1 UVOD
Zaostrene razmere na trgu zahtevajo gospodinjske apa-
rate z veliko dodano vrednostjo. Poleg vgrajenih ra-
znovrstnih funkcionalnosti morajo aparati delovati z
najmanjšo možno močjo oziroma imeti nizko porabo
električne energije. Hladilno-zamrzovalni aparati so med
gospodinjskimi aparati največji porabniki električne
energije. Vodilni slovenski proizvajalec velikih gospo-
dinjskih aparatov si zato prizadeva izdelati energijsko
učinkovite aparate z optimalnim delovanjem. Optimalno
delovanje pomeni, da aparat pri najnižji možni porabi
električne energije ohlaja prostore aparata na želeno tem-
peraturo. Takšna optimizacija navadno zahteva veliko
dolgotrajnih razvojnih meritev ali temeljito teoretično
analizo hladilnega sistema in izdelavo zapletenega mate-
Prejet 18. februar, 2010
Odobren 3. junij, 2010
matičnega modela za simulacijo [1], [2], [3], [4], [5]. Za-
dnje navedeni način zahteva veliko časa in specifičnega
znanja uporabe, po navadi dragih, orodij (Gambit, Flu-
ent, Matlab). Ob morebitni spremembi geometrijskih
lastnosti pa je treba postopek ponoviti skoraj od začetka.
V razvoju hladilnih aparatov je za vsak nov tip aparata
potrebno opraviti vrsto meritev, da določimo optimalno
delovanje. Toplotni procesi v hladilnih sistemih so po
svoji naravi zelo počasni. Ena meritev za določitev
porabe energije lahko po standardnih predpisih traja
več dni. V članku predstavljamo simulator, ki deluje na
podlagi minimalnega seta različnih kratkih meritev. Te
meritve vnesemo v program Microsoft Excel, v katerem
je narejen simulator. Simuliranje na podlagi vnesenih
podatkov v program Excel zahteva od uporabnika mi-
nimalno računalniško znanje. V primeru spremembe
hladilnega aparata (geometrijskih mer, vgrajenih kom-
ponent, načina regulacije) ponovimo del meritev, ki se
nanašajo na spremembo, in jih ponovno vnesemo. To
pomeni, da na enostaven način prilagajamo simulator.
V primeru izdelave popolnoma novega aparata pa lahko
po ustaljeni rutini (avtomatiziranih meritvah) v zelo
kratkem času priredimo simulator za uporabo z novim
aparatom. Zaradi teh prednosti je program Excel orodje,
ki zmore simulirati različne kompleksne sisteme [6], [7].
Primerjava izmerjenih vrednosti in rezultatov simulacije
kaže na natančnost simuliranja hladilnega aparata, brez
poznanja posebnih programskih jezikov in uporabe dra-
gih programskih orodij.
2 DELOVANJE APARATA
Aparat je sestavljen iz treh prostorov; zgornji prostor ima
funkcijo hladilnika in se imenuje FF (Fresh Food) pro-
68 PAPA, MRAK
stor. Srednji prostor je namenjen napravi za pridobivanje
ledu in se imenuje IM (Ice Maker). Spodnji prostor pa
lahko deluje v več različnih načinih in se zato imenuje
CD (Convertible Drawer). Spodnja dva prostora tvorita
FZ (Freezer). Regulacija temperature je izvedena s hla-
dilnim sistemom, ki vsebuje kompresor s spremenljivimi
vrtljaji, ki poganja plin, ta v uparjalniku ekspandira
in odvzema toploto uparjalniku. Uparjalnik hladi zrak,
ki ga potem z ventilatorji in prezračevalnim sistemom
vpihujemo v posamezen prostor. Srednji prostor (IM)
in spodnji prostor (CD) imata skupen hladilni sistem
(kompresor, uparjalnik in ventilator), kar pomeni, da je
regulacija teh prostorov soodvisna. Zaradi tega imata
prostora IM in CD še loputi, s katerima reguliramo dotok
hladnega zraka v posamezen prostor. Slika 1 predstavlja
koncept aparata in njegove komponente.
kondenzator FF
tk=f(f, tok, tup)
ventilator
kondenzatorja FF
uparjalnik FF
tup=f(tk, tses, tvpih)
ventilator FF
Φ
Pel=f(f)
prostor FF
tsr=f(tvpih, Qizg)
tvpih=f(tup, Φ)
tipalo FF
kompresor FF
(spremenljivi vrtljaji )
F
F
-d
e
l
prostor IM
tsr1=f(tvpih1, Qizgim)
prostor CD
tsr2=f(tvpih2, Qizgfz)
tvpih1=f(tup, Φ1)
tvpih2=f(tup, Φ2)
Pel - električna moč f(f, tk, tup)
Q - hladilna moč f(f, tk, tup)
f - vrtljaji kompresorja
tk - temperatura kondenzacije
tup - temperatura uparjanja
tok - temperatura okolice
tses - temperatura sesanja zraka iz FF
tvpih - temperatura vpiha zraka v FF
tses1 - temperatura sesanja zraka iz IM
tvpih1 - temperatura vpiha zraka v IM
tses2 - temperatura sesanja zraka iz FZ
tvpih2 - temperatura vpiha zraka v FF
tsr - srednja temperatura prostora FF
tsr1 - srednja temperatura prostora IM
tsr2 - srednja temperatura prostora FZ
Qizg - toplotne izgube f(tsr, tok) – odvisna od Δt
Φ - pretok zraka
loputa CD
loputa IM
tok
F
Z
-d
e
l
kondenzator FZ
tk=f(f, tok, tup)
ventilator
kondenzatorja FZ ventilator FZ
Pel=f(f)
tipalo IM
kompresor FZ
(spremenljivi vrtljaji )
uparjalnik FZ
tup=f(tk, tses1, tvpih1, tses2, tvpih2)
tipalo CD
Φ1 Φ2
moč
moč
Slika 1: Bločna shema hladilnega aparata
Kompresorjema lahko s spremembo frekvence vho-
dnega signala spreminjamo število vrtljajev motorja na
minuto (v nadaljevanju: frekvenca kompresorja), s čimer
spreminjamo tudi njuno moč. Hitrost vrtenja ventila-
torja lahko preklapljamo med maksimalnimi, srednjimi
in minimalni vrtljaji. S spreminjanjem hitrosti vrtenja
ventilatorja vplivamo na količino vpihanega ohlajenega
zraka v prostor.
3 MERITVE IN ANALIZA
Na podlagi analize meritev temperature v različnih de-
lih aparata je bilo ugotovljeno, da je za zadovoljivo
napovedovanje poteka temperature na tipalu in v pro-
storu dovolj upoštevati samo meritve temperature tipal
v odvisnosti od delovanja kompresorja. Meritve vseh
drugih temperatur bistveno ne prispevajo k natančnosti
napovedovanja temperature na tipalu, saj je v aparatu
preveč medsebojnih odvisnosti različnih merjenih tem-
peratur. Obenem je pri meritvah, izvedenih pod enakimi
pogoji, precej razlik, ki so posledica dodatnih vplivov
(izolacijski material, postavitev tipal ...), kar vnaša v na-
tančnost meritev določeno stopnjo nedoločljivega šuma.
Tako smo za obdelavo meritev FZ-dela merili samo
temperaturi na tipalih IM in CD, srednji temperaturi IM
in CD ter moč kompresorja. Za obdelavo meritev FF-
dela pa temperaturo na tipalu FF, srednjo temperaturo v
FF ter moč kompresorja.
V FZ-delu deluje aparat v štirih značilnih načinih, ki v
grobem določajo štiri različne odzive v prostorih; odprti
loputi IM in CD (označeno kot delovanje 1-1), odprta
loputa IM in zaprta loputa CD (1-0), zaprta loputa IM
in odprta loputa CD (0-1), zaprti loputi IM in CD (0-0).
V FF-delu deluje v dveh načinih; vklopljen kompresor
in izklopljen kompresor.
3.1 Obdelava meritev
Za obdelavo meritev smo v programu Excel upo-
rabili delovne liste s podatki in makro programe. V
ustrezni delovni list, glede na frekvenco kompresorja
in vrtljaje ventilatorja, se vnese meritve temperatur in
moči. Nato je treba iz tabelaričnega ali pa grafičnega
pregleda določiti (časovna) območja, ko se je aparat
nahajal v enem izmed omenjenih načinov delovanja.
Da bi zmanjšali naključne motnje, lahko vnesemo do
pet podobnih meritev, iz katerih izračunamo povprečje.
V praksi se izkaže, da je dovolj vzeti povprečje treh
meritev, da izničimo vpliv naključnih motenj. Makro
program nato avtomatsko izračuna povprečne vrednosti
poteka krivulj na posameznem območju (1-1, 1-0, 0-1 in
0-0) in določi koeficiente (a, b, c, d) polinomov četrtega
reda, ki aproksimirajo podane izmerjene krivulje.
T = at4 + bt3 + ct2 + dt+ e (1)
Konstanta e ni podana, saj se preračuna sproti (ob
vsaki spremembi koeficientov, zaradi spremembe načina
delovanja; spremembe frekvence kompresorja ali vr-
tljajev ventilatorja), in sicer tako, da ostane krivulja
zvezna (po potrebi se pomakne navzgor ali navzdol).
Za omenjena območja dobimo tudi koeficiente (a, b)
eksponentne funkcije, ki pomeni aproksimacijo porabe
moči na kompresorju.
P = atb (2)
SIMULACIJA TEMPERATURE V HLADILNIH APARATIH 69
Slika 2: Gibanje temperatur pri različnih frekvencah
Slika 3: Nastavljanje parametrov simulacije
Stranski produkt obdelave meritev je primerjava po-
tekov temperature v posameznem prostoru in v posa-
meznih delovnih območjih v odvisnosti od frekvence
kompresorja in/ali vrtljajev ventilatorja. Na ustreznem
delovnem listu je mogoče določiti, pri katerih frekven-
cah kompresorja in pri kakšnih vrtljajih ventilatorja
želimo primerjati krivulje odzivov. To je posebej po-
membno pri analizi aparata, saj lahko tako ugotovimo,
v katerih načinih aparat deluje dobro in v katerih
nezadovoljivo. Na podlagi tega laže določimo vzrok
morebitnih odmikov krivulj (na primer: hladilni sistem
ni primeren za visoke frekvence kompresorja, ventilator
ne vpihuje dovolj zraka, napaka pri meritvi itd.). Primer
poteka temperature pri različnih frekvencah kompresorja
in maksimalnih vrtljajih ventilatorja v prostoru IM pri
odprtih loputah IM in CD je prikazan na sliki 2.
4 SIMULATOR DELOVANJA APARATA
Simulator je izdelan v programu Excel. Sestavljen je iz
štirih delovnih listov ter makro programov (v obsegu
600 vrstic) za simulacijo delovanja.
V simulator (slika 3) vpišemo želeno temperaturo IM
in CD ter vrednost histereze za IM in CD. Vpišemo
tudi nivo temperature v prostoru, ko se loputa odpre,
čeprav še ni dosežena vklopna temperatura, vendar je
zaradi odprtosti druge lopute (in delovanja kompresorja)
70 PAPA, MRAK
Slika 4: Rezultat simulacije - grafični prikaz
smotrno ohlajati tudi ta prostor. Zaradi preglednosti se
avtomatsko izpišejo tudi preračunane temperature vklo-
pov in izklopov, v stopinjah Fahrenheita in v stopinjah
Celzija. Cikel delovanja kompresorja je razdeljen na pet
intervalov. Posameznemu intervalu vpišemo trajanje in
način, kako naj deluje. Prvi interval traja od vsakega
vklopa kompresorja naprej, drugi interval se začne po
zaključku prvega itd. Če je delovanje kompresorja daljše,
kot je vsota trajanj petih intervalov, veljajo nastavitve za-
dnjega intervala. Vsakemu intervalu določimo, s katero
frekvenco naj deluje kompresor (pri tem uporabljamo
frekvence, ki jih je določila razvojna skupina, saj mora
biti regulacija izvedljiva tudi v praksi), in s kakšnimi
vrtljaji (maksimalnimi, srednjimi ali minimalnimi) naj
se vrti ventilator, ki vpihuje ohlajen zrak v prostor.
Določiti je treba še čas simuliranega delovanja in ko-
likšen zadnji del celotnega simuliranega časa delovanja
naj se upošteva pri izračunih porabe energije. Tako
zagotovimo, da izzvenijo prehodni pojavi in da preide
delovanje aparata v ustaljeno stanje (delovno območje).
Simulacija traja približno 10 sekund pri simuliranju
delovanja 48 ur (5760 korakov) na računalniku z 2GHz
procesorjem. Po zaključku simulacije se izpišejo rezul-
tati: dnevna poraba v kilowatt-urah, srednji temperaturi
v prostorih IM in CD, relativni vklopni čas (RVČ)
kompresorja. Pri izračunu porabe se poišče največji
možni interval znotraj intervala za izračune, ki vsebuje
cele cikle (interval se začne z začetkom enega cikla in
konča tik pred začetkom cikla, ki ga ne uporabimo več
za izračun). Z upoštevanjem samo celih ciklov (enako
izračunava porabo merilni sistem v laboratoriju HZA,
kakor je definirano s standardom [8]) je izračun porabe,
v kilowatt-urah na dan, (enačba 3) in drugih vrednosti
natančnejši.
poraba =
porabainterval × 2880
dolzinainterval × 12000
(3)
Srednji temperaturi sta povprečni temperaturi v posa-
meznem prostoru v celem intervalu. RVČ pa je delež
časa znotraj intervala, ko kompresor deluje.
Glavni rezultat simulacije je dosežena poraba ener-
gije in dosežene temperature pri določenih nastavitvah
parametrov regulacije. Dobljene rešitve pa morajo biti
tudi izvedljive na realnem aparatu, zato nam simulator
tudi izriše časovni potek gibanja simuliranih tempera-
tur (slika 4). Potek prikazuje delovanje v ustaljenem
stanju, to je v delovni točki aparata. S spremembo
parametrov regulacije lahko simuliramo tudi delovanje
aparata pri različnih delovnih točkah. Simulator nam
izriše delovanje kompresorja in moči, ki jo pri tem
troši, gibanje temperatur tipal ter srednje temperature v
posameznih prostorih. Na podlagi teh podatkov lahko
izračunamo energetsko unčinkovitost aparata pri nor-
malni uporabi. Normalna uporaba pomeni, da simuli-
ramo delovanje naloženega aparat z merilnimi paketi
(predstavljajo hrano) pri zaprtih vratih kot to veleva
standard [8].
Z večkratno uporabo simulatorja in različnih nastavi-
tev lahko hitro dobimo najprimernejše parametre regula-
cije. Te nato vnesemo tudi v aparat in izmerimo dejanske
rezultate. S tem je čas iskanja primernih nastavitev
mnogo krajši, kakor če bi jih iskali samo preko meritev.
Simulator za FF del simulira temperaturo samo v
enem prostoru, zato je potrebnih manj vhodnih podatkov,
ustrezno pa je spremenjen tudi izpis na grafu.
SIMULACIJA TEMPERATURE V HLADILNIH APARATIH 71
Slika 5: Primerjava izmerjenih in simuliranih krivulj
4.1 Validacija simulatorja
V laboratoriju HZA v Gorenju je bila izvedena va-
lidacija simulatorja. Primerjali so rezultat simulacije in
meritve pri enakih nastavitvah regulacije. Razlike med
simuliranimi in dejanskimi (izmerjenimi) vrednostmi so
bile zanemarljivo majhne oziroma sprejemljive glede
na število dejavnikov, ki vplivajo na delovanje aparata.
Primerjava simuliranih in merjenih vrednosti, pri enakih
nastavitvah, je bila izvedena s primerjalnim grafom
(slika 5).
Odmiki med primerjanimi krivuljami so posledica
vpliva naključnih motenj, ki jih ne moremo izničiti.
Podobne razlike dobimo tudi, če primerjamo dve me-
ritvi na realnem aparatu. Očitno na stabilnost delovanja
aparata vpliva precej dejavnikov, ki niso identificirani.
Zato mora biti regulacija aparata dovolj robustna, da
zagotovimo zanesljivo delovanje.
5 REZULTATI
Za zadovoljivo natančnost simulacije delovanja hladil-
nega aparata je dovolj meriti samo odzive temperatur
na tipalih aparata in povprečne temperature v aparatu.
Pri tem je pomembno, da zajamemo vse možne načine
delovanja - posneti moramo odzive pri vseh primerjanih
frekvencah. Med obdelavo podatkov zlahka ugotovimo,
ali je smiselno obdelovanje naprej vseh mogočih kombi-
nacij, oziroma katere lahko izpustimo (zaradi prevelike
moči - poraba energije in nedoseganje želenih tempe-
ratur). Število teh začetnih meritev se množi z vpe-
ljevanjem več neodvisnih elementov. V našem primeru
imamo deset načinov delovanja kompresorja (pri desetih
frekvencah) in tri načine delovanja ventilatorja. V okviru
analize je imelo velik pomen minimiziranje teh začetnih
meritev in njihova avtomatizacija. Pravilno izmerjeni
odzivi pa so ključnega pomena za pravilno in zane-
sljivo delovanje simulatorja. S sprotnim pregledovanjem
ugotovimo, koliko lahko zmanjšamo čas meritve enega
načina in njegovega odziva.
Potrjeno je bilo, da rezultati simulacije, dobljeni pri
enem prototipu, ne veljajo za drugega. Spremenijo se
namreč karakteristike aparata, njegovi odzivi, kar po-
sledično pomeni, da so optimalne nastavitve drugačne.
Dodana vrednost izdelanih aplikacij je, da lahko do-
bljene rezultate vseeno uporabimo pri izdelavi novega
prototipa. Če ugotovimo, da nekatere nastavitve ali
komponente ne prispevajo k izboljšanju aparata, le-teh
ne uporabimo, kar posledično pomeni znižanje stroškov,
oziroma uporabimo tiste komponente, ki najbolje de-
lujejo in tako zagotovimo zanesljivost in robustnost
delovanja.
Slika 6 prikazuje rezultate simulacije pri različnih
nastavitvah. RVČ pomeni relativni vklopni čas kom-
presorja in je v korelaciji s porabo energije. Pri tem
je treba povedati, da lahko izmerjena poraba niha za
približno ±1 % zaradi motenj. Motnje, ki vplivajo
na izmerjeno porabo energije, so nihanje temperature
okolice, natančnost merilnega sistema, nihanje napetosti
napajanja itd.
Zaradi manjše kompleksnosti FF dela je z uporabo
simulatorja možno oceniti ali za regulacijo FF sploh
potrebujemo toliko različnih možnosti za nastavljanje
72 PAPA, MRAK
Slika 6: Primerjava rezultatov pri različnih nastavitvah
(spremenljive frekvence kompresorja, spremenljivi vr-
tljaji ventilatorja). Posledično to pomeni enostavnejši
algoritem regulacije ter enostavnejšo in cenejšo krmilno
elektroniko aparata.
6 SKLEP
Razvojni čas hladilnega aparata, posebej zelo kom-
pleksnega, se meri v mesecih. Z uporabo simulatorja
lahko nadomestimo velik del razvojnih meritev in tako
zmanjšamo stroške razvoja. Groba ocena stroškov ra-
zvojnih meritev enega aparata v laboratoriju HZA je
50 eurov na dan. S pridobljenimi orodji lahko dejansko
simuliramo delovanje aparata več dni v roku nekaj
sekund in tako znatno zmanjšamo čas in stroške razvoja.
Z uporabo simulacij smo dosegli želene cilje, ne samo
energijsko varčen aparat, ampak tudi zanesljivo delova-
nje le-tega.
ZAHVALA
Delo je bilo izvedeno v okviru industrijskega aplikativ-
nega projekta, ki ga je sofinanciralo podjetje Gorenje,
d. d.