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(jié)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(huán)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(huán)境溫度穩(wěn)定10 min后（室內環(huán)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(huán)境溫度穩(wěn)定10 min后再關閉輔助電加熱，關閉輔助電加熱后待環(huán)境溫度穩(wěn)定10 min后，再開啟輔助電加熱，待環(huán)境溫度穩(wěn)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(huán)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(wěn)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(guī)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(shù)據(jù)分析

2.1 輔助電加熱工作模式室內溫度變化規(guī)律實驗驗證

由式(4)可知，在室內空調制熱達到穩(wěn)定時開啟輔助電加熱，室內溫度應呈指數(shù)上升的規(guī)律。在實驗條件為室內環(huán)境溫度0 ℃、室外環(huán)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(shù)變化的規(guī)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(huán)境溫度0 ℃、室外環(huán)境溫度0 ℃、風量為高風檔和室內環(huán)境溫度 0 ℃、室外環(huán)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(jīng)過室內機銅管加熱一次，然后再經(jīng)過輔助電加熱加熱一次，經(jīng)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(huán)境溫度 0 ℃、室外環(huán)境溫度 0 ℃、風量為高風檔和室內環(huán)境溫度 0 ℃、室外環(huán)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(shù)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(huán)境溫度0 ℃、室外環(huán)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(shù)增大，在空調能力不變的情況下，換熱系數(shù)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(huán)境溫度對室內環(huán)境溫度溫升效果影響

室外環(huán)境溫度對室內環(huán)境溫度溫升有一定影響，室內環(huán)境溫度 0 ℃、室外環(huán)境溫度 0 ℃、風量為高風檔和室內環(huán)境溫度0 ℃、室外環(huán)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(huán)境溫度為0 ℃時的室內環(huán)境溫度曲線斜率要大于室外環(huán)境溫度為-7 ℃的斜率，說明室外環(huán)境溫度為 0 ℃時的室內環(huán)境溫升速率要高于室外環(huán)境溫度為-7 ℃的溫升速率，由圖 9可得，室外環(huán)境溫度為 0 ℃時的溫升速率為0.59 ℃/min，室外環(huán)境溫度-7 ℃時的溫升速率為0.42 ℃/min。

分析認為，一方面，室外環(huán)境溫度越低，在壓縮機功耗相同的情況下，空調向室內環(huán)境的制熱量就越少，導致室內環(huán)境溫度上升速率減慢；另一方面，室外環(huán)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(huán)境溫度上升速率隨室外環(huán)境溫度降低而降低。

圖9 室外環(huán)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(wěn)定時開啟輔助電加熱，理論上室內溫度呈指數(shù)上升的規(guī)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(huán)境溫度上升速率隨室外環(huán)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(shù)，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(huán)境溫度，℃；

t ——開啟輔助電加熱時間，s。

[1] 程磊, 田琦. 太陽能-電輔熱供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)化[J].建筑熱能通風空調, 2011, 30(5): 57-59.

[2] 佚名. 2011年 8月中國空調市場分析[J]. 家用電器,2011(10): 106-112.

[3] 潘向鋒. 電輔加熱除霜在空氣源熱泵機組中的應用[J].內蒙古石油化工, 2011, 37(6): 23-24.

[4] 童蕾, 皇甫美珠. 熱泵型房間空調器輔助電加熱保護系統(tǒng)改進設計[J]. 輕工機械, 2010, 28(1): 91-93.

[5] 劉偉. 空調輔助電加熱器設計淺析[J]. 日用電器,2012(1): 41-42, 40.

[6] 黎恢山, 李國鋒. 風冷熱泵冷(熱)水空調系統(tǒng)中的電輔裝置設計技術[J]. 制冷學報, 2006, 27(1): 42-44.