱運(yùn)行策略，并通過實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)驗(yàn)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(duì)消費(fèi)者的問卷調(diào)查結(jié)果分析，消費(fèi)者的日常使用習(xí)慣對(duì)能耗影響最大的兩個(gè)因素，一是開門次數(shù)，二是開門時(shí)長；其次是存放物品的多少。前兩個(gè)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(jìn)入導(dǎo)致冰箱熱負(fù)荷增加；存放物品需要制冷系統(tǒng)提供足夠的冷量進(jìn)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(gè)控制變量，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行耗電量對(duì)比。

使用試驗(yàn)包進(jìn)行“空載”、“半載”和“滿載”,設(shè)置為變量X；使用自動(dòng)開關(guān)門試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)開門次數(shù)和開門時(shí)長控制。開門次數(shù)設(shè)定為變量Y，開門時(shí)長（從開門到關(guān)門的過程時(shí)間）設(shè)定為變量Z。開門在冰箱進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行后進(jìn)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(biāo)控制進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的記錄。國標(biāo)耗電量為穩(wěn)態(tài)耗電量加上化霜耗電量增量計(jì)算合成的標(biāo)準(zhǔn)耗電量，而本文中耗電量不同于國標(biāo)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(cè)量記錄值，以方便對(duì)比實(shí)際能耗結(jié)果。

如圖1所示。本文以現(xiàn)有雙門變頻冰箱進(jìn)行試驗(yàn)，所述三個(gè)變量的測(cè)試分析，預(yù)先根據(jù)之前變頻控制策略所述的32 ℃能耗測(cè)試時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行固化，分別測(cè)試獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 雙門變頻冰箱測(cè)試圖

按現(xiàn)有試驗(yàn)室工況設(shè)計(jì)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(fù)載量即參數(shù)X變量對(duì)冰箱耗電量影響最大，其次是單次開門時(shí)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(fù)載變化對(duì)能耗的影響測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 開門次數(shù)對(duì)能耗的影響測(cè)試數(shù)據(jù)（開門時(shí)間固定為10 s）

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

表4 開門與時(shí)長對(duì)能耗的影響測(cè)試數(shù)據(jù)（總開門時(shí)長為固定值）

2 控制策略優(yōu)化方法

冰箱是一個(gè)不間斷供電的家用電器，但是用戶并不是全天24 h對(duì)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(shí)段分布不同、不同時(shí)段對(duì)冰箱制冷要求并不相同的情況。

在使用段，用戶使用冰箱時(shí)往往希望冰箱盡快制冷，能耗增幅不要過高；然而在閑時(shí)段，用戶使用冰箱的時(shí)間較少，箱內(nèi)溫度變化不大，用戶對(duì)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(hào)來源，設(shè)計(jì)算法來搜集用戶習(xí)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(jì)一種能針對(duì)用戶使用狀況的智能算法，合理控制變頻冰箱的運(yùn)行策略，以達(dá)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(gè)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(shí)際測(cè)試情況分析，冰箱增加熱負(fù)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(jī)轉(zhuǎn)速及風(fēng)機(jī)策略是智能算法的目標(biāo)。

3 控制策略驗(yàn)證分析

根據(jù)國標(biāo)耗電量測(cè)算要求，風(fēng)冷冰箱存在穩(wěn)態(tài)耗電量和化霜耗電量增量計(jì)算合成的標(biāo)準(zhǔn)耗電量。本文分別對(duì)用戶狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)耗電量和化霜增量耗電量分別進(jìn)行優(yōu)化控制。如圖2、3變頻控制策略。

圖2 穩(wěn)定運(yùn)行控制策略

圖3 化霜運(yùn)行控制策略

穩(wěn)定運(yùn)行控制策略：首先，根據(jù)變頻冰箱當(dāng)前所處環(huán)境的溫度信息確定壓縮機(jī)的第一參數(shù)確定變頻壓縮機(jī)檔位；在第一參數(shù)確定后，檢測(cè)冰箱的間室溫度與設(shè)定目標(biāo)溫度，并進(jìn)行計(jì)算差值，作為第二參數(shù)確定變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；開機(jī)時(shí)間作為第三參數(shù)確定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，以上三參數(shù)均可體現(xiàn)負(fù)載量X（包括負(fù)載熱量）的變化，為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行首選的三個(gè)參數(shù)。

同時(shí)變頻風(fēng)機(jī)跟隨變頻壓縮機(jī)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(yùn)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(fù)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(jìn)入的第一參數(shù)，開門時(shí)長Z作為確定化霜進(jìn)入的第二參數(shù)，以間室溫度傳感器與目標(biāo)溫度差距，和蒸發(fā)傳感器溫度作為確定進(jìn)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(shí)際運(yùn)行工況確定化霜時(shí)刻，避免過化霜或多余化霜，利于冰箱化霜增量，同時(shí)最大限度的保證用戶對(duì)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(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，其優(yōu)化結(jié)果如圖4、5、6控制策略優(yōu)化后，負(fù)載量X變化、開門次數(shù)Y和開門時(shí)長Z對(duì)能耗的影響測(cè)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(fù)載量X變化對(duì)能耗的影響對(duì)比

圖5 控制策略優(yōu)化后，開門次數(shù)Y變化對(duì)能耗的影響對(duì)比

圖6 控制策略優(yōu)化后，開門時(shí)長Z變化對(duì)能耗的影響對(duì)比

4 結(jié)語

本文利用現(xiàn)有試驗(yàn)工況下設(shè)計(jì)的兩門變頻冰箱進(jìn)行試驗(yàn)，通過模擬用戶不同使用工況負(fù)載量、開門次數(shù)和開門時(shí)長等對(duì)總耗電量的影響量，并根據(jù)各參數(shù)對(duì)耗電量的影響量大小，設(shè)定控制參數(shù)優(yōu)先級(jí)控制壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，同時(shí)控制進(jìn)入化霜的最優(yōu)時(shí)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(shí)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。