冰箱性能測試室冷熱聯供內環境調控系統研究

陳嘉澍，卓獻榮，伍江，黃偉毅

冰箱性能測試室冷熱聯供內環境調控系統研究

陳嘉澍1，卓獻榮2，伍江3，黃偉毅4

（1.仲愷農業工程學院機電學院，廣東廣州510225；2.仲愷農業工程學院城市建設學院，廣東廣州510225；3.廣州市興南電器有限公司，廣東廣州510440；4.廣東澳信熱泵空調有限公司，廣東佛山528000）

針對亞熱帶地區冰箱、冷柜等小型制冷裝置型式測試內環境的精確調控要求，設計制造了可同時產生10℃左右冷凍水和55℃左右熱水的冷熱水聯供調控系統。利用模糊變頻調控冷熱水流量的方法對溫度參數進行精確調控，利用冷凍除濕、旁路超聲波加濕方法對濕度進行控制，設計建設了雙室各八工位冰箱、冷柜型式測試室。系統運行結果表明：該系統在華南地區既可靠地滿足了冰箱、冷柜型式測試室內環境對溫濕度的調控要求，也實現了節能及降低投資的目的。

性能測試；內環境；冷熱水聯供；溫濕度調控

0 引言

自新世紀以來，隨著經濟全球化的發展進程，我國已成為制冷空調制造大國，國內外長期持續的巨大市場需求及日新月異激烈的市場競爭背景下，冰箱、陳列柜等小型制冷裝置生產企業，為生存及發展均非常注重市場競爭導向，不斷快速更新品種、規格，想方設法提高產品安全性、可靠性、節能性，為了實現這種目標，在新產品的研發、生產質量監控等過程中，型式測試室成為該類企業用于產品性能監控的重要設備[1]。

多年來，由于這種型式測試室建設費用昂貴，許多中小型企業發展初期，通常委托專門機構進行型式測試，但往往由于專門機構離制造廠遠、樣機運輸裝卸麻煩、測試周期長及測試成本高等因素，產品匹配性能的優化速度受到局限，產品質量監控不易到位，不利于產品質量的提高和商品的市場適應性。針對這種狀況，許多企業都迫切需要在制造廠內建設型式測試室。

冰箱、冷柜的型式測試室有其獨特性。冰箱、冷柜、陳列柜這類小型制冷裝置的型式測試室分精確的內環境調控系統及多參數的數據采集系統兩大系統。數據采集系統主要采集小型制冷裝置中的各種溫度變化狀況及對應的電工參數變化狀況，其系統集成逐漸呈標準化、通用化發展。內環境調控參數主要為溫度、濕度及風速，由于內環境調控涉及外環境條件（包括氣候類型、季節變化）、測試室結構（包括制造企業的場地條件、維護結構布局等）以及實施調控方法的多樣性等因素，標準化、通用化程度不高，常常需要針對具體對象進行具體設計[4～9]。

傳統型式測試室存在運行成本高，精度不高的缺點。型式測試室內環境調控中，溫度的精確調控最為關鍵，傳統方法機理是降溫時先制冷，接近目標溫度時利用無觸點開關控制電加熱器來平衡“冷滯后”；升溫時先采用蒸汽加熱或電加熱，接近目標溫度時采用制冷及利用無觸點開關控制電加熱來平衡“熱過沖”。這種方法雖然成熟可靠，但系統構成復雜，電加熱、蒸汽發生器及冷熱平衡用電加熱器的能耗較大，制冷機在高溫氣候環境的啟動及冷量損失也較大。另外，在亞熱帶地區，這類型式測試室實際的極限冷熱負荷其實不大，傳統系統中均配置了功率大幾倍的制冷系統，這些，通常是造成測試室投資大、運行成本高的主要因素。

課題組在傳統型式測試室的運行機理上作了更新，更新后的二代型式測試室較傳統的更節能，更便捷，更具適合企業使用。以一雙室各八工位的冰箱、冷柜型式測試室為實例，利用模糊變頻控制冷水或熱水流量的方法對型式測試室的內環境溫度進行精確調節，利用冷凍除濕及旁路超聲波加濕器對濕度進行控制，在保證型式測試室測試室功能質量的同時，簡化系統構成、節約運行電耗，從而降低投資及運行成本。

1 系統規劃及方案設計

1.1 目標參數要求及系統規劃

按相關國家標準[10]，本測試室可測試項目應包括儲藏溫度、冷卻速度、耗電量、冷凍能力、負載溫度回升速度、凝露試驗及對應的相關電量參數（電壓、電流、功率、功率因數）。這些項目的測試都是以穩定的測試環境條件為基礎，為適應測試室內環境條件要求，首先確定所有規定測點處的任意方向風速≤0.25 m/s，在此基礎上，明確測試室內環境空氣狀態參數調控要求，其中，空氣的干球溫度范圍設為10～45℃，其對應控制精度及波動范圍均設為±0.5℃，其升降溫速度：從10℃升至45℃的時間小于90min，從45℃降至10℃的時間小于90min，測試室內的溫度梯度：距地面2300mm高的范圍內，其垂直方向的溫度梯度≤1.5K/m，其余≤2K/m。空氣的相對濕度調節范圍設為45%～95%RH、精度為±3%。

圖1 雙室型式測試室布局

針對設計目標參數要求，把測試室內環境空氣的溫濕度調控系統分為四個子系統，即：測試室圍護結構、空氣集中處理及氣流組織、冷熱源系統、自控系統。圖1所示為雙室測試室布局，圖2所示為雙室型式測試室功能系統。

1.2 測試室圍護結構

測試室圍護結構目前多由保溫性能良好的高密度聚氨酯發泡保溫預制庫板拼裝成獨立于外界環境的六面體空間。該方案中，預制庫板保溫層厚度均為100mm，用中間隔墻庫板構建成獨立、對稱的兩個測試室庫體，每一庫體內空：長×寬×高=6×3.6×2.7（m）、庫門面對待測預備室，庫門洞尺寸：寬×高=1.2×2.3（m），從空間上滿足了立式、臥式陳列柜、冷柜、冰箱的型式測試要求，圍護結構良好的保溫及氣密性性能，使得測試室內環境所受熱濕干擾較小。

1.3 最大冷卻/加熱負荷估算

由于測試室常年使用，即使相同測試內環境要求，在不同季節運行時實際的冷卻/加熱負荷值差別都很大，在考慮冷卻/加熱能力匹配時，起碼需要估算出最大冷卻/加熱負荷。

圖2 雙室型式測試室功能系統

按測試室內環境溫度可調節范圍10～45℃的要求，測試室最大冷負荷發生在最熱的夏季把溫度調控在下限溫度10℃時的冷負荷，測試室最大熱負荷是發生在最冷的冬季把溫度調控在上限溫度45℃時的熱負荷。

結合實例，按亞熱帶條件考慮，圍護結構最大漏冷量：

式中K—圍護結構的傳熱系數，W/（m3·K）；

A—圍護結構的表面積，m3；

Δtc—圍護結構內外溫差。

開門漏冷量：

式中V—測試室內容積；

n—開門次數；

Δhc—測試室內空氣達到規定溫度時的比焓差，kJ/kg；

vac—空氣的比體積，m3/kg。

設備最大熱負荷取Q3=2kW，

其它熱負荷取Q4≈0.3kW，

即最大冷卻負荷：

相應地，對于加熱負荷，它包括：最大圍護結構漏熱量：

開門漏熱量：

其它熱負荷Q4≈1.2kW，忽略設備熱負荷Q3，即最大加熱負荷：

2 調控系統開發

2.1 冷熱水聯供系統

根據上述冷卻/加熱最大負荷估算，選用三相谷輪ZR28K3（2.5匹）渦旋壓塑機、利用現成的5匹分體空調室外機及大部分制冷附件，按圖3所示進行改裝，其實物照片如圖4所示。

該系統由冷熱水聯供機組、冷水循環泵、熱水循環泵、冷水貯存罐、熱水貯存罐、冷熱水循環管路及器件組成，如圖2所示。冷熱聯供機組的任務是把熱水貯存罐（1t）的水加熱至約50℃熱源水，以及把冷水貯存罐（1t）的水冷卻成約7℃冷源水。考慮到冷熱聯供制冷系統中，不可避免存在冷熱需求不同步、冷熱負荷不平衡的固有局限[11]，因而該系統一方面利用冷熱貯水罐的蓄冷、蓄熱能力來延緩冷熱需求的不同步程度，另一方面機組本身還配備輔助風冷泠凝器及輔助空氣源蒸發器。在冷、熱水貯存罐溫度未達到各自的目標設定溫度時，由板式冷凝器、板式蒸發器工作，而此時輔助冷凝風機及輔助蒸發器均不工作，當熱水溫度達到設定目標時，輔助冷凝器風機啟動，當冷水溫度達到設定溫度時關閉板式蒸發器電磁閥，同時開啟輔助蒸發器電磁閥和風機，只有當熱水溫度和冷水溫度均達到各自設定溫度時機組才停止工作。當然，冷水循環、熱水循環系統需要設置水流控制開關，以保證水循環系統正常時才能啟動冷熱聯供機組。冷熱水罐需具有合適的蓄熱、蓄冷能力，這樣，除有利于保證冷熱聯供機組有合適的開停時間比、避免機組開停過于頻繁外，還有利于為空氣集中處理柜提供溫度相對穩定的冷熱源。

圖3 冷熱聯供機組制冷系統

2.2 空氣集中處理及氣流組織

空氣集中處理及氣流組織系統由空氣集中處理柜、庫頂（送、回）風道、庫內網孔送風側墻、庫內網孔回風匯集側墻組成密閉循環空氣流動處理系統。空氣集中處理柜吊裝在每一測試室的庫

頂外中部，按“加熱→冷卻→加濕”的氣流順序對空氣進行處理，為此，空氣集中處理柜設置有套翅片管熱水加熱器、套翅片管冷水冷卻器及旁路超聲波加濕霧化接口。

空氣集中處理系統中的離心風機額定風量按50次/h換氣次數估算值（約2900m3/h），對應余壓280± 30Pa，加熱器或冷卻器的設計換熱能力使對應流量的空氣升溫或降溫的焓差值不小于12kJ/kg.干空氣。實際的加熱量由流經加熱器的熱水流量進行調節，實際冷卻量則由流經冷卻器的冷凍水流量進行調節。系統是否需要加濕或除濕則由相對濕度變送器輸入的模擬信號來控制旁路超聲波加濕器或冷凍除濕器的狀態。

由于庫內長度方向的兩側設有網孔送風側墻和網孔回風側墻，測試室測試空間內的氣流就可保證均勻，而穩定的目標氣流流速可在匹配設計的基礎上加手動變頻器調試風機轉速來實現。

圖4 型式測試室冷熱聯供機組

圖5 主電路

2.3 自控系統

自控系統主要由主電路、PLC及擴展模塊功能布局及控制軟件組成。圖5所示自控系統主電路原理圖，圖6所示為PLC及擴展模塊布局圖。

測試室電源設置了可切換的工頻和變頻電源，其中變頻電源主要是為測試出口產品設置（AC～110V/60Hz）。

各類溫濕度傳感及中間繼電器均采用集中直流電源，安捷倫數據采集儀、各工位電量參數采集儀以及PLC、接觸器均采用單相電源。

圖6 PLC及擴展模塊布局

各測試室內環境調控參數為溫度、濕度及風速，風速調控由匹配好的循環風機定速運行，濕度調控由各室回風相對濕度與設定相對濕度對比，由PLC處理控制中間繼電器開關（KA1、KA2），從而對超聲波加濕器進行雙位控制，即：只要實測相對濕度值小于設定值就啟動超聲波加濕器，否則就停止加濕。溫度參數的調控首先由各測試室實測的回風干球溫度值與設定溫度值進行對比，由PLC判斷是需要升溫還是降溫，從而選擇啟動冷水泵或熱水泵，然后按模糊控制方式動態調控冷水泵或熱水泵運轉頻率來動態調控降溫或升溫幅度，從而使回風溫度在容許誤差范圍內達到目標設定值。在提高系統運行可靠性方面，對冷熱水聯供機組的保護控制也作了全面的考慮，特別增加了板式蒸發器冬季自動泄水的保護控制，即：當檢測到室外氣溫連續30min低于3℃時，板式蒸發器進出水電磁閥關閉，同時打開低位旁通泄水電磁閥）從而避免了板式蒸發器因結冰而受損的可能。

3 運行效果與分析

由于該系統本身具備了對各種溫濕度參數及變頻調節等參數的自動采集及數據貯存功能，因此較方便知道該系統的運行狀況。內環境溫濕度參數調控方向有四種[12]，即：升溫加濕和升溫除濕、降溫加濕和降溫除濕，對小型制冷裝置的性能測試除了標準工況下的能效測試外，還有高溫高濕工況下的冷卻速度的性能測試、凝露試驗以及低溫高濕工況下的儲藏能力測試等。為了評價系統運行效果，專門對該系統進行了“夏季高溫工況實現低溫高濕內環境調控”與“冬季低溫工況實現高溫高濕的內環境調控”的現場試驗。

在進行“夏季高溫工況實現低溫高濕內環境調控性能”的現場試驗中，內環境調控目標設定溫度為16℃、相對濕度85%，為了協同考核系統的上限制冷降溫（最大抗熱干擾）能力，專門挑選了額定功率為527W的四臺立式陳列柜設定在強制開機狀態作為模擬實際測試情況，其結果如圖7所示。

從圖7所示中可知，夏季工況的室外氣溫在28～34℃，測試室內環境溫度從約27℃開始降溫，經過70min后就穩定在16±1℃范圍，對應的冷水泵電機運行頻率平均值約為36Hz（設計下限頻率鉗制在20Hz），表明變頻調控降溫能力還有較大富裕量。內環境相對濕度從約53%RH開始增加，由于降溫時空氣本身的相對濕度變大，因而其相對濕度值很快就超過設定值90%RH，使得旁路冷凍除濕器與超聲波加濕器處于相互抵消的狀態運行，從而使相對濕度能夠保持容許的偏差范圍內波動。

在進行“冬季低溫工況實現高溫高濕的內環境調控性能”的現場試驗中，內環境調控目標設定溫度為43℃、相對濕度80%，為了協同考核系統的上限加熱升溫能力，專門進行了“空庫試驗”，其結果如圖8所示。

從圖8所示中可知，冬季工況的室外氣溫在7～11℃，測試室內環境溫度從約13℃開始升溫，經過105min后才穩定在43±1℃范圍，對應的熱水泵電機運行頻率約在44Hz（設計下限頻率鉗制在20Hz），表明調控系統在還有一些富裕量情況下，還可保證內環境溫度調控到43±1℃的設計目標要求。內環境相對濕度是從約46%開始增大，其過程只是超聲波加濕器在間歇運行起作用，經過130min后相對濕度亦可在容許的范圍內達到設定要求。

在華南地區，這兩種現場試驗結果可表明：首先，該冷熱水聯供系統所提供的冷熱源的能力匹配合理，能完全適應該地區全年候的內環境溫度參數的調控要求；其次，采用模糊調節冷水泵、熱水泵的運行頻率方法，能很好地達到該類測試室對內環境溫度的調控精度；再有，兩位控制的旁路冷凍除濕器與超聲波加濕器的濕度調控，不但簡單、可靠，其相對濕度的調控亦能滿足型式測試的要求。

該系統已運行3年多，除了系統的“水路、風路”需要適時進行清潔保養外，該系統一直穩定、可靠地運行。在實際運行中，盡管室外工況變化無常、對測試室內溫濕度參數的調控目標也有多種，該系統由于配置了可隨時供匹配使用的冷熱源，

圖7 夏季高溫工況實現低溫高濕的調控試驗結果

圖8 冬季低溫工況實現高溫高濕的調控試驗結果

且溫濕度獨立同步調控，特別是采用了模糊調控冷熱水泵的運行頻率來調節溫度參數調控軟硬件設置，使得該系統內環境調控質量及運行可靠性均得到較理想的效果。

4 結語

在華南地區，采用冷熱水聯供機組提供冷熱源的方法能理想地實現內環境溫度調控范圍要求；采用模糊變頻調控冷熱水泵的轉速來調節冷熱水流量、動態匹配負荷動態變化的方法能較好地滿足溫度調控的精度要求；利用旁路冷凍除濕與超聲波加濕的雙位調控基本能滿足濕度調控范圍及精度的要求；約50換氣次數的空氣循環流量設計及平氣流組織設計方式，能很好地符合溫濕度調控均勻度的要求。

上述方法的綜合應用，不但能可靠的滿足小型制冷裝置性能測試的內環境調控要求，而且其調控系統成本低、節能效果很明顯，可為人工環境的模擬提供有益參考。

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Study on the Regulation System of Internal Environment Chamber for Testing Refrigerator Performance with Hot and Cold Water Combining Supply

CHEN Jia-shu1，ZHUO Xian-rong2，WU Jiang2，HUANG Wei-yi4
（1.Faculty of Mechanical&Electrical Engineering，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，China；2.College of Urban Construction，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，China；3.Guangzhou Xingnan Electrical Appliance Co.，Ltd，Guangzhou，Guangzhou 510000，China；4.Guangdong ASEAIR Heat Pump and Air Conditioning Co.，Ltd，Foshan 528000，China）

Aiming at the requirement of temperature and humidity precise regulation in performance testing chamber at subtropical zone for small refrigerating equipment as refrigerator and freezer etc.，the new regulation system with cold and hot water combing supply from air source heat bump units which can product 10℃cold water and 55℃hot water was designed and manufactured specially.Using fuzzy control method by variable-frequency to regulate the hot or cold water flow，the temperature was regulated precisely.Using freezing dehumidify method and shunting ultrasonic humidifier，the humidity was controlled.Basing on these measure，double internal environment chamber having eight-station for small refrigerating equipment was built.The operating results indicated that the system not only satisfied the requirement of temperature and humidity precise regulation in internal environment chamber at subtropical zone for small refrigerating equipment considerably，but also realized saving on electricity and the amount of investment.

performance testing chamber；internal environment；cold and hot water combing supply units；temperature and humidity regulatory

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.014

TU831

B

2095-3429（2015）01-0055-06

2014-12-05

修回日期：2015-03-05

廣東省高等學校科技創新重點項目，No.2012CXZD0027。

陳嘉澍（1977-），男，廣州人，碩士，實驗師，研究方向：內環境調控系統優化及節能技術；卓獻榮（1965-），男，博士，教授，研究方向：內環境調控系統優化及節能技術。