平衡環境型房間量熱計凝結水量測量設計

柳勝耀 李 瑛 黃彩鳳 趙四海

(上海理工大學 上海 200093)

家用空調器的性能檢測目前有兩種方法:房間型量熱計法和空氣焓值法。房間型量熱計法包括標定型和平衡環境型兩種形式［1］。目前，國內主要采用空氣焓值法實驗室對家用空調器進行性能測試，用于家用空調器的產品開發和出廠檢測。房間型量熱計法檢測家用空調器性能較空氣焓差法精度高，但相較制冷劑焓差法稍低［2－3］。這種測試方法適用于生產廠家產品開發的最終檢測、焓差實驗室的精度校正和產品質量監督檢測部門的抽查認證，同時對于出口歐美的空調器來說，房間型量熱計實驗室是必備的檢測設備［4］。

在平衡環境型房間量熱計測試中，凝結水量測量的精度是影響被測空調器性能的一個重要因素。而現在量熱計研制過程中，多側重平衡環境型房間量熱計的功能及自動程度。如國內第一個房間空調器的標定型房間量熱計實驗臺，它可對9種制冷設備進行性能的測試［5］;合肥江淮航空儀表廠航空部空調器檢測中心在國外全套引進的基礎上，建成的平衡環境型房間量熱計實驗室;李壘［3］文中研制的一套高標準的平衡環境型房間量熱計。由Nestor Fonseca Diaz［6］分析凝結水量的不確定度占總制冷量的不確定度較大比例，特別在除濕量大的工況下。K.J.Park和D.Jung［7］通過4臺R22制冷劑的家用空調器分析了顯熱制冷量占總制冷量的比例。在標準GB/T7725—2004中，量熱計法室內側制冷量計算公式未計入空氣處理柜除濕量。為測量空氣處理柜及被測空調器除濕量從而提高測試精度，在這里提出了一種設計方法，并在此基礎上研制的一套最新平衡環境型房間量熱計。

1 實驗測試原理

平衡環境型房間型量熱計有室內側和室外側兩個測試室，而且在室內側和室外側測試室的外面分別設溫度可控的套間，設計原理圖如圖1所示。它是根據穩態下能量平衡的原理來測量空調的制冷量、制熱量及除濕量［8］，可測最大制冷量為14kW最大制熱量為16kW。室內側被測空調器總制冷量公式如下［9］:

圖1環境型房間量熱計原理圖Fig．1 The schematic of balanced ambient room-type calorimeter

式中:φ為室內側測定的空調總制冷量，W;∑P為室內側測試室的總輸入功率，W;hw1為加濕所用水或水蒸氣焓值，kJ/kg;hw2為室內側測試室凝結水焓值，kJ/kg;Wr為被測機凝結水量，g/s;φ1p為室外側測試室通過中間隔墻向室內側測試室的漏熱量，W;φ1r為除中間隔墻外的漏熱，W。

室外側被測空調器總制冷量公式如下:

式中:φ′為量熱計室外側測試室測定的空調總制冷量，W;∑Po為室外側測試室的總輸入功率，W;Pt為被測機輸入功率，W;hw3為室外側測試室再處理機組排出的凝結水的焓值，kJ/kg;Wr1為室外側測試室凝結水量，g/s;φc為室外側測試室空氣處理柜表冷器帶走的熱量，W;φ′1P為室內側測試室通過中間隔墻向室外側測試室的漏熱量，W;φ10為室外側向外的漏熱量，W。

由公式(1)、(2)知，被測空調器性能檢測過程中，為求出被測機的制冷量(制冷工況)、制熱量(熱泵工況)及除濕量，需要對測試室凝結水進行測量。最大除濕量可根據空氣焓值公式推導出，空調器制冷量可用下式計算:

式中:Q為制冷量，W;hi為空氣進風焓值，kJ/kg(干空氣);ρ為空調器出風空氣的密度，kg/m3;ho為空氣出風焓值，kJ/kg(干空氣);V為循環風量，m3/h。

空氣的焓值公式:

式中:t為空氣干球溫度，℃;d為空氣含濕量，kg/kg(干空氣)。

聯立公式(3)、(4)，又考慮到 2500?1.84t，可以將1.84t項省略，得出:

式(5)左邊即為空調的除濕量，考慮到最大制冷量為14 kW時，并在除濕工況下運行，空調器的除濕量最大，此時除濕量約為5.4 kg/h。特別是在被測空調制冷量較小的工況時，使用常規流量計將很難測量或帶來的誤差非常大。由于沒有動力提供給凝結水，若使用超聲波或節流管式小流量測量儀，將會使測量裝置復雜。針對Durst F等［10］提出使用一定時間里測量質量的方法，這里采用在固定時間里對流體稱重的方法測量加濕及凝結水的流量。即:

對于管路中無旋、密度恒定的流體可以采用流量計測量，而凝結水用稱重法測量?？紤]到加濕水量和凝結水量這種小流量的微小變化就會造成較大的誤差，故用對時間積分來消除瞬時流量(qm′)變化帶來的誤差，理想狀態時式 qm=(∫qm′dt)/(t2－t1)中 t2→+∞，t1=0，所得qm為精確值。t1是測試開始時間;t2測試結束時間。為保證測量的準確性，通常選擇在系統穩定后，從開始測量時記錄加濕水量和凝結水量直到測試結束。

2 凝結水量的測量設計

房間量熱計的加濕水來自通過蒸餾水機制取的蒸餾水，經水泵供至放置在量熱計測試室頂部的高位加濕蒸餾水箱。蒸餾水經進水電磁閥分別進入室內側測試室和室外側測試室加濕器進水箱，然后經電加熱制取水蒸汽，分別將水蒸汽送入室內側測試室和室外側測試室，進而完成空氣的加濕。

在被測機的制冷功率大于量熱計輸入功率工況下，文獻［8］中規定計算出被測機的凝結水量，即可得到被測機的制冷量。當被測機為中小冷量時，此時不足以抵償輸入功率熱量，空氣再處理器將進行制冷除濕。在標準中沒有考慮這種工況時的測量方法，為測量0～14 kW內空調器性能，設計如下兩種測量凝結水量方法。

2.1 大制冷量時凝結水量測量

被測空調器最大制冷能力為14 kW，而測試室內循環風機、取樣風機、電加熱濕和照明設備等的全負荷輸入功率約為6.2 kW。當進行大冷量測試時，被測空調器的制冷量遠大于輸入功率，此時空氣處理柜作加熱使用。由式(1)知只需調節測試室電加熱器使得房間溫度穩定在額定工況，此時室內側測試室加濕器進水量即為被測空調器的除濕量。

將加濕器進水箱置于高精度電子秤上，實時記錄水箱質量并通過數據采集儀送入計算機分析模塊，求得數據對時間的積分。圖2中實線部分是被測空調器額定制冷運轉凝結水測量系統示意圖。

室外側測試室按式(2)進行測試，但此時被測室外機處于制熱狀態，所以Wr1為空氣處理柜的除濕量。當室內側為制熱模式，外側測試室除濕量計算與制冷模式相似。

圖2空調器凝結水測量設計圖Fig．2 The design of condensate flow measurement for cooling

2.2 小制冷能力時凝結水量測量

當被測空調器制冷能力較小，制冷量低于室內側測試室輸入功率時。對被測空調器進行測試，僅靠被測機制冷量無法平衡輸入能量，室內側測試室工況無法控制;這時循環空氣處理柜表冷器就要通冷水，進而承擔室內側內室冷負荷和濕負荷。此時加濕器進水分為兩部分，一部分為空氣處理柜中表冷器除濕量，另一部分為被測空調器除濕量。這樣一臺高位電子秤記錄加濕水箱質量變化率不足以滿足要求，為準確測量被測空調器的除濕量，需另加一臺高精度電子秤測量空調器的凝結水量變化。設計如圖2，此時增加虛線部分的電子秤和凝結水箱。

這樣式(1)ΣP項中規定的總輸入功率，不包括表冷器的除濕能力。為準確表示被測空調器制冷量，式(1)應改為式:

式中:hw4為室內側空氣處理柜排出的凝結水在離開量熱計隔室的溫度下的焓值，kJ/kg;Wr2為室內側空氣處理柜排出的凝結水流量，g/s。

3 測試數據結果分析

在以上兩種凝結水量測量方法的基礎上，根據測試設計原理，將平衡環境型房間量熱計搭建于上海出入境檢驗檢疫局實驗室如圖1。為分析式(1)和(7)與被測空調器實際制冷能力的符合程度，現對5臺低額定制冷量空調器分別進行測試?？照{器的制冷量分別約為 1.4kW、1.6 kW、1.8 kW、2.1 kW 和 2.5 kW，在規定工況下測試一組數據。在不改變5臺空調器的制冷量的情況下，增大測試內室的輸入功率，以此改變空氣處理柜的制冷或制熱工況，再次測得一組數據。

表1測試數據Tab．1 Test data

3.1 對中小額定制冷量空調器進行測試

依據家用空調器測試標準要求，選取平衡環境型房間量熱計的檢測工況點。室內側內室環境:干球溫度27.0℃;濕球溫度19.0℃;室外側內室環境:干球溫度35.0℃;濕球溫度24.0℃。當系統運行穩定后測得數據，采用變頻KFR－26GW系列空調器產生1.8 kW 制冷量，定頻 KFR－26GW 系列空調器產生2.5 kW制冷量。表1列出了制冷量約2.5 kW和1.8 kW的空調器主要測試參數。

按式(1)和(2)計算出以上兩種制冷量空調器內、外室測量偏差分別為0.81%、1.02%?？紤]到中小冷量測試過程中，空氣處理柜有除濕存在，此時按照式(7)和(2)計算的內、外室測量偏差分別為0.81%、0.76%。并按計入處理柜中凝結水和未計入凝結水條件計算出其余三臺不同制冷量空調器測內、外室測量偏差，其對比結果如圖3所示。

圖3制冷量測量偏差Fig．3 The error of cooling capacity measurement

3.2 大輸入功率工況測試

為進一步驗證表冷器中凝結水對測試結果的影響，將室內輸入功率增大1000W后繼續對5臺空調器測試。測試方法與表1所述相同，計算分析測試結果，并將是否計入表冷器凝結水的內、外室測量偏差進行對比，結果如圖4。

圖4制冷量測量偏差Fig．4 The error of cooling capacity measurement

4 結論

通過以上的數據和圖表驗證，平衡環境型房間量熱計檢測中小冷量的空調器，當被測機的制冷量小于測試室輸入功率時，需要開啟空氣處理柜降溫除濕。此時若按照標準中公式(1)計算被測機制冷量，將使得計算結果偏大且與室外機側所得驗證結果偏差增大。測試室輸入功率越高于制冷量，則計算結果及與室外機側驗證結果偏差越大。

實驗證明，采用稱重法測量小流量的加濕水和凝結水，能夠非常好的解決量熱計測量小冷量空調器時的精確度問題。與此同時，可將式(1)改為式(7)，測量時計入空氣處理柜表冷器的除濕量，可減小量熱計室內、外測量偏差。

［1］Technical Committee ISO.ISO5151 －2010 Non－ducted air conditioners and heat pumps－Testing rating for performance［S］.Switzerland:2010.

［2］Tran C T，Rivie`re P，Marchio D，et al.Refrigerant－based measurement method of heat pump seasonal performances［J］.International Journal of Refrigeration，2012，35(6):1583－1594.

［3］李壘，李瑛，王芳，等.平衡環境型房間量熱計試驗室的研制［J］.低溫與超導，2011，39(7):59－62.(Li Lei，Li Ying，Wang Fang，et al.Study on Calorimeter Laboratory at an Equilibrium Environmental Room［J］.Cryogenics and Superconductivity，2011，39(7):59－62.)

［4］Chua K J，Chou S K，Yang W M，et al.Achieving better energy－efficient air－conditioning—A review of technologies and strategies［J］.Applied Energy，2013，104:87－104.

［5］馬最良，陸亞俊，朱林.房間熱平衡法多功能試驗臺的研究［J］.通風除塵，1991(3):29－32.(Ma Zuiliang，Lu Yajun，Zhu Lin.Study on Multifunctional Test Bench Based on Room Heat Balance Method ［J］.Ventilation and Dust，1991(3):29－32.)

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［7］Park K J， JungD.Thermodynamicperformanceof HCFC22 alternative refrigerants for residential air－conditioning applications［J］.Energy and Buildings，2007，39(6):675－680.

［8］Cherem－Pereira G，Mendes N.Empirical modeling of room air conditioners for building energy analysis［J］.Energy and Buildings，2012，47:19－26.

［9］全國家用電器標準化技術委員會.GB/T7725—2004房間空氣調節器［S］.北京:中國標準出版社，2004.

［10］Durst F，ünsal B，Ray S，et al.Method for defined mass flow variations in time and its application to test a mass flow rate meter for pulsating flows［J］.Measurement Science and Technology，2007，18(3):790.