平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)新用法研究

楊為標(biāo) 張永亮 胡 健 李 雪 黃俊斌

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)是目前測(cè)定房間空氣調(diào)節(jié)器制冷量、熱泵制熱量的最精確的量熱計(jì)法，其工作原理是在室內(nèi)側(cè)與室外側(cè)分別設(shè)置溫度及濕度可控的套間，它可以同時(shí)在量熱計(jì)的室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)測(cè)定空調(diào)器的制冷量或制熱量[1]。

文獻(xiàn)[2, 3]對(duì)制冷量的測(cè)試方法和平衡環(huán)境性房間量熱計(jì)測(cè)試制冷量或制熱量的主要影響因素進(jìn)行了分析，其中影響制冷量測(cè)試精度的參數(shù)有中間隔墻隔熱量、漏熱量和冷凝水量，即在測(cè)試中，這3個(gè)量若能保持一致，測(cè)試結(jié)果誤差就小，但是文獻(xiàn)中沒(méi)有就測(cè)試的效率和測(cè)試的成本進(jìn)行分析。本文通過(guò)分析3個(gè)變量的特點(diǎn)，提出即保持測(cè)試精度滿足要求，又提升效率和降低成本的方法。從而滿足生產(chǎn)抽檢過(guò)程中，提高試驗(yàn)臺(tái)的效率，降低測(cè)試費(fèi)用與人工成本的方法，并結(jié)合傳統(tǒng)平衡環(huán)境型房間量熱計(jì)的工作原理，測(cè)試精度滿足要求，使得在一個(gè)熱平衡臺(tái)的基礎(chǔ)上，變成“兩個(gè)熱平衡”，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新熱平衡法可以等效替代傳統(tǒng)熱平衡法，提升試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試效率。

1 測(cè)試原理

1.1 傳統(tǒng)熱平衡實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)測(cè)試原理

傳統(tǒng)熱平衡遵循能量守恒原理，測(cè)試時(shí)房間工況機(jī)提供制熱量平衡空調(diào)器的制冷量，提供加濕量平衡空調(diào)器的除濕量，當(dāng)二者完全平衡時(shí)房間溫度保持恒定不變，房間工況為空調(diào)器實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工況，室內(nèi)側(cè)測(cè)得的數(shù)值即為空調(diào)器的實(shí)際能力[4]。室外側(cè)起到輔助測(cè)試的作用，室外側(cè)測(cè)得的數(shù)值用來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的作用。

根據(jù)能量守恒定律室內(nèi)側(cè)的制冷量數(shù)據(jù)在室內(nèi)側(cè)房間溫度場(chǎng)穩(wěn)定不變后（一般需穩(wěn)定4～6 h），與室內(nèi)工況調(diào)節(jié)機(jī)組用于平衡被測(cè)機(jī)制冷量和除濕量所需投入室內(nèi)側(cè)的制熱量和水量及中隔墻漏熱量，周?chē)魤β崃康拇鷶?shù)和為零，只要測(cè)得工況調(diào)節(jié)機(jī)組的總功率及中隔墻漏熱量，周?chē)魤β崃烤涂梢杂?jì)算出室內(nèi)測(cè)的制冷量。在傳統(tǒng)熱平衡法測(cè)試中室外側(cè)的制熱量數(shù)據(jù)也是采用能量守恒定律測(cè)得，與室內(nèi)側(cè)測(cè)得的制冷量原理相同。即在傳統(tǒng)熱平衡法測(cè)試時(shí)是同時(shí)對(duì)室內(nèi)機(jī)的制冷量與室外機(jī)的制熱量進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)平衡比在4 %以內(nèi)時(shí)認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，且以室內(nèi)測(cè)得的制冷量數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。從熱平衡的工作特點(diǎn)可以得出，在測(cè)制冷量時(shí)其有效值是通過(guò)室內(nèi)側(cè)測(cè)得，室外側(cè)僅提供驗(yàn)證的，熱平衡制冷量測(cè)試遵循能量守恒定律，即在一個(gè)密閉的空間中如果溫度及濕度維持恒定不變，即可認(rèn)為空調(diào)器的制冷量與房間內(nèi)的熱源數(shù)值相等。

傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)熱平衡實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)制冷量測(cè)試方法示意圖

傳統(tǒng)熱平衡測(cè)試的缺點(diǎn)：由于實(shí)驗(yàn)時(shí)室外機(jī)單獨(dú)擺放在室外側(cè)內(nèi)室，因此室外側(cè)內(nèi)室測(cè)出來(lái)的是室外機(jī)的“制熱量”，而熱平衡實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行空調(diào)器制冷量測(cè)試時(shí)只以室內(nèi)側(cè)內(nèi)室測(cè)出來(lái)的是室內(nèi)機(jī)的“制冷量”為準(zhǔn)，室外機(jī)的“制熱量”只起到一個(gè)驗(yàn)證的輔助作用。按此種方法測(cè)試導(dǎo)致測(cè)試時(shí)只能測(cè)試一套機(jī)器，降低了測(cè)試效率。

1.2 熱平衡實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用

測(cè)試系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用的布置如圖2所示。

圖2 新測(cè)試方法原理圖

依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 7725-2004對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試技術(shù)要求規(guī)定，房間空氣調(diào)節(jié)器的制冷量可采用房間型量熱計(jì)法進(jìn)行測(cè)試，空調(diào)器測(cè)定的制冷量應(yīng)以室內(nèi)側(cè)測(cè)得的值為準(zhǔn)[5]。通過(guò)將室外機(jī)擺在套間，套間的工況調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)要求的工況，室內(nèi)側(cè)與室外側(cè)都擺內(nèi)機(jī)即可以同時(shí)用兩個(gè)房間來(lái)進(jìn)行有效的測(cè)試，也充分利用了套間可調(diào)工況的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩套樣機(jī)的同時(shí)測(cè)試。

1）室內(nèi)側(cè)內(nèi)室測(cè)定的空調(diào)器（如圖中的1#機(jī)）制冷量按下式計(jì)算[6]：

式中：

φtci—室內(nèi)側(cè)測(cè)得的空調(diào)器制冷量，W；

∑Pr—室內(nèi)側(cè)內(nèi)室工況調(diào)節(jié)機(jī)的總輸入功率，W；

hw1—室內(nèi)側(cè)內(nèi)室加濕器用的水或蒸汽的焓值，kJ/kg；

hw2—室內(nèi)側(cè)內(nèi)室空調(diào)器凝結(jié)水的焓值，kJ/kg；

Wr—室內(nèi)側(cè)內(nèi)室被測(cè)空調(diào)器內(nèi)的凝結(jié)水量，g/s；

φl(shuí)p—由中間隔墻傳到室內(nèi)側(cè)內(nèi)室的漏熱量，根據(jù)中間隔墻內(nèi)外側(cè)溫度差值及漏熱系數(shù)確定，W；

φl(shuí)r—除了中間隔墻外，從周?chē)魤νㄟ^(guò)墻面?zhèn)鞯绞覂?nèi)側(cè)內(nèi)室的漏熱量，根據(jù)周?chē)魤?nèi)外側(cè)溫度差值及漏熱系數(shù)確定，W；

2）室外側(cè)內(nèi)室測(cè)定的空調(diào)器（如圖中的2#機(jī)）制冷量按下式計(jì)算：

式中：

φtco—室外側(cè)測(cè)得的空調(diào)器制冷量，W；

∑Po—室外側(cè)內(nèi)室工況調(diào)節(jié)機(jī)的總輸入功率，W；

hw3—室外側(cè)內(nèi)室加濕用的水或蒸汽的焓值，kJ/kg；

hw4—室外側(cè)內(nèi)室空調(diào)器凝結(jié)水的焓值，kJ/kg；

Wo—室外側(cè)內(nèi)室被測(cè)空調(diào)器內(nèi)的凝結(jié)水量，g/s；

φl(shuí)p—由中間隔墻傳到室內(nèi)側(cè)內(nèi)室的漏熱量，根據(jù)中間隔墻內(nèi)外側(cè)溫度差值及漏熱系數(shù)確定，W；

φl(shuí)oo—除了中間隔墻外，從周?chē)魤νㄟ^(guò)墻面?zhèn)鞯绞彝鈧?cè)內(nèi)室的漏熱量，根據(jù)周?chē)魤?nèi)外側(cè)溫度差值及漏熱系數(shù)確定，W；

如進(jìn)行的是一拖二空調(diào)制冷量實(shí)驗(yàn)，則總制冷量φt的計(jì)算公式為：

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 制冷量測(cè)試

基于新測(cè)試方法原理圖，兩套樣機(jī)室外機(jī)擺放在室外套間，如圖3所示，使套間變成室外側(cè)，從而存在2套室內(nèi)側(cè)，可同時(shí)進(jìn)行2套樣機(jī)制冷量測(cè)試。

圖3 室外機(jī)在套間擺放圖

傳統(tǒng)方法單獨(dú)測(cè)試12 kW和18 kW空調(diào)制冷量的測(cè)試界面如圖4（a）和4（b）所示。采用新的方法同時(shí)測(cè)試12 kW和18 kW兩套空調(diào)制冷量的測(cè)試界面如圖4（c）所示。

圖4 創(chuàng)新熱平衡法測(cè)試界面

圖4 創(chuàng)新熱平衡法測(cè)試界面

兩種方法制冷量的測(cè)試數(shù)據(jù)與偏差率如表1所示。

表1 制冷量測(cè)試數(shù)據(jù)與偏差率

2.2 制熱量測(cè)試

同理，應(yīng)用新舊方法對(duì)兩套樣機(jī)進(jìn)行制熱量測(cè)試對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)如下表2所示。

表2 制熱量測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

2.3 數(shù)據(jù)分析

按傳統(tǒng)熱平衡法及創(chuàng)新熱平衡法測(cè)試兩套分體機(jī)制冷量，制熱量，功率，能效比，性能系數(shù)偏差率均在1.5 %以內(nèi)，符合熱平衡實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量不確定度要求[7]，說(shuō)明創(chuàng)新熱平衡法可以等效替代傳統(tǒng)熱平衡法。

另采用En值對(duì)采用傳統(tǒng)方法和創(chuàng)新方法進(jìn)行對(duì)比分析[8]，評(píng)價(jià)創(chuàng)新方法測(cè)試效果。

式中：

Q1、Q2—兩種測(cè)試方法的制冷（熱）量；

Ur1、Ur2—兩種測(cè)試方法的不確定度，取1.5 %。

計(jì)算的En值如表3所示，從表3可知，En＜1.0，結(jié)果滿意。

表3 En 值

3 結(jié)論

采取單獨(dú)采集的特點(diǎn)，根據(jù)熱平衡測(cè)量原理分別推導(dǎo)出室內(nèi)側(cè)內(nèi)室、室外側(cè)內(nèi)室的制冷量及總制冷量計(jì)算公式，相當(dāng)于在一個(gè)熱平衡臺(tái)上實(shí)現(xiàn)滿足兩套機(jī)組的熱平衡測(cè)試，并進(jìn)行了采用創(chuàng)新熱平衡法與傳統(tǒng)熱平衡法的試驗(yàn)對(duì)比論證，并為保障測(cè)試一致性，采用2套不同冷量樣機(jī)開(kāi)展相關(guān)論證，對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果表明：

1）制冷(熱)量誤差在1.5 %內(nèi)，功率誤差在0.5 %內(nèi)，滿足空調(diào)器測(cè)試精度的要求；

2）對(duì)兩種測(cè)試方法進(jìn)行En值分析，En＜1.0，結(jié)果滿意，創(chuàng)新方法測(cè)試效果顯著，創(chuàng)新熱平衡法可以等效替代傳統(tǒng)熱平衡法；

本文提出的創(chuàng)新熱平衡法所具有的優(yōu)勢(shì)：

1）在現(xiàn)有平衡環(huán)境型量熱計(jì)的結(jié)構(gòu)上充分利用套間可以調(diào)節(jié)工況的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地將室外機(jī)放置在套間進(jìn)行測(cè)試，使得被測(cè)外機(jī)工況可控且不需額外投入設(shè)備改造；

2）測(cè)試系統(tǒng)可以單獨(dú)且準(zhǔn)確采集室內(nèi)、外測(cè)工況參數(shù)、功率參數(shù)、水流量等參數(shù)參與計(jì)算；

3）按創(chuàng)新方法測(cè)試只是沒(méi)有平衡比，但測(cè)試時(shí)兩套機(jī)器完全獨(dú)立，互相無(wú)影響，測(cè)試精度滿足成品機(jī)測(cè)試要求，相當(dāng)于額外增加了一套熱平衡實(shí)驗(yàn)室。

4）由于創(chuàng)新熱平衡法測(cè)試方法將室外側(cè)內(nèi)室的測(cè)試能力不再用于輔助驗(yàn)證測(cè)試，而是獨(dú)立進(jìn)行制冷量能力測(cè)試，因此相對(duì)于傳統(tǒng)熱平衡測(cè)試方法，制冷能力測(cè)試范圍增加一倍，有效測(cè)試面積也增加一倍。且部分出口地區(qū)如美國(guó)、歐盟、澳大利亞等國(guó)家指定使用熱平衡測(cè)試，采用新方法可提高熱平衡使用效率，更好地滿足進(jìn)口國(guó)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。

5）2021 為確保完成十四五節(jié)能約束性指標(biāo)以及推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)任務(wù), 國(guó)家發(fā)改委印發(fā)了進(jìn)一步完善能耗雙控制度的通知，明確了能耗雙控制度的總體安排，確保完成全年能耗雙控目標(biāo), 按傳統(tǒng)熱平衡法需開(kāi)冷凍機(jī)4臺(tái)，工況機(jī)4臺(tái)，控制臺(tái)系統(tǒng)等每小時(shí)耗電量30 kW·h計(jì)，傳統(tǒng)熱平衡法一個(gè)制冷量工況需耗時(shí)6 h。而創(chuàng)新熱平衡法可測(cè)2個(gè)制冷量工況，按創(chuàng)新熱平衡法測(cè)試可節(jié)約30 kW·h×6=180 kW·h電量，節(jié)能效果顯著。