柜式空調輔助電加熱設備工作模式的研究

袁雙全，吳俊鴻，魏廣飛

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

空調輔助電加熱設備的使用可以有效提高空調機組的制熱舒適性[1-3]。但是，由于空調輔助電加熱的使用空調能耗也相對提高，目前對降低空調輔助電加熱能耗方面的研究相對較少。而且，由于輔助電加熱的投入使用，空調機組的安全性和可靠性等方面也受到影響[4]。因此，空調輔助電加熱工作模式的研究對空調輔助電加熱節能降耗研究具有重要意義[5-6]。

1 實驗原理

1.1 實驗設備及方案

采用珠海格力電器空調器焓差法測試室進行實驗，實驗設備示意圖如圖1所示。實驗設備包含風量測量裝置、循環風機、室內側冷機、溫度采集裝置、室外側冷機和空氣處理柜等。

實驗開始時關輔助電加熱，直到室內環境溫度穩定10 min后（室內環境溫度變化在0.5 ℃以內）開啟輔助電加熱，開啟輔助電加熱后待環境溫度穩定10 min后再關閉輔助電加熱，關閉輔助電加熱后待環境溫度穩定10 min后，再開啟輔助電加熱，待環境溫度穩定10 min，之后再關閉輔助電加熱，一直不開。實驗期間記錄室內環境溫度、室內換熱器管溫、空調出風溫度、距離出風口1.3 m處室內溫度等。

圖1 柜式空調輔助電加熱實驗設備示意圖

1.2 輔助電加熱工作模式下室內溫度變化理論部分

1.2.1 假設條件

為方便理論計算，可簡化房間溫度變化模型，計算過程所用假設條件如下：

1) 空調穩定運行時，開啟輔助電加熱期間房間內溫度分布均勻；

2) 開啟輔助電加熱過程中房間墻壁溫度不變；

3) 開啟輔助電加熱期間空調制熱量不變；

4) 忽略墻壁輻射換熱對溫度變化影響。

1.2.2 室內溫升規律理論推導

對房間進行熱量平衡計算可得：

上式 (Pd+ qc)dt表示空調制熱和輔助電加熱對房間的熱量輸入；cmdT表示熱量輸入用于室內空氣溫度上升的部分；hA(T-Twall)dt表示室內熱量輸入用于室內空氣對墻壁散熱部分。

對式(1)進行處理可得：

對式(2)積分可得：

則室內溫度變化可表達為：

2 數據分析

2.1 輔助電加熱工作模式室內溫度變化規律實驗驗證

由式(4)可知，在室內空調制熱達到穩定時開啟輔助電加熱，室內溫度應呈指數上升的規律。在實驗條件為室內環境溫度0 ℃、室外環境溫度-7 ℃、風量為低風檔時，對實驗結果進行驗證。由圖2可見，實驗結果基本符合指數變化的規律。

圖2 室內0 ℃、室外-7 ℃、低風檔工況下室內出風口1.3 m處溫度變化圖

2.2 輔助電加熱工作模式下管溫和出風溫度變化

在室內環境溫度0 ℃、室外環境溫度0 ℃、風量為高風檔和室內環境溫度 0 ℃、室外環境溫度-7 ℃、風量為超高風檔工況下，研究輔助電加熱開啟對空調出風溫度和管溫的影響，實驗運行3個除霜周期，實驗結果如圖3和圖4所示。由圖3可知，不開輔助電加熱時，空調制熱過程中空調管溫稍高于空調出風溫度，由圖4可知開啟輔助電加熱之后，空調管溫變化不明顯，出風口溫度升高明顯，并且溫度高于空調管溫。

圖3 室內0 ℃、室外0 ℃、高風檔工況下空調管溫和出風溫度變化

圖4 室內0 ℃、室外-7 ℃、超高風檔工況下輔助電加熱對出風溫度和管溫影響

分析認為，在開啟輔助電加熱之前，主要依靠空調室內機管溫溫度升高來加熱空氣，所以從理論上來說在開啟輔助電加熱之前，空調室內機管溫為室內溫度最高點，距離出風口越遠，溫度越低，所以出風口處溫度會低于管溫。而當輔助電加熱開啟之后，室內空氣的加熱熱源有兩個，一個是空調室內機銅管，另一個是輔助電加熱加熱管，出風口處的空氣首先經過室內機銅管加熱一次，然后再經過輔助電加熱加熱一次，經過兩次加熱，導致出風口處空氣溫度高于室內機管溫。

2.3 輔助電加熱工作模式下化霜期間室內溫度變化

在室內環境溫度 0 ℃、室外環境溫度 0 ℃、風量為高風檔和室內環境溫度 0 ℃、室外環境溫度-7 ℃、風量為超高風檔工況下，實驗運行3個除霜周期，研究空調室內感溫包和出風口1.3 m處溫度測量點溫度變化。結果如圖5和圖6所示。由圖5和圖 6可知，在空調進行除霜模式時，空調室內感溫包測得室內溫度溫降明顯高于 1.3 m出風口處測得溫度值。

圖5 室內0 ℃、室外0 ℃、高風檔工況下實驗結果

圖6 室內0 ℃、室外-7 ℃、超高風檔工況下輔助電加熱對出風溫度和管溫影響

分析認為，一般在空調處于除霜模式時，空調由制熱模式轉為制冷模式，此時室內機風扇停止工作，目的是減緩室內空氣溫降，由圖3和圖4可知，當空調處于除霜模式時，室內機銅管溫度急劇降低，室內機銅管在除霜模式時，管溫低至-20 ℃～-30 ℃，此時由于空調室內感溫包測量點距離室內機銅管較近，導致其溫度降低也很快，以室內0℃、室外 0 ℃、高風檔工況實驗結果為例，在時間為60 min～80 min內的除霜過程中，空調室內感溫包溫降由 22.4 ℃降低至-0.9 ℃，溫降為 23.3 ℃，而出風口1.3 m處距離室內機銅管較遠，此時風扇也停止工作，其溫度變化尚不明顯，在上述除霜過程中，出風口1.3 m處溫度由23.6 ℃降低至20.6 ℃，溫降為3 ℃。由此可見，在除霜過程中空調室內機室內溫度感溫包顯示數值不能代表當前室內溫度真實溫度，在空調輔助電加熱工作模式下進行化霜時，要考慮室內感溫包溫度測量不準確帶來的影響。

2.4 輔助電加熱工作模式下不同風擋影響

實驗測量了室內環境溫度0 ℃、室外環境溫度0 ℃工況下，不同風檔下的管溫和出風溫度隨時間變化，實驗結果如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，在一般情況下，隨著空調出風速度提高，空調的出風溫度降低，管溫降低。

圖7 室內0 ℃、室外0 ℃、不同風檔對出風溫度影響

圖8 室內0 ℃、室外0 ℃、不同風檔對管溫影響

分析認為，隨著出風速率不斷提高，空調室內機銅管與周圍空氣對流換熱系數增大，在空調能力不變的情況下，換熱系數越大，則溫差越小，進而導致隨風速增加，空調管溫降低，而出風溫度在輔助電加熱不開的情況下是受管溫直接影響的，所以出風溫度也隨之降低。

2.5 輔助電加熱工作模式下室外環境溫度對室內環境溫度溫升效果影響

室外環境溫度對室內環境溫度溫升有一定影響，室內環境溫度 0 ℃、室外環境溫度 0 ℃、風量為高風檔和室內環境溫度0 ℃、室外環境溫度-7 ℃、風量為高風檔的室內 1.3 m出風口處溫度變化曲線如圖9所示。由圖可知，室外環境溫度為0 ℃時的室內環境溫度曲線斜率要大于室外環境溫度為-7 ℃的斜率，說明室外環境溫度為 0 ℃時的室內環境溫升速率要高于室外環境溫度為-7 ℃的溫升速率，由圖 9可得，室外環境溫度為 0 ℃時的溫升速率為0.59 ℃/min，室外環境溫度-7 ℃時的溫升速率為0.42 ℃/min。

分析認為，一方面，室外環境溫度越低，在壓縮機功耗相同的情況下，空調向室內環境的制熱量就越少，導致室內環境溫度上升速率減慢；另一方面，室外環境溫度越低，則室內外溫差就越大，室內與室外的散熱量就越大，這也導致了室內溫度上升減緩。兩者綜合作用，使得室內環境溫度上升速率隨室外環境溫度降低而降低。

圖9 室外環境溫度對出風溫度影響

3 結論

在不同工況下，對空調進行自由溫升實驗，所得主要結論如下：

(1) 在室內空調制熱達到穩定時開啟輔助電加熱，理論上室內溫度呈指數上升的規律；

(2) 在不同工況下，開啟輔助電加熱之前，空調制熱過程中空調管溫稍高于空調出風溫度，開啟輔助電加熱之后，空調管溫變化不明顯，出風口溫度升高明顯，并且溫度高于空調管溫；

(3) 在空調進行除霜模式時，空調室內感溫包測得室內溫度溫降明顯高于1.3 m出風口處測得溫度值；

(4) 隨著空調出風速度提高，空調的出風溫度降低，管溫降低；

(5) 室內環境溫度上升速率隨室外環境溫度降低而降低。

符號說明

P ——輔助電加熱功率，W；

q ——空調制熱量，W；

h ——室內空氣與墻壁對流換熱系數，W/(m2·℃)；

c ——室內空氣比熱容，J/(kg·℃)；

A ——室內空氣對流換熱面積，m2；

m ——室內空氣總質量，kg；

T ——室內空氣溫度，℃；

Twall——室內墻壁溫度，℃；

Tin——室內空調的回風溫度，℃；

T0——輔助電加熱開啟室內環境溫度，℃；

t ——開啟輔助電加熱時間，s。

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