基于正交分析空调器性能影响因素的研究

陈志航 杨彤 蔡元浩

广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311

1 引言

近年来，国家大力提倡节能环保的号召，越来越多的消费者在选购空调时更关注节能、健康、舒适的性能属性，这就对空调器的性能参数提出了更高的要求。影响家用空调器的参数是多种多样的，而最终的性能表现也是各个参数综合影响的体现。其中，影响空调器室内机的参数包括电机的转速，换热器的样式，风道曲线，包括蜗壳曲线以及蜗舌曲线等，这些参数对空调器室内机的影响表现为风量的大小，噪音值的高低以及电机功率的大小等，此外，这些参数也决定了空调器室内机的性能优劣。

而针对上述参数对空调器室内机的影响主要采用单变量进行研究分析，这往往会忽略其他因素以及不同参数之间的相互耦合作用的影响；亦或是在获得单一变量的影响后，在前一个变量对空调器性能的影响的基础上，再针对另一个单一变量进行研究，其过程将会耗费大量的时间和物力；亦或是采用流体力学仿真来研究空调风道的流动特性，但是，流体力学仿真的前提是对空调器所在的外界大气环境以及内部的流体特性进行理想化处理，这些理想化的处理会使得实际测试的结果与仿真得到的结果存在较大的差别，进而影响风道系统的研究分析和整个空调器室内机的噪音级（SPL）[1,2]，甚至是最终的实验结果无法得出各个参数的最优组合，从而获得最优的空调器性能，这些性能参数包括空调器的风量、噪音值、电机功率等，这些因素进而会影响到空调器换热系统的排气温度、吸气温度、排气压力、吸气压力、整机功率值等[3]。

在本文中，通过选取电机转速、蜗壳曲线、蜗舌样式、换热器样式等作为影响因子，并测试风量、噪音值、电机功率以分析各个因子的组合结果。采用正交分析法进行实验设计，并通过设计得到的正交表进行实验测试，最后通过结果分析得出各个因素及其耦合作用对空调器性能参数的影响程度，从而得出空调器性能参数最优的参数组合[4]。

2 实验测试方案

2.1 设计实验因子与水平

本文中，采用如图1所示的空调器室内机进行测试工作，选取其中的蜗壳曲线样式、蜗舌曲线样式、蒸发器样式以及电机转速作为实验因子，结合实验设计，采用混合水平方案以及测试的实际需求，采用的实验水平方案为“8+2+2+2”。因此，针对蜗壳样式曲线，设计了如图2所示的两个水平（W1，W2）；针对蜗舌曲线样式，设计了如图3所示的八个水平（S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8）；针对蒸发器的样式，设计了如图4所示的两个水平（Z1，Z2），采用的电机转速为D1，D2两个水平。

采用混合水平的实验设计，各个因子的水平数分别为“8+2+2+2”，得到表1所示的正交因子分析表。

图1 本次实验中所使用的测试工装

图2 本次实验中所采用的蜗壳曲线

图3 本次实验中所采用的蜗舌曲线

图4 本次实验中所采用的蒸发器样式

2.2 实验测试标准

为了确保实验测试数据的准确性和后期数据的可重复性，在本次实验测试中，我们要求所使用的实验测试机组必须满足ISO/TS 16949质量管理体系中的MSA工具（测量系统分析）所要求的公差比（%P/T）＜30%。

2.2.1 风量的MSA系统测试方案

GB/T 1236-2000，GB/T 7725-2004为本次风量测试的标准，使用的风量测试机组为FG3.5(I)，3HP焓差室。要求每次记录数据前，实验测试系统需要有至少15min的稳定时间；要求控制静压值为0Pa，允许误差为-0.2Pa～0.2Pa，机组喷嘴压差允许波动的范围为175Pa～365Pa；按照以往的测试经验，在本次实验采用Φ70与Φ50的喷嘴组合使用；本次实验不允许采用其他任何的辅助风道，要求工作与测试机组之间完全密封。在首次启动仪器进行测试时，在控制静压达到0Pa后，需要稳定至少25min后才可开始记录数据，每次数据采用的时间区间为5min，最终的实验数据是所采用数据的算数平均值。

2.2.2 噪音的MSA系统测试方案

本次噪音测试中，根据GB/T 6882-2008，GB/T 7725-2004以及GB 19606-2004的要求，采用的测试机组为FG3.5(I)并要求配备有调节电源电压的装置以及B&K频谱分析仪，实验室环境要求温度为27℃，相对湿度为60%，按照上述标准要求调节安装测试机组，并根据表1要求的条件依次更换测试对比因子同时测试噪音值。为了提高测试数据的可重复性，在测试中要求噪音值数据的采集区间为10s，重复测试之间的时间间隔为5s。由于实时噪音数值是处于时刻波动的状态中，因此，实验测试采用较短的间隔时间来重复测试，使得在连续的测试过程中，每次测试所得到的实验数据之间均为相互独立。本次实验所使用的记录表如表2所示。

图5 噪音值的主效应图及选取的因子

图6 风量的主效应图及选取的因子

图7 电机功率的主效应图及选取的因子

表1 正交实验表

3 实验测试与结果分析

根据所要求的风量、噪音测试标准以及正交表所要求的各个因子组合，逐个组装测试工作并进行相应的测试，测试所得到的数据如表3所示。在进行本次实验中，结合实际的性能参数要求以及为了更好的评估实验测试数据同时分析所得的数据，我们将优化后的工装的性能参数目标设置为：实际风量≥600m3/h，电机功率≤23W，噪音值≤44dB。

将表3中实验测试所得到数据依次对应输入到实验表格中并对所有数据进行分析，分析得到的噪音、风量、功率的均值-主效应图分别如图5、图6、图7所示。按照噪音值为望小，风量值为望大，电机功率为望小的原则分别在对应的主效应图中圈选出符合要求的各个因子。

根据噪音、风量、功率的主效应图以及所选取的因子综合分析后，蜗舌、蜗壳、电机转速、蒸发器样式等各个水平中选择进行预测的因子水平分别为：蜗舌：S6；蜗壳：W1；转速：D2；蒸发器：Z1。采用选定的各个因子对应的水平进一步进行分析预测噪音、风量、功率结果。

按照选定因子水平为蜗舌：S6；蜗壳：W1；转速：D2；蒸发器：Z1，进行分析后得出噪音、风量、功率的预测值分别为43.2dB，604m3/h，20.9W，满足实验最初设定的目标。采用选定的因子水平，进行工装安装后进行实际的测试，测试结果为：风量617m3/h；功率：22.1W；噪音：43.7dB，风量与预测值误差为2%，功率与预测值的误差为5.7%，噪音值与预测值的误差为：1%，满足要求，同时，实际测试的各项性能参数也均能满足初始设定的目标要求。

在本文中，运用正交分析理论进行实验设计，有针对性的选取对空调器室内机性能有显著影响的因子，同时有针对性的设计不同的水平，通过正交设计得到各个因子之间的正交表并以此为实验测试的组合，然后通过测试得到所需的实验数据，通过分析，得到噪音、风量、功率与各个因子、各个水平之间的主效应图。分析各个性能参数的主效应图以及结合目标要求，得到所需的因子水平的组合以及对应的预测值，再进行实际测试验证最后结果的可靠性。这样的试验设计能够更加可靠的分析各个因子及其之间的耦合作用对空调器室内机的性能影响，从而得到最优的参数因子组合，从而改善和提高空调器室内机的性能参数。

表2 本次实验中所使用的数据记录表样表

表3 实验测试所得数据