基于关联规则的热泵洗碗机干燥过程特性研究

余新宇 巫江虹 于仙毅

(1 华南理工大学机械与汽车工程学院 广州 510641；2 荣耀终端有限公司 深圳 518000)

干燥行业每年都要消耗大量能源，约占整个工业能耗的12%[1-2]。相比于传统干燥方式，热泵干燥技术具有高能效比以及降低大气污染物和温室气体排放的显著优势，在干燥领域受到重视[3]。热泵干燥技术的核心是热泵系统，将热泵系统提供的热量输送至干燥室内，加热内部的湿热空气，以达到空气除湿及物料干燥的目的，该技术广泛应用于物料干燥领域[4]。本文的研究对象是热泵洗碗机干燥系统。

洗碗机热泵干燥相比其它传统干燥技术具有较大的节能潜力。胡斌等[5]就高温热泵技术对国内外相关研究进行分析总结，认为该技术具有广泛应用前景且节能效果良好。P. Bengtsson等[6]开发了具有热泵系统的洗碗机瞬态仿真模型，对压缩机排量和运行时间进行了仿真和实验研究，结果表明热泵干燥相比传统热电干燥可减少24%的总能耗。董伟等[7]通过实验研究对比了4种运行工况下热泵洗碗机与电加热洗碗机的COP，结果表明前者性能均优于后者。有学者对热泵干燥系统的节能优化进行了探索，白旭升等[8]研究了香菇热泵干燥影响因素，得到了提升干燥效果的相关干燥条件，并建立香菇热泵干燥动力学模型，沈九兵等[9]设计并开发了一种单级/复叠双制热式热泵干燥系统样机，针对不同环境温度变化而切换不同的运行模式，满足系统的干燥供热需求。

综上所述，洗碗机热泵干燥系统的节能优化具有一定的可行性，但热泵干燥系统性能的影响因素众多，运行工况、洗碗机的流路设计、洗碗机内碗碟布置方式、环境参数等众多因素对热泵干燥性能相互影响，使用传统实验和理论的研究方法工作量巨大，很难快速准确地找出相关的影响因素和规律。随着数据挖掘技术的兴起，该技术也逐渐在制冷领域得到广泛应用。陈焕新等[10]综述了数据挖掘技术在制冷空调领域的应用，如故障诊断、能耗预测等，表明该技术在制冷行业具有广泛的应用前景。Zhang Chaobo等[11]提出一种改进的关联规则挖掘方法，对某商业建筑冷水机组进行挖掘，发现将数据挖掘方法应用在制冷领域是可行的。Yu Zhun等[12]运用关联规则方法对某建筑空调系统进行挖掘，发现系统存在能源浪费和设备故障，并提出节能策略。龚麒鉴等[13]建立基于BP神经网络的变频压缩机功率预测模型，并使用粒子群算法对神经网络的初始阈值和权值进行寻优，结果表明该模型具有较好的预测能力。

基于以上分析，本文利用团队前期搭建的洗碗机热泵干燥实验平台测试数据，分析洗碗机干燥效果与热泵系统能效关系，进行热泵干燥系统的运行特性关联规则挖掘分析，提出节能运行策略，以达到在保证洗碗机干燥效果的前提下降低系统耗电量的研究目标。

1 数据挖掘框架

为了挖掘和分析洗碗机干燥性能及运行影响因素之间的关系，基于数据挖掘方法建立研究框架，图1所示为热泵干燥项目数据挖掘完整流程示意图，包括数据预处理、关联规则挖掘分析、知识解释三部分[14]。

图1 数据挖掘整体框架

数据预处理是数据挖掘流程中的第一步也是非常重要的一步，数据处理结果的质量影响后续挖掘结果的好坏，本文的数据预处理包括：数据集成、数据清洗和数据转换[15]。

关联规则方法是数据挖掘中一种常用的无监督算法，该算法能够通过设定相关阈值生成频繁项集，进而找到数据项之间的强关联规则[16-18]。关联规则的表达形式为X→Y，其中X、Y分别为前提(lhs)和结果(rhs)。本文选用最常用的关联规则算法——Apriori算法[19-20]。

知识解释是利用专家知识进一步分析所挖掘出的强关联规则，从中提炼出有指导价值的信息。本文以运行参数与干燥系统耗电量为目标导向，进行关联规则的筛选并提取有价值的信息，然后在信息提取的基础上对结果进行后挖掘，得到节能运行策略。

2 热泵洗碗机关联规则挖掘

2.1 测试系统及数据获取

实验在标准焓差室中进行，系统如图2所示为一洗碗机热泵干燥系统，实验使用了4类标准测试餐具：陶瓷、玻璃、塑料和金属餐具，共150个。实验中每次干燥测试热泵系统压缩机均运行30 min进行餐具干燥，之后对干燥效果进行评估。表1所示为设置的平均干燥指数，参考于洗碗机测试标准。为保证评分的严谨性，所有餐具评分均由一人完成，干燥指数得分越高干燥效果越好。

图2 洗碗机实物图

表1 平均干燥指数

图3所示为热泵洗碗机干燥系统，其干燥原理简单理解为：在干燥阶段，洗碗机内部的湿空气与蒸发器换热，温度降低至露点温度而析出水分，接着干空气流经冷凝器被加热为高温干空气，然后高温干空气进入洗碗机吸收各类餐具表面的水分，最后再次进入风道构成热风循环。此过程循环进行，直至将洗碗机内部的餐具全部干燥。实验过程中采集了大量洗碗机干燥数据以及热泵系统运行数据，用于后续的干燥性能影响因素挖掘[21]。

图3 热泵洗碗机系统原理

实验测试系统采集的数据包含焓差室监测数据、热泵系统运行参数以及干燥实验评分数据。其中焓差室监测数据主要为环境工况、系统功耗等；热泵系统运行参数包括系统各主要部件前后的温度、压力等；干燥评分是由专业人员对参数的干燥水平进行评分，有整体干燥评分和各类餐具的单独评分。焓差室监测数据以及热泵系统运行参数的采集间隔均为5 s，而干燥评分数据是在每次干燥实验结束时进行一次评定。

2.2 数据预处理及结果

按照数据预处理步骤，对原始数据集进行集成、清洗。首先，将来自不同测试系统的数据进行集成处理，获得集成数据集。然后，对缺失值进行剔除或插补，对无用的异常值进行剔除，得到清洗后的集成数据集。

对数据集进行数据类型转换。将温度、功耗等连续性数值型数据转换为事项型数据，即数据离散化，也称数据分箱。常用的连续型数据离散化方法有等宽划分、等频划分和聚类划分。采用等宽划分的方法进行数据分箱，首先需要知道每一个连续性参数的最大值和最小值，然后在最大-最小值之间进行等宽划分，按照相同的区间宽度将数据分成几等分，该方法操作简单，且能够对数据进行良好的离散表达。

注意划分宽度由每一段的数据量决定，尽量使每段数据量差异较小。基于同样的划分思想，将所有的连续性参数进行等宽划分，得到完整的事项集。由于实验条件及实验时间的限制，本文进行了23次完整的干燥实验，采集了包括热泵系统运行参数、环境工况、供风方式以及计算参数等总计35个特征，组成了本次关联规则挖掘所需的整体事项集。表2所示为部分特征参数的数据分箱结果，其中热泵系统制冷剂标准充注量为550 g，环境温度的波动范围为5～45 ℃。

表2 特征分箱(部分)

2.3 关联规则挖掘结果及分析

经过数据预处理获得整体事项集，使用Apriori算法进行关联规则挖掘，该算法需要人为给定两个参数：最小支持度(minSup)、最小置信度(minConf)。本文通过对数据的探索，最终设置参数为minSup= 0.01和minConf= 0.2，参数取很小值是受制于实验数据的限制，由于个别实验条件进行的测试较少，若要找到所有条件下对应的规则，需要取较小的阈值。使用这两个参数对事项集进行挖掘得到关联规则集，为了保证每条规则都有意义，还应对提升度(Lift)进行限制，本文取minLift= 1.02，关联规则长度限制为2，最终得到523条关联规则，下面将展开对关联规则解释。

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2.3.1 干燥指数间关联规则分析

干燥指数包括整体干燥指数和各类餐具的干燥指数，在整体关联规则挖掘结果中提取各类餐具干燥指数与整体干燥指数间的关联规则，目的是为了获得与整体干燥指数关联度最大的某类餐具的干燥指数，进而可以只针对此类餐具进行后续的干燥指影响因素分析。从整体的规则集中提取的干燥指数间规则如表3所示。

表3 干燥指数间关联规则表

由表3可知，整体干燥指数越高，各类干燥指数也相应高，反之结果也大体成立，但仍存在一些反常的规则，如表3中的规则1、12，该规则表达的是当金属类餐具干燥指数处于较优水平时，而整体干燥指数却处于较差水平，且该规则的支持度和置信度均较高，所以并非随机因素导致的结果，以下对该结果进行分析。

为了解释各类餐具与整体的干燥指数的具体关系，对干燥指数进行可视化显示，图4所示为各类干燥指数的分布情况。对4类餐具干燥指数进行分析，其中金属(Dry_idx_me)和玻璃(Dry_idx_gl)餐具的干燥指数分布集中且均处于高水平，说明这两类餐具干燥效果较好；而陶瓷(Dry_idx_ce)和塑料(Dry_idx_pl)餐具干燥指数分布较为分散，在不同的测试实验中干燥得分相差巨大。由此得出一个关键的知识：该洗碗机热泵干燥系统的性能好坏受到内部被干燥餐具材料类型的影响，对于金属和玻璃材料具有较好的干燥效果，而对陶瓷和塑料材料的干燥效果不显著，因此该洗碗机所要克服的困难主要集中在陶瓷和塑料餐具干燥效果的提升，可将提升整体干燥指数的目标转移到提升陶瓷和塑料材料餐具的干燥指数。

图4 各类干燥指数箱型图

2.3.2 干燥指数影响因素提取

基于上一小节干燥指数间关联规则挖掘结果分析，可先进行关联规则筛选再分析干燥指数与影响因素的关联关系。陶瓷和塑料餐具对整体干燥效果具有较大的影响，所以可筛选出干燥指数影响因素对这两种材料干燥指数的关联规则代替整体的关联规则进行分析，在不影响总体挖掘效果的情况下，减少了不同影响因素事项的冗余。

图5 lhs=>Dry_idx_ce关联规则

图6 lhs=>Dry_idx_pl关联规则

由图5和图6可知，影响干燥指数的因素众多，如制冷剂充注量，各测点温度、压力，系统功耗，供风方式和环境温度等。其中热泵系统各测点温度变化、压力变化等属于热泵系统运行参数，一般只受系统初始条件的影响，所以在分析干燥性能影响因素时可将此类因素排除。因此，本文重点考虑外部可操作因素对干燥指数的影响，通过调节相关外部条件，可以达到提升干燥效果及节能优化的目的。由上述关联规则可知，能够对干燥效果构成影响且可人为控制的变量有制冷剂充注量(M)、环境温度(Tsu)和供风方式(W_air)，因此主要分析以上三个因素对干燥指数的影响。

2.3.3 影响因素与干燥指数挖掘结果分析

以上节分析得出的三个干燥指数影响因素——制冷剂充注量、供风方式、环境温度作为前提条件，干燥指数作为结果进行后挖掘，得到的关联规则结果进行可视化，图7～图9分别为以上三个因素与干燥指数的关联规则映射图。

图7 制冷剂量与干燥指数关联规则

图8 环境温度与干燥指数关联规则

图9 供风方式与干燥指数关联规则

图7所示为制冷剂充注量对干燥指数影响的关联规则。可知当充注量处于最低水平时，干燥指数基本也呈现最低的水平，随着制冷剂充注量的增加，干燥效果也有所提升。原因是：制冷剂充注量水平直接影响热泵系统制热量进而影响洗碗机干燥效果，当制冷剂量不足时，系统制热量不足以带走洗碗机内部的水蒸气，干燥效果较差；充注量提升，系统制热量会相应提升，理论上可以满足洗碗机的干燥需求，但洗碗机干燥影响因素众多，并不是简单通过提升制冷剂充注量就能达到理想的干燥效果。因此，制冷剂不足确实会对洗碗机干燥性能产生很大的不良影响，在实际应用中应确保热泵系统制冷剂量充足。

图8所示为环境温度对干燥指数影响的关联规则。由图8可知，当环境温度处于两个极端即过高或过低，均会严重影响干燥效果；当环温适宜时，相比于极端工况干燥效果有所提升，但提升效果不显著。原因是：当环温过高时，会导致热泵系统排气温度高于正常水平而执行高温保护自动停机，系统无法制造充足的热量带走洗碗机内部的水分；而当环温过低时，系统蒸发温度过低，导致流经蒸发器的湿空气除湿过后温度很低，此时干空气经过冷凝器出口，干空气温度仍较低，所以在洗碗机中无法带走餐具表面足够的水分，干燥效果不好。因此，需要保证环境温度适宜才能充分发挥热泵系统的干燥性能。

图9所示为不同供风方式对干燥性能的影响，可知上下交替供风(W_air3)的方式比另外两种方式具有显著的优势，对各类餐具均有较好的干燥效果。供风方式对干燥性能影响很大，这与洗碗机内部餐具的分布形式有很大关系。在洗碗机测试系统中，各类餐具摆放位置由最上层至最下层依次为金属类、陶瓷类、玻璃类和塑料类。首先分析上进下出的供风方式，该方式对于上层餐具能够提供充足的热量，而最上层餐具是金属类，提供的热量对于此类餐具的干燥是过量的，在干燥完成后热风仍然会先与之接触，气流组织的向下流动受到餐具的阻挡，导致到达底部去干燥塑料餐具时干燥能力大幅减弱，因此塑料餐具在此方式中的干燥指数很低；而下进上出的供风方式能够提供充足的热量给底部较难干燥的塑料餐具，干燥指数有所提升，但会导致上层餐具干燥指数降低，整体干燥效果仍然不佳；干燥效果最好的是上下交替进风的供风方式，该方式能够将产生的热量充分利用，做到上下层餐具干燥兼具，对洗碗机整体干燥性能有较为显著的提升。

3 热泵洗碗机运行特性分析

由上述分析可知，适当调整外界因素可以有效提升干燥性能。图10和图11所示为热泵系统制热性能和餐具整体干燥指数的关联规则，由规则可知整体干燥指数并非随制热性能的提升而越来越好，结果显示当制冷量和制热量处于较低水平时洗碗机仍能够取得优异的干燥效果。因此，系统优化方法的前提是保证其干燥性能满足实际要求，在此基础上可以通过提升系统能量利用效率，以更低的能耗达到制冷、制热量需求来实现系统的节能运行。

图10 制热量与干燥指数关联规则

图11 制冷量与干燥指数关联规则

综合上述知识规则，针对洗碗机热泵干燥系统，设计了洗碗机节能干燥策略，如图12所示。首先，选择与洗碗机干燥负荷匹配的热泵系统，系统制冷剂充注量满足餐具干燥所需求的制热量，环境温度选择室温即可；然后对热泵系统的运行状态进行调节，使之高效节能运行且满足干燥负荷需求；最后，调整洗碗机风道气流组织方式到一个最佳的状态即上下交替供风，能够对上下层餐具进行较为均衡的干燥，提升整体的干燥效果。该节能运行策略是在现有的实验数据基础上提出，这里选取三组典型运行条件进行对比，其中基础运行条件为“制冷剂量充足，环温适中，采用上供下回的供风方式”，热泵洗碗机运行30 min后，整体干燥效果良好，压缩机平均功耗为340.2 W。当采用节能运行方案，如将供风方式调整为上下交替供风，同样运行30 min后，整体干燥效果优秀，而压缩机平均功耗为312.2 W，降低能耗8.32%；若将基础运行条件的制冷剂量调整为中等，则最终干燥效果仍为良好，但压缩机平均功耗降低为335.2 W，降低能耗1.49%。可见，该节能运行策略具有一定的应用价值。

图12 洗碗机热泵干燥过程节能运行策略

由上述分析可知，热泵洗碗机干燥系统性能主要有两大影响因素，分别是热泵制热性能和热风与餐具的换热除湿效果。洗碗机热泵提供足够多的热量是保证系统干燥性能的前提，挖掘结果可以证明这一点，制冷剂充注量对系统干燥性能的影响较大。随着充注量的提升，系统干燥性能也随之提升，但由于热泵干燥系统影响因素众多，一味的提高热泵的制热量会浪费大量能源，且达不到最理想的干燥效果。这里就引出了影响系统干燥性能的另一大因素——热风与餐具的换热效果即洗碗机供风方式，不同的供风方式会导致洗碗机内部餐具的干燥效果与其空间分布具有很大的相关性，上下交替供风的方式可以高效地干燥全部餐具；此外，洗碗机内部餐具的摆放方式、位置、与进风口的方向夹角等因素都对餐具和热风对流传热有关，增加此类影响因素可以丰富热泵洗碗机的节能运行策略。

4 结论

1)本文对洗碗机及其热泵干燥系统进行分析，建立了数据预处理——关联规则挖掘——知识解释的干燥性能影响因素数据挖掘框架，具有一定的应用价值。

2)通过关联规则挖掘得到整体规则库。首先对关联规则进行筛选得到干燥指数间的规则，得到陶瓷、塑料材料对干燥性能的强关联规则，进而选取这两种材料餐具作为后续主要研究对象，随后筛选并分析各类因素对干燥指数的影响，得到制冷剂量、环境温度和供风方式三个关键因素，分析了三个因素对干燥指数的影响规律，结果表明：制冷剂充注量直接影响系统制热量而引起干燥性能的变化，制热量大，干燥性能好，但这种增益是有一定限度的；环境温度过高或过低均对干燥影响巨大，而当环境温度适宜时，其上下变化并不是影响干燥性能的主要因素；供风方式是通过热风与餐具的换热效果即接触的时间和位置来影响整体餐具的干燥性能，其中上下交替供风方式效果最好。

3)筛选了热泵系统制热性能和干燥性能关联规则。例如具有代表性的规则：{Qhc,5}=>{Dry_idx2},支持度和置信度分别为0.087和1.0；{Qhc,1} => {Dry_idx3},支持度和置信度分别为0.13和0.6，第二条规则的支持度甚至比第一条更高，且置信度也较高，说明这两条规则均具有代表性。上述规则表明，过饱和的制热量并不能有效提升系统干燥性能，反而使系统能耗增加。因此可在保证足够的制热量的前提下，从热泵系统制热性能和热风与餐具换热两大影响因素综合分析与干燥性能的关系，得到完整的节能运行策略。

本文受广东省重点培育项目(2018B030308006)资助。(The project was supported by the Key Cultivation Project of Guangdong Province of China (No. 2018B030308006).)