陳嘉澍，卓獻榮，伍江，黃偉毅

冰箱性能測試室冷熱聯(lián)供內(nèi)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)研究

陳嘉澍1，卓獻榮2，伍江3，黃偉毅4

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機電學(xué)院，廣東廣州510225；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院城市建設(shè)學(xué)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(diào)有限公司，廣東佛山528000）

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

性能測試；內(nèi)環(huán)境；冷熱水聯(lián)供；溫濕度調(diào)控

0 引言

自新世紀以來，隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展進程，我國已成為制冷空調(diào)制造大國，國內(nèi)外長期持續(xù)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(chǎn)企業(yè)，為生存及發(fā)展均非常注重市場競爭導(dǎo)向，不斷快速更新品種、規(guī)格，想方設(shè)法提高產(chǎn)品安全性、可靠性、節(jié)能性，為了實現(xiàn)這種目標，在新產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控等過程中，型式測試室成為該類企業(yè)用于產(chǎn)品性能監(jiān)控的重要設(shè)備[1]。

多年來，由于這種型式測試室建設(shè)費用昂貴，許多中小型企業(yè)發(fā)展初期，通常委托專門機構(gòu)進行型式測試，但往往由于專門機構(gòu)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(chǎn)品匹配性能的優(yōu)化速度受到局限，產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控不易到位，不利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高和商品的市場適應(yīng)性。針對這種狀況，許多企業(yè)都迫切需要在制造廠內(nèi)建設(shè)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(nèi)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)及多參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩大系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集小型制冷裝置中的各種溫度變化狀況及對應(yīng)的電工參數(shù)變化狀況，其系統(tǒng)集成逐漸呈標準化、通用化發(fā)展。內(nèi)環(huán)境調(diào)控參數(shù)主要為溫度、濕度及風速，由于內(nèi)環(huán)境調(diào)控涉及外環(huán)境條件（包括氣候類型、季節(jié)變化）、測試室結(jié)構(gòu)（包括制造企業(yè)的場地條件、維護結(jié)構(gòu)布局等）以及實施調(diào)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(shè)計[4～9]。

傳統(tǒng)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(nèi)環(huán)境調(diào)控中，溫度的精確調(diào)控最為關(guān)鍵，傳統(tǒng)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(guān)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(guān)控制電加熱來平衡“熱過沖”。這種方法雖然成熟可靠，但系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，電加熱、蒸汽發(fā)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(huán)境的啟動及冷量損失也較大。另外，在亞熱帶地區(qū)，這類型式測試室實際的極限冷熱負荷其實不大，傳統(tǒng)系統(tǒng)中均配置了功率大幾倍的制冷系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)的更節(jié)能，更便捷，更具適合企業(yè)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(nèi)環(huán)境溫度進行精確調(diào)節(jié)，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(zhì)量的同時，簡化系統(tǒng)構(gòu)成、節(jié)約運行電耗，從而降低投資及運行成本。

1 系統(tǒng)規(guī)劃及方案設(shè)計

1.1 目標參數(shù)要求及系統(tǒng)規(guī)劃

按相關(guān)國家標準[10]，本測試室可測試項目應(yīng)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(yīng)的相關(guān)電量參數(shù)（電壓、電流、功率、功率因數(shù)）。這些項目的測試都是以穩(wěn)定的測試環(huán)境條件為基礎(chǔ)，為適應(yīng)測試室內(nèi)環(huán)境條件要求，首先確定所有規(guī)定測點處的任意方向風速≤0.25 m/s，在此基礎(chǔ)上，明確測試室內(nèi)環(huán)境空氣狀態(tài)參數(shù)調(diào)控要求，其中，空氣的干球溫度范圍設(shè)為10～45℃，其對應(yīng)控制精度及波動范圍均設(shè)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(nèi)的溫度梯度：距地面2300mm高的范圍內(nèi)，其垂直方向的溫度梯度≤1.5K/m，其余≤2K/m?？諝獾南鄬穸日{(diào)節(jié)范圍設(shè)為45%～95%RH、精度為±3%。

圖1 雙室型式測試室布局

針對設(shè)計目標參數(shù)要求，把測試室內(nèi)環(huán)境空氣的溫濕度調(diào)控系統(tǒng)分為四個子系統(tǒng)，即：測試室圍護結(jié)構(gòu)、空氣集中處理及氣流組織、冷熱源系統(tǒng)、自控系統(tǒng)。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(tǒng)。

1.2 測試室圍護結(jié)構(gòu)

測試室圍護結(jié)構(gòu)目前多由保溫性能良好的高密度聚氨酯發(fā)泡保溫預(yù)制庫板拼裝成獨立于外界環(huán)境的六面體空間。該方案中，預(yù)制庫板保溫層厚度均為100mm，用中間隔墻庫板構(gòu)建成獨立、對稱的兩個測試室?guī)祗w，每一庫體內(nèi)空：長×寬×高=6×3.6×2.7（m）、庫門面對待測預(yù)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(jié)構(gòu)良好的保溫及氣密性性能，使得測試室內(nèi)環(huán)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(nèi)環(huán)境要求，在不同季節(jié)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(tǒng)

按測試室內(nèi)環(huán)境溫度可調(diào)節(jié)范圍10～45℃的要求，測試室最大冷負荷發(fā)生在最熱的夏季把溫度調(diào)控在下限溫度10℃時的冷負荷，測試室最大熱負荷是發(fā)生在最冷的冬季把溫度調(diào)控在上限溫度45℃時的熱負荷。

結(jié)合實例，按亞熱帶條件考慮，圍護結(jié)構(gòu)最大漏冷量：

式中K—圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m3·K）；

A—圍護結(jié)構(gòu)的表面積，m3；

Δtc—圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差。

開門漏冷量：

式中V—測試室內(nèi)容積；

n—開門次數(shù)；

Δhc—測試室內(nèi)空氣達到規(guī)定溫度時的比焓差，kJ/kg；

vac—空氣的比體積，m3/kg。

設(shè)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(yīng)地，對于加熱負荷，它包括：最大圍護結(jié)構(gòu)漏熱量：

開門漏熱量：

其它熱負荷Q4≈1.2kW，忽略設(shè)備熱負荷Q3，即最大加熱負荷：

2 調(diào)控系統(tǒng)開發(fā)

2.1 冷熱水聯(lián)供系統(tǒng)

根據(jù)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(xiàn)成的5匹分體空調(diào)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(tǒng)由冷熱水聯(lián)供機組、冷水循環(huán)泵、熱水循環(huán)泵、冷水貯存罐、熱水貯存罐、冷熱水循環(huán)管路及器件組成，如圖2所示。冷熱聯(lián)供機組的任務(wù)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?？紤]到冷熱聯(lián)供制冷系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)器。在冷、熱水貯存罐溫度未達到各自的目標設(shè)定溫度時，由板式冷凝器、板式蒸發(fā)器工作，而此時輔助冷凝風機及輔助蒸發(fā)器均不工作，當熱水溫度達到設(shè)定目標時，輔助冷凝器風機啟動，當冷水溫度達到設(shè)定溫度時關(guān)閉板式蒸發(fā)器電磁閥，同時開啟輔助蒸發(fā)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(shè)定溫度時機組才停止工作。當然，冷水循環(huán)、熱水循環(huán)系統(tǒng)需要設(shè)置水流控制開關(guān)，以保證水循環(huán)系統(tǒng)正常時才能啟動冷熱聯(lián)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(lián)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(wěn)定的冷熱源。

圖3 冷熱聯(lián)供機組制冷系統(tǒng)

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(tǒng)由空氣集中處理柜、庫頂（送、回）風道、庫內(nèi)網(wǎng)孔送風側(cè)墻、庫內(nèi)網(wǎng)孔回風匯集側(cè)墻組成密閉循環(huán)空氣流動處理系統(tǒng)。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?qū)諝膺M行處理，為此，空氣集中處理柜設(shè)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(tǒng)中的離心風機額定風量按50次/h換氣次數(shù)估算值（約2900m3/h），對應(yīng)余壓280± 30Pa，加熱器或冷卻器的設(shè)計換熱能力使對應(yīng)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(jīng)加熱器的熱水流量進行調(diào)節(jié)，實際冷卻量則由流經(jīng)冷卻器的冷凍水流量進行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)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(tài)。

由于庫內(nèi)長度方向的兩側(cè)設(shè)有網(wǎng)孔送風側(cè)墻和網(wǎng)孔回風側(cè)墻，測試室測試空間內(nèi)的氣流就可保證均勻，而穩(wěn)定的目標氣流流速可在匹配設(shè)計的基礎(chǔ)上加手動變頻器調(diào)試風機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。

圖4 型式測試室冷熱聯(lián)供機組

圖5 主電路

2.3 自控系統(tǒng)

自控系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)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(chǎn)品設(shè)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(shù)據(jù)采集儀、各工位電量參數(shù)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(nèi)環(huán)境調(diào)控參數(shù)為溫度、濕度及風速，風速調(diào)控由匹配好的循環(huán)風機定速運行，濕度調(diào)控由各室回風相對濕度與設(shè)定相對濕度對比，由PLC處理控制中間繼電器開關(guān)（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(shè)定值就啟動超聲波加濕器，否則就停止加濕。溫度參數(shù)的調(diào)控首先由各測試室實測的回風干球溫度值與設(shè)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(tài)調(diào)控冷水泵或熱水泵運轉(zhuǎn)頻率來動態(tài)調(diào)控降溫或升溫幅度，從而使回風溫度在容許誤差范圍內(nèi)達到目標設(shè)定值。在提高系統(tǒng)運行可靠性方面，對冷熱水聯(lián)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(fā)器冬季自動泄水的保護控制，即：當檢測到室外氣溫連續(xù)30min低于3℃時，板式蒸發(fā)器進出水電磁閥關(guān)閉，同時打開低位旁通泄水電磁閥）從而避免了板式蒸發(fā)器因結(jié)冰而受損的可能。

3 運行效果與分析

由于該系統(tǒng)本身具備了對各種溫濕度參數(shù)及變頻調(diào)節(jié)等參數(shù)的自動采集及數(shù)據(jù)貯存功能，因此較方便知道該系統(tǒng)的運行狀況。內(nèi)環(huán)境溫濕度參數(shù)調(diào)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(tǒng)運行效果，專門對該系統(tǒng)進行了“夏季高溫工況實現(xiàn)低溫高濕內(nèi)環(huán)境調(diào)控”與“冬季低溫工況實現(xiàn)高溫高濕的內(nèi)環(huán)境調(diào)控”的現(xiàn)場試驗。

在進行“夏季高溫工況實現(xiàn)低溫高濕內(nèi)環(huán)境調(diào)控性能”的現(xiàn)場試驗中，內(nèi)環(huán)境調(diào)控目標設(shè)定溫度為16℃、相對濕度85%，為了協(xié)同考核系統(tǒng)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(shè)定在強制開機狀態(tài)作為模擬實際測試情況，其結(jié)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(nèi)環(huán)境溫度從約27℃開始降溫，經(jīng)過70min后就穩(wěn)定在16±1℃范圍，對應(yīng)的冷水泵電機運行頻率平均值約為36Hz（設(shè)計下限頻率鉗制在20Hz），表明變頻調(diào)控降溫能力還有較大富裕量。內(nèi)環(huán)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(shè)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(tài)運行，從而使相對濕度能夠保持容許的偏差范圍內(nèi)波動。

在進行“冬季低溫工況實現(xiàn)高溫高濕的內(nèi)環(huán)境調(diào)控性能”的現(xiàn)場試驗中，內(nèi)環(huán)境調(diào)控目標設(shè)定溫度為43℃、相對濕度80%，為了協(xié)同考核系統(tǒng)的上限加熱升溫能力，專門進行了“空庫試驗”，其結(jié)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(nèi)環(huán)境溫度從約13℃開始升溫，經(jīng)過105min后才穩(wěn)定在43±1℃范圍，對應(yīng)的熱水泵電機運行頻率約在44Hz（設(shè)計下限頻率鉗制在20Hz），表明調(diào)控系統(tǒng)在還有一些富裕量情況下，還可保證內(nèi)環(huán)境溫度調(diào)控到43±1℃的設(shè)計目標要求。內(nèi)環(huán)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(jīng)過130min后相對濕度亦可在容許的范圍內(nèi)達到設(shè)定要求。

在華南地區(qū)，這兩種現(xiàn)場試驗結(jié)果可表明：首先，該冷熱水聯(lián)供系統(tǒng)所提供的冷熱源的能力匹配合理，能完全適應(yīng)該地區(qū)全年候的內(nèi)環(huán)境溫度參數(shù)的調(diào)控要求；其次，采用模糊調(diào)節(jié)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(nèi)環(huán)境溫度的調(diào)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(diào)控，不但簡單、可靠，其相對濕度的調(diào)控亦能滿足型式測試的要求。

該系統(tǒng)已運行3年多，除了系統(tǒng)的“水路、風路”需要適時進行清潔保養(yǎng)外，該系統(tǒng)一直穩(wěn)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(nèi)溫濕度參數(shù)的調(diào)控目標也有多種，該系統(tǒng)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(xiàn)低溫高濕的調(diào)控試驗結(jié)果

圖8 冬季低溫工況實現(xiàn)高溫高濕的調(diào)控試驗結(jié)果

且溫濕度獨立同步調(diào)控，特別是采用了模糊調(diào)控冷熱水泵的運行頻率來調(diào)節(jié)溫度參數(shù)調(diào)控軟硬件設(shè)置，使得該系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境調(diào)控質(zhì)量及運行可靠性均得到較理想的效果。

4 結(jié)語

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

上述方法的綜合應(yīng)用，不但能可靠的滿足小型制冷裝置性能測試的內(nèi)環(huán)境調(diào)控要求，而且其調(diào)控系統(tǒng)成本低、節(jié)能效果很明顯，可為人工環(huán)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，F(xiàn)oshan 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(xué)校科技創(chuàng)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(nèi)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)優(yōu)化及節(jié)能技術(shù)；卓獻榮（1965-），男，博士，教授，研究方向：內(nèi)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)優(yōu)化及節(jié)能技術(shù)。