平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)凝結(jié)水量測(cè)量設(shè)計(jì)

柳勝耀 李 瑛 黃彩鳳 趙四海

(上海理工大學(xué) 上海 200093)

家用空調(diào)器的性能檢測(cè)目前有兩種方法:房間型量熱計(jì)法和空氣焓值法。房間型量熱計(jì)法包括標(biāo)定型和平衡環(huán)境型兩種形式［1］。目前，國(guó)內(nèi)主要采用空氣焓值法實(shí)驗(yàn)室對(duì)家用空調(diào)器進(jìn)行性能測(cè)試，用于家用空調(diào)器的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和出廠檢測(cè)。房間型量熱計(jì)法檢測(cè)家用空調(diào)器性能較空氣焓差法精度高，但相較制冷劑焓差法稍低［2－3］。這種測(cè)試方法適用于生產(chǎn)廠家產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的最終檢測(cè)、焓差實(shí)驗(yàn)室的精度校正和產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)部門(mén)的抽查認(rèn)證，同時(shí)對(duì)于出口歐美的空調(diào)器來(lái)說(shuō)，房間型量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)室是必備的檢測(cè)設(shè)備［4］。

在平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)測(cè)試中，凝結(jié)水量測(cè)量的精度是影響被測(cè)空調(diào)器性能的一個(gè)重要因素。而現(xiàn)在量熱計(jì)研制過(guò)程中，多側(cè)重平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)的功能及自動(dòng)程度。如國(guó)內(nèi)第一個(gè)房間空調(diào)器的標(biāo)定型房間量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，它可對(duì)9種制冷設(shè)備進(jìn)行性能的測(cè)試［5］;合肥江淮航空儀表廠航空部空調(diào)器檢測(cè)中心在國(guó)外全套引進(jìn)的基礎(chǔ)上，建成的平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)室;李壘［3］文中研制的一套高標(biāo)準(zhǔn)的平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)。由Nestor Fonseca Diaz［6］分析凝結(jié)水量的不確定度占總制冷量的不確定度較大比例，特別在除濕量大的工況下。K.J.Park和D.Jung［7］通過(guò)4臺(tái)R22制冷劑的家用空調(diào)器分析了顯熱制冷量占總制冷量的比例。在標(biāo)準(zhǔn)GB/T7725—2004中，量熱計(jì)法室內(nèi)側(cè)制冷量計(jì)算公式未計(jì)入空氣處理柜除濕量。為測(cè)量空氣處理柜及被測(cè)空調(diào)器除濕量從而提高測(cè)試精度，在這里提出了一種設(shè)計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上研制的一套最新平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理

平衡環(huán)境型房間型量熱計(jì)有室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)兩個(gè)測(cè)試室，而且在室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)測(cè)試室的外面分別設(shè)溫度可控的套間，設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。它是根據(jù)穩(wěn)態(tài)下能量平衡的原理來(lái)測(cè)量空調(diào)的制冷量、制熱量及除濕量［8］，可測(cè)最大制冷量為14kW最大制熱量為16kW。室內(nèi)側(cè)被測(cè)空調(diào)器總制冷量公式如下［9］:

圖1環(huán)境型房間量熱計(jì)原理圖Fig．1 The schematic of balanced ambient room-type calorimeter

式中:φ為室內(nèi)側(cè)測(cè)定的空調(diào)總制冷量，W;∑P為室內(nèi)側(cè)測(cè)試室的總輸入功率，W;hw1為加濕所用水或水蒸氣焓值，kJ/kg;hw2為室內(nèi)側(cè)測(cè)試室凝結(jié)水焓值，kJ/kg;Wr為被測(cè)機(jī)凝結(jié)水量，g/s;φ1p為室外側(cè)測(cè)試室通過(guò)中間隔墻向室內(nèi)側(cè)測(cè)試室的漏熱量，W;φ1r為除中間隔墻外的漏熱，W。

室外側(cè)被測(cè)空調(diào)器總制冷量公式如下:

式中:φ′為量熱計(jì)室外側(cè)測(cè)試室測(cè)定的空調(diào)總制冷量，W;∑Po為室外側(cè)測(cè)試室的總輸入功率，W;Pt為被測(cè)機(jī)輸入功率，W;hw3為室外側(cè)測(cè)試室再處理機(jī)組排出的凝結(jié)水的焓值，kJ/kg;Wr1為室外側(cè)測(cè)試室凝結(jié)水量，g/s;φc為室外側(cè)測(cè)試室空氣處理柜表冷器帶走的熱量，W;φ′1P為室內(nèi)側(cè)測(cè)試室通過(guò)中間隔墻向室外側(cè)測(cè)試室的漏熱量，W;φ10為室外側(cè)向外的漏熱量，W。

由公式(1)、(2)知，被測(cè)空調(diào)器性能檢測(cè)過(guò)程中，為求出被測(cè)機(jī)的制冷量(制冷工況)、制熱量(熱泵工況)及除濕量，需要對(duì)測(cè)試室凝結(jié)水進(jìn)行測(cè)量。最大除濕量可根據(jù)空氣焓值公式推導(dǎo)出，空調(diào)器制冷量可用下式計(jì)算:

式中:Q為制冷量，W;hi為空氣進(jìn)風(fēng)焓值，kJ/kg(干空氣);ρ為空調(diào)器出風(fēng)空氣的密度，kg/m3;ho為空氣出風(fēng)焓值，kJ/kg(干空氣);V為循環(huán)風(fēng)量，m3/h。

空氣的焓值公式:

式中:t為空氣干球溫度，℃;d為空氣含濕量，kg/kg(干空氣)。

聯(lián)立公式(3)、(4)，又考慮到 2500?1.84t，可以將1.84t項(xiàng)省略，得出:

式(5)左邊即為空調(diào)的除濕量，考慮到最大制冷量為14 kW時(shí)，并在除濕工況下運(yùn)行，空調(diào)器的除濕量最大，此時(shí)除濕量約為5.4 kg/h。特別是在被測(cè)空調(diào)制冷量較小的工況時(shí)，使用常規(guī)流量計(jì)將很難測(cè)量或帶來(lái)的誤差非常大。由于沒(méi)有動(dòng)力提供給凝結(jié)水，若使用超聲波或節(jié)流管式小流量測(cè)量?jī)x，將會(huì)使測(cè)量裝置復(fù)雜。針對(duì)Durst F等［10］提出使用一定時(shí)間里測(cè)量質(zhì)量的方法，這里采用在固定時(shí)間里對(duì)流體稱(chēng)重的方法測(cè)量加濕及凝結(jié)水的流量。即:

對(duì)于管路中無(wú)旋、密度恒定的流體可以采用流量計(jì)測(cè)量，而凝結(jié)水用稱(chēng)重法測(cè)量。考慮到加濕水量和凝結(jié)水量這種小流量的微小變化就會(huì)造成較大的誤差，故用對(duì)時(shí)間積分來(lái)消除瞬時(shí)流量(qm′)變化帶來(lái)的誤差，理想狀態(tài)時(shí)式 qm=(∫qm′dt)/(t2－t1)中 t2→+∞，t1=0，所得qm為精確值。t1是測(cè)試開(kāi)始時(shí)間;t2測(cè)試結(jié)束時(shí)間。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，通常選擇在系統(tǒng)穩(wěn)定后，從開(kāi)始測(cè)量時(shí)記錄加濕水量和凝結(jié)水量直到測(cè)試結(jié)束。

2 凝結(jié)水量的測(cè)量設(shè)計(jì)

房間量熱計(jì)的加濕水來(lái)自通過(guò)蒸餾水機(jī)制取的蒸餾水，經(jīng)水泵供至放置在量熱計(jì)測(cè)試室頂部的高位加濕蒸餾水箱。蒸餾水經(jīng)進(jìn)水電磁閥分別進(jìn)入室內(nèi)側(cè)測(cè)試室和室外側(cè)測(cè)試室加濕器進(jìn)水箱，然后經(jīng)電加熱制取水蒸汽，分別將水蒸汽送入室內(nèi)側(cè)測(cè)試室和室外側(cè)測(cè)試室，進(jìn)而完成空氣的加濕。

在被測(cè)機(jī)的制冷功率大于量熱計(jì)輸入功率工況下，文獻(xiàn)［8］中規(guī)定計(jì)算出被測(cè)機(jī)的凝結(jié)水量，即可得到被測(cè)機(jī)的制冷量。當(dāng)被測(cè)機(jī)為中小冷量時(shí)，此時(shí)不足以抵償輸入功率熱量，空氣再處理器將進(jìn)行制冷除濕。在標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有考慮這種工況時(shí)的測(cè)量方法，為測(cè)量0～14 kW內(nèi)空調(diào)器性能，設(shè)計(jì)如下兩種測(cè)量凝結(jié)水量方法。

2.1 大制冷量時(shí)凝結(jié)水量測(cè)量

被測(cè)空調(diào)器最大制冷能力為14 kW，而測(cè)試室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)、取樣風(fēng)機(jī)、電加熱濕和照明設(shè)備等的全負(fù)荷輸入功率約為6.2 kW。當(dāng)進(jìn)行大冷量測(cè)試時(shí)，被測(cè)空調(diào)器的制冷量遠(yuǎn)大于輸入功率，此時(shí)空氣處理柜作加熱使用。由式(1)知只需調(diào)節(jié)測(cè)試室電加熱器使得房間溫度穩(wěn)定在額定工況，此時(shí)室內(nèi)側(cè)測(cè)試室加濕器進(jìn)水量即為被測(cè)空調(diào)器的除濕量。

將加濕器進(jìn)水箱置于高精度電子秤上，實(shí)時(shí)記錄水箱質(zhì)量并通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀送入計(jì)算機(jī)分析模塊，求得數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間的積分。圖2中實(shí)線部分是被測(cè)空調(diào)器額定制冷運(yùn)轉(zhuǎn)凝結(jié)水測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

室外側(cè)測(cè)試室按式(2)進(jìn)行測(cè)試，但此時(shí)被測(cè)室外機(jī)處于制熱狀態(tài)，所以Wr1為空氣處理柜的除濕量。當(dāng)室內(nèi)側(cè)為制熱模式，外側(cè)測(cè)試室除濕量計(jì)算與制冷模式相似。

圖2空調(diào)器凝結(jié)水測(cè)量設(shè)計(jì)圖Fig．2 The design of condensate flow measurement for cooling

2.2 小制冷能力時(shí)凝結(jié)水量測(cè)量

當(dāng)被測(cè)空調(diào)器制冷能力較小，制冷量低于室內(nèi)側(cè)測(cè)試室輸入功率時(shí)。對(duì)被測(cè)空調(diào)器進(jìn)行測(cè)試，僅靠被測(cè)機(jī)制冷量無(wú)法平衡輸入能量，室內(nèi)側(cè)測(cè)試室工況無(wú)法控制;這時(shí)循環(huán)空氣處理柜表冷器就要通冷水，進(jìn)而承擔(dān)室內(nèi)側(cè)內(nèi)室冷負(fù)荷和濕負(fù)荷。此時(shí)加濕器進(jìn)水分為兩部分，一部分為空氣處理柜中表冷器除濕量，另一部分為被測(cè)空調(diào)器除濕量。這樣一臺(tái)高位電子秤記錄加濕水箱質(zhì)量變化率不足以滿足要求，為準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)空調(diào)器的除濕量，需另加一臺(tái)高精度電子秤測(cè)量空調(diào)器的凝結(jié)水量變化。設(shè)計(jì)如圖2，此時(shí)增加虛線部分的電子秤和凝結(jié)水箱。

這樣式(1)ΣP項(xiàng)中規(guī)定的總輸入功率，不包括表冷器的除濕能力。為準(zhǔn)確表示被測(cè)空調(diào)器制冷量，式(1)應(yīng)改為式:

式中:hw4為室內(nèi)側(cè)空氣處理柜排出的凝結(jié)水在離開(kāi)量熱計(jì)隔室的溫度下的焓值，kJ/kg;Wr2為室內(nèi)側(cè)空氣處理柜排出的凝結(jié)水流量，g/s。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果分析

在以上兩種凝結(jié)水量測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)試設(shè)計(jì)原理，將平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)搭建于上海出入境檢驗(yàn)檢疫局實(shí)驗(yàn)室如圖1。為分析式(1)和(7)與被測(cè)空調(diào)器實(shí)際制冷能力的符合程度，現(xiàn)對(duì)5臺(tái)低額定制冷量空調(diào)器分別進(jìn)行測(cè)試。空調(diào)器的制冷量分別約為 1.4kW、1.6 kW、1.8 kW、2.1 kW 和 2.5 kW，在規(guī)定工況下測(cè)試一組數(shù)據(jù)。在不改變5臺(tái)空調(diào)器的制冷量的情況下，增大測(cè)試內(nèi)室的輸入功率，以此改變空氣處理柜的制冷或制熱工況，再次測(cè)得一組數(shù)據(jù)。

表1測(cè)試數(shù)據(jù)Tab．1 Test data

3.1 對(duì)中小額定制冷量空調(diào)器進(jìn)行測(cè)試

依據(jù)家用空調(diào)器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，選取平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)的檢測(cè)工況點(diǎn)。室內(nèi)側(cè)內(nèi)室環(huán)境:干球溫度27.0℃;濕球溫度19.0℃;室外側(cè)內(nèi)室環(huán)境:干球溫度35.0℃;濕球溫度24.0℃。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后測(cè)得數(shù)據(jù)，采用變頻KFR－26GW系列空調(diào)器產(chǎn)生1.8 kW 制冷量，定頻 KFR－26GW 系列空調(diào)器產(chǎn)生2.5 kW制冷量。表1列出了制冷量約2.5 kW和1.8 kW的空調(diào)器主要測(cè)試參數(shù)。

按式(1)和(2)計(jì)算出以上兩種制冷量空調(diào)器內(nèi)、外室測(cè)量偏差分別為0.81%、1.02%。考慮到中小冷量測(cè)試過(guò)程中，空氣處理柜有除濕存在，此時(shí)按照式(7)和(2)計(jì)算的內(nèi)、外室測(cè)量偏差分別為0.81%、0.76%。并按計(jì)入處理柜中凝結(jié)水和未計(jì)入凝結(jié)水條件計(jì)算出其余三臺(tái)不同制冷量空調(diào)器測(cè)內(nèi)、外室測(cè)量偏差，其對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3制冷量測(cè)量偏差Fig．3 The error of cooling capacity measurement

3.2 大輸入功率工況測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證表冷器中凝結(jié)水對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，將室內(nèi)輸入功率增大1000W后繼續(xù)對(duì)5臺(tái)空調(diào)器測(cè)試。測(cè)試方法與表1所述相同，計(jì)算分析測(cè)試結(jié)果，并將是否計(jì)入表冷器凝結(jié)水的內(nèi)、外室測(cè)量偏差進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4。

圖4制冷量測(cè)量偏差Fig．4 The error of cooling capacity measurement

4 結(jié)論

通過(guò)以上的數(shù)據(jù)和圖表驗(yàn)證，平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)檢測(cè)中小冷量的空調(diào)器，當(dāng)被測(cè)機(jī)的制冷量小于測(cè)試室輸入功率時(shí)，需要開(kāi)啟空氣處理柜降溫除濕。此時(shí)若按照標(biāo)準(zhǔn)中公式(1)計(jì)算被測(cè)機(jī)制冷量，將使得計(jì)算結(jié)果偏大且與室外機(jī)側(cè)所得驗(yàn)證結(jié)果偏差增大。測(cè)試室輸入功率越高于制冷量，則計(jì)算結(jié)果及與室外機(jī)側(cè)驗(yàn)證結(jié)果偏差越大。

實(shí)驗(yàn)證明，采用稱(chēng)重法測(cè)量小流量的加濕水和凝結(jié)水，能夠非常好的解決量熱計(jì)測(cè)量小冷量空調(diào)器時(shí)的精確度問(wèn)題。與此同時(shí)，可將式(1)改為式(7)，測(cè)量時(shí)計(jì)入空氣處理柜表冷器的除濕量，可減小量熱計(jì)室內(nèi)、外測(cè)量偏差。

［1］Technical Committee ISO.ISO5151 －2010 Non－ducted air conditioners and heat pumps－Testing rating for performance［S］.Switzerland:2010.

［2］Tran C T，Rivie`re P，Marchio D，et al.Refrigerant－based measurement method of heat pump seasonal performances［J］.International Journal of Refrigeration，2012，35(6):1583－1594.

［3］李壘，李瑛，王芳，等.平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)試驗(yàn)室的研制［J］.低溫與超導(dǎo)，2011，39(7):59－62.(Li Lei，Li Ying，Wang Fang，et al.Study on Calorimeter Laboratory at an Equilibrium Environmental Room［J］.Cryogenics and Superconductivity，2011，39(7):59－62.)

［4］Chua K J，Chou S K，Yang W M，et al.Achieving better energy－efficient air－conditioning—A review of technologies and strategies［J］.Applied Energy，2013，104:87－104.

［5］馬最良，陸亞俊，朱林.房間熱平衡法多功能試驗(yàn)臺(tái)的研究［J］.通風(fēng)除塵，1991(3):29－32.(Ma Zuiliang，Lu Yajun，Zhu Lin.Study on Multifunctional Test Bench Based on Room Heat Balance Method ［J］.Ventilation and Dust，1991(3):29－32.)

［6］Néstor Fonseca Diaz.Methodology for uncertainty calculation of net total cooling effect estimation for rating room air conditioners and packaged terminal air conditioners［J］.International Journal of Refrigeration，2009，32(6):1472－1477.

［7］Park K J， JungD.Thermodynamicperformanceof HCFC22 alternative refrigerants for residential air－conditioning applications［J］.Energy and Buildings，2007，39(6):675－680.

［8］Cherem－Pereira G，Mendes N.Empirical modeling of room air conditioners for building energy analysis［J］.Energy and Buildings，2012，47:19－26.

［9］全國(guó)家用電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T7725—2004房間空氣調(diào)節(jié)器［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［10］Durst F，ünsal B，Ray S，et al.Method for defined mass flow variations in time and its application to test a mass flow rate meter for pulsating flows［J］.Measurement Science and Technology，2007，18(3):790.