李斌誠(chéng) 李燕龍 何冠成 陳松龍

（1.威凱檢測(cè)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(guó)暖通空調(diào)行業(yè)的發(fā)展，房間空調(diào)器的制冷量測(cè)試結(jié)果在不同焓差室間不一致的問(wèn)題逐漸凸顯，同時(shí)這也是國(guó)內(nèi)抽查以及國(guó)際貿(mào)易中容易引發(fā)關(guān)鍵問(wèn)題的重要技術(shù)指標(biāo)。同時(shí)，隨著近些年“一帶一路”戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，中國(guó)房間空調(diào)器企業(yè)逐步打開(kāi)國(guó)門(mén)發(fā)展廣闊的海外市場(chǎng)。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計(jì)，2021年1～12月中國(guó)空調(diào)出口量突破5 000 萬(wàn)臺(tái)，累計(jì)出口金額達(dá)到了80.83 億美元，累計(jì)增長(zhǎng)17.7 %。這也使得行業(yè)對(duì)于制冷量測(cè)試得的準(zhǔn)確性和一致性提出了更高的要求。另一方面，今年來(lái)節(jié)能減排的問(wèn)題在全球范圍內(nèi)倍受關(guān)注，能效制度作為諸多國(guó)家房間空調(diào)器產(chǎn)品的市場(chǎng)準(zhǔn)入制度，嚴(yán)格規(guī)定了房間空調(diào)器的能效等級(jí)和能源效率的最小市場(chǎng)準(zhǔn)入值。GB 21455-2019《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)》[2]已于2019年12月31日發(fā)布，新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將會(huì)大力推動(dòng)空調(diào)行業(yè)整體能效水平的升級(jí)，各能效等級(jí)要求相比上一個(gè)版本進(jìn)行了全面整體地提高，因此能源效率制度的實(shí)施對(duì)制冷量測(cè)量的測(cè)試也提出了更高的準(zhǔn)確度要求。本文以介紹不同原理或技術(shù)路線(xiàn)的焓差試驗(yàn)室標(biāo)定用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)方案，以準(zhǔn)確度和一致性作為前提，對(duì)不同方案的不確定度進(jìn)行對(duì)比分析，為行業(yè)研究更先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)提出一些新的思路。目前，制冷行業(yè)內(nèi)用于焓差試驗(yàn)室標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)通常有兩種，一是經(jīng)過(guò)改造后的窗機(jī)空調(diào)器，通常為提高穩(wěn)定性，會(huì)增加特定的條件，如：固化的傳感器，固定出風(fēng)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(cè)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)方案，利用空調(diào)原理實(shí)現(xiàn)分解型的組合式標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。本文主要針對(duì)第二種使用不同原理和技術(shù)方案的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行可行性研究。

1 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)方案分析的基本準(zhǔn)則

實(shí)現(xiàn)制冷量輸出非常準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，首先需要實(shí)現(xiàn)的是制冷量測(cè)量方法的不確定度能達(dá)到1 %以?xún)?nèi)，即可以在1 %的置信度內(nèi)測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)機(jī)輸出的制冷量。若達(dá)不到1 %不確定度的制冷量測(cè)量方案，即使標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的控制手段再先進(jìn)，控制精度再高，也無(wú)法確保我們控制的制冷量是否在設(shè)定值的1 %以?xún)?nèi)。因此，我們選擇標(biāo)準(zhǔn)機(jī)自測(cè)制冷量的不確定度作為最基本的準(zhǔn)則，對(duì)比分析各個(gè)不同方案的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制冷量測(cè)量不確定度。不確定度的評(píng)定，統(tǒng)一采用以下基本的評(píng)定方法。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JJF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》[1]中相關(guān)規(guī)定，不確定度的評(píng)定包括A 類(lèi)不確定度和B 類(lèi)不確定度 。

對(duì)于本文探討的制冷量來(lái)說(shuō)，A 類(lèi)不確定由實(shí)驗(yàn)測(cè)量的隨機(jī)誤差引入，評(píng)定流程參考圖1所示。

圖1 A 類(lèi)不確定度評(píng)定流程

而B(niǎo) 類(lèi)不確定度是各直接測(cè)量量的測(cè)試儀器誤差所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。其計(jì)算方法根據(jù)不同的測(cè)量量實(shí)際情況會(huì)有所不同，評(píng)定流程參考圖2所示。

圖2 B 類(lèi)不確定度評(píng)定流程

對(duì)于本文探討的制冷量估計(jì)值來(lái)說(shuō)，通常各個(gè)輸入量間均不相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為零。故被測(cè)量估計(jì)值y 的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(y)按式（1）計(jì)算：

式中：

uc(y)—被測(cè)量估計(jì)值的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

u(xi)—輸入量xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

y—被測(cè)量估計(jì)值；

xi—第i 個(gè)輸入量的估計(jì)值。

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

式中：

U—合成擴(kuò)展不確定度；

k—包含因子k（通常取2）。

最終制冷量的測(cè)量結(jié)果可用式（3）表示：

2 各技術(shù)方案的不確定度對(duì)比分析

由于不確定度分析中的A 類(lèi)不確定度及B 類(lèi)不確定度中靈敏系數(shù)的計(jì)算是需要代入實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的，采用估算方法會(huì)帶來(lái)較大計(jì)算誤差。因此，各方案的不確定度對(duì)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)測(cè)量制冷量時(shí)，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(duì)進(jìn)出風(fēng)口的濕球溫度敏感性高，遠(yuǎn)高于其他各直接測(cè)量物理量，而該法中無(wú)法避免濕球溫度的測(cè)量，因此最終的制冷量測(cè)量結(jié)果存在較大不確定度，約2.7 %。

水焓值法中，避開(kāi)了濕度的測(cè)量，而且水流量相較于空氣流量更易準(zhǔn)確測(cè)量，所以能實(shí)現(xiàn)一個(gè)比較低的制冷量測(cè)量不確定度，約0.9 %。

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

冰漿法，制冷量計(jì)算公式簡(jiǎn)單，涉及參數(shù)少，存在實(shí)現(xiàn)較低測(cè)量不確定的可能。詳見(jiàn)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(guó)內(nèi)外都比較少見(jiàn)的冰漿法方案進(jìn)行詳細(xì)分析，包含實(shí)現(xiàn)的原理及不確定度分析。

3 冰漿法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的技術(shù)方案分析

冰漿法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的技術(shù)方案，具有直接測(cè)試量少的特點(diǎn)，具有非常高精確度的潛力。如圖3所示，是本方案設(shè)計(jì)的冰漿法標(biāo)準(zhǔn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(jī)，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(diǎn)以下，在制冰器上結(jié)成冰晶，冰晶在水的流動(dòng)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(jì)，其中低溫水箱為冰水混合腔補(bǔ)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(diǎn)在于制冰器中要安裝噴淋器，使回水以噴淋的方式進(jìn)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(dòng)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(jìn)出口工質(zhì)都為冰漿態(tài)，換熱量不宜過(guò)大，否則冰漿中的水會(huì)吸收顯熱，影響制冷量的測(cè)算。

冰漿法輸出的制冷量為：

式中：

r—0 ℃和1.01×10 Pa 大氣壓強(qiáng)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(cè)量，所以，該方案擬在換熱器進(jìn)出口各布置一個(gè)音叉密度計(jì)，直接對(duì)冰漿的密度進(jìn)行測(cè)量，再通過(guò)密度換算出冰漿中冰和水的比例，結(jié)合體積流量計(jì)即可按下式計(jì)算出：

式中：

ρ1—換熱器進(jìn)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(jì)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(gè)直接測(cè)量量相關(guān)。測(cè)量參數(shù)很少，參考上述的不確定度評(píng)定方法，當(dāng)三個(gè)參數(shù)的測(cè)量及控制精度都比較高時(shí)，制冷量的測(cè)量不確定度有可能達(dá)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(yǔ)

綜上所述，本文以標(biāo)準(zhǔn)機(jī)自測(cè)制冷量的不確定度作為最基本的分析準(zhǔn)則，對(duì)各個(gè)不同方案的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制冷量測(cè)量不確定度進(jìn)行調(diào)研及分析研究。同時(shí)，提出目前行業(yè)內(nèi)在國(guó)內(nèi)外均未實(shí)現(xiàn)的冰漿法技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)思路，推動(dòng)行業(yè)內(nèi)使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對(duì)焓差試驗(yàn)室進(jìn)行比對(duì)分析的準(zhǔn)確度和結(jié)果有效性。