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)器的性能檢測目前有兩種方法:房間型量熱計法和空氣焓值法。房間型量熱計法包括標(biāo)定型和平衡環(huán)境型兩種形式［1］。目前，國內(nèi)主要采用空氣焓值法實驗室對家用空調(diào)器進行性能測試，用于家用空調(diào)器的產(chǎn)品開發(fā)和出廠檢測。房間型量熱計法檢測家用空調(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］。這種測試方法適用于生產(chǎn)廠家產(chǎn)品開發(fā)的最終檢測、焓差實驗室的精度校正和產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測部門的抽查認證，同時對于出口歐美的空調(diào)器來說，房間型量熱計實驗室是必備的檢測設(shè)備［4］。

在平衡環(huán)境型房間量熱計測試中，凝結(jié)水量測量的精度是影響被測空調(diào)器性能的一個重要因素。而現(xiàn)在量熱計研制過程中，多側(cè)重平衡環(huán)境型房間量熱計的功能及自動程度。如國內(nèi)第一個房間空調(diào)器的標(biāo)定型房間量熱計實驗臺，它可對9種制冷設(shè)備進行性能的測試［5］;合肥江淮航空儀表廠航空部空調(diào)器檢測中心在國外全套引進的基礎(chǔ)上，建成的平衡環(huán)境型房間量熱計實驗室;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。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4臺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，量熱計法室內(nèi)側(cè)制冷量計算公式未計入空氣處理柜除濕量。為測量空氣處理柜及被測空調(diào)器除濕量從而提高測試精度，在這里提出了一種設(shè)計方法，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。

1 實驗測試原理

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

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

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

室外側(cè)被測空調(diào)器總制冷量公式如下:

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

由公式(1)、(2)知，被測空調(diào)器性能檢測過程中，為求出被測機的制冷量(制冷工況)、制熱量(熱泵工況)及除濕量，需要對測試室凝結(jié)水進行測量。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算:

式中:Q為制冷量，W;hi為空氣進風(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，并在除濕工況下運行，空調(diào)器的除濕量最大，此時除濕量約為5.4 kg/h。特別是在被測空調(diào)制冷量較小的工況時，使用常規(guī)流量計將很難測量或帶來的誤差非常大。由于沒有動力提供給凝結(jié)水，若使用超聲波或節(jié)流管式小流量測量儀，將會使測量裝置復(fù)雜。針對Durst F等［10］提出使用一定時間里測量質(zhì)量的方法，這里采用在固定時間里對流體稱重的方法測量加濕及凝結(jié)水的流量。即:

對于管路中無旋、密度恒定的流體可以采用流量計測量，而凝結(jié)水用稱重法測量?？紤]到加濕水量和凝結(jié)水量這種小流量的微小變化就會造成較大的誤差，故用對時間積分來消除瞬時流量(qm′)變化帶來的誤差，理想狀態(tài)時式 qm=(∫qm′dt)/(t2－t1)中 t2→+∞，t1=0，所得qm為精確值。t1是測試開始時間;t2測試結(jié)束時間。為保證測量的準(zhǔn)確性，通常選擇在系統(tǒng)穩(wěn)定后，從開始測量時記錄加濕水量和凝結(jié)水量直到測試結(jié)束。

2 凝結(jié)水量的測量設(shè)計

房間量熱計的加濕水來自通過蒸餾水機制取的蒸餾水，經(jīng)水泵供至放置在量熱計測試室頂部的高位加濕蒸餾水箱。蒸餾水經(jīng)進水電磁閥分別進入室內(nèi)側(cè)測試室和室外側(cè)測試室加濕器進水箱，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)測試室和室外側(cè)測試室，進而完成空氣的加濕。

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

2.1 大制冷量時凝結(jié)水量測量

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

將加濕器進水箱置于高精度電子秤上，實時記錄水箱質(zhì)量并通過數(shù)據(jù)采集儀送入計算機分析模塊，求得數(shù)據(jù)對時間的積分。圖2中實線部分是被測空調(diào)器額定制冷運轉(zhuǎn)凝結(jié)水測量系統(tǒng)示意圖。

室外側(cè)測試室按式(2)進行測試，但此時被測室外機處于制熱狀態(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)測試室除濕量計算與制冷模式相似。

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

2.2 小制冷能力時凝結(jié)水量測量

當(dāng)被測空調(diào)器制冷能力較小，制冷量低于室內(nèi)側(cè)測試室輸入功率時。對被測空調(diào)器進行測試，僅靠被測機制冷量無法平衡輸入能量，室內(nèi)側(cè)測試室工況無法控制;這時循環(huán)空氣處理柜表冷器就要通冷水，進而承擔(dān)室內(nèi)側(cè)內(nèi)室冷負荷和濕負荷。此時加濕器進水分為兩部分，一部分為空氣處理柜中表冷器除濕量，另一部分為被測空調(diào)器除濕量。這樣一臺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)確測量被測空調(diào)器的除濕量，需另加一臺高精度電子秤測量空調(diào)器的凝結(jié)水量變化。設(shè)計如圖2，此時增加虛線部分的電子秤和凝結(jié)水箱。

這樣式(1)ΣP項中規(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)水在離開量熱計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 測試數(shù)據(jù)結(jié)果分析

在以上兩種凝結(jié)水量測量方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)測試設(shè)計原理，將平衡環(huán)境型房間量熱計搭建于上海出入境檢驗檢疫局實驗室如圖1。為分析式(1)和(7)與被測空調(diào)器實際制冷能力的符合程度，現(xiàn)對5臺低額定制冷量空調(diào)器分別進行測試?？照{(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)定工況下測試一組數(shù)據(jù)。在不改變5臺空調(diào)器的制冷量的情況下，增大測試內(nèi)室的輸入功率，以此改變空氣處理柜的制冷或制熱工況，再次測得一組數(shù)據(jù)。

表1測試數(shù)據(jù)Tab．1 Test data

3.1 對中小額定制冷量空調(diào)器進行測試

依據(jù)家用空調(diào)器測試標(biāo)準(zhǔn)要求，選取平衡環(huán)境型房間量熱計的檢測工況點。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)運行穩(wěn)定后測得數(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)器主要測試參數(shù)。

按式(1)和(2)計算出以上兩種制冷量空調(diào)器內(nèi)、外室測量偏差分別為0.81%、1.02%?？紤]到中小冷量測試過程中，空氣處理柜有除濕存在，此時按照式(7)和(2)計算的內(nèi)、外室測量偏差分別為0.81%、0.76%。并按計入處理柜中凝結(jié)水和未計入凝結(jié)水條件計算出其余三臺不同制冷量空調(diào)器測內(nèi)、外室測量偏差，其對比結(jié)果如圖3所示。

圖3制冷量測量偏差Fig．3 The error of cooling capacity measurement

3.2 大輸入功率工況測試

為進一步驗證表冷器中凝結(jié)水對測試結(jié)果的影響，將室內(nèi)輸入功率增大1000W后繼續(xù)對5臺空調(diào)器測試。測試方法與表1所述相同，計算分析測試結(jié)果，并將是否計入表冷器凝結(jié)水的內(nèi)、外室測量偏差進行對比，結(jié)果如圖4。

圖4制冷量測量偏差Fig．4 The error of cooling capacity measurement

4 結(jié)論

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

實驗證明，采用稱重法測量小流量的加濕水和凝結(jié)水，能夠非常好的解決量熱計測量小冷量空調(diào)器時的精確度問題。與此同時，可將式(1)改為式(7)，測量時計入空氣處理柜表冷器的除濕量，可減小量熱計室內(nèi)、外測量偏差。

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