國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5151-2010低溫制熱測試解析

李敏 徐飛 姜敬德

（上海出入境檢驗(yàn)檢疫局 上海 200135）

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5151-2010低溫制熱測試解析

李敏 徐飛 姜敬德

（上海出入境檢驗(yàn)檢疫局 上海 200135）

通過對ISO5151-2010標(biāo)準(zhǔn)中熱泵低溫制熱測試方法的解析，闡明低溫制熱的測試環(huán)節(jié)、不同運(yùn)行表現(xiàn)熱泵的具體測試方法和要求以及測試誤差的主要來源，從而得出熱泵低溫制熱測試要對不同運(yùn)行表現(xiàn)熱泵進(jìn)行分類并采用不同的數(shù)據(jù)采集方法和要求，才能減小測試誤差，各試驗(yàn)室在同一規(guī)定的測試方法和要求下測試其測試數(shù)據(jù)才有可比性。

轉(zhuǎn)速可調(diào)型冷暖房間空氣調(diào)節(jié)器；除霜循環(huán)；熱泵低溫制熱；穩(wěn)態(tài)制熱；非穩(wěn)態(tài)制熱

1 前言

為了更全面地評價(jià)轉(zhuǎn)速可調(diào)型冷暖房間空氣調(diào)節(jié)器（以下簡稱熱泵）的能源效率，國標(biāo)《轉(zhuǎn)速可調(diào)型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》（GB21455-2013）［1］引入了全年能源消耗效率（APF）作為熱泵能效評價(jià)指標(biāo)，而APF的測試方法則依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》（GB/T17758-2010）［2］和《房間空氣調(diào)節(jié)器》（GB/T7725-2004）［3］的測試方法，其測試項(xiàng)目包括低溫制熱測試。

GB/T17758-2010對熱泵的低溫制熱試驗(yàn)在附錄A.9.4.2和A9.4.3中進(jìn)行了規(guī)定。其中A9.4.2規(guī)定：房間空調(diào)裝置和被試空調(diào)機(jī)應(yīng)進(jìn)行不少于1 h的運(yùn)行，工況穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，被試空調(diào)機(jī)由于融霜控制元件的動(dòng)作導(dǎo)致的工況波動(dòng)除外。A9.4.3規(guī)定：被試空調(diào)機(jī)應(yīng)進(jìn)行3 h的試驗(yàn)運(yùn)行；在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)如果被試空調(diào)機(jī)正在融霜?jiǎng)t融霜循環(huán)應(yīng)完成，每隔10 min記錄一次數(shù)據(jù)；

為了準(zhǔn)確確定融霜循環(huán)的起始和結(jié)束以及室內(nèi)氣流的時(shí)間-溫度特性曲線（室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)）輸入被試機(jī)的電功率，在融霜循環(huán)過程中應(yīng)連續(xù)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)［2］。

同樣GB/T7725-2004在A.2.4.2和A2.4.3中也進(jìn)行了類似的規(guī)定［3］。

熱泵低溫制熱測試時(shí)，室外側(cè)換熱器結(jié)霜的運(yùn)行狀態(tài)是不穩(wěn)定的。由于不同制造商、同一制造商不同型號產(chǎn)品之間的結(jié)構(gòu)和控制設(shè)計(jì)不同，因此在低溫制熱測試時(shí)的表現(xiàn)也不盡相同，可分為無除霜循環(huán)制熱和有除霜循環(huán)制熱兩類，有除霜循環(huán)制熱的除霜循環(huán)頻次也不相同。

由于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T7725-2004和GB/T17758-2010對熱泵的低溫制熱試驗(yàn)未根據(jù)產(chǎn)品運(yùn)行期間的不同表現(xiàn)對試驗(yàn)方法分別加以具體規(guī)定，同時(shí)由于各實(shí)驗(yàn)室對標(biāo)準(zhǔn)理解的不同造成試驗(yàn)方法有差異。因此，同一產(chǎn)品在不同實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行低溫制熱測試，其試驗(yàn)結(jié)果偏差較大，常出現(xiàn)離群現(xiàn)象，這一情況從近年來中國能效標(biāo)志管理中心舉辦的能力驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可清楚看出。

國際標(biāo)準(zhǔn)《自由送風(fēng)型空氣調(diào)節(jié)器和熱泵的試驗(yàn)和測定》（ISO5151-2010）［4］對熱泵低溫制熱測試中可能遇到的各種情況進(jìn)行了分類，并對可能出現(xiàn)的每一種低溫制熱情況試驗(yàn)方法進(jìn)行了規(guī)定。本文通過對ISO5151-2010標(biāo)準(zhǔn)中熱泵低溫制熱測試方法的解析，闡明低溫制熱測試的環(huán)節(jié)，測試中不同運(yùn)行表現(xiàn)熱泵的具體測試方法和要求以及測試誤差的主要來源，以供業(yè)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室同行和標(biāo)準(zhǔn)修訂者參考。

2 熱泵低溫制熱測試的環(huán)節(jié)

ISO5151-2010規(guī)定熱泵低溫制熱測試分為預(yù)調(diào)節(jié)階段、平衡階段、數(shù)據(jù)采集階段等三個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1預(yù)調(diào)節(jié)階段

預(yù)調(diào)節(jié)階段是指在產(chǎn)品正式測試前對試驗(yàn)房間的空氣再處理設(shè)備及被試熱泵運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)的階段，預(yù)調(diào)節(jié)階段必須滿足以下條件：

（1）測試室工況條件達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，見表1、表2和表3。

表1　試驗(yàn)工況

表2　制冷量和穩(wěn)態(tài)制熱量試驗(yàn)的讀數(shù)允差

表3　非穩(wěn)態(tài)制熱量試驗(yàn)過程允許的偏差

（2）空調(diào)器應(yīng)至少運(yùn)行10 min。

（3）預(yù)調(diào)節(jié)階段可在出現(xiàn)除霜循環(huán)時(shí)結(jié)束；如果出現(xiàn)這種情況，在平衡階段開始前，熱泵應(yīng)以制熱模式在除霜結(jié)束后至少運(yùn)行10 min。

（4）低溫制熱試驗(yàn)時(shí)，推薦用自動(dòng)或手動(dòng)的方式啟動(dòng)除霜循環(huán)以結(jié)束預(yù)調(diào)節(jié)階段，滿足預(yù)調(diào)節(jié)要求后才能進(jìn)入下個(gè)環(huán)節(jié)的平衡階段。

2.2平衡階段

ISO5151-2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定熱泵低溫制熱試驗(yàn)預(yù)調(diào)節(jié)階段完成后將進(jìn)入平衡階段，平衡階段試驗(yàn)工況要滿足表1及表2、表3的要求，熱泵要連續(xù)運(yùn)行至少持續(xù)1 h。

2.3數(shù)據(jù)采集階段

在平衡階段后立即進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段。ISO5151-2010標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)低溫制熱時(shí)被試熱泵的不同表現(xiàn)，其數(shù)據(jù)采集要求不同，具體要求見以下解析。

3 ISO5151-2010標(biāo)準(zhǔn)低溫制熱數(shù)據(jù)采集階段測試解析

制熱量試驗(yàn)依據(jù)熱泵的運(yùn)行情況可分為：穩(wěn)態(tài)制熱量和非穩(wěn)態(tài)制熱量測試。ISO5151-2010引入了一個(gè)重要的定義：數(shù)據(jù)收集期間任一5 min進(jìn)、出風(fēng)溫差的改變百分比，用%△T表示。按下述公式計(jì)算：

式中：△Ti（τ=0）-數(shù)據(jù)收集期間前5 min進(jìn)、出風(fēng)溫差的平均值，℃；

△Ti（τ）-數(shù)據(jù)收集期間任一5 min進(jìn)、出風(fēng)溫差的平均值，℃。

在數(shù)據(jù)采集階段開始的35 min內(nèi)進(jìn)行測量，計(jì)算%△T的值作為判定熱泵穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)制熱重要的依據(jù)。

3.1熱泵穩(wěn)態(tài)低溫制熱測試解析

預(yù)調(diào)節(jié)階段前進(jìn)行了除霜循環(huán)（自動(dòng)或手動(dòng)），平衡階段和開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段未出現(xiàn)除霜循環(huán)，如果在開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段，%△T小于2.5%且在平衡階段和開始的35min數(shù)據(jù)采集階段，試驗(yàn)允差滿足試驗(yàn)要求，則制熱量試驗(yàn)按照穩(wěn)態(tài)制熱量試驗(yàn)進(jìn)行，流程見圖1［4］。

圖1　穩(wěn)態(tài)制熱量試驗(yàn)流程

用數(shù)據(jù)采集階段35 min所記錄的制熱量平均值作為平均制熱量；用數(shù)據(jù)采集階段35 min所記錄的輸入功率平均值或35 min所記錄的積分輸入功率作為平均輸入功率。

3.2熱泵非穩(wěn)態(tài)低溫制熱測試解析

在開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段，如果%△T大于2.5%，制熱量試驗(yàn)應(yīng)按非穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)。同樣，如果熱泵的平衡階段或開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段開始了除霜循環(huán)，制熱量試驗(yàn)應(yīng)按非穩(wěn)態(tài)制熱量試驗(yàn)進(jìn)行。非穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)依據(jù)熱泵實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)，可分成以下5種類型：

3.2.1無除霜的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗(yàn)

預(yù)調(diào)節(jié)階段前進(jìn)行了除霜循環(huán)（自動(dòng)或手動(dòng)），平衡階段和開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段未出現(xiàn)除霜循環(huán)，在開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段%△T大于2.5%，數(shù)據(jù)采集周期達(dá)到3h試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)主要流程見圖2［4］。

圖2　無除霜的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗(yàn)主要流程

3.2.2數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)1個(gè)除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗(yàn)

預(yù)調(diào)節(jié)階段前進(jìn)行了除霜循環(huán)（自動(dòng)或手動(dòng)），平衡階段和開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段未出現(xiàn)除霜循環(huán)，在開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段%△T大于2.5%，數(shù)據(jù)采集3 h時(shí)段出現(xiàn)了除霜循環(huán)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集周期達(dá)到3 h試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)主要流程見圖3［4］。

圖3　數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)1個(gè)除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗(yàn)主要流程

3.2.3數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)1個(gè)完整除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗(yàn)

預(yù)調(diào)節(jié)階段前進(jìn)行了除霜循環(huán)（自動(dòng)或手動(dòng)），平衡階段未出現(xiàn)除霜循環(huán)，開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)除霜循環(huán)，數(shù)據(jù)采集3 h段進(jìn)行了1個(gè)完整的除霜周期，當(dāng)數(shù)據(jù)采集周期達(dá)到3 h試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)主要流程見圖4［4］。

圖4　數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)1個(gè)完整除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗(yàn)主要流程

3.2.4數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)2個(gè)完整的除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗(yàn)

預(yù)調(diào)節(jié)階段前進(jìn)行了除霜循環(huán)（自動(dòng)或手動(dòng)），平衡階段未出現(xiàn)除霜循環(huán)，開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)除霜循環(huán)，數(shù)據(jù)采集3 h段進(jìn)行了2個(gè)完整的除霜周期，當(dāng)數(shù)據(jù)采集周期達(dá)到3 h試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)主要流程見圖5［4］。

圖5　數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)2個(gè)完整的除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗(yàn)主要流程

3.2.5數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)3個(gè)完整的除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗(yàn)

預(yù)調(diào)節(jié)階段前進(jìn)行了除霜循環(huán)（自動(dòng)或手動(dòng)），平衡階段出現(xiàn)除霜循環(huán)，數(shù)據(jù)采集階段完成3個(gè)完整的除霜循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)主要流程見圖6［4］。

圖6　數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)3個(gè)完整的除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗(yàn)主要流程

3.2.6熱泵非穩(wěn)態(tài)低溫制熱量計(jì)算

在數(shù)據(jù)采集期間，如果空調(diào)器包含一個(gè)或多個(gè)完整循環(huán)（一個(gè)完整的循環(huán)包含一個(gè)制熱過程和從除霜終止到下一個(gè)除霜終止的除霜過程），應(yīng)按照以下要求確定制熱量和輸入功率：平均制熱量由制熱量的積分值和數(shù)據(jù)采集期間所包含的所有時(shí)間來確定；平均輸入電功率由輸入功率的積分值和數(shù)據(jù)采集期間與測量制熱量相同的時(shí)間來確定。

在數(shù)據(jù)采集期間，如果沒有發(fā)生完整循環(huán)的空調(diào)器，則應(yīng)按照以下要求確定制熱量和輸入功率：平均制熱量由制熱量的積分值和數(shù)據(jù)采集期間的發(fā)生時(shí)間（室內(nèi)空氣焓值法3 h，量熱計(jì)法6 h）來確定；平均輸入電功率由輸入功率的平均值和數(shù)據(jù)采集期間與測量制熱量相同的時(shí)間來確定。

4 熱泵穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)低溫制熱測試的差異

4.1試驗(yàn)工況允差不同

穩(wěn)態(tài)制熱量試驗(yàn)的讀數(shù)允差見表2，非穩(wěn)態(tài)制熱量試驗(yàn)的讀數(shù)允差見表3。兩表比較可以看出穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)制熱試驗(yàn)讀數(shù)允許的偏差不同，表3中的D區(qū)間是指除霜循環(huán)和接下來10 min每5 min采集數(shù)據(jù)的平均值，H區(qū)間是指除了除霜之后的10 min以外的每5 min采集數(shù)據(jù)的平均值。

非穩(wěn)態(tài)制熱量試驗(yàn)在平衡階段和數(shù)據(jù)采集階段均應(yīng)滿足表3規(guī)定的試驗(yàn)允差，每個(gè)H區(qū)間或D區(qū)間的所有數(shù)據(jù)都應(yīng)符合表3的試驗(yàn)允差，而且應(yīng)分別根據(jù)H區(qū)間的數(shù)據(jù)或D區(qū)間的數(shù)據(jù)評價(jià)是否符合表3的試驗(yàn)允差，而不是將兩個(gè)或多H區(qū)間或D區(qū)間的數(shù)據(jù)結(jié)合一起評價(jià)。

4.2數(shù)據(jù)采集階段總時(shí)間不同

穩(wěn)態(tài)制熱量試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為35 min，而非穩(wěn)態(tài)制熱量試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為3 h或三個(gè)完整的除霜周期。

4.3數(shù)據(jù)采集頻率不同

穩(wěn)態(tài)制熱量試驗(yàn)數(shù)據(jù)至少每間隔30 s取值一次；非穩(wěn)態(tài)制熱量試驗(yàn)在除霜過程中及除霜后的10min，數(shù)據(jù)采集應(yīng)更頻繁，平均間隔應(yīng)為每10 s或更短，其他時(shí)間段至少每間隔30 s取值一次。

4.4測試結(jié)果的計(jì)算方法不同

穩(wěn)態(tài)制熱用數(shù)據(jù)采集階段35 min所記錄的制熱量平均值作為平均制熱量，用數(shù)據(jù)采集階段35 min所記錄的輸入功率平均值或35 min所記錄的積分輸入功率作為平均輸入功率。

非穩(wěn)態(tài)制熱分為兩種情況，參見3.2.6。

5 熱泵低溫制熱試驗(yàn)主要測試誤差來源

低溫制熱試驗(yàn)中測試程序?qū)Τ芷陂_始和結(jié)束時(shí)間節(jié)點(diǎn)的判定是測試誤差的主要來源，圖7、8、9分別給出了某熱泵低溫制熱量、功率和風(fēng)量測試曲線實(shí)例。

圖7　熱泵低溫制熱量曲線

圖8　熱泵低溫制熱功率曲線

從圖7制熱量曲線中可以看出，具有完整除霜周期熱泵低溫制熱量的大小為圖形與時(shí)間軸包絡(luò)線的面積積分，除霜期間制熱量為零，因此判定除霜開始和結(jié)束的時(shí)間節(jié)點(diǎn)非常重要，其直接影響熱泵制熱量計(jì)算結(jié)果，同樣功率的計(jì)算結(jié)果也會受影響。

各試驗(yàn)室由于設(shè)計(jì)思路和方法不同，測試程序?qū)Τ卸ǖ姆椒ú煌?，主要有以下幾種判定方法：

（1）以四通換向閥線圈得電和失電的換向信號作為熱泵除霜循環(huán)開始和結(jié)束的判定依據(jù)；

（2）以室內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)停止和運(yùn)轉(zhuǎn)作為熱泵除霜循環(huán)開始和結(jié)束的判定依據(jù)；

（3）以熱泵輸入功率的大小變化作為除霜循環(huán)開始和結(jié)束的判定依據(jù)；

（4）以空氣測量段所測量到的風(fēng)量變化作為除霜新歡開始和結(jié)束的判定依據(jù)。

（1）、（2）兩種判定方法準(zhǔn)確把握了除霜開始和結(jié)束的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集精度較高，但安裝難度大，需要引入四通換向閥、風(fēng)機(jī)電機(jī)開挺信號，破壞了被試熱泵原有的電氣連接。從圖8和圖9的曲線可以看出（3）、（4）兩種方法，判定除霜開始和結(jié)束的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，不同試驗(yàn)試室對同一產(chǎn)品的測試值離散率大。筆者推薦使用（1）、（2）兩種判定方法。

圖9　熱泵低溫制熱風(fēng)量曲線

6 結(jié)論

熱泵低溫制熱測試要對不同運(yùn)行表現(xiàn)熱泵進(jìn)行分類，并采用不同的數(shù)據(jù)采集方法和要求才能減小測試誤差，各試驗(yàn)室在同一規(guī)定的測試方法和要求下測試，其測試數(shù)據(jù)才有可比性。

［1］GB21455-2013轉(zhuǎn)速可調(diào)型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級［S］.

［2］GB/T17758-2010單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)［S］.

［3］GB/T7725-2004房間空氣調(diào)節(jié)器［S］.

［4］ISO5151-2010自由送風(fēng)型空氣調(diào)節(jié)器和熱泵的試驗(yàn)和測定［S］.

Low Temperature Heating Test Analysis of the International Standard ISO5151-2010

Li Min，Xu Fei，Jiang Jingde
（Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Shanghai，200135）

This paper discussed the specific test methods and requirements of different performance of the heat pump and the main source of measurement error in the low temperature heating test，through analyzing the system test method for heat pump at low temperature in the standard of ISO5151-2010，for the reference of the peer on the test chamber and standard revision.

Speed Adjustable Type Cooling and Heating Air Conditioner；Defrost Cycle；Low Temperature Heat Pump System；Steady State Heat；Non Steady State Thermal System

T651

E-mail：limin@shciq.gov.cn

上海出入境檢驗(yàn)檢疫局科研項(xiàng)目（HK018-2013）

2014-10-11