Мониторинг энергетических показателей бытовых холодильников в период эксплуатации

УДК 648.23

МОНИТОРИНГ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЫТОВЫХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ В ПЕРИОД ЭКСПЛУАТАЦИИ

С.П.Петросов1, М.А.Лемешко2, А.В. Кожемяченко2, С.Р. Урунов2

Институт сферы обслуживания и предпринимательства

Донского государственного технического университета (ИСОиП (филиал) ДГТУ),

346500, Шахты, ул. Шевченко, 147

В статье изложен метод контроля за изменением удельного энергопотребления компрессионного типа. Показано что энергоэффективность бытовых холодильников в процессе эксплуатации изменяется, вследствие чего возможны случаи работы холодильников с повышенным энергопотреблением. Предложен алгоритм определения отклонений удельного энергопотребления холодильника от паспортных значений в период эксплуатации, с учетом температуры окружающего воздуха. Приведено обоснование и описание алгоритма по определению технического состояния бытовых холодильников в период эксплуатации.

Ключевые слова: компрессионный холодильник, бытовой холодильник, мониторинг энергопотребления, алгоритм определения энергоэффективности, техническое состояние, энергопотребление в период эксплуатации

MONITORING ENERGY INDICATORS OF HOUSEHOLD REFRIGERATORS DURING

OPERATION

S.P PETROSOV, M.A.Lemeshko, A.V.Kozhemyachenko, Urunov S.R.

Institute services sector and enterprise (branch) of the Don State Technical University (ISOiP (branch) DGTU), 346500, Schachty, str. Shevchenko, 147

The article describes a method for monitoring changes in energy intensity of the compression type. It is shown that the energy efficiency of household refrigerators in operation varies, so that there may be cases of the refrigerator with an increased power consumption. An algorithm for determining the specific energy consumption of the refrigerator deviations from the certified value during the operation, taking into account the ambient temperature. The substantiation and description of the algorithm to determine the technical condition of household refrigerators during operation.

Keywords: compression refrigerator, household refrigerator, energy monitoring, an algorithm for determining the energy efficiency, technical condition, power consumption during operation

Бытовые, торговые и другие малые холодильные машины нашли широкое применение в быту, в торговле, в гостиничном и ресторанном хозяйстве, в медицине, на предприятиях и в организациях различной формы собственности. Это, как правило, холодильники компрессионного типа, которые составляют большой парк потребителей электроэнергии. Работая непрерывно в течение суток, холодильники являются объектами, которые должны быть энергоэффективны [1]. Например, в

домашнем хозяйстве, доля энергозатрат на холодильники в общедомовых расходах семьи составляет до 40%.

Реализуемая в настоящее время государственная программа РФ по энергоэффективности и энергосбережению [2], включает вопросы мониторинга энергетических показателей различных потребителей в период эксплуатации.

1Петросов Сергей Петрович — доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Технические системы жилищно-коммунального хозяйства и сферы услуг». тел.+1 928 213 36 04

2 Лемешко Михаил Александрович - канд. техн. наук., профессор кафедры «Технические системы жилищно-коммунального хозяйства и сферы услуг», ИСОиП (филиал) ДГТУ в г.Шахты, тел. +7 988 252 85 53. е-rnail: lem-mikhail(a),ya.ru:

3 Кожемяченко Александр Васильевич - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технические системы жилищно-коммунального хозяйства и сферы услуг», ИСОиП (филиал) ДГТУ тел. +7 918 503 81 30. E-mail: mabn(a),dssa. ru. ' '

4 Урунов Салават Рашидович — магистрант механико-радиотехнического факультета группы БМП-Pgll, ИСОиП филиал) ДГТУ в г.Шахты. тел. +7 928 615 37 41. e-mail: salavatAyou@gmail.com.

Бытовые холодильники, применяемые в различных условиях, с различным функциональным назначением в процессе их жизненного цикла не контролируются пользователями на соответствие нормам энергопотребления [3].

В тоже время в процессе эксплуатации эти холодильные приборы испытывают воздействие различных эксплуатационных факторов, снижающих показатели их энергоэффективности [4].

К таким факторам можно отнести температуру окружающего воздуха, износ трибо-сопряжений хладонового компрессора, физико-химическую стабильность рабочей среды, не плотность прилегания дверей к шкафу холодильника и др. [5]. Иногда условия эксплуатации холодильников отличаются от рекомендованных паспортных данных и стандартов, в этом случае их энергопотребление увеличивается. Эксплуатационные факторы в совокупности могут привести к увеличению удельного энергопотребления холодильника на 10-15% и более.

Технически определить показатель энергопотребления холодильника можно с использованием специальных приборов и стендов. Например, прибор СХ-2 [6] позволяет определить и потребляемую мощность и температурные режимы в камерах холодильника, однако использование этого прибора не дает приемлемых результатов, так как на достоверность измерений существенно оказывает влияние температура окружающего воздуха. Для более достоверной оценки энергетической эффективности холодильника в текущем состоянии необходимы стандартные условия испытаний, что возможно только в специализированных сервисных центрах, путем измерения холодопро-изводительности агрегата.

Метод определения холодопроизводи-тельности в теплоизолированной камере осуществляется путем ручного регулирования мощности нагревателя калориметра, размещенного в одной теплоизолированной емкости с испарителем исследуемого работающего агрегата. При этом регулировками добиваются теплового равновесия (теплового баланса) вырабатываемого холода и компенсирующего тепла. Полученное значение мощности нагревательного элемента при тепловом установленном равновесии характеризует холодопроизводи-тельность агрегата. Такой способ обеспечивает измерение и возможность сравнения фактической холодопроизводительности исследуемого холодильника с ожидаемой, полученной расчетным путем или с холодопроизводительно-стью эталонного (образцового) однотипного

холодильного прибора. По сходимости или отличию этих показателей оценивается техническое состояние исследуемого бытового холодильного прибора и косвенно изменение его удельного энергопотребления. Недостатком рассмотренного способа оценки энергетической эффективности бытового холодильника на калориметрических стендах и в теплоизолированной камере является громоздкость стенда, длительность испытаний.

Из патентных источников известен метод определения работоспособности и технического состояния бытового холодильника, который выполняется путем прямого измерения температур в нескольких «точках» системы охлаждения [7]. После наступления установившегося режима работы исследуемого холодильника, выполняются измерения температур, а полученные значения используются для сравнения их с эталонными значениями.

Нами разработан новый метод текущего контроля над изменением энергопотребеления компрессионного холодильника, сущность которого заключается в измерении потребляемой мощности компрессора холодильника за регламентируемый промежуток времени холодильника при регламентированных значениях температуры окружающего воздуха и сравнение результатов измерений через регламентируемые периоды его эксплуатации [8,9].

В разработанном методе использованы следующие подходы:

- обеспечение автономности процесса оценки удельного энергопотребления холодильника по интегральным показателям;

- упрощение процесса оценки технического состояния холодильника;

- повышение достоверности измерений, оценки фактического энергопотребления и обеспечение достоверности величины отклонения этого показателя от эталонного значения.

Метод включает выполнение измерений в нормативных условиях испытания холодильника [10], которые зависят от его класса и модели; при номинальных значениях температуры окружающей среды. Перед началом эксплуатации холодильника, в нормативных условиях испытаний измеряется (измеряются) одна (или несколько) характеристик, определяющих его интегральные теплоэнергетические показатели. Используя результаты измерений, вычисляется эталонный (базовый) показатель энергетической эффективности холодильника, как оценка его технического состояния перед началом эксплуатации. Метод включает запись (регистрацию) этого показателя (этих показателей), а по истечению нормированного периода эксплуатации, выполняются последующие провероч-

ные измерения этих же характеристик и вычисляются эти же показатели, которые сравниваются с базовыми. По сходимости или расхождению этих показателей оценивается техническое состояние всего холодильного прибора. При этом для записи результатов измерений характеристик, вычисления показателей технического состояния, выполнения операций сравнения и управления подпрограммами по обеспечению нормированных условий измерений, используется контроллер системы управления холодильника.

В качестве нормированных показателей технического состояния холодильника в разработанном методе могут быть использованы следующие интегральные показатели технического состояния холодильника:

- среднегодовое или среднемесячное энергопотребление;

-среднесуточное энергопотребление;

- индекс энергетической эффективности;

- коэффициент рабочего времени (КРВ);

-скорость охлаждения (заморозки).

Возможно применение и других показателей технического состояния холодильника, например, скорость охлаждения в камерах холодильника после размораживания и уборки внутри шкафа, температура на входе и выходе из испарителя. Допускается использование и других показателей технического состояния холодильника и его подсистем, которые не являются нормированными, но при измерениях могут быть использованы для оценки его энергоэффективности.

Индекс энергетической эффективности холодильника вычисляется по формуле:

1 =

'факт

Е,

100%,

хождению значений эталонного и фактического значения КРВ судят о энергоэффективности холодильника или о его техническом состоянии.

Разработанный метод реализуется алгоритмом, приведенным на рисунке 1.

станд

где -Ёфакт - фактическое годовое потребление электроэнергии холодильником, кВт ч\ Естанд -стандартное годовое потребление для холодильника данной категории, определяемое при испытаниях эталонного (нового) до периода его эксплуатации, или значение годового потребления, которое указывается производителем в паспорте на изделие, кВтч.

Фактическое суточное энергопотребление определяется согласно требованиям ГОСТ 30204-95 [11] при температуре окружающей среды плюс 250С.

В качестве нормированного показателя интегральной оценки энергоэффективности холодильника, может быть использован КРВ агрегата, измеряемый при нормированном значении температуры окружающей среды. При этом так же сравнивается эталонное значение этого показателя с КРВ холодильника после нормированного периода его эксплуатации. По рас-

Измерэние опорных (эталонных) интегральных характеристик

Запись в память контроллера БХП результатов измерения

опорных интегральных характеристик и показателей

Г

Включение таймера регламентируемого периода эксплуатации

г

Создание регламентированных условий работы БХП

1

Измерение контрольных значений интегральных характеристик и показателей

да Сравнение измеренных / контрольных и опорных

значений интегральных ^^ ^характеристик и показателей^

// нет

Индикация интегральных показателей работы БХП

1

Принятие решения о техническом состоянии БХП

Пред отказное \ нет

состояния БХП

Индикация о предотказном ^ состоянии БХП '

Рисунок 1 - Алгоритм разработанного метода оценки изменения удельного энергопотребления холодильником

Первым этапом диагностирования является создание нормативных условий испытания холодильника. Согласно ГОСТ 16317-87 и ГОСТ 30204-95, создаются условия испытания

нового изделия, которые включают поддержание температуры окружающего воздуха плюс 250С, работу холодильника без загрузки продуктами или имитаторами продуктов, без открывания дверей холодильного шкафа.

Вторым этапом является измерение опорных (эталонных) характеристик технического состояния холодильника.

Третьим этапом диагностирования холодильника является запись измеренных значений интегральных и частных показателей и характеристик в энергонезависимую память контролера системы управления холодильника в соответствующие адресные ячейки памяти с возможностью считывания содержания ячеек и выполнения вычислений оценочных показателей.

Четвертым этапом является включение таймера регламентируемого периода эксплуатации холодильника. Таким периодом может быть месяц, и/или полгода и/или год.

Период работы холодильника до первых контрольных измерений может изменяться в зависимости его прогнозируемой надежности, наличия новых малоизученных элементов, которые увеличивают вероятность измерения технического состояния и, что влияет на установление периодичности информирования пользователя состоянием текущего энергопотребления холодильника.

По истечению установленного периода эксплуатации выполняется пятый этап измерений, который заключается в создании регламентированных условий испытания, аналогичных условиям первого этапа.

Такие условия могут быть созданы принудительно или выполнены в период размораживания и/или уборки в холодильном шкафу. Основным регламентированным условием для проведения следующего этапа является установление регламентированного значения температуры окружающего воздуха. Например, с использованием кондиционера.

Шестой этап включает контрольные измерения значений соответствующих характеристик и вычисление интегральных показателей энергетической эффективности холодильника.

Показатели интегральной оценки технического состояния включают показатели, принятые на втором этапе диагностирования. Такие, как суточное энергопотребление и/или КРВ и/или скорость охлаждения и/или суммирующие показатели, например, среднесуточное энергопотребление за период между первичным измерением опорных (эталонных) интегральных показателей, измерением контрольных значений после регламентированного периода работы холодильника.

При этом результаты контрольного измерения интегральных характеристик и показате-

лей размещаются в память контроллера системы управления, во вторую группу ячеек, соответственно с размещением значений измерений на третьем этапе.

Седьмой этап включает сравнение интегральных показателей технического состояния холодильника, используя записи их значений из первой группы ячеек памяти и второй группы ячеек памяти, соответственно с наименованием оцениваемых параметров.

Восьмой этап заключается в выводе на индикатор результатов измерений базового (эталонного значения) и контрольного значения интегральных характеристик технического состояния холодильника.

Девятый этап заключается в принятии решения об оценке энергоэффективности эксплуатируемого холодильника.

При этом отклонение значения каждого контрольного показателя от значения базового (эталонного) сравниваются с допустимыми отклонениями каждого показателя, внесенных в третью ячейку памяти контроллера управления.

Если эти отклонения незначительны, и не превышают установленных пределов, то принимается решение о продолжении эксплуатации холодильника без индикации результатов сравнения. При этом на индикатор могут быть выведены сообщения для пользователя об удовлетворительном состоянии эксплуатируемого холодильника.

Десятый этап предусматривает выявление критических отклонений и включения индикации о предаварийном состоянии на панели контроллера холодильника, или включение аварийной сигнализации. Возможно также дистанционное информирование сервисного центра о критическом состоянии конкретного холодильника, конкретного пользователя.

В зависимости от выбранного показателя или показателей в контроллер вводится подпрограммы для измерения определенных характеристик работы холодильника и вычисления его показателя/показателей теплоэнергетического состояния.

Например, для оценки технического состояния холодильника по КРВ измеряется время работы компрессора тр и время его стоянки тс за один или несколько установившихся циклов, согласно ГОСТ 16317-87 и вычисляется показатель КРВ:

При этом выполняются следующие условия измерений:

а) контролируется температура окружающего воздуха. Преимущественно температура окружающего воздуха должна быть плюс

250С (это условие идентично условиям заводских испытаний).

б) в расчете КРВ используются характеристики только тех циклов, за которые двери холодильного шкафа не открывались, а температура окружающего воздуха не изменялась или изменялась незначительно, не более 3...5%.

Для оценки технического состояния холодильника по среднесуточному или среднегодовому энергопотреблению измеряется фактическая потребляемая мощность за один, несколько установившихся циклов работы компрессора или за длительный срок эксплуатации, от одного месяца до года эксплуатации.

При измерении потребляемой мощности за один или несколько циклов необходимо также контролировать и/или поддерживать за период измерений температуру окружающего воздуха, преимущественно плюс 25 0С и обеспечивать измерения без открывания холодильного шкафа.

Расчет среднесуточного энергопотребления выполняется на основании результатов измерения потребленной мощности одного или нескольких циклов работы компрессора в установившемся режиме.

Оценка суточного энергопотребления холодильника на основании измерений одного цикла в установившемся режиме выполняется следующим образом.

Вычисляется ожидаемое число циклов за сутки:

24

пч =

где Тц

длительность одного цикла.

1=1

п 24

пч =

и

I*. ¡=1

Е =Е -п ,

сут ц ц -

где:гц - среднее значение длительности цикла за п циклов работы компрессора; г . - значение г'-го измерения длительности каждого из п циклов; п - число циклов в сутки; Е - среднее значение п измерений ¿-го энергопотребления Е за каждый г-й цикл.

Оценка среднесуточного энергопотребления Есут за более длительный период от 1 мес. до 1 года определяется отношением потребленной энергии за этот период к числу суток за этот период. Например:

сут 3

Вычисляется среднесуточное энергопотребление:

Е„т - Е„  п ,

сут ц ц" V /

где Е - замеренная потребляемая мощность

за один цикл.

Оценка среднесуточного энергопотребления на основании измерений потребляемой мощности за несколько циклов выполняется по следующим выражениям:

где Е30 - потребляемая мощность за 30 дней.

Интегральная оценка технического состояния холодильника по среднесуточному энергопотреблению позволяет сравнивать вычисленные значения энергопотребления с паспортными значениями энергопотребления и определить соответствие испытываемого холодильника его энергетическому классу в начале эксплуатации и после истечения задаваемого срока эксплуатации [12].

Оценка технического состояния холодильника по скорости охлаждения[13], например, в холодильной камере, выполняется путем сравнения скорости охлаждения в начальном (исходном) техническом состоянии БХП со скоростью охлаждения после регламентированного периода эксплуатации для идентичных условий измерения скорости охлаждения.

При этом контроллер управления холодильником обеспечивает измерение температур в начале охлаждения, когда температура в камере равна температуре окружающей среды и на протяжении периода времени тохл , за которое температура понижается до рабочего значения плюс 2...5°С. Достижение этой температуры является командой для остановки таймера времени работы компрессора. Далее вычисляется разница между температурой окружающей среды toc и температурой в камере £охл и которая делится на время работы компрессора за этот период

V =

охл

t..

Определение скорости охлаждения осуществляется подпрограммой контроллера системы управления холодильника.

При этом выполняется сравнение температуры окружающего воздуха и температуры внутри исследуемой камеры холодильника. Если температуры не равны, измерение не выполняется; если температуры равны, вырабатываются команда на включение компрессора и команда на запуск таймера текущего времени с момента работы компрессора, сигнал с датчика

температуры внутри камеры холодильника является командой для остановки таймера текущего времени и начала определения (вычисления) скорости охлаждения.

Подпрограмма определения скорости охлаждения выполняется первично для нового холодильника при температуре окружающего воздуха от 20 до 300С и через устанавливаемый период эксплуатации, преимущественно при температуре окружающей среды, равной температуре окружающей среды при испытании нового холодильника.

При последующих измерениях скорости охлаждения устанавливается такое же значение температуры окружающей среды. Измерение скорости охлаждения выполняется при незагруженных продуктами камерах холодильника.

Такие измерения можно выполнять в периоды размораживания и уборки внутри камер холодильника.

Выводы

Разработанный метод текущего контроля над изменением энергопотребления компрессионного холодильника обладает следующими преимуществами в сравнении с другими выше-рассмотренными способами:

- упрощается процесс определения текущего технического состояния прибора, т.к. не требуется дорогостоящих и громоздких калориметрических стендов;

- увеличивается точность и достоверность диагностики, так как исключаются погрешности нелинейностей в косвенных вычислениях показателей энергоэффективности;

- способ обладает большей мобильностью, т.к. обеспечивает возможность определять техническое состояние холодильника, общее (интегральное) без участия человека и с минимальными требованиями к условиям реализации способа;

- способ может быть использован в системе самодиагностики (преимущественно), так и при стационарных испытаниях холодильников в сервисных центрах, а также при ремонте их «на дому»;

- способ может стать основой выпуска БХП с электронным паспортом, где в заводских условиях при плановых заводских испытаниях в электронной памяти контроллера системы управления БХП будут сохранены интегральные и локальные (номинальные) характеристики нового прибора.

Литература

1. Петросов С.П. Научные основы повышения эффективности бытовых холодильников компрессион-

ного типа: дис. докт. техн. наук: 05.02.13: защищена 16.03.07: утв. 8.06.07.-Москва, 2007.-375с.

2. Подпрограмма «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности» государственной программы Российской Федерации «Энергоэффективность и развитие энергетики», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 3 апреля 2013 года № 512 -р.

3. Теоретические принципы обеспечения технического состояния бытовых холодильных приборов на этапе их технической эксплуатации / Кожемяченко A.B., Петросов С.П., Лемешко М.А., Рукасевич В.В., Шерстюков В.В. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2013.№3(172). С. 107-109.

4. Диагностирование технического состояния бытовых холодильных приборов. Кожемяченко A.B., Лемешко М.А., Рукасевич В.В. / Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2012.№ 4. С. 110-114.

5. Определение предельно допустимых значений энергетических показателей качества бытовых компрессионных холодильных приборов . Кожемяченко A.B., Петросов С.П., Лемешко М.А., Рукасевич В.В., Шерстюков В.В., Кулишов A.A./ Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2013.№ 6 (175). С. 132-137.

6. Лепаев Д.А. Ремонт бытовых холодильников, М.: Легпромбытиздат, 1989, с.255-258.

7. Диагностическая система для бытовых электроприборов. Заявка RU № 2005121143 А, МПК GOlr 31/28. Опуб. 20.01.2006, Бюл. №02.

8. Патент РФ.№ 2526143 МПК F25B49/00 . Способ определения технического состояния подсистем компрессионного бытового холодильного прибора. Кожемяченко А. В., Лемешко М. А., Петросов С. П., Рукасевич В. В., Фомин Ю. Г.

9. Способ локального определения технического состояния компрессионного бытового холодильного прибора . Кожемяченко A.B., Лемешко М.А., Петросов С.П., Рукасевич В.В., Шерстюков В.В., Романова М.И. /Инженерный вестник Дона. 2013. Т. 25.№2(25). С. 49.

Ю.ГОСТ Р 51565-2000. Приборы холодильные электрические. Эффективность энергопотребления. Методы определения

11. ГОСТ 30204-95 Эксплуатационные характеристики БХП. Методы испытаний.

12 Способ определения технического состояния бытового холодильного прибора.

Лемешко М. А., Петросов С. П., Кожемяченко А. В., Рукасевич В. В., Саввов A.B./ Патент РФ. № 2480686, МПК F25B49/00. 0публиковано:27.04.2013 13. Способ определения технического состояния компрессионного бытового холодильного прибора. Кожемяченко А. В., Лемешко М. А., Петросов С. П., Рукасевич В. В., Фомин Ю. Г./ Патент РФ.№ 2525058, F25B45/00. Опубликовано: 10.08.2014