空调器制冷量测试方法研究

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简介:空调器制冷量测试方法研究Research on Test Method for Refrigerating Capacity of Air-conditioner摘要:本文介绍两种空调器性能测试方法的特点和适用范围,包括测量精度、试验室建造成本等。通过多台标准机在不同 ...
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空调器制冷量测试方法研究
Research on Test Method for Refrigerating Capacity of Air-conditioner

摘要:本文介绍两种空调器性能测试方法的特点和适用范围,包括测量精度、试验室建造成本等。通过多台标准机在不同试验室的测试比较,给出不同的试验目的应选择不同的试验方法建议。 
关键词:空调器;热平衡法;焓值法;制冷量;制热量
Abstract:This paper introduces the characteristics and application scope of two kinds of air-conditioner performance test method, including measurement accuracy, laboratory construction cost, etc. through comparing several standard machines in different laboratories, this paper gives the suggestion that the tests with different purposes should select different test methods.
Key words: air-conditioner; heat balance method; enthalpy method; refrigerating capacity; heating capacity

  房间型量热计法或空气焓值法是测量房间空调器制冷量和热泵制热量的常用方法,通常认为: 房间型量热计法从原理上说其测量结果最为准确,我们应该使用何种方法?国际标准化组织推荐何种方法?我国国家标准规定采用何种方法?两种方法各自的特点和适用范围等问题,本文作一综述,从实际测试结果比较,找出适用的测试方法,建造合理的实验室。

  1 空调器制冷量、热泵制热量测试的基本方法
  目前测试空调器制冷量、热泵制热量的方法大致有两种:空气焓值法和房间型量热计法。其中空气焓值法试验装置又有房间式、风洞式和环路式三种房间形式;而房间型量热计法试验装置又有标定型和平衡环境型两种房间形式。目前最为广泛被试验室和生产企业采用的是风洞式空气焓值法和平衡环境型房间量热计这两种形式的试验装置。
  1.1 风洞式空气焓值法试验室基本测试原理
  空气焓值法对空调器的送风参数、回风参数以及循环风量进行测量,用测出的风量与送风、回风焓差的乘积确定空调器的制冷、制热能力。风洞式空气焓值法的试验装置示意图如图1所示。
  空气焓值法试验室有两个相邻的房间,一个作为室内侧试验房间,一个作为室外侧试验房间,两个试验房间的空气状态在被试空调制冷产品和空气处理机组(房间空调装置)的共同作用下,应该能分别保持在GB/T 7725-2004标准规定的试验工况条件范围内,空气测量装置安装在室内侧并与空调器送风口相接,通过空气测量装置(包括空气流量测量装置、温度取样器、压力计等)分别测试被试空调制冷产品的室内机送、回风口空气的干球及湿球温度以计算相对湿度,即可取得取样截面空气状态,根据空气的干、湿球温度和该处的空气压力,即可根据湿空气的焓湿图或计算公式求出空气的焓值。同时测量室内机的风量。测得的风量与焓差相乘即可得到被试空调制冷产品的制冷量或制热量。
  这种方法具有快速、方便、投资少、测试精度满足生产要求的优点,它是国标规定的常用测试方法之一。
  焓差法试验室的设计主要依据的标准为国标 GB 7725-2004《房间空气调节器》和 ISOD 5151.94《不带风道的空调器和热泵的试验和测定》。
  1.2 平衡环境型房间型量热计基本测试原理
  平衡环境型房间量热计是用两间相邻“房间”来度量热量的,即用隔热墙把测试室分成室内侧和室外侧两部分,分别设置空气再处理机组模拟空调实际运行时的工作环境,在被试空调器和空气再处理机组的共同作用下,达到稳定的工况(使试验机组在给定的恒定温度、湿度、压力下运行)以后,通过测定用于平衡制冷量和除湿量所输入量热计室内侧的热量和水量来确定被试空调器室内侧制冷量;通过用于平衡空调器冷凝器侧排出的热量和凝结水量而从量热计室外侧取出的热量和水量来确定被试空调器室外侧制冷量。被试空调器的制冷(热)量以室内侧测得的值为准,另一侧测得的制冷(热)量提供一种验证试验,二者之间测定值的偏差不大于±4%,则认为测试数据有效。平衡环境型房间型量热计的试验装置示意图如图2所示。
  房间量热计是测定房间空调器制冷和制热能力的重要方法,是国际标准化组织推荐并已在我国采用的标准方法。与焓值法相比,其特点是能够保持房间空调器在试验时的工作状态与使用时一致。由于套间内的干球温度分别等于室内侧和室外侧干球温度,房间量热计与外界没有热交换,稳定性好。

  2 制冷(热)量试验的试验方法及测量不确定度要求
  2.1 制冷(热)量试验的试验方法
  GB/T 7725-2004标准明确规定,将被试空调器按说明书要求,正常安装在房间量热计内或空气焓值法试验室内。被试空调器应处于最大送风,最大制冷位置;温控器应处于最低温度位置,使被试空调器在额定电压,额定频率下能连续长久工作。按被试空调器气候类型分类,选取相应工况条件,调节房间量热计内或空气焓值法试验室的温、湿度调节装置,使试验工况进入稳定状态1小时后,每5min读数一次,连续七次测量和记录。
  2.2 制冷(热)量试验的测量不确定度要求
  影响制冷(热)量测试结果的外部因素很多,如试验工况用到的水介质(温度、温差、体积流量、静压差)、空气介质(干球温度、湿球温度、体积流量、静压差)、输入电量、时间、质量、速度等等,这些参数的变化均有可能对制冷(热)量测量结果产生较大的影响,因此,在测试过程中,应控制好这些因素,使影响的程度降到最低。GB/T 7725-2004中对这些参数的测量显示值的不确定度进行了明确的规定,如表1所示。

  3 两种测试方法的技术特点及适用范围
  3.1 焓值法测试精度与风量测量装置
  焓值法的控制的参数既是试验的条件,也是试验测量的标的,因而测试精度取决于控制精度。
  风洞型焓差试验室测试空调器的制冷量的数学模型是:
                                                 (1)
  式中:
  φtci—室内侧测量的总制冷量,W;
  qvi—空调器室内测点的风量,m3/s;
  ha1—空调器室内侧回风空气焓值,J/kg(干);
  ha2—空调器室内侧送风空气焓值,J/kg(干);
  v’n—测点处湿空气比容,m3/kg;
  Wn—测点处空气湿度,kg/kg(干)。
  由公式(1)可见影响其测试数据的关键因素是qvi、ha1和ha2。风量qvi的测量最为关键,其测量的精度受风洞的喷嘴制造工艺、静压差测量的准确度,以及测试样机连接到风洞的风管安装形状和尺寸的影响。尤其是在风管安装方面,因安装的重复性较差,不同的人、不同的方式及不同的尺寸进行风管安装,都会对标准机的输出风量有影响,同时因无法量化分析风管的影响量和不确定度,导致焓差法测试的数据复现性较差。
  其中喷嘴应符合图3中规定的结构尺寸要求,且喷嘴喉部速度必须在15m/s到35m/s之间;多个喷嘴应按要求布置,即两个喷嘴之间中心距离不得大于3倍最大喷嘴喉部直径(Dmax),喷嘴距箱体不得小于1.5倍最大喷嘴喉部直径,喷嘴加工应按要求,喷嘴的出口边缘应是直角,不得有毛刺、凹痕或圆角,穿孔板的穿孔率为40%。
  3.2 焓值法测试对试验室工况的要求
  测试过程中,要求室内机室和室外机室的空气状态 ( 包括温度和湿度及大气压力 ) 同时维持在GB/T 7725-2004国家标准所规定的试验工况。因此,室内机室和室外机室内的空气都要经过空气再处理系统处理,达到标准的试验工况,如表2所示。 
  3.3 平衡环境型房间量热计精度与漏热量
  房间量热计的控制参数仅是试验的条件,不是试验测量的标的,因而测试精度不完全取决于控制精度。平衡环境型房间量热计的测试精度取决于若干控制量操作量在测定周期中的稳定精度,即不取决于控制的过程,包括干扰的程度、控制的模型等等。因而要提高房间量热计的测试精度,应减少参与计算的物理量所受干扰的程度和被调节的幅度。
  平衡环境型房间量热计实验室的制冷量计算公式如下:
  φtci=ΣPr+(hw1—hw2)Wr+φ1p+φ1r                                    (2)
  式中:
  φtci—室内侧测定的空调器总制冷量,W;
  ΣPr—室内侧的总输入功率,W;
  hw1—加湿用的水或蒸汽的焓值,如试验过程中未曾向加湿器供水,则hw1取再处理机组中加湿器内水温下的焓值,kJ/kg;
  hw2—从室内侧排到室外侧的空调器凝结水的焓值,凝结水的温度不能实现测试时(一般在空调器内部发生),可以冷凝温度代替或通常假定等于空调器送风的湿球温度估算,kJ/kg;
  Wr—空调器内的凝结水量,即为再处理机组中加湿器蒸发的水量,g/s;
  φ1p—由室外侧通过中间隔墙传到室内侧的漏热量,由标定试验确定(或平衡型量热计可根据计算确定),W;
  φ1r—除了中间墙外,从周围环境通过墙、地板和天花板传到室内侧的漏热量,由标定试验确定,W。
  公式(2)的计算数据主要受仪器仪表的测量精度和漏热量的标定影响,其中φ1p和φ1r受设备材料的老化、温度测量点的不均匀性及标定时的仪表精度的影响,会在平衡环境型房间量热计实验室的整个使用周期中出现变化,但对短时间的测量影响不大。
  用平衡环境型房间量热计测量空调器制冷(热)量时,其测量准确度与多项因素有关,包括温、湿度仪器的控制精度,隔室、隔墙漏热量测量精度,电参数仪器测量精度和水量仪器测量精度等,其中漏热量参数最为关键。
  通常从以下几个方面考虑,以减少漏热量对测量结果的影响:
  1)量热计房间内表面应采用无孔材料,全部接缝必须密封,量热计房间的门、窗应采用衬垫说适当方法密封,并且在其室内侧和室外侧的外面分别设有温度可控的套间,使套间的干球温度和湿球温度分别等于室内侧和室外侧的干球温度和湿球温度。这样可以认为除中间隔热墙外,通过平衡环境型房间量热计的其他五面墙壁没有漏气和漏湿(或者很小)。
  2)量热计隔室的围护与其外套的相应套间的相应护围必须留有至少0.3m的足够的距离,并在套间内装有空气循环装置防止空气分层,保证套间内的温度场均匀。
  3)将中间隔墙的漏热量也计入热平衡计算中。
  4)量热计房间护围结构应有良好的保温性能,在11℃温差下的漏热量(包括辐射热量)不大于试验机组容量的10%或300W,两者取大值。
  5)测试时应开启合适的冷却机组、加热组件来保持室内侧温度平衡。一般来说内侧总功率越小,其测量不确定度越小。
  6)空气采样装置的放置要符合标准要求,湿球纱布要按时更换,测量湿球温度要用蒸馏水、湿球纱布要按时更换,采样风速不低于5m/s。
  3.4 量热计测试注意事项
  1)应按照制造厂的安装说明和所提供的附件,将被测空调器安装在试验房间内,空调器所有试验均按照铭牌上的额定电压和额定频率进行。
  2)除试验必须要连接的装置和仪器外,不对被测空调器进行其他的更改。
  3)试验进行时,不能改变空调器风机转速和系统阻力(变频、变容型空调器除外),其试验结果应按标准大气压修正大气压力。
  4)分体式空调器室内机组与室外机组的连接管,应按照制造厂规定5m或7m为测试的管长,两者取小值,作为空调器部件的连接管不应切断管子进行试验。除设计要求外,一般应将一半管长置于室外侧环境进行试验,其管径、安装、绝缘保温、抽空排气、充注制冷剂等应符合制造厂要求。
  5)对于湿球温度为0℃以下的工况条件,可通过控制相对湿度来获得湿球温度的控制。
  6)试验过程中,监测工况的各参数读数与标准规定的工况条件值之间的的最大偏差必须满足标准的要求。
  7)在进行制冷(热)试验过程中,7次测试时的各参数读数的平均值对额定工况的偏差,以及各读数对额定工况的最大偏差也必须满足标准的要求。

  4 测试结果比较及误差分析
  用5台标准样机分别在平衡环境型房间型量热计和风洞式空气焓值法实验室测得的相关数据,如表3所示。
  数据中显示,量热计法的制冷量能力测试结果比空气焓值法大,而功率相应也较大,出现该结果的可能性主要有两个原因:
  1)标准机自身的波动造成。目前国内外采用的标准机一般为窗式空调器,除去了空调器的内外机连接管连接、制冷剂灌注等方面的影响,测试数据受样机自身安装因素的影响也少。就短时间内的重复性测量来看,窗式空调器的稳定性也相对较好;但受压缩机的制造工艺及窗式空调器自身结构的影响,如排水系统、送回风系统等,仍有可能会存在1%左右的波动。
  2)因焓差法需在标准机与风洞间连接风管,受风管的影响,标准机的出风状态无法实现自由出风,风管风阻也会令标准机的出风风量减少,制冷量及功率的测试值也会小。
  一般来说,空气焓值法与量热计法测得的数据偏差不超过3%时,可认为空气焓值试验台的测试结果是满意的。

  5 两种试验方法的选择建议
  5.1 选择空气焓值法测量
  空气焓值法造价便宜,不仅能进行静态测试,同时也能瞬时测定不稳定的制冷(热)量。尽管它在测量时,需要安装出风管、静压环等辅助设备,样机安装较复杂,影响因素较多,测量结果不确定度比较大(一般为3%左右)。但是空气焓值法测制冷量测试周期比较短,工况稳定1小时后就可以读取数据,测试所耗的能量少,试验过程中对样机、设备的调整比较便利,在对同一样机进行多个工况的测试时非常高效,因此是实验室和生产企业首选的测定方式。
  对测定空调器的一些非稳态性能,必须用空气焓值法进行测定:
  1)测定热泵型空调器的制热量。当室外温度低于摄氏4度时或空调器设计不合理时,在室外盘管上出现结霜现象,随着霜层的增厚,制热量不断下降,则空调器的制热量随时间而变。有自动除霜开关的空调器,当达到某一定值时,就自动进行除霜运行,这时空调器的制热量为零或有短暂的制冷现象。空调器在这样的不稳定工况下工作,就无法利用房间量热计进行制热量测定,这时只能焓差法来测量。
  2)测定变频空调器的季节能效比(SEER)参数。在进行测定过程中,由于需要测定空调器间歇启/停状态下空调器的制冷量和输入功率,这是一个非稳态的过程,须用空气焓值法进行测定。
  5.2 选择房间型量热计法测量
  房间型量热计法测试制冷(热)量,试验工况平衡时间一般每次需要6-8小时,试验费用比较高,而且在试验过程中对样机、设备的调整不便利。但由于它样机安装比较简单,不需要接风管等辅助设备,而且测量结果不确定度比较小(一般为1%左右)。因此,在对测试的制冷(热)量值有争议时,或者用焓差法测定的值计算出的制冷(热)量偏差零界标准允许的偏差范围时,应选用房间量热计进行再测定。它被广泛应用于仲裁检验、比对试验以及测量审核等对测量结果不确定度要求比较高的场合。

参考文献
[1]  GB 7725-2004,房间空气调节器[S].
[2]  ISOD 5151.94,不带风道的空调器和热泵的试验和测定[S].


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