基于不同原理的焓差試驗室標定用標準機方案可行性研究

李斌誠 李燕龍 何冠成 陳松龍

（1.威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663；2.廣東美的暖通設(shè)備有限公司 佛山 528311）

引言

隨著中國暖通空調(diào)行業(yè)的發(fā)展，房間空調(diào)器的制冷量測試結(jié)果在不同焓差室間不一致的問題逐漸凸顯，同時這也是國內(nèi)抽查以及國際貿(mào)易中容易引發(fā)關(guān)鍵問題的重要技術(shù)指標。同時，隨著近些年“一帶一路”戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進，中國房間空調(diào)器企業(yè)逐步打開國門發(fā)展廣闊的海外市場。據(jù)國家統(tǒng)計局前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計，2021年1～12月中國空調(diào)出口量突破5 000 萬臺，累計出口金額達到了80.83 億美元，累計增長17.7 %。這也使得行業(yè)對于制冷量測試得的準確性和一致性提出了更高的要求。另一方面，今年來節(jié)能減排的問題在全球范圍內(nèi)倍受關(guān)注，能效制度作為諸多國家房間空調(diào)器產(chǎn)品的市場準入制度，嚴格規(guī)定了房間空調(diào)器的能效等級和能源效率的最小市場準入值。GB 21455-2019《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》[2]已于2019年12月31日發(fā)布，新標準的實施將會大力推動空調(diào)行業(yè)整體能效水平的升級，各能效等級要求相比上一個版本進行了全面整體地提高，因此能源效率制度的實施對制冷量測量的測試也提出了更高的準確度要求。本文以介紹不同原理或技術(shù)路線的焓差試驗室標定用標準機方案，以準確度和一致性作為前提，對不同方案的不確定度進行對比分析，為行業(yè)研究更先進的標準機提出一些新的思路。目前，制冷行業(yè)內(nèi)用于焓差試驗室標定的標準機通常有兩種，一是經(jīng)過改造后的窗機空調(diào)器，通常為提高穩(wěn)定性，會增加特定的條件，如：固化的傳感器，固定出風口扇葉角度、安裝條件等；二是能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)可控可自測的標準機方案，利用空調(diào)原理實現(xiàn)分解型的組合式標準機。本文主要針對第二種使用不同原理和技術(shù)方案的標準機進行可行性研究。

1 標準機方案分析的基本準則

實現(xiàn)制冷量輸出非常準確的標準機，首先需要實現(xiàn)的是制冷量測量方法的不確定度能達到1 %以內(nèi)，即可以在1 %的置信度內(nèi)測得標準機輸出的制冷量。若達不到1 %不確定度的制冷量測量方案，即使標準機的控制手段再先進，控制精度再高，也無法確保我們控制的制冷量是否在設(shè)定值的1 %以內(nèi)。因此，我們選擇標準機自測制冷量的不確定度作為最基本的準則，對比分析各個不同方案的標準機制冷量測量不確定度。不確定度的評定，統(tǒng)一采用以下基本的評定方法。

根據(jù)標準JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》[1]中相關(guān)規(guī)定，不確定度的評定包括A 類不確定度和B 類不確定度 。

對于本文探討的制冷量來說，A 類不確定由實驗測量的隨機誤差引入，評定流程參考圖1所示。

圖1 A 類不確定度評定流程

而B 類不確定度是各直接測量量的測試儀器誤差所帶來的系統(tǒng)誤差。其計算方法根據(jù)不同的測量量實際情況會有所不同，評定流程參考圖2所示。

圖2 B 類不確定度評定流程

對于本文探討的制冷量估計值來說，通常各個輸入量間均不相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為零。故被測量估計值y 的合成標準不確定度uc(y)按式（1）計算：

式中：

uc(y)—被測量估計值的合成標準不確定度；

u(xi)—輸入量xi的標準不確定度；

y—被測量估計值；

xi—第i 個輸入量的估計值。

考慮到不確定度要包含被測量可能值的置信區(qū)間半寬度，合成擴展不確定度計算按式（2）：

式中：

U—合成擴展不確定度；

k—包含因子k（通常取2）。

最終制冷量的測量結(jié)果可用式（3）表示：

2 各技術(shù)方案的不確定度對比分析

由于不確定度分析中的A 類不確定度及B 類不確定度中靈敏系數(shù)的計算是需要代入實際測量數(shù)據(jù)計算的，采用估算方法會帶來較大計算誤差。因此，各方案的不確定度對比分資料范圍盡量寬泛，保證調(diào)研結(jié)果的可信度。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果分析，得到各方案的標準機測量制冷量時，估算的不確定度如下：

空氣焓值法中，由于制冷量不確定度對進出風口的濕球溫度敏感性高，遠高于其他各直接測量物理量，而該法中無法避免濕球溫度的測量，因此最終的制冷量測量結(jié)果存在較大不確定度，約2.7 %。

水焓值法中，避開了濕度的測量，而且水流量相較于空氣流量更易準確測量，所以能實現(xiàn)一個比較低的制冷量測量不確定度，約0.9 %。

液體流量計法，由于制冷劑側(cè)的流量測量很容易受到含油量（潤滑油）的影響，流量測量精度度，所以制冷劑液體流量計法也無法達到很低的測量不確定度，約2.2 %。

冰漿法，制冷量計算公式簡單，涉及參數(shù)少，存在實現(xiàn)較低測量不確定的可能。詳見表1。

表1 各技術(shù)方案的不確定度調(diào)研分析結(jié)果

表1 各技術(shù)方案的不確定度調(diào)研分析結(jié)果（續(xù)）

綜上所述，根據(jù)各方案不確定度分析的調(diào)研結(jié)果，選取目前國內(nèi)外都比較少見的冰漿法方案進行詳細分析，包含實現(xiàn)的原理及不確定度分析。

3 冰漿法實現(xiàn)標準機的技術(shù)方案分析

冰漿法實現(xiàn)標準機的技術(shù)方案，具有直接測試量少的特點，具有非常高精確度的潛力。如圖3所示，是本方案設(shè)計的冰漿法標準機結(jié)構(gòu)示意圖。標準機主要由制冰循環(huán)部分和冰漿循環(huán)部分兩部分組成。其中，制冰循環(huán)部分包括壓縮機，冷凝器，節(jié)流閥，制冰器等部件，其主要功能是將冰漿循環(huán)部分的回水降溫至冰點以下，在制冰器上結(jié)成冰晶，冰晶在水的流動中脫落至冰水混合腔中。冰漿循環(huán)部分主要包括冰水混合腔，水泵，低溫水箱以及冰水換熱器和音叉密度計，其中低溫水箱為冰水混合腔補充低溫水。冰水混合腔內(nèi)結(jié)晶冰和冷水在攪拌器的作用下充分混合，產(chǎn)生混合均勻的冰漿。冰漿由水泵送至冰水換熱器中輸出冷量。

圖3 冰漿制冷源裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點在于制冰器中要安裝噴淋器，使回水以噴淋的方式進入制冰器中，保證所得冰晶皆為碎冰。碎冰在冰水混合腔中要和水充分混合，制成冰漿狀態(tài)。冰漿具有很好的換熱性能和流動性能，在管路和換熱器中具有良好的換熱性能。并且，要保證冰水換熱器的進出口工質(zhì)都為冰漿態(tài)，換熱量不宜過大，否則冰漿中的水會吸收顯熱，影響制冷量的測算。

冰漿法輸出的制冷量為：

式中：

r—0 ℃和1.01×10 Pa 大氣壓強下冰的相變潛熱，334.3 kJ/kg；

冰漿中冰的質(zhì)量不容易直接測量，所以，該方案擬在換熱器進出口各布置一個音叉密度計，直接對冰漿的密度進行測量，再通過密度換算出冰漿中冰和水的比例，結(jié)合體積流量計即可按下式計算出：

式中：

ρ1—換熱器進口冰漿的密度，g/cm3；

ρ2—換熱器出口冰漿的密度，g/cm3；

從而得出冰漿法輸出的制冷量的直接計算公式為：

式中：

Q—冰漿法輸出的制冷量。

由公式可知，冰漿冷源裝置的輸出制冷量Q 只與ρ1，ρ2，三個直接測量量相關(guān)。測量參數(shù)很少，參考上述的不確定度評定方法，當三個參數(shù)的測量及控制精度都比較高時，制冷量的測量不確定度有可能達到比較低的水平，所以，該方案具有高精度的應(yīng)用潛力。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文以標準機自測制冷量的不確定度作為最基本的分析準則，對各個不同方案的標準機制冷量測量不確定度進行調(diào)研及分析研究。同時，提出目前行業(yè)內(nèi)在國內(nèi)外均未實現(xiàn)的冰漿法技術(shù)方案的實現(xiàn)思路，推動行業(yè)內(nèi)使用標準機對焓差試驗室進行比對分析的準確度和結(jié)果有效性。