國標(biāo)允差對水冷式冷水機組性能影響的研究

包繼虎，曹 晨，李同彪，趙宗彬，謝鴻璽，劉輝

1 前言

隨著制冷行業(yè)的快速發(fā)展，由此帶來的能源消耗也逐漸突顯，多年來，各國通過制定制冷空調(diào)產(chǎn)品的測試標(biāo)準(zhǔn)、實施制冷空調(diào)產(chǎn)品的能效限定值和能效標(biāo)識等一系列措施來提升產(chǎn)品的能源效率，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的［1，2］。而這一系列措施與制冷空調(diào)產(chǎn)品的性能測試密不可分，然而，受測試環(huán)境和人為因素的影響，產(chǎn)品性能測試的實際工況點通常會在允差范圍內(nèi)發(fā)生偏移，這往往會導(dǎo)致測試結(jié)果不是名義工況點，而是在允差范圍內(nèi)某一工況點測得，基于該測試結(jié)果對制冷空調(diào)產(chǎn)品進(jìn)行評定，可能會導(dǎo)致對空調(diào)產(chǎn)品的不合理判定［3］。特別是隨著大型、集成的制冷空調(diào)產(chǎn)品越來越廣泛，而型號較大的機組，在同樣的測試允差下檢測的結(jié)果偏差也較大。這樣會導(dǎo)致機組的樣本說明書提供的技術(shù)參數(shù)與測試結(jié)果存在較大差異，給設(shè)計人員提供的選型技術(shù)參數(shù)存在偏差，給實際的工程項目能否達(dá)到設(shè)計要求增大了不確定性。因此，允差變化對制冷空調(diào)產(chǎn)品性能影響的研究正受到廣泛關(guān)注。潘亞梅等采用空氣焓差性能測試法，分析了現(xiàn)行國標(biāo)規(guī)定的干濕球溫度允差對風(fēng)管送風(fēng)式熱泵試驗樣機的制冷量與能效比的影響［4，5］。張忠斌等試驗分析了房間空調(diào)器的制冷量和能效比隨干濕球溫度的變化特性，提出了采用赤池信息量準(zhǔn)則（Akaike information criterion，AIC）對其進(jìn)行曲線擬合方案最優(yōu)化選?。?］。在此基礎(chǔ)上，張忠斌等提出了一種求解干溫球溫度在國家標(biāo)準(zhǔn)允差范圍內(nèi)變化的制冷量和能效比實測結(jié)果向名義工況值回歸逼近的修正算法，并以制冷工況下的室內(nèi)側(cè)干濕球溫度允差范圍變化的房間空調(diào)器制冷量和能效比測試結(jié)果為實例進(jìn)行了算法修正［3～7］。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，以水冷式冷水機組為研究對象，基于液體載冷劑法，采用理論分析與試驗相結(jié)合的研究方法，控制測試工況在GB/T 18430.1-2007允差范圍內(nèi)的偏差，測量水冷式冷水機組的制冷量，以分析標(biāo)準(zhǔn)工況規(guī)定的允差變化對冷水機組性能判定的影響。

2 測試允差的影響

GB/T 18430.1-2007中規(guī)定：水冷式冷水機組的制冷量采用液體載冷劑法進(jìn)行試驗測定和計算［8］，液體載冷劑法是通過測量冷水機組換熱器進(jìn)出水溫度、水流量，用測出的進(jìn)出水溫差和水流量的乘積，同時乘以平均溫度下水的比熱容和密度以確定機組的性能，即機組制冷量可按下式計算［9，10］：

式中 Q—— 機組制冷量，W

C——水的平均比熱容，J/（kg·℃）

ρ——水的密度，kg/m3

qv——水的體積流量，m3/s

twe，twl——冷媒水進(jìn)出水溫度，℃

為方便分析，式（1）中不考慮環(huán)境空氣傳入使用側(cè)換熱器水側(cè)的熱量修正項。式（1）中水的平均比熱容和密度通常將其視為常數(shù)，因此，理論上冷媒水流量和進(jìn)出水溫度一旦確定，機組的制冷量即可得到。

測試過程中，受測試環(huán)境和人為因素的影響，機組性能測試的實際工況點通常會在允差范圍內(nèi)發(fā)生波動，基于這一客觀事實，GB/T 18430.1-2007對冷水機組性能測試時的水流量和溫度偏差進(jìn)行了規(guī)范化要求（以名義制冷工況為例），見表 1［7］。

表1 機組測試溫度和流量的偏差

經(jīng)過長期的實際測試發(fā)現(xiàn)：有廠家生產(chǎn)的水冷式冷水機組在最不利工況允差條件下（如冷媒水出口水溫取下限，偏差在0.1℃范圍內(nèi)）測試時，制冷量不能滿足GB/T 18430.1-2007中5.4a）制冷量應(yīng)不小于名義規(guī)定值的95%的性能判定要求，當(dāng)把允差置于最佳工況條件下（如冷媒水出口水溫取上限，偏差在0.1℃范圍內(nèi)）進(jìn)行測試時，冷水機組制冷量能達(dá)到GB/T 18430.1-2007中5.4a）制冷量應(yīng)不小于名義規(guī)定值的95%的性能判定要求。研究發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)該情況的主要原因是由于允差的范圍與制冷量國標(biāo)規(guī)定值不一致造成的。在理想測試情況下，冷媒水進(jìn)出水溫差應(yīng)該為5℃，考慮使用側(cè)水流量系數(shù) 0.172m3/（h·kW）［6］，基于表1所給允差范圍的測試結(jié)果需要滿足GB/T 18430.1-2007中5.4a）制冷量應(yīng)不小于名義規(guī)定值的95%的性能判定要求，即實測制冷量等于由式（1）計算所得制冷量，且該計算結(jié)果應(yīng)大于等于名義制冷量的95%，即：

式中 δf——水流量允差

δt——出水溫度允差

式（2）可進(jìn)一步簡化為：

由式（3）可知，水流量和出水溫度的允差條件至少要滿足式（3）的下限值4.75，測試才能從理論上避免因允差變化對測量結(jié)果的影響，如果允差條件小于該下限值，說明允差條件與國標(biāo)規(guī)定的判定要求5.4a）不一致，這必然會對判定帶來影響。將表1所給的允差代入式（3）左側(cè)公式計算可得：

比較式（3）和（4）可知，由表1所給允差計算所得下限值4.465小于式（3）下限值4.75，因此，采用表1的允差進(jìn)行測試，理論上是會導(dǎo)致對冷水機組的不合理評定，這也從理論上進(jìn)一步說明為什么會出現(xiàn)有廠家生產(chǎn)的水冷式冷水機組在不利允差條件下測試時，制冷量不能滿足GB/T 18430.1-2007中5.4a）制冷量應(yīng)不小于名義規(guī)定值的95%的性能判定要求，而把允差置于有利條件下進(jìn)行測試時，冷水機組制冷量能達(dá)到GB/T 18430.1-2007中5.4a）制冷量應(yīng)不小于名義規(guī)定值的95%的性能判定要求。因此，為了從理論上避免允差波動范圍對測量結(jié)果的影響，一方面保持GB/T 18430.1-2007中制冷量的判定條件，將表1允差范圍按國標(biāo)對冷水機組性能的判定要求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整后的允差如表2所示，經(jīng)長期的冷水機組測試驗證，表2允差均可在冷水機組試驗臺上實現(xiàn)。

表2 滿足判定條件的溫度和流量的偏差

基于調(diào)整后的允差對冷水機組進(jìn)行測試，可以有效避免允差波動對測試結(jié)果判定的影響，以提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。一方面保持表1允差范圍，將GB/T 18430.1-2007中制冷量的判定條件5.4a）調(diào)整為：制冷量應(yīng)不小于名義規(guī)定值的89%的性能判定要求，基于該判定條件，式（2）變?yōu)椋?/p>

式（5）可進(jìn)一步簡化為：

由式（6）與式（4）比較可知，允差在表1范圍內(nèi)變化不會對判定帶來影響。

3 試驗分析

下面將結(jié)合某公司生產(chǎn)的冷水機組為例對測試允差變化的影響進(jìn)行分析，以驗證允差調(diào)整的合理性。經(jīng)長期的實際測試發(fā)現(xiàn)，，控制水流量的允差為±1%，水溫允差為±0.1℃，測試過程中，為了掌握水流量和水溫的允差對測試結(jié)果的影響，允許水流量和水溫在一定范圍內(nèi)取值，定義溫度高于工況溫度的偏差為正偏差，低于工況的偏差為負(fù)偏差。

3.1 樣機參數(shù)

機組的名義制冷量為285kW，制冷消耗總電功率為52kW，性能系數(shù)為5.48kW/kW。為了比較現(xiàn)有國標(biāo)允差對冷水機組性能的影響，基于表1允差的上下限，將冷水機組測試工況進(jìn)行細(xì)化，細(xì)化后的冷水機組測試工況如表3所示。表3中水流量工況的數(shù)值均在GB/T 18430.1-2007規(guī)定的±5%范圍內(nèi)，進(jìn)出水溫度工況的數(shù)值均在國標(biāo)規(guī)定的±0.3℃范圍內(nèi)。

表3 冷水機組測試工況參數(shù)

表3中測試工況說明：工況1～3使用側(cè)水流量變化，工況4，5冷媒水出水溫度變化，工況6，7冷卻水進(jìn)水溫度變化，工況8，9熱源側(cè)水流量變化，工況10～13有利工況參數(shù)和不利工況參數(shù)組合。

3.2 試驗裝置及測量儀器

圖1為冷水機組性能試驗裝置原理，在機組使用側(cè)和熱源側(cè)均安裝有水流量、水溫測量裝置，通過測量機組的進(jìn)出水溫度、水流量等參數(shù)即可確定冷水機組的性能參數(shù)。本次試驗在2500kW冷水機組試驗臺上進(jìn)行，該試驗臺經(jīng)國家壓縮機制冷設(shè)備監(jiān)督檢驗中心認(rèn)證，其重復(fù)性小于2%，主輔偏差小于5%。測量用儀表、儀器準(zhǔn)確度按GB/T 10870-2014《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組性能試驗方法》的規(guī)定并經(jīng)校驗校準(zhǔn)合格，均在有效期內(nèi)。試驗平衡后每隔5min記錄一次數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄7次，7次記錄數(shù)據(jù)允差范圍均相同，最后求取7組數(shù)據(jù)的平均值。

圖1 試驗裝置原理示意

3.3 試驗結(jié)果及分析

表4為測試結(jié)果，由表4可知，在其它參數(shù)不變的情況下，較高的冷媒水出水溫度和較低的冷卻水進(jìn)水溫度對應(yīng)較高的制冷量，較低的冷媒水出水溫度和較高的冷卻水進(jìn)水溫度對應(yīng)較低的制冷量，這與理論分析的結(jié)果是一致的，因此，冷媒水出水溫度的正偏差和冷卻水進(jìn)水溫度的負(fù)偏差均會強化冷水機組的制冷量，冷媒水出水溫度的負(fù)偏差和冷卻水進(jìn)水溫度的正偏差均會弱化冷水機組的制冷量。較大的水流量會導(dǎo)致進(jìn)出水溫差變小，較小的水流量會導(dǎo)致進(jìn)出水溫差變大，最終水流量變化對機組性能的影響會因進(jìn)出水溫差的變化而減弱。因此，流量的變化對機組制冷量有一定影響，但不如水溫變化影響大。

表4 測試結(jié)果

值得注意的是，當(dāng)機組在最不利工況運行時（工況Ⅱ），試驗結(jié)果顯示機組制冷量并不能達(dá)到國標(biāo)判定要求，即：269.144 kW＜285×0.95=270.750 kW，而機組在其它工況運行時，機組制冷量均能滿足GB/T 18430.1-2007對名義制冷量的判定要求，這也從試驗上進(jìn)一步驗證了前面章節(jié)的理論分析，即：基于現(xiàn)有GB/T 18430.1-2007的允差條件，存在對水冷式冷水機組制冷量的不合理判定。如果將判定條件改為：制冷量應(yīng)不小于名義規(guī)定值的89%，即有269.144 kW＞285×0.89=253.650kW，基于該判定條件，測試機組制冷量即能達(dá)到要求。

4 結(jié)語

在現(xiàn)有國標(biāo)允差范圍內(nèi)進(jìn)行測試，有可能會導(dǎo)致對冷水機組的不合理判定，特別是隨著儀器儀表精度的不斷提高，人為因素控制實際測試工況點位于允差邊界點的可能性增大，因此，將冷水機組測試允差范圍根據(jù)國標(biāo)判定要求進(jìn)行合理調(diào)整，使其與判定條件要求范圍一致，一方面可從理論上避免允差波動對測試結(jié)果判定的影響；其次，可避免人為干預(yù)測試工況允差邊界導(dǎo)致對測試結(jié)果的不合理判定。

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