平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)

柳勝耀, 李 瑛, 趙四海, 黃彩鳳

(上海理工大學(xué) 制冷及低溫研究所,上海 200093)

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)空調(diào)器的性能測(cè)試主要采用空氣焓值法試驗(yàn)室(簡(jiǎn)稱(chēng)焓差試驗(yàn)室)，該方法試驗(yàn)速度快，精度稍差，主要用于空調(diào)器生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和出廠檢測(cè)；房間型量熱計(jì)法檢測(cè)家用空調(diào)器性能較空氣焓差法精度高，適用于生產(chǎn)廠家產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的最終檢測(cè)和產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)部門(mén)的抽查認(rèn)證，以及壓縮機(jī)與換熱器的性能匹配測(cè)定，性能測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)的研究等，是不可或缺的性能檢測(cè)設(shè)備[1-4]。

由于變頻空調(diào)器的能源利用率高和舒適性好的優(yōu)點(diǎn)，其市場(chǎng)占有份額在逐年增加。因其在高頻和低頻運(yùn)行段性能有較大差別，故季節(jié)能效比是更符合評(píng)價(jià)變頻空調(diào)性能的測(cè)試方法[5-6]。在GB/T 7725的報(bào)批稿中增加了對(duì)變頻空調(diào)器的最小冷量、中間額定制冷能力及25%額定制冷能力的測(cè)量，在這些工況測(cè)試中，平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)凝結(jié)水量測(cè)量的精度是影響被測(cè)空調(diào)器性能的一個(gè)重要因素。目前量熱計(jì)研制設(shè)計(jì)多側(cè)重平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)的功能及自動(dòng)程度[7-13]。如馬最良等[10]研制的可對(duì)9種制冷設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試的房間熱平衡法多功能試驗(yàn)臺(tái)；李壘[11]研制的一套高標(biāo)準(zhǔn)的平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)等。Nestor Fonseca Diaz[12]通過(guò)分析凝結(jié)水量的不確定度，強(qiáng)調(diào)在除濕量大的工況下被測(cè)機(jī)凝結(jié)水量占總制冷量的不確定度較大比例；而Park等[13]則分析了顯熱制冷量占總制冷量的比例。為準(zhǔn)確測(cè)試家用空調(diào)器的中小制冷量，需對(duì)傳統(tǒng)量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行優(yōu)化。本文考慮到標(biāo)準(zhǔn)[1]中量熱計(jì)法室內(nèi)側(cè)制冷量計(jì)算公式未計(jì)入空氣處理柜除濕量，為提高測(cè)試精度，提出采用稱(chēng)重法分別對(duì)被測(cè)空調(diào)器及空氣處理柜測(cè)量熱濕水量。

1 量熱計(jì)法測(cè)試原理及設(shè)計(jì)參數(shù)

將平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)搭建于上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，最大測(cè)試制冷能力達(dá)到5HP，設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

1-空氣取樣管,2-混合器,3-風(fēng)機(jī),4-加濕器,5-加熱器,6-冷卻盤(pán)管,7-壓力平衡裝置,8-被測(cè)機(jī),9-室外側(cè)測(cè)試室,10-室內(nèi)側(cè)測(cè)試室,11-溫度可控的套間

圖1 環(huán)境型房間量熱計(jì)原理圖

1.1 測(cè)試原理

制冷系統(tǒng)主要包括冷卻系統(tǒng)、壓縮循環(huán)系統(tǒng)、載冷系統(tǒng)；空氣循環(huán)采用微孔上送下回的送風(fēng)方式，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓層的高度可將動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓以減小送風(fēng)速度，保證測(cè)試室溫度梯度。數(shù)據(jù)采集主要包括測(cè)試室溫濕度、加濕水流量及溫度和電器設(shè)備輸入功率。采用兩組干濕球溫度計(jì)代替一組干濕球溫度計(jì)測(cè)試，將參與控制同時(shí)也參與數(shù)據(jù)計(jì)算的參數(shù)分離，提高控制計(jì)算精度。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

此實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以測(cè)試中小冷量家用空調(diào)器性能，特別是對(duì)于變頻家用空調(diào)器，在其25%額定制冷量時(shí)也能夠進(jìn)行測(cè)試。具體參數(shù)如下:被測(cè)機(jī)制冷量范圍0～5HP,測(cè)試方法:量熱計(jì)熱平衡法，室內(nèi)側(cè)有焓差測(cè)量風(fēng)筒(可獨(dú)立進(jìn)行焓差、風(fēng)量測(cè)試)。測(cè)試參數(shù)檢測(cè)項(xiàng)目以規(guī)定工況下的制冷量制熱量、最小制冷制熱量，其他還包括最大運(yùn)行制冷(制熱)、制冷(制熱)消耗功、季節(jié)能效比(SEER、HSPF)等。測(cè)試精度與樣機(jī)比對(duì)≤±2．5%(目標(biāo)值±1%)，重復(fù)性≤±1%。

2 中小制冷量測(cè)量原理

室內(nèi)、室外側(cè)被測(cè)空調(diào)器總制冷量公式如下[1]：

由式(1)、(2)知，當(dāng)被測(cè)空調(diào)器制冷量較小時(shí)，其除濕量也相應(yīng)減小。若測(cè)試室輸入功率大于被測(cè)空調(diào)器制冷量，此時(shí)式(1)修正成為下式：

(3)

即測(cè)試室需要開(kāi)啟空氣處理柜進(jìn)行制冷，且會(huì)有凝結(jié)水產(chǎn)生。

結(jié)合以上3式，考慮到被測(cè)空調(diào)器最大制冷量為5HP，且在除濕工況下運(yùn)行，空調(diào)器的最大除濕量約為5.4 kg/h。當(dāng)被測(cè)空調(diào)制冷量較小的工況時(shí)，被測(cè)空調(diào)器及空氣處理柜產(chǎn)生的凝結(jié)水量使用常規(guī)流量計(jì)將很難測(cè)量或帶來(lái)的誤差非常大。由于沒(méi)有動(dòng)力提供給凝結(jié)水，若使用超聲波或節(jié)流管式小流量測(cè)量?jī)x，將會(huì)使測(cè)量裝置復(fù)雜。針對(duì)Durst等[14]提出使用一定時(shí)間里測(cè)量質(zhì)量的方法，本文采用稱(chēng)重法——在固定時(shí)間里對(duì)流體稱(chēng)重的方法測(cè)量加濕及凝結(jié)水的流量。

式中，t2→+∞，t1=0，所得qm為精確值。t1是測(cè)試開(kāi)始時(shí)間；t2測(cè)試結(jié)束時(shí)間。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，通常選擇在系統(tǒng)穩(wěn)定后，從開(kāi)始測(cè)量時(shí)記錄加濕水量和凝結(jié)水量直到測(cè)試結(jié)束。

當(dāng)前，全面發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境已成共識(shí)。皖河流域發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的核心是水土保持，需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

3 中小冷量測(cè)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

房間量熱計(jì)的加濕水來(lái)自通過(guò)蒸餾水機(jī)制取的蒸餾水，經(jīng)水泵供至放置在量熱計(jì)測(cè)試室頂部的高位加濕蒸餾水箱。蒸餾水經(jīng)進(jìn)水電磁閥分別進(jìn)入室內(nèi)側(cè)測(cè)試室和室外側(cè)測(cè)試室加濕器進(jìn)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(cè)試室和室外側(cè)測(cè)試室，進(jìn)而完成空氣的加濕。

3.1 凝結(jié)水量測(cè)量

采用稱(chēng)重消耗水量的方式代替測(cè)試室除濕水量，將加濕器進(jìn)水箱置于高精度電子秤上，實(shí)時(shí)記錄水箱質(zhì)量并通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀送入計(jì)算機(jī)分析模塊，求得數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間的積分。此時(shí)室內(nèi)側(cè)測(cè)試室加濕器進(jìn)水量即為被測(cè)空調(diào)器的除濕量。圖2是被測(cè)空調(diào)器額定制冷運(yùn)轉(zhuǎn)凝結(jié)水測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

1-高位加濕器蒸餾水箱,2-進(jìn)水電磁閥,3-加濕器進(jìn)水箱,4-高位電子秤,5-排水盤(pán)

圖2 空調(diào)器凝結(jié)水測(cè)量設(shè)計(jì)圖

室外側(cè)測(cè)試室按式(2)進(jìn)行測(cè)試，但此時(shí)被測(cè)室外機(jī)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(cè)試室除濕量計(jì)算與制冷模式相似。

3.2 小制冷能力時(shí)凝結(jié)水量測(cè)量

當(dāng)被測(cè)機(jī)為中小冷量或測(cè)試25%額定制冷量時(shí)，此時(shí)不足以抵償量熱計(jì)測(cè)試室輸入功率熱量，空氣再處理器將進(jìn)行制冷除濕。按照標(biāo)準(zhǔn),文獻(xiàn)[1]中建造的傳統(tǒng)量熱計(jì)將不能有效測(cè)試，為解決此困難，設(shè)計(jì)如下優(yōu)化方法。

1-電力測(cè)定,2-加濕器,3-高位電子秤,4-加濕器進(jìn)水箱,5-進(jìn)水電磁閥,6-高位加濕器蒸餾水箱,7-凝結(jié)水箱,8-電子秤

圖3 空調(diào)器凝結(jié)水測(cè)量設(shè)計(jì)圖

當(dāng)循環(huán)空氣處理柜表冷器通冷水承擔(dān)室內(nèi)側(cè)內(nèi)室冷負(fù)荷和濕負(fù)荷時(shí)，加濕器進(jìn)水分為兩部分:①表冷器除濕量;②被測(cè)空調(diào)器除濕量。為準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)空調(diào)器的除濕量及表冷器除濕量，增加一臺(tái)高精度電子秤測(cè)量空調(diào)器的凝結(jié)水量變化。設(shè)計(jì)如圖3增加實(shí)線加粗7和8部分表示，在被測(cè)空調(diào)器的凝結(jié)水處增設(shè)凝結(jié)水箱和電子秤。

電子秤作為測(cè)量除濕量的重要工具，其量程和最小刻度的大小對(duì)整個(gè)測(cè)試結(jié)果的誤差起到了很大的影響，應(yīng)經(jīng)過(guò)仔細(xì)計(jì)算來(lái)選擇電子秤的規(guī)格：①秤重范圍。按最大5HP空調(diào)器算， 除濕量5～6 kg/h，按5 h為1試驗(yàn)工況并考慮不銹鋼水箱的質(zhì)量和富余量，采用量程60 kg電子秤。②秤重精度。按約2 kW制冷量的被測(cè)空調(diào)器，除濕量約1.0 kg/h，根據(jù)水量秤重誤差對(duì)制冷量的誤差的貢獻(xiàn)，計(jì)算要求的精度約為5 g。該系統(tǒng)使用了3臺(tái)梅特勒托利多WU60M-560、準(zhǔn)確度Ⅲ級(jí)的電子臺(tái)秤。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果分析

為驗(yàn)證經(jīng)優(yōu)化前、后的平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)對(duì)被測(cè)空調(diào)器實(shí)際制冷能力的符合程度，現(xiàn)對(duì)2臺(tái)典型低額定制冷量空調(diào)器和1臺(tái)中額定制冷量空調(diào)器分別進(jìn)行測(cè)試?？照{(diào)器的制冷量分別約為1.8、2.5和3.5 kW，應(yīng)用未優(yōu)化時(shí)量熱計(jì)在規(guī)定工況下測(cè)試一組數(shù)據(jù)，在不改變3臺(tái)空調(diào)器的制冷量的情況下，增大測(cè)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，并與上一組量熱計(jì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。應(yīng)用優(yōu)化后的量熱計(jì)按照優(yōu)化前的測(cè)試方法，再次測(cè)得兩組數(shù)據(jù)并比較。

4.1 對(duì)中小額定制冷量空調(diào)器進(jìn)行測(cè)試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[1]的要求，選取平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)的測(cè)試工況點(diǎn)。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(yùn)行穩(wěn)定后測(cè)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-35GW系列空調(diào)器產(chǎn)生3.5 kW制冷量。表1列出了采用優(yōu)化前量熱計(jì)測(cè)試制冷量約3.5和1.8 kW的空調(diào)器主要參數(shù)。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

應(yīng)用平衡型環(huán)境房間量熱計(jì)測(cè)試空調(diào)器需按室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)分別計(jì)算制冷量，比較其測(cè)量偏差。表1中測(cè)試的兩種空調(diào)器內(nèi)、外室制冷量測(cè)量偏差分別為0.69%、1.12%。將室內(nèi)輸入功率增大1 kW后繼續(xù)對(duì)空調(diào)器測(cè)試，在不改變空調(diào)器的制冷量工況下，室內(nèi)側(cè)內(nèi)室表冷器需通冷凍水以穩(wěn)定測(cè)試工況。利用量熱計(jì)測(cè)試并計(jì)算其內(nèi)、外室測(cè)量偏差分別為0.91%、1.34%。按相同方法測(cè)試并計(jì)算另一臺(tái)空調(diào)器內(nèi)、外室測(cè)量偏差，其對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 制冷量測(cè)量偏差

4.2 優(yōu)化后測(cè)試

采用優(yōu)化后量熱計(jì)，按照以上方法測(cè)試同樣3臺(tái)空調(diào)器。計(jì)算分析測(cè)試結(jié)果，將優(yōu)化前、后的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比見(jiàn)圖5。由圖可知，利用優(yōu)化后量熱計(jì)測(cè)試時(shí)，改變測(cè)試室輸入功率不影響測(cè)試結(jié)果。

圖5 制冷量測(cè)量偏差

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上的數(shù)據(jù)和圖表驗(yàn)證，平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)檢測(cè)中小冷量的空調(diào)器，分別測(cè)量加濕水和凝結(jié)水將提高測(cè)試精度，減小測(cè)試內(nèi)、外室偏差。采用優(yōu)化后量熱計(jì)測(cè)試空調(diào)器性能，當(dāng)空調(diào)器額定制冷量較小時(shí)，其測(cè)試效果較優(yōu)化前更能得到提高。實(shí)驗(yàn)證明，在保證電子秤精度的情況下，采用稱(chēng)重法測(cè)量量熱計(jì)加濕水和凝結(jié)水，能夠測(cè)量空調(diào)器的最小制冷量，且非常好的提高測(cè)試精度。特別是在測(cè)試變頻空調(diào)器季節(jié)能效比時(shí)，此優(yōu)化后的平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)可以準(zhǔn)確測(cè)試多種工況。

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