房間空調(diào)器環(huán)境試驗室的設(shè)計與試驗研究

方大偉+李瑛+黃彩鳳+方杰+錢芳+蘇曉東

摘 要： 根據(jù)GB/T 7725—2004及日本JIS B 8615

2—1999的技術(shù)要求，研制了一套0～12.5 kW空調(diào)器環(huán)境試驗室.試驗室由外室和真實民居結(jié)構(gòu)的內(nèi)室構(gòu)成，外室由空氣處理機(jī)組模擬各種環(huán)境工況，內(nèi)室配置溫度、濕度等傳感器，測量了空調(diào)器營造的室內(nèi)環(huán)境溫濕度等參數(shù)，并分析了室內(nèi)溫度場的均勻性.試驗室可用于開發(fā)新型空調(diào)器，客觀評價空調(diào)器所營造環(huán)境的舒適性，并為環(huán)境舒適性的主觀評價提供條件.進(jìn)行了各種工況試驗，試驗結(jié)果表明：環(huán)境干球溫度控制精度小于1℃，相對濕度控制精度小于5%，均滿足工況控制要求；同時獲得了空調(diào)房間內(nèi)的溫度場分布.

關(guān)鍵詞： 空調(diào)器； 環(huán)境試驗室； 溫度場

中圖分類號： TU 831.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design and experimental study on the environmental laboratory

for the room airconditioner

FANG Dawei， LI Ying， HUANG Caifeng， FANG Jie， QIAN Fang， SU Xiaodong

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for

Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： An airconditioner environmental laboratory is designed and established according to the requirements of GB/T 7725—2004 and JIS B 8615

2—1999 to test the airconditioners，whose capacities range from 0 to 12.5 kW.The lab consists of an outer room and an inner room with the same construction as a real residential building.The environmental simulation is carried out in the outer room using the air handling units.In the inner room，there are sensors for temperature and humidity measurement，and the uniformity of temperature distribution is also analyzed.The lab is used to develop new room airconditioner and to evaluate the comfort index of the environment created with the room airconditioner objectively.It also provides conditions for assessing the environmental comfort subjectively.The experiments have been carried out under various working conditions.The experimental results show that the accuracy of the environmental dry bulb temperature is less than 1℃，and the accuracy of relative humidity is less than 5%.All the technical requirements can be met.At the same time，the indoor temperature field distribution of the airconditioned room is obtained.

Keywords： airconditioner； environmental laboratory； temperature field

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展及人民生活水平的提高，城市化、現(xiàn)代化的程度越來越高，人們多數(shù)時間生活在各種人造的房間環(huán)境中，因此對室內(nèi)環(huán)境有了更高的要求，而房間空調(diào)器的首要任務(wù)是為居住者提供舒適的熱環(huán)境.熱環(huán)境對人的健康及舒適度的影響尤為顯著，因此有必要對使用空調(diào)器的房間熱環(huán)境進(jìn)行研究，而在熱環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定的情況下，室內(nèi)溫度分布是人的舒適度的重要影響因素[1-2].

環(huán)境試驗室是測試空調(diào)器性能的有效手段.通過實測數(shù)據(jù)分析空調(diào)房間內(nèi)的溫度分布及溫度場的研究尚不多見.本文設(shè)計的環(huán)境試驗室可進(jìn)行各種工況試驗和空調(diào)房間內(nèi)溫度場測試，從而分析空調(diào)器在不同試驗工況下的實際工作特性，以評價和研究房間空調(diào)器在特定的外部環(huán)境工況下營造的室內(nèi)舒適性、節(jié)能性、耐候性和環(huán)境適應(yīng)性.

1 測試原理

設(shè)計主要依據(jù)GB/T 7725—2004[3]，并參照日本JIS B 8615

2—1999標(biāo)準(zhǔn)[4].試驗室由外室和內(nèi)室構(gòu)成.通過模擬空調(diào)器室外機(jī)工作的外部環(huán)境（春、夏、秋、冬），根據(jù)測溫?zé)犭娕季仃嚋y得內(nèi)室（用戶居室）的溫度，獲得內(nèi)室的溫度分布.依據(jù)溫度分布研究和評價房間空調(diào)器在特定的外部環(huán)境條件下的舒適性、節(jié)能性、耐候性和環(huán)境適應(yīng)性，為提高空調(diào)器的耐候性作準(zhǔn)備.另外，可獲得內(nèi)室的溫度場分布，用于研究以舒適性為主要指標(biāo)的空調(diào)控制技術(shù)，并為房間空調(diào)器的室內(nèi)機(jī)設(shè)計和安裝提供參考.

2 試驗室設(shè)計

環(huán)境試驗室主要包括絕熱庫房、空氣處理系統(tǒng)及溫度場測控系統(tǒng)三大部分.試驗室的功能是采用人工方法對測試對象的實際運行環(huán)境進(jìn)行模擬，以提供一個穩(wěn)定、精確的工況環(huán)境，從而保證在不同的試驗工況下，獲得試驗室內(nèi)室中相應(yīng)的溫度場分布.其中，絕熱庫房由外室和內(nèi)室構(gòu)成，內(nèi)室面積可調(diào)，可根據(jù)不同試驗需求任意分割成面積不等的房間，其建筑結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)特性等按照民用建筑規(guī)范[5]設(shè)計，可模擬大部分常見用戶的房間特性.

2.1 試驗室空氣處理系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 制冷系統(tǒng)設(shè)計

制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、油分離器、冷凝器、儲液器、蒸發(fā)器、膨脹閥、熱氣旁通閥等組成，構(gòu)成了四個循環(huán)回路，分別為潤滑油回路、噴液回路、熱氣旁通回路及制冷系統(tǒng)主回路.制冷系統(tǒng)原理如圖1所示，其中：潤滑油回路為壓縮機(jī)—油分離器—回油手閥—油鏡—壓縮機(jī)，該回路保證了壓縮機(jī)內(nèi)部良好的潤滑及密封等功能；噴液回路為壓縮機(jī)—冷凝器—儲液器—干燥過濾器—噴液膨脹閥—壓縮機(jī)，該回路根據(jù)回氣溫度調(diào)節(jié)噴液閥

圖1 制冷系統(tǒng)原理

Fig.1 Schematic diagram of the refrigeration system

的開度，避免壓縮機(jī)吸氣溫度過高；熱氣旁通回路為壓縮機(jī)—熱氣旁通閥—蒸發(fā)器—汽分—壓縮機(jī)，該回路在制冷系統(tǒng)低負(fù)荷時，通過熱氣旁通閥調(diào)節(jié)壓縮機(jī)制冷量，以利于系統(tǒng)節(jié)能；制冷系統(tǒng)主回路為壓縮機(jī)—冷凝器—儲液器—干燥過濾器—蒸發(fā)器—吸氣分離器—吸氣壓力調(diào)節(jié)閥—壓縮機(jī)，翅片管蒸發(fā)器上帶有電加熱除霜，且通過合理控制除霜時間及除霜功率完成低溫惡劣工況試驗[6].

2.1.2 氣流組織設(shè)計

氣流組織設(shè)計是通過在環(huán)境試驗室的外室合理布置送風(fēng)口和回風(fēng)口，經(jīng)過處理后溫濕度達(dá)到設(shè)定值的空氣由送風(fēng)口經(jīng)過全面孔板送風(fēng)，空氣在外室內(nèi)擴(kuò)散、混合過程中均勻地中和試驗室外室內(nèi)的余熱和余濕，并通過自動測控技術(shù)保證試驗室的外室內(nèi)形成較均勻、穩(wěn)定的溫濕度分布和氣流速度，達(dá)到試驗工況要求.

環(huán)境試驗室的內(nèi)室頂部天花和地板均為內(nèi)設(shè)風(fēng)道的中空結(jié)構(gòu)，左端設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，右端設(shè)置循環(huán)風(fēng)機(jī)，可最大限度地使外室內(nèi)空氣先后經(jīng)過頂部和地板中的風(fēng)道進(jìn)行循環(huán)，以保證內(nèi)室的頂部、四周墻體及底部的外側(cè)環(huán)境溫度一致，使得整個內(nèi)室處于同一環(huán)境工況中，從而逼真地模擬了家庭住房的外界環(huán)境.環(huán)境試驗室內(nèi)室底部及頂部氣流組織示意圖如圖2所示.

圖2 試驗室內(nèi)室底部及頂部氣流組織示意圖

Fig.2 Schematic diagram of the airflow organization

near the roof and bottom of the inner room

2.2 試驗室溫度場測試系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 測溫點布置

試驗室內(nèi)室中以矩陣形式布置了1 040個熱電偶測點，該測溫?zé)犭娕季仃嚳蓪崟r測量房間內(nèi)的溫度分布及溫度的變化速率.內(nèi)室溫度場垂直溫度測點分布示意圖如圖3所示.

2.2.2 溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

溫度采集系統(tǒng)是環(huán)境試驗室中較復(fù)雜的部

圖3 內(nèi)室溫度場垂直溫度測點分布示意圖

Fig.3 Schematic diagram for the vertical measuring points

distribution of the inner room temperature field

分.為了精確獲得內(nèi)室整個空間內(nèi)的溫度場，將熱電偶測溫矩陣均勻布置在被測空間中.測溫元件采用熱電偶，要求其對溫度的變化響應(yīng)迅速.熱電偶將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢信號，以便于測試信號的遠(yuǎn)距離傳送和轉(zhuǎn)換，最終確保測試的精度.

溫度采集系統(tǒng)所用的熱電偶主要由熱電極、絕緣套保護(hù)管、接線盒及補(bǔ)償導(dǎo)線組成，將其與顯示儀表、數(shù)據(jù)記錄儀表配套使用構(gòu)成了一套熱電偶溫度檢測系統(tǒng).試驗室熱電偶測溫系統(tǒng)示意圖如圖4所示.根據(jù)測溫?zé)犭娕季仃嚋y得內(nèi)室的溫度，再通過計算機(jī)軟件對采集的溫度進(jìn)行處理以獲得內(nèi)室的溫度場分布.

圖4 試驗室熱電偶測溫系統(tǒng)示意圖

Fig.4 Schematic diagram of the laboratory temperature

measuring system using thermocouple

3 試驗結(jié)果及分析

對環(huán)境試驗室的外室進(jìn)行了根據(jù)GB/T 7725—2004[3]所要求的各種工況試驗.被測機(jī)型號為KFR

25G/Bp/BFXW，同時對空調(diào)器制熱及制冷特性進(jìn)行了相關(guān)試驗研究.

3.1 制熱運行試驗

制熱運行試驗工況如表1所示.試驗室外室干球溫度、相對濕度均控制在試驗工況下.高溫工況在45 min左右即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；低溫工況在170 min左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到設(shè)定溫度所需時間較長，這是由于試驗室制冷能力設(shè)計偏小.試驗工況中，干球溫度控制精度小于1℃，相對濕度控制精度小于5%，均滿足試驗技術(shù)要求.

當(dāng)試驗室外室工況穩(wěn)定后，出風(fēng)溫度設(shè)定為25℃的被測空調(diào)器在制熱模式下分別進(jìn)行了高溫及低溫工況運行試驗.試驗前、后的內(nèi)室溫度場分布分別如圖5、6所示.

圖5 被測機(jī)制熱高溫工況下內(nèi)室溫度場變化

Fig.5 The temperature field variation of the inner room in the hightemperature heating condition of the tested device

圖6 被測機(jī)制熱低溫工況下內(nèi)室溫度場變化

Fig.6 The temperature field variation of the inner room in the lowtemperature heating condition of the tested device

開始測試前，試驗室外室溫濕度即被測機(jī)工作的室外環(huán)境工況（按表1設(shè)定）.此時，內(nèi)室類似于用戶居室，由于建筑墻體的保溫作用，高溫及低溫工況下內(nèi)室溫度均略高于外室溫度，溫度場分層不明顯.當(dāng)內(nèi)室溫濕度達(dá)到空調(diào)器設(shè)定值時，房間內(nèi)的溫度場分布表明，氣流前進(jìn)方向的上游一定區(qū)域內(nèi)溫度偏高，高溫工況中溫度分層較低溫工況更明顯.房間其它工作區(qū)域溫度分布較均勻，且在受控范圍內(nèi)，能滿足人體舒適性要求.

3.2 制冷運行試驗

制冷運行試驗工況如表2所示.T1工況在系統(tǒng)啟動30 min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并維持在誤差允許范圍內(nèi)，試驗室的室外側(cè)能夠達(dá)到高溫極限設(shè)計工況，且能保持工況穩(wěn)定，控制精度滿足技術(shù)要求.達(dá)到設(shè)計要求的高溫極限工況的時間約為160 min，這是由于測試時間在夏季，外界環(huán)境溫度較高，在此狀態(tài)下空調(diào)機(jī)組的制熱效率較低，所以工況穩(wěn)定時間較長.凝露工況在系統(tǒng)啟動80 min

表2 制冷運行試驗工況

Tab.2 The refrigeration operation conditions

左右達(dá)到設(shè)定工況并穩(wěn)定維持在設(shè)定誤差范圍內(nèi).

通常被測機(jī)制冷時設(shè)定溫度為26℃.圖7、8分別為被測機(jī)在T1和凝露工況下內(nèi)室溫度場的變化.對比圖7、8可看出，開始測試前，內(nèi)室類似于用戶居室，由于墻體的保溫作用，所以內(nèi)室溫度略低于外室溫度.當(dāng)內(nèi)室溫濕度達(dá)到被測機(jī)的設(shè)定值時，房間內(nèi)的溫度場分布表明，由于冷空氣自重的影響，室內(nèi)下部空間溫度稍低于上部空間的溫度，存在輕微的溫度分層現(xiàn)象，但在人活動區(qū)域內(nèi)，溫度分層不明顯，能滿足人體舒適性要求.

圖7 被測機(jī)T1工況下制冷內(nèi)室溫度場變化

Fig.7 The variation of the inner room temperature field in the T1 refrigeration condition of the tested device

圖8 被測機(jī)凝露工況下制冷內(nèi)室溫度場變化

Fig.8 The variation of the inner room temperature field in the condensation working condition of the tested device

4 結(jié) 論

按照GB/T 7725—2004[3]中的部分試驗工況進(jìn)行了空調(diào)制熱及制冷特性研究，結(jié)果表明，環(huán)境試驗室外室能夠提供各種試驗工況環(huán)境，溫濕度的控制精度和穩(wěn)定性高，溫度和濕度的波動范圍達(dá)到設(shè)計要求.該試驗室已在國內(nèi)一家知名空調(diào)企業(yè)獲得了應(yīng)用.該試驗室提供了新型空調(diào)器開發(fā)所需的硬件和軟件平臺，為空調(diào)企業(yè)開發(fā)以人體舒適性為控制目標(biāo)的新型空調(diào)產(chǎn)品、進(jìn)行空調(diào)設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性試驗以及進(jìn)行環(huán)境舒適性主觀評價的數(shù)據(jù)積累提供了條件.

參考文獻(xiàn)：

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