平衡環(huán)境型房間量熱計優(yōu)化設計

柳勝耀, 李 瑛, 趙四海, 黃彩鳳

(上海理工大學 制冷及低溫研究所,上海 200093)

0 引 言

目前，國內空調器的性能測試主要采用空氣焓值法試驗室(簡稱焓差試驗室)，該方法試驗速度快，精度稍差，主要用于空調器生產廠家的產品開發(fā)和出廠檢測；房間型量熱計法檢測家用空調器性能較空氣焓差法精度高，適用于生產廠家產品開發(fā)的最終檢測和產品質量監(jiān)督檢測部門的抽查認證，以及壓縮機與換熱器的性能匹配測定，性能測試系統(tǒng)自動控制技術的研究等，是不可或缺的性能檢測設備[1-4]。

由于變頻空調器的能源利用率高和舒適性好的優(yōu)點，其市場占有份額在逐年增加。因其在高頻和低頻運行段性能有較大差別，故季節(jié)能效比是更符合評價變頻空調性能的測試方法[5-6]。在GB/T 7725的報批稿中增加了對變頻空調器的最小冷量、中間額定制冷能力及25%額定制冷能力的測量，在這些工況測試中，平衡環(huán)境型房間量熱計凝結水量測量的精度是影響被測空調器性能的一個重要因素。目前量熱計研制設計多側重平衡環(huán)境型房間量熱計的功能及自動程度[7-13]。如馬最良等[10]研制的可對9種制冷設備進行性能測試的房間熱平衡法多功能試驗臺；李壘[11]研制的一套高標準的平衡環(huán)境型房間量熱計等。Nestor Fonseca Diaz[12]通過分析凝結水量的不確定度，強調在除濕量大的工況下被測機凝結水量占總制冷量的不確定度較大比例；而Park等[13]則分析了顯熱制冷量占總制冷量的比例。為準確測試家用空調器的中小制冷量，需對傳統(tǒng)量熱計實驗室進行優(yōu)化。本文考慮到標準[1]中量熱計法室內側制冷量計算公式未計入空氣處理柜除濕量，為提高測試精度，提出采用稱重法分別對被測空調器及空氣處理柜測量熱濕水量。

1 量熱計法測試原理及設計參數(shù)

將平衡環(huán)境型房間量熱計搭建于上海市質量技術監(jiān)督局，最大測試制冷能力達到5HP，設計原理圖如圖1所示。

1-空氣取樣管,2-混合器,3-風機,4-加濕器,5-加熱器,6-冷卻盤管,7-壓力平衡裝置,8-被測機,9-室外側測試室,10-室內側測試室,11-溫度可控的套間

圖1 環(huán)境型房間量熱計原理圖

1.1 測試原理

制冷系統(tǒng)主要包括冷卻系統(tǒng)、壓縮循環(huán)系統(tǒng)、載冷系統(tǒng)；空氣循環(huán)采用微孔上送下回的送風方式，調節(jié)穩(wěn)壓層的高度可將動壓轉化為靜壓以減小送風速度，保證測試室溫度梯度。數(shù)據(jù)采集主要包括測試室溫濕度、加濕水流量及溫度和電器設備輸入功率。采用兩組干濕球溫度計代替一組干濕球溫度計測試，將參與控制同時也參與數(shù)據(jù)計算的參數(shù)分離，提高控制計算精度。

1.2 設計參數(shù)

此實驗臺可以測試中小冷量家用空調器性能，特別是對于變頻家用空調器，在其25%額定制冷量時也能夠進行測試。具體參數(shù)如下:被測機制冷量范圍0～5HP,測試方法:量熱計熱平衡法，室內側有焓差測量風筒(可獨立進行焓差、風量測試)。測試參數(shù)檢測項目以規(guī)定工況下的制冷量制熱量、最小制冷制熱量，其他還包括最大運行制冷(制熱)、制冷(制熱)消耗功、季節(jié)能效比(SEER、HSPF)等。測試精度與樣機比對≤±2．5%(目標值±1%)，重復性≤±1%。

2 中小制冷量測量原理

室內、室外側被測空調器總制冷量公式如下[1]：

由式(1)、(2)知，當被測空調器制冷量較小時，其除濕量也相應減小。若測試室輸入功率大于被測空調器制冷量，此時式(1)修正成為下式：

(3)

即測試室需要開啟空氣處理柜進行制冷，且會有凝結水產生。

結合以上3式，考慮到被測空調器最大制冷量為5HP，且在除濕工況下運行，空調器的最大除濕量約為5.4 kg/h。當被測空調制冷量較小的工況時，被測空調器及空氣處理柜產生的凝結水量使用常規(guī)流量計將很難測量或帶來的誤差非常大。由于沒有動力提供給凝結水，若使用超聲波或節(jié)流管式小流量測量儀，將會使測量裝置復雜。針對Durst等[14]提出使用一定時間里測量質量的方法，本文采用稱重法——在固定時間里對流體稱重的方法測量加濕及凝結水的流量。

式中，t2→+∞，t1=0，所得qm為精確值。t1是測試開始時間；t2測試結束時間。為保證測量的準確性，通常選擇在系統(tǒng)穩(wěn)定后，從開始測量時記錄加濕水量和凝結水量直到測試結束。

當前，全面發(fā)展生態(tài)農業(yè)，改善農村生態(tài)環(huán)境已成共識。皖河流域發(fā)展生態(tài)農業(yè)的核心是水土保持，需要解決以下幾個問題：

3 中小冷量測量優(yōu)化設計

房間量熱計的加濕水來自通過蒸餾水機制取的蒸餾水，經(jīng)水泵供至放置在量熱計測試室頂部的高位加濕蒸餾水箱。蒸餾水經(jīng)進水電磁閥分別進入室內側測試室和室外側測試室加濕器進水箱，然后經(jīng)電加熱制取水蒸汽，分別將水蒸汽送入室內側測試室和室外側測試室，進而完成空氣的加濕。

3.1 凝結水量測量

采用稱重消耗水量的方式代替測試室除濕水量，將加濕器進水箱置于高精度電子秤上，實時記錄水箱質量并通過數(shù)據(jù)采集儀送入計算機分析模塊，求得數(shù)據(jù)對時間的積分。此時室內側測試室加濕器進水量即為被測空調器的除濕量。圖2是被測空調器額定制冷運轉凝結水測量系統(tǒng)示意圖。

1-高位加濕器蒸餾水箱,2-進水電磁閥,3-加濕器進水箱,4-高位電子秤,5-排水盤

圖2 空調器凝結水測量設計圖

室外側測試室按式(2)進行測試，但此時被測室外機處于制熱狀態(tài)，所以Wr1為空氣處理柜的除濕量。當室內側為制熱模式，外側測試室除濕量計算與制冷模式相似。

3.2 小制冷能力時凝結水量測量

當被測機為中小冷量或測試25%額定制冷量時，此時不足以抵償量熱計測試室輸入功率熱量，空氣再處理器將進行制冷除濕。按照標準,文獻[1]中建造的傳統(tǒng)量熱計將不能有效測試，為解決此困難，設計如下優(yōu)化方法。

1-電力測定,2-加濕器,3-高位電子秤,4-加濕器進水箱,5-進水電磁閥,6-高位加濕器蒸餾水箱,7-凝結水箱,8-電子秤

圖3 空調器凝結水測量設計圖

當循環(huán)空氣處理柜表冷器通冷水承擔室內側內室冷負荷和濕負荷時，加濕器進水分為兩部分:①表冷器除濕量;②被測空調器除濕量。為準確測量被測空調器的除濕量及表冷器除濕量，增加一臺高精度電子秤測量空調器的凝結水量變化。設計如圖3增加實線加粗7和8部分表示，在被測空調器的凝結水處增設凝結水箱和電子秤。

電子秤作為測量除濕量的重要工具，其量程和最小刻度的大小對整個測試結果的誤差起到了很大的影響，應經(jīng)過仔細計算來選擇電子秤的規(guī)格：①秤重范圍。按最大5HP空調器算， 除濕量5～6 kg/h，按5 h為1試驗工況并考慮不銹鋼水箱的質量和富余量，采用量程60 kg電子秤。②秤重精度。按約2 kW制冷量的被測空調器，除濕量約1.0 kg/h，根據(jù)水量秤重誤差對制冷量的誤差的貢獻，計算要求的精度約為5 g。該系統(tǒng)使用了3臺梅特勒托利多WU60M-560、準確度Ⅲ級的電子臺秤。

4 測試數(shù)據(jù)結果分析

為驗證經(jīng)優(yōu)化前、后的平衡環(huán)境型房間量熱計對被測空調器實際制冷能力的符合程度，現(xiàn)對2臺典型低額定制冷量空調器和1臺中額定制冷量空調器分別進行測試。空調器的制冷量分別約為1.8、2.5和3.5 kW，應用未優(yōu)化時量熱計在規(guī)定工況下測試一組數(shù)據(jù)，在不改變3臺空調器的制冷量的情況下，增大測試內室的輸入功率，以此改變空氣處理柜的制冷或制熱工況，并與上一組量熱計測得數(shù)據(jù)進行比較。應用優(yōu)化后的量熱計按照優(yōu)化前的測試方法，再次測得兩組數(shù)據(jù)并比較。

4.1 對中小額定制冷量空調器進行測試

根據(jù)標準[1]的要求，選取平衡環(huán)境型房間量熱計的測試工況點。室內側內室環(huán)境：干球溫度27.0 ℃；濕球溫度19.0 ℃；室外側內室環(huán)境：干球溫度35.0 ℃；濕球溫度24.0 ℃。當系統(tǒng)運行穩(wěn)定后測得數(shù)據(jù)，采用變頻KFR-26GW系列空調器產生1.8 kW制冷量，定頻KFR-35GW系列空調器產生3.5 kW制冷量。表1列出了采用優(yōu)化前量熱計測試制冷量約3.5和1.8 kW的空調器主要參數(shù)。

表1 測試數(shù)據(jù)

應用平衡型環(huán)境房間量熱計測試空調器需按室內側和室外側分別計算制冷量，比較其測量偏差。表1中測試的兩種空調器內、外室制冷量測量偏差分別為0.69%、1.12%。將室內輸入功率增大1 kW后繼續(xù)對空調器測試，在不改變空調器的制冷量工況下，室內側內室表冷器需通冷凍水以穩(wěn)定測試工況。利用量熱計測試并計算其內、外室測量偏差分別為0.91%、1.34%。按相同方法測試并計算另一臺空調器內、外室測量偏差，其對比結果如圖4所示。

圖4 制冷量測量偏差

4.2 優(yōu)化后測試

采用優(yōu)化后量熱計，按照以上方法測試同樣3臺空調器。計算分析測試結果，將優(yōu)化前、后的測試結果進行對比見圖5。由圖可知，利用優(yōu)化后量熱計測試時，改變測試室輸入功率不影響測試結果。

圖5 制冷量測量偏差

5 結 語

通過以上的數(shù)據(jù)和圖表驗證，平衡環(huán)境型房間量熱計檢測中小冷量的空調器，分別測量加濕水和凝結水將提高測試精度，減小測試內、外室偏差。采用優(yōu)化后量熱計測試空調器性能，當空調器額定制冷量較小時，其測試效果較優(yōu)化前更能得到提高。實驗證明，在保證電子秤精度的情況下，采用稱重法測量量熱計加濕水和凝結水，能夠測量空調器的最小制冷量，且非常好的提高測試精度。特別是在測試變頻空調器季節(jié)能效比時，此優(yōu)化后的平衡環(huán)境型房間量熱計可以準確測試多種工況。

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