電冰箱耗電量線性插值法的研究

周月飛 舒 宏 陳輝云

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海 519070）

引言

國(guó)際[1]和歐盟[2]新版性能標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于制冷器具耗電量測(cè)試方法進(jìn)行更改并作出明確規(guī)范和要求，同時(shí)歐盟也發(fā)布制冷器具能效涉及法規(guī)[3]和生態(tài)設(shè)計(jì)要求法規(guī)[4]，國(guó)內(nèi)參照制冷器具國(guó)際和歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求并結(jié)合實(shí)際情況也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5，6]，目前對(duì)于耗電量測(cè)試方法國(guó)內(nèi)和歐盟等國(guó)家相關(guān)要求是一致的，都明確規(guī)定用兩個(gè)或多個(gè)結(jié)果進(jìn)行插值的方法來(lái)確定一個(gè)優(yōu)化的耗電量值使得所有間室溫度都小于或等于其特性溫度的方法，同時(shí)明確線性插值、三角形插值的測(cè)試方法和計(jì)算公式，從而獲得耗電量的最優(yōu)值。

吳曉麗等[7]對(duì)新版性能標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)項(xiàng)目和方法進(jìn)行解讀，分析耗電量的組成和具體測(cè)試要求，姜敬德等[8]對(duì)冰箱能效檢測(cè)的關(guān)鍵因子進(jìn)行研究，對(duì)容積、標(biāo)準(zhǔn)耗電量、裝載耗電量等測(cè)試方法進(jìn)行分析和解讀，魏邦福等[9]對(duì)耗電量的測(cè)試方法和具體影響因素進(jìn)行研究并給出降低電冰箱耗電量的設(shè)計(jì)方案和改善措施，但均未對(duì)插值耗電量的測(cè)試方法進(jìn)行研究。

張成全等[10]采用微通道冷凝器對(duì)電冰箱系統(tǒng)性能進(jìn)行提升來(lái)降低耗電量，童蕾等[11]分析了冰箱制冷系統(tǒng)中起熱交換作用的管道材料之間的性能對(duì)比，王維等[12]等分析了變頻冰箱在不同轉(zhuǎn)速條件下對(duì)溫度、功率、耗電量的影響，韓麗麗等[13]對(duì)回風(fēng)道除霜技術(shù)進(jìn)行研究改善能效，業(yè)內(nèi)[14,16]對(duì)耗電量的影響因素和設(shè)計(jì)改進(jìn)措施也有一些研究，但研究結(jié)果僅適用于設(shè)計(jì)改進(jìn)來(lái)優(yōu)化耗電量。

雖然前人已經(jīng)做了一些相關(guān)的研究工作，但仍未有人對(duì)耗電量線性插值法進(jìn)行研究，本文采用測(cè)試驗(yàn)證和理論分析的方式對(duì)線性插值法進(jìn)行研究，分析不同間室的插值和溫度特性對(duì)耗電量結(jié)果的影響，在理論分析的基礎(chǔ)上選擇雙溫控電冰箱進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證方法研究的結(jié)果對(duì)耗電量結(jié)果和測(cè)試周期優(yōu)化的效果。

1 線性插值法的理論分析

1.1 線性插值與三角形插值的對(duì)比

從理論分析來(lái)說(shuō)采用三角形插值法可以得到冷藏4 ℃、冷凍-18 ℃時(shí)的最佳耗電量結(jié)果，如表1中的試驗(yàn)樣品采用三角形插值法得到的耗電量要比線性插值小1.3%左右，但新版標(biāo)準(zhǔn)中耗電量需要測(cè)試32 ℃和16 ℃兩個(gè)工況，同時(shí)需要分別進(jìn)行裝載測(cè)試，線性插值測(cè)試耗電量周期已經(jīng)達(dá)到1個(gè)月以上，三角形插值法還會(huì)導(dǎo)致測(cè)試周期增加10～15天時(shí)間，因此對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)一般選擇線性插值的結(jié)果作為耗電量測(cè)試值。

表1 不同間室插值耗電量數(shù)據(jù)

線性插值法是對(duì)每個(gè)間室在其特性溫度處進(jìn)行插值，然后計(jì)算剩余間室在此點(diǎn)的溫度，如圖1所示，此種方法得到的結(jié)果是一個(gè)點(diǎn)剛好處于特性溫度，另外一個(gè)點(diǎn)在特性溫度以?xún)?nèi)的耗電量相對(duì)最優(yōu)值，這樣就決定了線性插值的結(jié)果無(wú)法像三角形插值一樣得到剛好全部處于特性溫度的測(cè)試點(diǎn)，其中影響線性插值耗電量結(jié)果的主要因素是基于各間室溫度進(jìn)行的插值間室的選擇。

圖1 線性插值耗電量示例圖

1.2 插值因子的影響分析

線性插值耗電量的插值因數(shù)fi計(jì)算公式如下：

式中：

Ti1—測(cè)試點(diǎn)1時(shí)，測(cè)得的間室i的溫度；

Ti2—測(cè)試點(diǎn)2時(shí)，測(cè)得的間室i的溫度；

Ti-tar—間室i的特性溫度。

若間室插值溫度有效，則按照公式（2）計(jì)算間室i的間室溫度作為特性溫度進(jìn)行插值時(shí)的插值耗電量：

式中：

Ei-tar—間室i的特性溫度進(jìn)行插值時(shí)的插值耗電量；

E1—測(cè)試點(diǎn)1測(cè)得的耗電量；

E2—測(cè)試點(diǎn)2測(cè)得的耗電量。

一般情況下測(cè)試點(diǎn)1為冷檔，測(cè)試點(diǎn)2為暖檔，E2≤E1，因此通過(guò)公式（2）可以分析出當(dāng)插值因數(shù)fi越大時(shí)，其插值耗電量的結(jié)果越小。

2 試驗(yàn)樣品和影響因素分析

以某電控風(fēng)冷十字對(duì)開(kāi)門(mén)冰箱（BCD-458）為研究載體，如圖2所示，其結(jié)構(gòu)是上冷藏室下冷凍室，冷藏和冷凍室分別能夠獨(dú)立控制溫度，試驗(yàn)設(shè)備采用冰箱性能實(shí)驗(yàn)室，溫度傳感器采用T型熱電偶，允許誤差為±0.5 ℃，功率表采用橫河WT310，其精度為1 W·h。

圖2 實(shí)驗(yàn)用BCD-458冰箱

測(cè)試方法嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)GB/T 8059-2016《家用和類(lèi)似用途制冷器具》執(zhí)行，耗電量測(cè)試為空載，環(huán)境溫度分別為32 ℃和16 ℃，冷藏室布置3個(gè)溫度傳感器，取其積分平均溫度為冷藏室溫度，冷凍室布置5個(gè)溫度傳感器，取其積分平均溫度為冷凍室溫度，冰箱溫度穩(wěn)定以后調(diào)節(jié)溫控器測(cè)試檔位分別進(jìn)行耗電量冷檔、冷藏插值、冷凍插值、冷藏冷凍插值測(cè)試，形成表1的測(cè)試數(shù)據(jù)。

從表1測(cè)試數(shù)據(jù)可以計(jì)算出線性插值耗電量結(jié)果分別是冷凍插值＜冷藏冷凍插值＜冷藏插值，不同插值間室的選擇對(duì)線性插值耗電量的結(jié)果通過(guò)表1進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)影響最大達(dá)到3.7%，具體情況如圖3，因此依據(jù)間室溫度進(jìn)行合理的插值間室選擇對(duì)耗電量結(jié)果至關(guān)重要。

圖3 插值耗電量測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線圖

2.1 插值因子影響分析的驗(yàn)證

從表1實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)和1.2條中的理論分析可以看出32 ℃和16 ℃耗電量均出現(xiàn)插值因子越大，其耗電量越小的現(xiàn)象，為進(jìn)一步證實(shí)這一結(jié)論的準(zhǔn)確性，對(duì)樣品32 ℃耗電量間室溫度進(jìn)行多次調(diào)節(jié)并以冷藏插值為例進(jìn)行計(jì)算，其插值耗電量和不同的插值因數(shù)關(guān)系如圖4所示，進(jìn)一步證實(shí)理論分析和數(shù)據(jù)現(xiàn)象結(jié)論。

圖4 表1中32 ℃冷藏插值耗電量與插值因數(shù)變化曲線圖

2.2 不同插值間室的選擇對(duì)耗電量結(jié)果的影響分析

從表1中32 ℃和16 ℃耗電量測(cè)試數(shù)據(jù)和試驗(yàn)樣品能耗影響分析可以發(fā)現(xiàn)，冷藏和冷凍室溫度距離特性溫度均超出0.5 ℃以上，但冷凍室溫度距離特性溫度-18 ℃較遠(yuǎn)且插值因數(shù)較大，因此采用冷凍溫度進(jìn)行插值的耗電量結(jié)果相對(duì)最優(yōu)，同步對(duì)耗電量間室溫度在0.5 ℃以外分別單獨(dú)調(diào)節(jié)冷藏室和冷凍室溫度，其插值耗電量隨冷藏、冷凍與特性溫度的差值變化趨勢(shì)如圖5，以間室溫度距離特性溫度越遠(yuǎn)且對(duì)耗電量占主導(dǎo)地位的間室綜合評(píng)估進(jìn)行插值，其插值耗電量結(jié)果相對(duì)較小。

圖5 插值耗電量隨冷藏、冷凍與特性溫度的差值變化趨勢(shì)圖

2.3 各間室溫度與特性溫度插值大小對(duì)耗電量結(jié)果影響

保持試驗(yàn)樣品32 ℃耗電量間室溫度在特性溫度0.5 ℃以?xún)?nèi)，調(diào)節(jié)冷藏和冷凍間室溫度接近特性溫度，然后分別進(jìn)行冷藏插值和冷凍插值，發(fā)現(xiàn)隨著各間室溫度與特性溫度的插值越大，以該間室進(jìn)行插值其耗電量值越小，當(dāng)冷藏和冷凍與特性溫度插值一致時(shí)，其插值耗電量結(jié)果基本一致，具體情況如圖6。

圖6 不同冷凍溫度插值耗電量變化曲線對(duì)比

3 樣品溫度控制邏輯優(yōu)化和效果對(duì)比

根據(jù)以上分析，當(dāng)fi為0或1時(shí)，可以滿足一個(gè)間室等于特性溫度狀態(tài)下的最優(yōu)耗電量值，如果能使多個(gè)間室的溫度調(diào)控均能達(dá)到接近于特性溫度的程度，其耗電量結(jié)果還能在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，接近于理想狀態(tài)下的最小值，獲得一檔測(cè)試狀態(tài)下的耗電量最小值，同時(shí)還能減少測(cè)試周期，通過(guò)對(duì)樣品溫度控制邏輯進(jìn)行精確微調(diào)控溫的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，將溫度控制從原有的1 ℃的檔位調(diào)節(jié)幅度優(yōu)化為0.3 ℃的精確微調(diào)模式，表2給出了試驗(yàn)樣品優(yōu)化后與表1耗電量相對(duì)最優(yōu)值冷凍暖檔的對(duì)比結(jié)果，精確微調(diào)控溫的優(yōu)化方式比線性插值法的相對(duì)最優(yōu)耗電量結(jié)果還要小1%左右，同時(shí)由于各間室溫度已經(jīng)非常接近特性溫度，基本可以一檔測(cè)試結(jié)束，不需要再進(jìn)行插值測(cè)試，同時(shí)耗電量測(cè)試周期也能降低50%左右。

表2 試驗(yàn)樣品溫度控制邏輯優(yōu)化前后對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)研究分析影響插值耗電量的主要因素是基于各間室溫度進(jìn)行插值間室的選擇，以實(shí)際冰箱為載體進(jìn)行32 ℃和16 ℃耗電量測(cè)試驗(yàn)證和設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化，在整體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)不更改的前提下實(shí)現(xiàn)耗電量一檔測(cè)試的相對(duì)最優(yōu)值且降低測(cè)試周期，同時(shí)對(duì)主要影響因素以及測(cè)試過(guò)程中獲得相對(duì)最優(yōu)耗電量提出以下解決方案，該研究成果填補(bǔ)了冰箱國(guó)標(biāo)耗電量線性插值方法的理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，促進(jìn)冰箱行業(yè)耗電量標(biāo)準(zhǔn)方法的發(fā)展研究：

1）以某一個(gè)間室進(jìn)行線性插值耗電量測(cè)試，插值因數(shù)越大，耗電量結(jié)果越小；

2）當(dāng)冷藏和冷凍溫度均超出特性溫度0.5 ℃之外時(shí)，根據(jù)各間室距離特性溫度的遠(yuǎn)近以及各間室對(duì)耗電量的貢獻(xiàn)進(jìn)行靈活操作，一般選擇距離特性溫度較遠(yuǎn)且在耗電量中占據(jù)主導(dǎo)地位的間室進(jìn)行插值，其耗電量結(jié)果較小；

3）當(dāng)冷藏或冷凍溫度處于特性溫度0.5 ℃之內(nèi)時(shí)，若4-T冷藏＞-18-T冷凍，優(yōu)先選擇冷藏室進(jìn)行插值，其耗電量結(jié)果較小，反之則選擇冷凍室進(jìn)行插值；

4）電冰箱間室溫度控制模式從原有1～2 ℃的調(diào)節(jié)幅度設(shè)計(jì)改進(jìn)為0.3 ℃精確微調(diào)控溫模式，溫度控制調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)冷檔各間室溫度趨近于特性溫度的結(jié)果，可以在測(cè)試周期減少50%的情況下實(shí)現(xiàn)耗電量測(cè)試結(jié)果的相對(duì)最優(yōu)值，有效加快產(chǎn)品測(cè)試開(kāi)發(fā)進(jìn)度，可在冰箱行業(yè)的設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。