空調(diào)焓差室取樣器風(fēng)速對(duì)相對(duì)濕度測(cè)量的影響

孔繁海 杜啟行 王奎 鄧林娟 劉漢陽(yáng) 阮社

1.山東省計(jì)量檢測(cè)中心 山東濟(jì)南 250014；2.山東省計(jì)量科學(xué)研究院 山東濟(jì)南 250014

1 引言

目前在空調(diào)器性能測(cè)試中，主要采用兩種方法：房間型量熱計(jì)法和空氣焓值法。空氣焓值法具有安裝便捷、實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本低等特點(diǎn)，是使用最為廣泛的方法。空氣焓值法中影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素很多，本文主要就取樣器風(fēng)速對(duì)相對(duì)濕度測(cè)量的影響展開(kāi)分析。

2 空氣焓值法原理

根據(jù)GB/T 7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》的定義，空氣焓值法是一種測(cè)定空調(diào)器制冷、制熱能力的試驗(yàn)方法，它對(duì)空調(diào)器的送風(fēng)參數(shù)、回風(fēng)參數(shù)以及循環(huán)風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量，用測(cè)出的風(fēng)量與送風(fēng)、回風(fēng)焓差的乘積確定空調(diào)器的能力。試驗(yàn)裝置布置圖如圖1，按公式（1）～（5）進(jìn)行計(jì)算（鑒于公式過(guò)于復(fù)雜，這里就不做過(guò)多展開(kāi)）：

式中：

qmi——空調(diào)器室內(nèi)側(cè)風(fēng)量，m3/s；

ha1——空調(diào)器室內(nèi)側(cè)回風(fēng)空氣焓值（干空氣），J/kg；

Vn′——測(cè)點(diǎn)處濕空氣比容，m3/kg；

Wn——測(cè)點(diǎn)處空氣濕度，kg/kg（干空氣）；

W1——室內(nèi)側(cè)回風(fēng)口空氣含濕量，kg/kg（干空氣）；

dsw1——室內(nèi)側(cè)回風(fēng)口飽和空氣含濕量，kg/kg（干空氣）；

W2——室內(nèi)側(cè)出風(fēng)口空氣含濕量，kg/kg（干空氣）；

dsw2——室內(nèi)側(cè)出風(fēng)口飽和空氣含濕量，kg/kg（干空氣）；

t1——室內(nèi)側(cè)回風(fēng)干球溫度，℃；

tw1——室內(nèi)側(cè)回風(fēng)濕球溫度，℃；

t2——室內(nèi)側(cè)出風(fēng)干球溫度，℃；

tw2——室內(nèi)側(cè)出風(fēng)濕球溫度，℃。

圖1 試驗(yàn)裝置布置圖

圖2 相對(duì)濕度隨風(fēng)速變化走勢(shì)圖

在對(duì)空氣焓值法房間空氣調(diào)節(jié)器測(cè)量不確定度評(píng)定中，我們可以通過(guò)“靈敏系數(shù)”計(jì)算得到的不確定度分量，比較直觀的展現(xiàn)出各個(gè)分量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度，分析數(shù)據(jù)如下：

（1）室內(nèi)側(cè)回風(fēng)干球溫度t1引入的不確定度分量

（2）室內(nèi)側(cè)回風(fēng)濕球溫度tw1引入的不確定度分量

（3）室內(nèi)側(cè)出風(fēng)干球溫度t2引入的不確定度分量

（4）室內(nèi)側(cè)出風(fēng)濕球溫度tw2引入的不確定度分量

（5）噴嘴前干球溫度t3引入的不確定度分量

（6）大氣壓pb引入的不確定度分量

（7）噴嘴前靜壓p2引入不確定度分量

（8）噴嘴前后壓差Δp引入的不確定度分量

（9）噴嘴直徑D引入不確定度分量

測(cè)量不確定度分量匯總表見(jiàn)表1。

由表1的|ciui|可以看出，影響制冷量的因素很多，其中濕球tw1和tw2溫度的影響尤為突出，是九個(gè)影響量中最大的，起到了絕對(duì)的主導(dǎo)作用。為了進(jìn)一步驗(yàn)證其影響程度，我們分別選取了制冷能力為2700W、4470W和5122W窗式空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)工況采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的額定制冷工況（室內(nèi)側(cè)干球：27.00℃；室內(nèi)側(cè)濕球：19.00℃；室外側(cè)干球：35.00℃；室外側(cè)濕球：24.00℃），在其他條件都不改變的情況下，假設(shè)濕球傳感器示值誤差為0.03℃或-0.03℃，調(diào)整室內(nèi)側(cè)濕球傳感器“bs值”進(jìn)行修正，來(lái)模擬濕球測(cè)溫不準(zhǔn)時(shí)導(dǎo)致環(huán)境濕度產(chǎn)生偏差的情況。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，濕球溫度每發(fā)生0.03℃的偏差，環(huán)境相對(duì)濕度會(huì)發(fā)生約0.2%RH的變化，相應(yīng)的被測(cè)空調(diào)器制冷量會(huì)發(fā)生17W左右的變化，由此可見(jiàn)濕球溫度的準(zhǔn)確性對(duì)焓差法測(cè)試空調(diào)能力的影響是十分顯著的，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

3 風(fēng)速對(duì)環(huán)境相對(duì)濕度測(cè)量準(zhǔn)確性的影響分析

通過(guò)上面的不確定度分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，如何準(zhǔn)確測(cè)量濕球溫度，保證環(huán)境相對(duì)濕度的準(zhǔn)確、穩(wěn)定至關(guān)重要。目前，空氣焓值法實(shí)驗(yàn)室大都是使用干濕球法控制環(huán)境溫相對(duì)濕度，這種方法是利用處于同一風(fēng)速條件下的干、濕球溫度傳感器，根據(jù)其溫度的差值，通過(guò)計(jì)算或查表求得相對(duì)濕度的方法。濕球溫度傳感器使用匹配度良好的紗布包裹，多出傳感器部分的紗布與水容器相連，紗布上的水分蒸發(fā)會(huì)帶走濕球上熱量，使其溫度低于干球溫度，濕球紗布上的水分蒸發(fā)效率的高低將直接影響著濕球溫度，查閱相關(guān)資料得知，其與風(fēng)速和周圍空氣中的水分含量成某種函數(shù)關(guān)系，相關(guān)公式（6）～（9）如下：

式中：

U——環(huán)境相對(duì)濕度，%RH；

t——干球溫度，℃；

tw——濕球溫度，℃；

ew——濕球溫度下的飽和水汽壓，Pa；

es——干球溫度下的飽和水汽壓，Pa；

A——干濕球系數(shù)；

p——大氣壓力，Pa；

v——風(fēng)速，m/s。

假定其他條件不變僅改變風(fēng)速的情況下，通過(guò)公式計(jì)算得到結(jié)果，見(jiàn)表3。

由表2數(shù)據(jù)可得相對(duì)濕度隨風(fēng)速變化走勢(shì)圖，見(jiàn)圖2。

從圖2中可以直觀地看出，隨著風(fēng)速的提高相對(duì)濕度維持穩(wěn)定所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速范圍也越來(lái)越大。從實(shí)驗(yàn)原理的合理性和各檢測(cè)機(jī)構(gòu)及企業(yè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際使用情況來(lái)看，將取樣器風(fēng)速控制在（3.3～9）m/s范圍內(nèi)比較理想，主要優(yōu)勢(shì)為：

（1）相對(duì)濕度理論偏差可控制在±0.1%RH較小范圍內(nèi)；

（2）風(fēng)速范圍較寬，容易實(shí)現(xiàn)，可有效保證實(shí)驗(yàn)室間測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性；

（3）較小的風(fēng)速可使用功率較小的風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，能更好的保證風(fēng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，減少震動(dòng)和發(fā)熱產(chǎn)生的不良影響。

表1 測(cè)量不確定度分量匯總表

表2 濕球在不同“bs值”設(shè)定下額定制冷量測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 不同風(fēng)速下相對(duì)濕度的理論值

4 建議

GB/T 7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》C.1.3條中要求“流過(guò)濕球溫度計(jì)處的氣流速度不小于5m/s”，此處未規(guī)定風(fēng)速上限，這種表述方式邏輯上不夠嚴(yán)謹(jǐn)，而且風(fēng)速越大就意味著需要使用更大功率的風(fēng)機(jī)或者減小取樣器橫截面積，小風(fēng)速容易實(shí)現(xiàn)，而且減少了采用大功率風(fēng)機(jī)可能導(dǎo)致的震動(dòng)和發(fā)熱問(wèn)題。因此，建議增加上限值要求，在合理的風(fēng)速范圍內(nèi)有效控制相對(duì)濕度的偏差幅度。

另外，為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，在驗(yàn)過(guò)程中取樣器的規(guī)范使用也十分重要，現(xiàn)給出如下幾點(diǎn)建議：

（1）要保證空氣取樣裝置周圍有足夠的空間，以滿足空氣必要的的流動(dòng)性，保證被測(cè)機(jī)回風(fēng)口處和流過(guò)取樣器干濕球的空氣溫度、濕度的穩(wěn)定性。

（2）試驗(yàn)時(shí)要注意連接空氣取樣裝置風(fēng)管的擺放位置，盡量擺放平順，避免產(chǎn)生小角度彎曲，影響氣流通過(guò)，從而影響流過(guò)取樣器干濕球的風(fēng)速。

（3）為保證空氣流過(guò)干球、濕球風(fēng)速的一致性，盡可能使其布置在取樣器同一個(gè)橫截面上。

（4）使用吸水性良好、與濕球傳感器粗細(xì)匹配良好的紗布，更有利于紗布中水分穩(wěn)定的蒸發(fā)帶走熱量，得到穩(wěn)定的溫度值。

（5）濕球被紗布包裹部分應(yīng)覆蓋全部感溫區(qū)域，且長(zhǎng)度至少應(yīng)為感溫區(qū)長(zhǎng)度的2～3倍，不應(yīng)短于50mm。

（6）為保證良好的吸水性，紗布入水部分的長(zhǎng)度不應(yīng)小于10mm。

（7）由于對(duì)環(huán)境溫濕度準(zhǔn)確度要求比較高（MPE(平均值)：±0.1℃），且濕球溫度細(xì)小的偏差也將對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，可以考慮在取樣器內(nèi)布置兩套干濕球溫度傳感器，通過(guò)測(cè)得的兩套數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)來(lái)驗(yàn)證所測(cè)環(huán)境溫濕度平均值是否準(zhǔn)確可靠。