今夏空调市场，国产品牌尽显英雄本色

中国电子报 眼下，空调市场风起云涌，一场短兵相接的价格大战如火如荼激战犹酣。国产品牌空调似乎“英雄本色”尽显，在与进口品牌、合资品牌的“格斗”中，呈现“一边倒”倾斜的势态，掌握了控制市场局面的主动权，胜券在握。

据了解，进入今年以来，广东各地的市场都反映出消费群体消费行为为冷静理智，没出现哪个品牌空调降价，消费者就一拥而上的抢购现象。消费者该买的降不降价都会去买，不想买的，也不会因为降了几百元就多买几台。在消费者消费观念日趋成熟、理智消费的心态驱使下，广东的空调销售平稳。据广州市内多家大商场和数个经销商声称，品质优、服务好、信誉佳、价格适中或偏低的国产空调大受欢迎。

到目前为止，已占市场销售总数的90％—95％，其中海尔、美的、华凌、格力、科龙、海信、春兰等知名品牌销售业绩突出，是众多空调种类中的佼佼者。而合资品牌的松下、珍宝、LG等虽然也不同程度地出了不少货，但显然比去年有了大幅度地减少。当记者问及商场中的顾客，若购空调是买国产货还是进口货时，9名被访者中只有一名回答说会考虑买进口空调。另有一人说，若是两三年前肯定会买进口产品，而近两年尤其是今年，国货是首选。

据广州友谊商店的销售人员介绍，往年商场均以进口空调产品为销售主导，约占70％—80％的幅度，而今年却倒了过来。究其个中原因，不外乎为以下几点：一是消费心态成熟，理智购物，不会盲目迷信洋品牌。二是国产品牌质量完全过关，用上个三五年绝对没问题，已赢得消费者的信赖。三是具备了进口空调无法比拟的安装、调试、保养、保修的售中和售后服务。

广东海尔策划部的负责人认为，优胜劣汰是市场经济的最大特点，任何企业在自己的产品推向市场后，哪怕只有一个环节跟不上，就会被淘汰。海尔在这个方面考虑得很充分，工作做得很过细、很足，坚持质量、服务、信誉三不打折，只要消费者选择了海尔空调，就等于获得了称心如意的超值服务，买到了真正的享受。一位专营白色家电的经销商赵老板说，现在的消费者对空调这个半成品的要求越来越高，此要求体现在产品的信誉、品牌、服务、价格等诸多方面，任何企业都不可能通过一两次的降价行为就永远占有市场。

专家认为，空调降价之后，进口品牌空调很可能逐渐地被淘汰出局，因为在消费者的心目中，空调已是极为普通的家电产品，算不上什么高档电器，同时也不认为进口产品的质量会特别好。加之，无论是价格还是服务都无法与国产货相抗衡。讲价格，始终居高不下；讲服务，往往多个品牌产品在同一个维修点，安装难、调试难，保养保修更是难上加难。

业内人士指出，市场是块最好的试金石，谁能把握消费者的需求，谁就赢得消费者的“芳心”，谁就拥有广阔的市场空间。空调市场价格战的爆发，不排除进口品牌遭淘汰的可能，此外还将出现重新定位排座次的局面。一些生产规模小而落后，成本高、质量不过关和服务不到位的个企将面临“出局”的危机。

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小型变容量空调系统控制技术在日本的研究进展

清华大学  彦启森  石文星  李先庭

    提要   综述了日本在小型变容量蒸气压缩式热泵空调系统控制技术方面的进展和现状，对组成空调系统的关键部件变频压缩机、电子膨胀阀、换热器风扇及其相关技术进行了分析和评述。

    关键词   控制技术，变容量空调系统，舒适性，节能

1  前言

    小型空调系统一般是指家庭和办公室所使用的蒸气式热泵空调系统，即称之的房间空调器和柜式空调机。以前对小型空调系统的研究重点集中在空调系统的优化设计、节能节材、提高空调系统的额定制冷量和能效比方面。随着人们生活水平的提高，人们对系统的节能和室内空气品质（IAQ）提出了更高的要求。

    近年来，随着电子技术、微电脑技术、变频技术和控制理论的发展，小型空调系统得到迅猛的发展，特别是在其控制技术方面取得了长足的进步^［1］。①压缩机变频调速技术的实用化；②用于调节制冷剂流量的电子膨胀阀开发成功，实现了制冷循环的状态控制；③微电脑的集成度提高，从8比特进步到16比特；④能够精细控制电力的功率器件开发成功；⑤传感技术发展迅速，已开发辐射温度传感器、人体方位红外传感器和人体舒适性温感传感器；⑥模糊理论、人工神经网络、遗传算法、混沌理论等新的控制理论开始应用于小型空调的控制系统。由于以上6个方面的技术进步，小型空调系统在以下几方面取得了发展：①空调系统根据室内负荷大小自动调节其容量，减少了压缩机的启停损失，具有较好的节能效果；②室温得到了精细调节，改善了室内空气品质；③由于放宽了室内外机的高差限制，故扩大了设备安装的自由度；④空调系统的操作更为简便，可靠性得到了进一步提高。

    多元VRV（Varied Refrigerant Volume）空调系统是由一台变频压缩机（或一台变频压缩机和多台定速压缩机组合）和多台室内机相连的冷剂式空调系统，由于各室内机的运行模式、风速等可由用户自由设定，所以空调系统的容量变化范围很宽，其控制具有相当的难度。为适应室内机的负荷变化,采用电子膨胀阀进行制冷剂流量控制和制冷循环状态量控制；采用相应技术解决了多台压缩机并联运行时的均油控制问题；且将先进的通信技术应用于大型多元VRV空调系统的运行监测、故障诊断系统中。在房间空调器方面，更偏向于室内舒适性控制方面，已经开始采用辐射传感器、人体方位传感器、温感传感器等，为空调器的智能化进程提供先进的传感手段。

    在上述控制技术中，主要包括对制冷循环和组成空调系统的关键部件的控制技术两个方面。本文将介绍近年来日本在这两个方面的进展现状和今后的研究课题。                    

2  空调系统控制

    空调系统控制包括对构成制冷循环的和要素及其整体的控制，随着微电脑、功率器件性能的提高，现代控制理论的应用，其控制方法也不断地得到更新和完善。

2.1  制冷循环控制

    多元VRV空调系统的容量控制是指当系统各室内机侧热负荷改变时，制冷系统能相应提供与室内热负荷相适应的制冷（热）能力。针对此问题，文献［2］提出了采用能力分配和制冷循环状态量分别控制的模糊自适应控制方法。在热回收系统中，则采用根据系统吸、排气压力，应用模糊控制理论，从系统整体特性上调节室外机的压缩机转速和热交换器的换热量的自律分散协调控制方法。在自律分散协调控制方法中，室外机的控制几乎不需要室内机的信息，室内外机之间的通讯减少，简化了控制系统。

    近年来，日本开发出了由多台室外机模块组成的大型多元VRV空调系统^［3］。由于采用了多台压缩机并联，为确保压缩机油面稳定，采用了性能优良的油面传感器，此项技术的应用，取消了压缩机之间的粗大均压管和均油管，使模块机组可自由扩大，减小了设备的施工难度，节省了大量管材。

    氟里昂削减问题已成为当今环保问题中关注的焦点之一，由于VRV空调系统内容积大，制冷剂的充注量相对于同容量的冷水机组多，所以减少HCFC22的充注量也成为其研究课题之一。文献［2］提出了控制冷凝器出口制冷剂为两相状态，从而减少冷凝器和输液管路内制冷剂的存贮量。

2.2室内环境的舒适性

    空调系统的目的是为了提供一个舒适的工作、学习和生活环境。人体舒适性不仅取决于室内温度，而且受湿度、辐射热、气流、着衣量和活动量的影响，并与这些量随时间的变化速度有很大的关系。由于这些量的测量非常困难，文献［5］提出了采用人工神经网络，推定人体舒适度的方法。在室内气流方面，采用室内风速脉动控制，以增强室内环境的舒适性。

    为判定房间内人员的位置，文献［6］提出了采用红外传感成像技术，通过人工神经网络方法进行图像处理，以判定人员在房间的位置、状态或判定室内是否有人，根据判定结果，计算出人体舒适性指标PMV（Predicted   Mean  Votd）值。由于房间内各处的PMV值不尽相同，于是调整压缩机转速和室内风向及风量，改善室内不舒适区的PMV值，从而扩大房间的舒适性区域。

    针对空调系统具有很强的非线性特征，近年来采用现代控制理论已获得了显著的效果。除模糊控制技术外，文献［7］还提出了基于遗传算法（GA）的控制设计方案。遗传算法是模拟生物遗传和进化过程的一种算法，是优化理论之一，利用此方法，可设计出能同时保证系统的节能性、可靠性和室内舒适性的控制模式。

2.3楼宇空调系统的控制

    由于多元VRV空调系统室内外机相距甚远，整座建筑空调系统的运行管理极不方便。由于各室内外机以及空调系统和监控系统之间必须进行通讯，且随着系统的扩大，控制系统的通讯线路的复杂程度增加，易给施工和管理带来错误和不便。为解决这一问题，已开发出仅采用无极性二线电缆的楼宇空调管理系统^［8］，此类系统可自动完成各设备的地址设置设定；在有多台室内机的房间内，仅保证有人区域的舒适性^［9］，协调控制室内机和电热壁毯^［34］，以实现系统的节能控制。

3制冷系统与控制系统的主要器件的进展

3.1压缩机

    柜式空调机和房间空调器所采用的压缩机一般为往复式、滚动转子式和涡旋式三种形式，且全封闭和半封闭式压缩机居多。在可变容量空调系统中，主要采用通过改变驱动电动机的转速来调整压缩机排气量的变频压缩机。

    变频压缩机和定速压缩机不同，①要求变频压缩机在整个调速范围内确保其性能稳定和可靠性^{［14，15］}；②保证变频压缩机润滑面供油量的适度^{［10，11，12］}；③变频压缩机工作频率范围宽，需解决低频共振，高频降噪问题^［13］。日本三洋、日立、东芝、大金等多家公司对上述问题获得了较好的解决办法，开发出了性能优良的变频压缩机。

3.2变频控制技术

    变频空调器的初型是在1978年松下电器技术展上首次展出^［16］，其压缩机采用了变频驱动，由于当时技术条件的限制，到1982年才开始实用化。之后，因微电脑技术和功率器件的进步，变频空调器才向着高效能、低噪声、小型小、智能化方向发展。

    （1）压缩机电动机

    感应电动机在价格和牢固性方面存在优势，仍占当今变频压缩机电动机的主流。最近，能实现变频驱动的高效率直流无刷电动机开始应用于空调器中。直流无刷电动机的转子由永久磁性材料制成，其转子磁体与定子电流所形成的磁场之间的相对运动不仅能产生磁力矩，且因磁阻的变化会产生磁阻力矩^［18］，其合成力矩可使电动机在低频区域运行时产生较大的转矩，提高了电动机效率。

    （2）控制算法     

    变频驱动的控制算法，直接影响电动机效率。对于常用的感应电动机的变频驱动，为获得最佳的电动机效率，应根据负载的轻重适当地调整其电压值。感应电动机的变频调速方法，一般采用运转频率和电压呈线性关系（即V／F＝常量）来实现，但在低频运行时，电动机端电压低，励磁电流小，会出现转矩不足现象，此时电动机效率较低。由于房间空调器压缩机每运转频率的负载波动不大，所以可预先在各运转频率的电压特性上作适当地修正，并将此存入微电脑，即可改善压缩机的效率。但对于多元VRV空调系统而言，由于系统负荷波动较大，采用此方法则不能较好地改善电动机效率。针对这一课题，文献［19］提出了采用无位置传感的向量控制技术，很好地解决了这一问题。向量控制方法是控制励磁电流与转矩电流正交，使电动机始终产生最大转矩的一种控制算法，但这种方法不能保证电动机效率总是最佳。因此，在控制过程中，适时地保证励磁电流与转矩电流的正交关系，同时控制电动机电流处于最小状态，即可实现电动机的高效率运行。

    对于直流无刷电动机的变频驱动问题，日本已进行了较深入的研究。转子位置的检测一般采用霍尔元件，但霍尔元件在高温环境工作时，其性能很不理想。由于电动机3相中有1相依次处于非导通状态，据此可测定转子所产生的感应电压波形，并由其波形计算出转子位置，用此方法来控制功率模块导通相的切换，可使变频控制器的工作温度范围扩大^［1］。

    在电动机低频启动时，由于感应电压几乎不能测定，也就不可能检测出转子的位置，电动机会出现失调，所以在感应电压可准确测定之前，采用霍尔元件，之后再转向用感应电压来控制功率模块导通相的切换。

    为实现直流无刷电动机的高效率驱动，导通相的切换精度至关重要。感应电压信号不经过模拟回路的滤波电路，而直接由微电脑进行数字化处理，转子位置测量即可不受电动机转速的影响而准确地测量出来^［20］。文献［25］中提出，让变频回路和微电脑之间进行非绝缘化处理，可提高感应电压波形的输入精度；对应不同的运转频率，整流回路在倍压整流回路（DC280V）和全波整流回路（DC140V）之间切换，不仅可以提高低频范围内电动机转速的检测精度，还能改善电动机效率。

    直流无刷电动机是直流电动机，其施加电压与发电常数和运转频率的乘积成正比，由于此电压不会因电源电压而上升，所以最大运转频率受到了限制。为提高电动机的最大运转频率，采用了弱磁控制方法。弱磁控制是控制使定子磁场与转子磁场不正交，从而减少电磁常数，增大运转频率。但对转子磁场施加了反向磁场，瞬间减磁，会使电动机性能显著降低，关于减磁增频问题，需要从控制算法和电动机两方面考虑，现正处于研究探索阶段。

    （3）微电脑技术

    初期的变频空调器的变频控制回路由数字IC构成，随着微电脑技术的发展，其控制回路大半由软件来实现。变频控制用微电脑芯片拥用CPU、程序ROM、数据RAM、输入输出端口、时钟、串行通讯等，特别是时钟功能强大，在用三角形载波信号生成PWM和控制功率模块上下臂导通的死区时间等方面，都发挥着具大威力。微电脑从8比特发展为16比特，其性能得到显著提高，计算速度加快，所以变频驱动可进一步提高载波频率，从而提高电流波形的精度，改善电动机效率。

    （4）功率器件技术

    变频空调器的实现，依赖于功率器件技术的进步。近年来IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）开发成功，实现了电力开关的高速化。IGBT是含有MOS（Metal Oxide Semiconductor）门的半导体，因为它是电压控制元件，所以其开关频率可以设计得很高，具有电耗小的突出优点。由于以往的半导体元件，因开关频率在数千赫兹以上时，由电动机产生的电磁噪声加大了空调器的噪音，采用了IGBT以后，将电动机产生的电磁噪声转向了不可听频率带，实现了空调器的低噪音化。

    为保证系统和设备的安全性和可靠性，出现了功率器件和门驱动电路合二为一的智能功率模块IPM（Intelligent Power Module）。IPM能检测短路电流、过电流、模块超温、控制电源异常等现象，当出现异常时，随即切断电源，并通知控制系统其故障原因^［17］。IPM的采用，实现了控制系统小型化和简结化。今后，IPM将会和控制用微电脑的一部分集成，向智能化、高集成化方向发展，此外，采用新结构、新材料（非硅材料）的IGBT也正在研究开发阶段，相信在21世纪会有更优良的产品面向用户。  

3.3  电子膨胀阀

    在变频驱动的变容量空调系统中，为提高制冷量控制特性和增大流量控制范围，1983年开发出了采用微电脑控制、脉冲电动机驱动的电子膨胀阀。电子膨胀阀通常是以蒸发器出口制冷剂的过热度为控制目标来节流蒸发器内制冷剂流量的，一般在蒸发器出入口管壁上各贴一只温度传感器，根据两只传感器测得的蒸发器出口过热度来控制阀门的开度的。传统的控制方法是采用反馈调节，但由于流量调节响应总是滞后于负荷的变化，所以也有在反馈调节的同时，利用蒸发器进风温度的变化进行前馈调节，以补偿反馈调节的时间滞后缺陷^［21］。

    最初电子膨胀阀采用PID控制，但由于调节器参数K_P、K₁、K_D选择不当，会使制冷系统发生振荡。因PID调节对于非线性系统不能实现很好的控制效果，为此，许多公司对PID控制算法进行了改进，并申请了专利^{［22，23］}。随着控制理论的发展，电子膨胀阀的控制已开始采用模糊控制等现代控制理论^［24］。

    电子膨胀阀不仅用于蒸发器流量控制，还可用于冷凝器过冷度、压缩机排气温度控制等多种场合，特别是在多元VRV空调系统中，通常用电子膨胀阀控制室温和室内换热器出口过热度（制冷时）或过冷度（制热时）^［25］。

    3.4 风扇电动机

    空调系统的室内外换热器所采用的风扇电动机，一般为感应电动机。在容量可变系统中，广泛使用抽头电动机，也有采用通过控制相位来调节转速的PG电动机^［26］，但这些电动机的效率都普遍较低。最近，直流无刷电动机开始应用于室内风扇驱动，加之扇叶采用树脂材料，实现了室内机的低噪声化。

     直流无刷电动机的变频驱动，从电磁兼容性EMC（Electric Magnetic Compatibility）和成本上考虑，以前均采用低电压PAM（Pulse Amplitude Modulation）方式。近来，将电源回路和控制回路集成一体的高耐压集成电路开发成功，则可采用与压缩机相同的PWM控制方式。房间空调器的室内风扇电动机容量较小，其控制回路集成在电动机内部的产品较多。以往直流无刷电动机常采用有位置传感器（用霍尔元件检测磁极位置）的驱动方式，最近已开发出无位置传感器的驱动方法，但从使用情况来看，有位置传感器的直流无刷电动机在受到电磁干扰时，其电流波形更为平滑。由于无位置传感器电动机的结构简单，不会受环境温度的影响，运行可靠，故仍然是今后的发展方向。

    室外机风扇电动机也在向直流无刷电动机方向发展。但由于室外机风扇易受环境风向、风速的影响，当室外风强制驱动风扇转动时，困电动机转子转动产生再生电能，有可能烧毁变频器电路。对感应电动机而言，电动机控制回路中不可能产生再生电能，因此，在现阶段，室外机风扇仍然采用感应电动机的变频驱动。在这种变频电动机的控制回路中，采用互补型晶体管作为开关元件，所以消除了因死区时间产生的波形歪扭，实现了理想正弦波驱动^［27］，其结果，直流无刷电动机的噪音和振动得到很好地改善。在柜式空调机或VRV空调系统中，换热器风扇电动机的容量较大，从控制回路的成本上考虑，现主要采用PG电动机或抽头电动机来实现风量调节。

　　4  今后的展望

    小型空调系统的控制技术，至今已取得了显著的进步。日本空调界现在所关注的问题主要集中在减少空调系统对环境、电网的污染，加速空调系统可持续发展的技术开发方面。①削减氟里昂的使用量。现在小型空调系统的制冷剂主要采用HCFC22，由于削减计划的逐渐实施，替代制冷剂大多偏向于采用混合工质方案，但关于采用新工质制冷系统的控制问题的研究仍属空白。②解决变频系统电磁兼容性问题。高次谐波会降低空调系统的功率因数，造成配电系统的容量增大。对此方面的研究虽已取得了一定进展，但仍未达到理想的效果。③抑制漏电电流。压缩机电动机采用PWM控制，由电动机线圈和压缩机外壳之间的静电产生漏电电流。特别是为降低压缩机噪声，提高载波频率，会使漏电电流增大。虽对压缩机电动机进行了强化绝缘处理，但仍需在变频回路设计上提出更好的解决办法。④提高节能效果。家庭和办公室，其空调系统的能耗占绝大部分。空调系统的节能，不仅要提高单台设备的能源利用率，而且应对全家或整栋大楼的空调设备进行综合控制和管理，以提高节能效果。此外，应加快蓄能技术、燃气能源和太阳能技术等在小型空调系统中的应用研究步伐。

    ５月３１日来自日本东芝公司的７位空调技术专家日前对青岛海尔家庭中央空调生产基地进行了技术鉴定。专家组成员考察、检测了海尔ＭＲＶ网络变频家庭一拖多空调生产线后认为：海尔家庭中央空调生产基地从去年投产到现在大批量出口海外，已具备了国际上最先进的生产技术手段，其质量控制、技术开发水平为国际领先。

    近几年，一种独立的小型中央空调系统即ＭＲＶ网络变频家庭中央空调在我国开始升温，这种空调介于大型中央空调系统和家庭一拖一空调之间，适合于目前我国多居室、写字楼及商用房结构需求。但这种空调生产技术要求条件高、技术复杂，目前我国还依赖进口。去年，海尔集团同日本东芝开利公司合作，率先在中国开发生产出世界领先的ＭＲＶ网络变频一拖多空调。

    位于青岛经济技术开发区的海尔网络变频家庭中央空调生产基地，从日本等国引进了最先进的全自动辨别监测生产线，从而避免了人工监测的误差，同时基地整个生产和管理均采用国际先进的计算机和尖端工质技术设备进行控制，年生产能力可达１００万台.