風冷冷水機組AHRI 認證測試解析

李同彪，陸磊，羅田彥，謝鴻璽，趙宗彬，包繼虎

（合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230031）

美國空調供熱制冷工業協會(Air-Conditioning, Hea ting & Refrigeration Institute，以下簡稱AHRI)對空調產品的性能認證以其誠信和為客戶服務的宗旨已成為在國際上很多地區享有盛名的品牌，相關產品如果沒有獲得AHRI空調產品的性能認證，就很難在這些地區銷售，冷水機組作為工商業用空調中量大面廣的一類產品，是AHRI 性能認證的重要部分，也是AHRI 認證管理最成功的認證產品之一。目 前AHRI 基 于 標 準550/590-2018(I-P) 《Performance Rating of Water-chilling and Heat Pump Waterheating Packages Using the Vapor Compression Cycle》( 以 下 簡 稱550/590 (I-P)-2018) 和551/591-2018(SI)《Performance Rating of Water-chilling and Heat Pump Water-heating Packages Using the Vapor Compression Cycle》( 以 下 簡 稱551/591 (SI)-2018) 對冷水機組進行性能認證，其中，標準550/590 (I-P)-2018用于針對北美市場(如美國、加拿大、墨西哥等國)冷水機組的性能認證，標準中采用英制單位制，而標準551/591(SI)-2018 用于針對其它地區冷水機組的性能認證，標準中采用國際單位制，但隨著AHRI 冷水機組認證的全球化推進，目前擬申請AHRI 認證的企業可以選擇550/590 (I-P)-2018或551/591 (SI)-2018 對其冷水機組性能進行認證。

AHRI 認證的引入對中國冷水機組產品性能水平的提高起到了重要的促進作用，國內許多企業已申請或正在申請AHRI冷水機組認證，盡管AHRI 標準550/590 (I-P)和551/591(SI)已對冷水機組性能測試的工況進行了詳細的規范和要求，但在AHRI 冷水機組認證執行過程中，有企業相關人員對標準中的測試條款和要求理解上常出現歧義，導致現場目擊檢測結果與樣機提供的技術參數存在差異，給實際的產品開發能否達到設計要求增加了不確定性，嚴重時可能對產品做出不合理的判定結論。基于此，本文將主要針對AHRI 標準551/591 (SI)中風冷冷水機組的測試設備、測試方法進行詳細分析，以幫助使用者更好的理解標準中對測試設備和測試方法的規范和要求，確保檢測結果能準確反映產品的真實性能。

1 空氣側測試描述

1.1 空氣取樣裝置

空氣取樣裝置包括取樣器、取樣耙、隔熱軟管，取樣耙通過隔熱軟管與取樣器連接，每個取樣器最多可連接4 個取樣耙，為了按比例將氣流分配到各個取樣耙，連接至同一個取樣器的各隔熱軟管長度必須相同。取樣器內部通常設置2 根溫度傳感器(通常選用鉑電阻溫度傳感器)以測量被試機的進風干球溫度，1 根用于試驗測量，1 根用于校核，標準551/591 (SI)-2018 中并未對兩根干球測試溫度傳感器之間的測試偏差進行規范，目擊測試時通常保證其測試偏差在±0.2℃范圍內，當被試機制冷量小于等于703kW 時，干球溫度傳感器每次測量的進風溫度必須控制在其取樣器平均干球溫度的±1.11℃范圍內，當被試機制冷量大于703kW 時，干球溫度傳感器每次測量的進風溫度必須控制在其取樣器平均干球溫度的±2.22℃范圍內。對于空氣濕球溫度有要求的工況，取樣器內部還需要設置兩根溫度傳感器以測量濕球，1 根用于試驗測量，1 根用于校核，濕球溫度傳感器每次測量的進風溫度必須控制在其取樣器平均濕球溫度的±0.56℃范圍內，標準551/591 (SI)-2018 中并未對2 根濕球測試溫度傳感器之間的測試偏差進行規范，目擊測試時通常保證其測試偏差在±0.1℃范圍內。

取樣耙的典型結構如圖1 所示，結構尺寸為1.2m×1.2m，也可以使用其它的結構尺寸，但必須保持高度和寬度的比值不超過2：1。取樣耙必須使用不銹鋼、塑料或其它適合的、耐用的材料制成，在取樣耙主管道兩側上均布有10～20 個分支管，每根分支管上均布有適當數量的取樣孔，為保證均勻的氣流，每根分支管上由內向外孔徑逐漸增大，取樣耙上總的取樣孔數必須大于50 個，通過取樣孔的平均最小風速應大于等于0.75m/s，取樣孔內平均速度可通過取樣器氣流面積、取樣耙上開孔的面積總和與取樣器的平均速度的比例關系進行換算。

圖1 取樣耙典型結構

取樣耙必須放置在離被試機組152 ～305mm，在最小化對機組損壞的同時，確保取樣耙測量到被試機的進風溫度而不是被試機周圍的溫度。同時，取樣耙的結構必須至少覆蓋冷凝器空氣入口高度方向的80%和寬度方向的60%(對于水平方向較長的盤管)，或者覆蓋冷凝器空氣入口寬度方向的80%和高度方向的60%(對于垂直方向較高的盤管)，如取樣耙較大且超出冷凝器空氣入口名義迎風面積，則堵住超出冷凝器空氣入口迎風面積的所有空氣取樣孔。當冷凝器迎風面積較大，單個取樣耙無法覆蓋時，可設置多個取樣耙，此時，依據取樣耙的結構尺寸，將冷凝器空氣入口名義迎風面積劃分為多個面積相同的矩形面，每個矩形面的高度和寬度的比值不得超過2：1(盡可能與取樣耙結構相似)，每個矩形面積必須在其幾何中心布置一個取樣耙。當被試機有多個冷凝器進風面時，為了確保所測溫度場的一致性，建議布置相應數量的取樣器，取樣器上連接數量不等的取樣耙以實現對冷凝器迎風面積的覆蓋，對于底部有進風的被試機，其底部必須布置獨立的取樣器和取樣耙。另外，為了校核取樣耙周圍環境的溫度場，通常在每個取樣耙上布置有一個熱電偶堆，每個熱電偶堆至少包括16 個熱電偶，16 個熱電偶均布在取樣耙上，熱電偶堆的平均溫度值必須控制在對應取樣器平均干球溫度值的±0.83℃范圍內。

1.2 試驗室溫度場要求

試驗室必須設計有足夠的空間以保證被試機運行后房間內空氣的流通和均勻的空氣溫度場分布，為了保證測試房間內足夠的空氣流通，可以使用混合風扇，如果使用混合風扇，風扇必須水平，且遠離冷凝器空氣吸入口，通常將混合風扇排氣方向與冷凝器空氣入口設定一個90°～270°的角度，以避免混合風扇排氣對冷凝器吸入空氣的影響，試驗室工況設備的氣流設定也要避免冷凝器排風再循環影響冷凝器進風，為了核查冷凝器排出空氣流進冷凝盤管再循環，可使用下面的方法：在被試機組空氣排出周圍安裝多個獨立的可讀熱電偶(至少每個取樣耙正上方空氣排出周圍對應布置一個)，可讀熱電偶通常置于冷凝排氣風扇所在平面之下且位于冷凝盤管頂部的位置，獨立熱電偶每次測量的溫度值必須控制在對應取樣器平均干球溫度值的±2.8℃范圍內。

2 水側測量描述

2.1 測試設備要求

風冷冷水機組冷凝器側的換熱方式與水冷式冷水機組冷凝側不同，風冷式冷水機組其冷凝器側換熱量無法進行測量，不能對蒸發器側換熱量進行校核，因此AHRI 要求對風冷式冷水機組測試時采用并行冗余測試方法(見標準551/591(SI)-2018 在附錄C 中C4.5 節)，即一套設備用于測試，一套設備用于校驗。整機配置兩套電功率測量裝置(校核電功率測量裝置與測試電功率測量裝置的偏差必須控制在±2%范圍以內)，同時，在蒸發器換熱系統配置兩套測量系統，包括兩臺流量計(校核流量計與測試流量計的偏差必須控制在±2%范圍以內)、兩根進水溫度傳感器(校核傳感器與測試傳感器的偏差必須控制在±0.11℃范圍以內)、兩根出水溫度傳感器(校核傳感器與測試傳感器的偏差必須控制在±0.11℃范圍以內)，流量計可選用質量流量計也可選用體積流量計，當選用體積流量計時，為計算蒸發器側換熱量，需要將體積流量換算為質量流量，此時，需要知道流經流量計水的密度，因此，在體積流量計上游或下游需要布置一個溫傳感器以測量水溫，用于計算水的密度。對于測量水側壓力損失的裝置僅需提供一套即可。

2.2 水壓降測試分析

冷水機組水側壓力損失是冷水機組的一個重要參數，它是由制造商提供給空調系統設計人員作為空調系統水阻力計算的重要依據，因此，AHRI 認證將其列為必測項目之一。標準551/591 (SI)-2018 在附示G 中規定冷水機組的水壓降通過外部上下游管道的靜壓來決定，并給出了靜壓孔測試點的位置，如表1 所示，靜壓孔通常布置于連接機組進出水管道的剛性直管段上，并等圓周角均布在統一截面上，靜壓孔數量至少3 個，圖2 給出了標準551/591 (SI)-2018 中3 種典型靜壓孔布置圖，圖中Pring表示靜壓。需要注意在標準551/591 (SI)-2018 中并沒有對靜壓孔的尺寸進行規范，通常參考GB/T 18430.1-2007《蒸氣壓縮循環冷水(熱泵)機組 第1 部分：工業或商業用及類似用途的冷水(熱泵)機組》附錄B 中B2.1.3 的要求，即靜壓孔直徑取2 ～6mm，與管內壁垂直，內表面應光滑，孔內緣應無毛刺，長度為孔徑的兩倍以上。

表1 靜壓孔測點位置

圖2 靜壓孔連接方式

對于結構尺寸較小的冷水機組，其外接管道與機組的連接容易實現無變徑、無彎頭連接，同時滿足表1 的要求，但對于結構尺寸較大的冷水機組，因場地空間、材料等因素的限制，機組與直管段的連接通常要借助變徑、彎頭等輔件，由此會導致附加的壓力損失，因此，要對水側壓降的測試結果進行修正，修正計算公式如下：

式(1)中：f 為直管段摩擦阻力系數(無量綱)，Re 為管道內流體的雷諾數( 無量綱)，ε 為絕對粗糙度(m)，d 為連接管道的內徑(m)；式(2)中：hL為直管段的水阻力(kPa)，L 為機組到靜壓取樣孔的長度(m)，V 為管道彎頭、收縮管段、擴張管段入口的平均流速(m/s)，g 為重力加速度9.80665m/s2；式(3) 中：hm為變徑管和彎頭局部阻力(kPa)，K 為彎頭、收縮管段、擴張管段的局部阻力系數(無量綱)；式(4) 中：Δpadj為水側壓力降修正值(kPa)，ρ為水的密度(kg/m3)。實測水壓降減去由式(4)計算得到的修正值即為認證要求的水側壓降值。為了減小水側壓力降修正值，通常選用內壁光滑的鋼管或塑料管道作為連接管。

2.3 水側性能測試分析

AHRI 標準551/591 (SI)-2018 在附錄C 中給出了風冷冷水機組的蒸發器側性能測試方法，并規定蒸發器側的凈制冷量由進出水的溫度、密度、流量以及水的平均比熱容確定，其試驗方法與GB/T 10870.1-2014 中液體載冷劑法相似，計算公式如下：

式中：te和tl分別為蒸發器側進出水溫度(℃)；Qc 為機組的制冷量(kW)；△p 為環境空氣傳入使用側換熱器水側的熱量修正項，廠家一般均對使用側換熱器進行了保溫隔熱處理，因此，熱量修正項△p 一般可以將其忽略；C 為水的平均比熱容(kJ/(kg·℃))；ρ 為水的密度(kg/m3)；mv為水的質量流量(kg/h)。式(5)中水的平均比熱容和密度通常將其視為常數，因此，理論上使用側水流量和進出水溫差一旦確定，機組的換熱量即可得到。目前，擬申請AHRI 認證的企業可以選擇550/590 (I-P)-2018 或551/591 (SI)-2018 對其冷水機組性能進行認證，認證的核心內容主要包括兩個工況：一個是標準額定工況；一個是應用額定工況。

（1）標準額定工況。AHRI 標準551/591 (SI)-2018 在5.2節和5.4節中給出了風冷冷水機組的標準額定測試工況，該工況包括100%負荷工況和部分負荷測試工況，100%負荷工況需要測試機組的制冷量、效率和水阻力，部分負荷工況需測試機組的IPLV 或NPLV，工況整理如表2 所示。

表2 中明確了100%負荷測試工況蒸發器側按進水和出水溫度來進行測試(進出水溫差保持5.00℃)，風冷冷凝器側進風干球溫度保持35℃；對于部分負荷工況：蒸發器側按出水溫度和100%負荷測試時確定的流量來進行測試，風冷冷凝器側進風干球溫度保持AHRI 標準551/591 (SI)-2018中表3 的規定值。對于不能在標準部分負荷點(除100%、75%、50%和25%之外的其他部分負荷點)運行的冷水機組，蒸發器側出水溫度仍然為7.00℃，風冷冷凝器側進風干球溫度按式(6)進行計算：

表2 標準額定工況

式中EDB 表示冷凝器進風干球溫度值。目前，AHRI 冷水機組性能測試均需考慮水側污垢修正溫差，標準551/591(SI)-2018 在附錄C 中規定：為了模擬污垢對機組性能的影響，蒸發器側污垢系數的修正溫差須從蒸發器出水溫度中減去，風冷冷水機組為風冷冷凝器側，因此，冷凝器側不涉及污垢修正。蒸發器側水側污垢系數的修正溫差計算方法與GB/T 18430.1-2007 中相同。但值得注意的是：在進行污垢修正計算前，還需要知道各負荷點蒸發器進水溫度，標準551/591 (SI)-2018 中給出了各負荷點蒸發器側出水溫度，同時還給出了100%負荷點蒸發器側進水溫度，但并沒有給出其它部分負荷點蒸發器側進水溫度。因此，在進行污垢修正前需要換算出其他部分負荷點的進水溫度。由式(5)可以推導出蒸發器側進水溫度te的表達式：

式中：Qc為100%負荷時的制冷量，kW；(Qc×C1)為使用側水流量，m3/h；C1為流量系數，m3/(h·kW)；Qp(=(25%～100%)Qc)為各負荷點制冷量，kW。

由于部分負荷工況流量與100%負荷時流量一致，因此，流量系數C1可根據100%負荷時進出蒸發器的水溫來進行計算，將表2 中te=12.00℃，tl=7.00℃代入式(7)得：

由式（8）可知，蒸發器側流量系數為常數。蒸發器側流量系數一旦確定，由式（7）即可獲得相應的進水溫度，根據機組的相關技術參數即可求得模擬水側污垢系數修正后的水側修正溫差值。

（2）應用額定工況。AHRI 標準551/591 (SI)-2018 在5.3 中給出了風冷冷水機組滿負荷和部分負荷應用額定測試工況，如表3 所示。由表3 可知，應用額定工況蒸發器側按進出水溫差進行測試，且測試工況范圍較大，目前，風冷冷水機組AHRI 認證測試時，為方便企業測試，AHRI 均指定采用應用額定工況的100%負荷作為認證測試點。

表3 應用額定工況

應用額定工況測試需要注意以下兩點：（1）應用額定制冷量與標準額定制冷量是不同的概念，其對應的部分負荷制冷量也不一樣。（2）應用額定工況也可能涉及水側污垢修正，其計算方法與標準額定工況污垢修正計算方法相似，蒸發器側進出水溫度已經給定，蒸發器側水污垢修正可直接按標準551/591 (SI)-2018 附錄C 的方法計算即可。

需要注意的是，經污垢修正后測試得到的機組制冷量必須滿足：（1）對于連續卸載機組的制冷量，其100%負荷(包括標準額定工況和應用額定工況)的實測制冷量必須在名義滿負荷制冷量的±5.16%以內，對于不能連續卸載機組的制冷量，其100%負荷的實測制冷量必須大于等于名義滿負荷制冷量的94.84%。（2）其他部分負荷點的實測制冷量必須在名義滿負荷制冷量的±2%以內，并非部分負荷點目標制冷量的±2%以內，其它性能參數要求可參見標準551/591(SI)-2018 中表11 的要求。

3 性能參數的大氣壓修正

考慮到冷凝風機的運行特性會受大氣壓力的影響，因此，為了確保同一產品性能測試參數的一致性，標準551/591(SI)-2018 中規定采用修正因子CFQ和CFη將風冷冷水機組的實測性能參數修正至標準大氣壓下(101.325kPa)，標準551/591 (SI)-2018 中僅給出了標準額定工況點性能參數的大氣壓修正，應用額定工況點性能參數可采用相同的方法進行修正。制冷量修正系數DQ和性能系數修正系數Dη以實測大氣壓的二階多項式經驗公式表述如下：

式(9) 中AQ=2.3713E - 05kPa，BQ= - 5.9860E -03kPa，CQ=1.36304E+00kPa； 式(10) 中Aη=5.1135E -05kPa，Bη= - 1.3064E - 02kPa，Cη=1.79872E+00kPa。制冷量修正因子CFQ和性能系數修正因子CFη分別采用式(11)和式(12)進行描述。

式(11) 和(12) 中：Qev100%和ηtest,100%分 別 為 機 組 在100%負荷點的實測制冷量和性能系數，Qev%Load為機組在任意部分負荷點的實測制冷量。將式(11)和(12)計算得到的修正因子(CFQ和CFη)分別乘以實測制冷量和性能系數即可得到標準大氣壓下的制冷量和性能系數，修正計算公式如下：

式(13) 和(14) 中：Qcorrected,standard和ηcorrected,standard分別表示標準大氣壓下的制冷量和性能系數，Qtest和ηtest分別表示實際大氣壓下的制冷量和性能系數。

4 運行工況的穩態描述

風冷冷水機組的測試必須保持在標準551/591 (SI)-2018 中表12 規定的允差和穩態要求范圍內進行，穩態運行狀態至少要保持15min，且涉及標準偏差的測量參數和測試結果都要滿足標準551/591 (SI)-2018 中第5.6 條規定的允差條件和穩態要求，如果不在允差條件和測試范圍內，則認為工況是不穩定的，測試繼續到在允差限和測試范圍內為止。為了最小化瞬態條件的影響，所有測試都要盡可能同時進行(如流量、溫度、功率等)，整個測試過程中的時間采樣數據需要使用軟件或其他記錄方法保存，在同一時間間隔內，每個參數至少記錄30 個數據點，采樣數據之間盡量不要有間隔，如有間隔，則數據采樣的平均間隔不允許超過整個測試時間的1/60。風冷冷水機組的測量值包括溫度(包括水溫和環溫)、流量、壓差、功率、電壓、電流、頻率、功率因素和大氣壓，計算每個值的平均值和標準偏差，且結果必須滿足標準551/591 (SI)-2018 中表12 規定要求，測試結果包括凈制冷量、能效和水壓降，使用測量值的平均值計算測試結果，制冷量可以采用每個測點計算以方便試驗臺控制，但制冷量的最終結果需要用所有測量結果的平均值計算。

5 結語

詳細解讀了AHRI 風冷冷水機組空氣側和水側在測試過程中的注意事項，同時對風冷冷水機組在標準額定工況和應用額定工況時的性能測試方法進行了詳細解析，并推導了水側污垢修正時用于計算部分負荷點蒸發器側進水溫度的計算公式和相應的流量系數計算公式。