空氣焓差法測(cè)量空調(diào)器制冷量測(cè)量不確定度的研究

李敏黃升宇黃華

（1.上海出入境檢驗(yàn)檢疫局 上海 200135；2.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心上海分中心）

空氣焓差法測(cè)量空調(diào)器制冷量測(cè)量不確定度的研究

李敏1黃升宇2黃華1

（1.上海出入境檢驗(yàn)檢疫局 上海 200135；2.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心上海分中心）

通過(guò)空調(diào)器制冷量測(cè)試的實(shí)例，分析空氣焓差法測(cè)量的誤差來(lái)源，并對(duì)制冷量測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不確定評(píng)價(jià)，為業(yè)內(nèi)同行提供參考。

空調(diào)器；空氣焓差法；制冷量；測(cè)量；不確定度

1 前言

熱平衡法和空氣焓差法是目前業(yè)內(nèi)對(duì)空調(diào)器進(jìn)行制冷量測(cè)試的主要方法。熱平衡法利用冷熱平衡的原理，通過(guò)電熱去平衡制冷量，因而測(cè)試準(zhǔn)確度高，但測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，所能測(cè)試的制冷量范圍較小，主要用于房間空調(diào)器的制冷量測(cè)試。而空氣焓差法是利用工程的方法，通過(guò)測(cè)量被試機(jī)風(fēng)量和進(jìn)出風(fēng)空氣焓值，經(jīng)公式計(jì)算出空調(diào)器的制冷量。相對(duì)于熱平衡法而言，空氣焓差法測(cè)試空調(diào)器制冷量速度快且測(cè)量范圍不受限制，因而使用更加普遍。

由于空氣焓差法測(cè)試空調(diào)器制冷量涉及到多個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)，使用了大量的如壓力、溫度、電量等儀表，在測(cè)試過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差積累，使得測(cè)試結(jié)果存在不確定性。因此，需要對(duì)空氣焓差法測(cè)試空調(diào)器制冷量過(guò)程的誤差來(lái)源進(jìn)行分析，并對(duì)其測(cè)量的不確定度進(jìn)行評(píng)價(jià)。雖然國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TS 16491：2012（E）《Guidelines for the evaluation of uncertainty of measurement in air conditioner and heat pump cooling and heating capacity tests》[1]技術(shù)規(guī)范對(duì)空調(diào)器制冷量測(cè)試的不確定度分析、計(jì)算方法進(jìn)行了規(guī)范，但由于各試驗(yàn)室裝置結(jié)構(gòu)、工作原理和使用的儀器儀表不盡相同，因此各試驗(yàn)室只能根據(jù)自己的實(shí)際情況，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)價(jià)。

2 空氣焓差法測(cè)試試驗(yàn)室工作原理簡(jiǎn)介

圖1是空氣焓差法測(cè)試室的原理圖。從圖1中可以看出：焓差試驗(yàn)室分室內(nèi)和室外間室，室內(nèi)、外間室均能通過(guò)空氣調(diào)節(jié)裝置分別控制其內(nèi)部環(huán)境；室內(nèi)間室裝有風(fēng)量測(cè)量裝置，用來(lái)測(cè)量被試空調(diào)器的風(fēng)量；室內(nèi)、外間室均分別裝有空氣取樣裝置，以測(cè)試空調(diào)器的進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)狀態(tài)（焓值）。

圖1 風(fēng)洞式空氣焓值法試驗(yàn)裝置的原理圖[2]

測(cè)試時(shí)，按照空調(diào)器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定工況設(shè)置焓差試驗(yàn)室室內(nèi)、外的工況；空調(diào)器以額定電壓運(yùn)行至穩(wěn)定狀態(tài)后，開始讀取制冷量測(cè)試數(shù)據(jù)；采集數(shù)據(jù)分7組，每組5min，共計(jì)采集35min；然后將7組測(cè)試值進(jìn)行平均，平均值作為額定制冷量的測(cè)試結(jié)果。

3 空氣焓差法測(cè)試空調(diào)器制冷量不確定度評(píng)價(jià)方法

3.1 建立數(shù)學(xué)模型

依據(jù)空調(diào)器制冷量的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》[2]、GB/T17758-2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》[3]及ISO5151-2010《自由送風(fēng)型空氣調(diào)節(jié)器和熱泵的試驗(yàn)和測(cè)定》[4]，制冷量計(jì)算公式為：

該計(jì)算公式就是焓差法測(cè)試空調(diào)器制冷量不確定度評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型。

公式中：φtci-總制冷量（室內(nèi)側(cè)數(shù)據(jù)）（W）；

qvi-室內(nèi)機(jī)風(fēng)量（m3/s）；

ha1-室內(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)空氣比焓（kJ/kg）；

ha2-室內(nèi)機(jī)出風(fēng)空氣比焓（kJ/kg）；

MV-水蒸氣的摩爾質(zhì)量（kJ/mol）；

δ-水蒸氣的摩爾質(zhì)量與干空氣摩爾質(zhì)量的比率；

R-理想氣體常數(shù)；

T-室內(nèi)機(jī)出風(fēng)干球溫度（℃）；

P-大氣壓（Pa）；

PW-出風(fēng)濕球溫度下的水蒸汽的分壓力（Pa）。

3.2根據(jù)數(shù)學(xué)模型確立不確定度的來(lái)源——不確定度分量

影響制冷量測(cè)量的不確定因素主要包括：

（1）qvi測(cè)量的誤差；

（2）ha1測(cè)量誤差；

（3）ha2測(cè)量誤差；

（4）T 測(cè)量誤差；

（5）P 測(cè)量誤差；

（6）PW測(cè)量誤差；

（7）確定的對(duì)測(cè)量不確定間接貢獻(xiàn)（IC）。

其中，（1）-（6）項(xiàng)不確定度分量均可由儀器等級(jí)和計(jì)量證書上的數(shù)據(jù)來(lái)確定，采用B類不確定度評(píng)價(jià)方法；（7）項(xiàng)是預(yù)先給定的不確定度的間接貢獻(xiàn)，ISO/TS 16491 First edition 2012-12-01規(guī)定的IC為試測(cè)制冷量的1.5%[1]。

3.3 計(jì)算各不確定度分量的大小

根據(jù)儀表的測(cè)量精度、概念分布的包含因子及靈敏系數(shù)計(jì)算出各不確定度分量大小。

3.4 合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算

合成不確定度計(jì)算按照公式（2）計(jì)算

3.5 擴(kuò)展相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算

擴(kuò)展相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度按照公式（3）計(jì)算

其中k取2。

4 測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)實(shí)例

表1是某知名企業(yè)的一套2 HP的柜式空調(diào)器在上海出入境檢驗(yàn)檢疫局5 HP空氣焓差試驗(yàn)室制冷量的測(cè)試結(jié)果，據(jù)此實(shí)例來(lái)進(jìn)行制冷量不確定度評(píng)價(jià)分析。

表1 空調(diào)器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

各測(cè)量不確定度分量分析如下。

用噴嘴法測(cè)量風(fēng)量的具體方法在相關(guān)文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)中都有介紹，這里不再贅述。風(fēng)量的計(jì)算公式為：

其中：Cd-噴嘴的流量系數(shù)；

An-噴嘴面積（m2）；

PV-噴嘴前后壓差（kPa）；

Vn'-為噴嘴進(jìn)口處濕空氣的比容（m3/kg）。

試驗(yàn)測(cè)得被試機(jī)的風(fēng)量為960.3 m3/h，測(cè)試設(shè)備經(jīng)計(jì)量標(biāo)定的風(fēng)量測(cè)試精度為；4.80%，不確定度分布為正態(tài)分布，包含因子k＝2。則風(fēng)量測(cè)量的相對(duì)不確定度為：

實(shí)測(cè)工況條件：空調(diào)器室內(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)干球溫度為26.97℃，濕球溫度為18.98℃，空氣比焓為為53.62 kJ/kg。對(duì)應(yīng)濕球溫度0.2℃的最大測(cè)量偏差，ha1測(cè)量不確定度為0.66 kJ/kg，不確定度分布為正態(tài)分布，包含因子k＝2，則ha1測(cè)量的相對(duì)不確定度為：

實(shí)測(cè)工況條件：空調(diào)器室內(nèi)機(jī)出風(fēng)干球溫度為14.23℃，濕球溫度為13.73℃，空氣比焓為38.44kJ/kg。對(duì)應(yīng)濕球溫度0.2℃的最大測(cè)量偏差，ha2的測(cè)量不確定度為0.50 kJ/kg，不確定度分布為正態(tài)分布，包含因子k＝2，則ha2測(cè)量的相對(duì)不確定度為：

T的測(cè)量最大偏差為0.3 K，不確定度分布為正態(tài)分布，包含因子k＝2，室內(nèi)機(jī)出風(fēng)開氏溫度為：T=273+14.23=287.23（K），則T測(cè)量的相對(duì)不確定度：

P測(cè)量的儀表精度為1.0×105Pa×1.0%=1000Pa，不確定度分布為正態(tài)分布，包含因子k＝2，則P測(cè)量的相對(duì)不確定度為：

PW測(cè)量的儀表精度為 1300Pa×2.3%=30Pa，不確定度分布為正態(tài)分布，包含因子k＝2，則PW測(cè)量的相對(duì)不確定度為：

IC預(yù)設(shè)值為測(cè)試結(jié)果的1.5%，包含因子k＝2，則IC的相對(duì)不確定度為：

4.8 不確定度評(píng)價(jià)結(jié)果

不確定度評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不確定度評(píng)價(jià)結(jié)果表

根據(jù)表2，合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

擴(kuò)展不確定度為：

5 結(jié)論

本研究通過(guò)實(shí)例，闡述了空氣焓差法測(cè)試空調(diào)器制冷量的誤差來(lái)源、不確定度的評(píng)價(jià)程序和評(píng)價(jià)方法，此評(píng)價(jià)方法同樣適用于制熱量測(cè)試。業(yè)內(nèi)試驗(yàn)室可根據(jù)各自使用的試驗(yàn)裝置和儀器儀表的實(shí)際情況，參考此方法對(duì)各自試驗(yàn)室制冷量測(cè)試不確定度進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而滿足客戶的實(shí)際需求。

[1]TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS16491 First edition 2012-12-01＜Guidelines for the evaluation of uncertainty of measurement in air conditioner and heat pump cooling and heating capacity tests＞[S].

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

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

Analysis of the Main Deviation Sources of Measuring the Cooling Capacity of Air Conditioners by the Air Enthalpy Method and the Evaluation of Measurement Uncertainty

LI Min1，HUANG Shengyu2， HUANG Hua1
（1.Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau， Shanghai， 200135；2.China Quality Certification Center Shanghai Branch）

In this paper，through the air conditioner cooling capacity test example，analysis of the deviation source of the air enthalpy method，and the test results of the cooling capacity of the uncertainty evaluation，to provide reference for the industry counterparts.

Air Conditioners；Air Enthalpy Method；Refrigerating Capacity；Measure；Uncertainty

TM5

E-mail：limin@shciq.gov.cn

上海出入境檢驗(yàn)檢疫局科研項(xiàng)目（HK029-2016）

2016-12-05