AHRI 1350—2014《組合式空調(diào)箱體性能》解讀

楊弋，石竹青，李芳，李亞運(yùn)，李宏哲，馬金平，薛橋生

（1-合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2-AHRI亞太地區(qū)，安徽合肥 230031）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長，國內(nèi)的冷凍空調(diào)設(shè)備正迅速走向國際化，產(chǎn)品的國際認(rèn)證越來越受到關(guān)注。如今各類大型、高層民用建筑大量建造，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)用必不可少[1-2]。組合式空調(diào)機(jī)組是中央空調(diào)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它由各種空氣處理功能段組裝而成，具有送風(fēng)、冷卻、加熱、加濕、空氣凈化、消聲等多種功能，并通過對空氣進(jìn)行溫濕度與風(fēng)量調(diào)節(jié)，從而改變空氣的狀態(tài)[3-4]。組合式空調(diào)除了對空氣參數(shù)具有良好的控制性能外，由于各功能段可根據(jù)用途實(shí)現(xiàn)自由組合，便于空調(diào)系統(tǒng)方案的改造，且維修便利，因而獲得廣泛應(yīng)用[5-6]。隨著組合式空調(diào)的普及，近年來，已有眾多國內(nèi)外學(xué)者針對組空的運(yùn)行特性和優(yōu)化控制等展開研究。如沈國民等[7]對組空控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究并設(shè)計(jì)出一種模糊自整定控制器。范波等[8]通過對組空啟動(dòng)時(shí)間優(yōu)化控制策略，從而減少了空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗。SEO等[9]對組空在商業(yè)建筑中制冷能耗方面展開模擬分析探討。也有學(xué)者[10-11]對空調(diào)末端進(jìn)行模擬分析，對其舒適性展開研究。除了從組空運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，組合式空調(diào)的箱體自身性能，如機(jī)械性能、熱性能、泄漏率和噪聲等，也尤為重要。曹陽[12]通過解讀歐標(biāo)EN 1886—2007和中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14294—2008中組合式空調(diào)的箱體的性能要求，分析了兩者的異同點(diǎn)。石宇立等[13]就組空的噪聲以及漏風(fēng)率問題，對機(jī)組設(shè)計(jì)提出優(yōu)化方案。對于出口北美地區(qū)的組合式空調(diào)機(jī)組認(rèn)證，美國空調(diào)供暖和制冷工業(yè)協(xié)會AHRI推出一系列標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)遵循的原則以及認(rèn)證測試要求。

1 組合式空調(diào)AHRI認(rèn)證形式

美國AHRI認(rèn)證以組合式空調(diào)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)作為認(rèn)證依據(jù)，通過對機(jī)組進(jìn)行性能認(rèn)證來證實(shí)選型軟件與實(shí)際產(chǎn)品性能的差異，并及時(shí)修正選型軟件的偏差，從而保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的性能參數(shù)一致性。但由于組合式空調(diào)結(jié)構(gòu)和功能段有著千變?nèi)f化的搭配種類，無法針對每一個(gè)組合和每一個(gè)工況進(jìn)行測試以確認(rèn)其整機(jī)性能，所以AHRI采用獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)分別評價(jià)的方法進(jìn)行測試和認(rèn)證。

1）標(biāo)準(zhǔn)AHRI 410—2001《強(qiáng)制通風(fēng)空氣冷熱盤管》[14]：該標(biāo)準(zhǔn)用于評價(jià)供冷和供熱盤管的換熱性能，空氣側(cè)壓降和水側(cè)壓降。采用選型軟件，任意盤管組合，任意工況選型（風(fēng)量，空氣側(cè)干濕球溫度，進(jìn)出水溫度），然后通過測試驗(yàn)證全工況選型的符合性。如果測試滿足要求，那么在組合式空調(diào)結(jié)構(gòu)形式確認(rèn)后，其配置的盤管任意工況選型的結(jié)果都會被確認(rèn)符合要求。

2）標(biāo)準(zhǔn)AHRI 430—2014《組合式空調(diào)風(fēng)機(jī)性能》[15]：該標(biāo)準(zhǔn)用于評價(jià)安裝在實(shí)際的組合式空調(diào)中風(fēng)機(jī)的性能。以任意組合選型的方式進(jìn)行，在任意給定靜壓和風(fēng)量下，測試風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和軸功率。新的改版標(biāo)準(zhǔn)將會增加輸入功率和送風(fēng)量的測試部分，該標(biāo)準(zhǔn)已在2020年中期發(fā)布。

3）標(biāo)準(zhǔn)AHRI 1350—2014《組合式空調(diào)箱體性能》[16]：該標(biāo)準(zhǔn)用于評價(jià)組合式空調(diào)箱體性能。對箱體的傳熱系數(shù)、熱橋系數(shù)、空氣泄漏率和箱體變形量進(jìn)行測試。標(biāo)準(zhǔn)要求在箱體機(jī)械性能測試時(shí)選擇實(shí)際樣品（箱體、盤管和風(fēng)機(jī)等組件），盡量通過合理的測試方法獲得接近于實(shí)際應(yīng)用的性能。

現(xiàn)行的AHRI 1350發(fā)布于2014年，并在2015年9月進(jìn)行了首次增補(bǔ)。標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品分類等級進(jìn)行了劃分，設(shè)計(jì)人員可通過箱體的等級直接識別機(jī)組特性。本文將對該標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行分析，以幫助讀者理解標(biāo)準(zhǔn)，掌握AHRI測試的關(guān)鍵。

2 AHRI 1350箱體性能標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 箱體模型的選擇

AHRI 1350標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定空調(diào)箱體的測試需要基于實(shí)際樣品進(jìn)行，包括箱體、盤管和風(fēng)機(jī)等部件（如圖1所示），以滿足多個(gè)功能段的實(shí)現(xiàn)[17]。相比較歐標(biāo)EN 1886—2007《建筑通風(fēng)-組合式空調(diào)機(jī)械性能》[18]中使用的模型箱體，包括門體和箱體（如圖2所示），主要基于如下兩點(diǎn)考慮：

圖1 實(shí)際樣品

圖2 模型箱體

1）箱體變形的薄弱點(diǎn)位置選擇。模型箱體內(nèi)部沒有任何支撐，其薄弱點(diǎn)通常在沒有支撐的大面面板，所以模型箱體的評價(jià)只能描述面板等相關(guān)結(jié)構(gòu)的承壓性，其評價(jià)結(jié)果與設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用會產(chǎn)生一定的偏移。因?yàn)閷?shí)際樣品包含盤管和風(fēng)機(jī)，所以薄弱點(diǎn)會發(fā)生偏移。即使是大面板，因?yàn)橛斜P管段的支撐，或者是風(fēng)機(jī)段的支撐，所以薄弱點(diǎn)會轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)端如出無支撐的風(fēng)口處。

2）漏風(fēng)率和漏熱系數(shù)的評判。箱體的漏風(fēng)取決于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式，正壓和負(fù)壓的產(chǎn)品又影響門的設(shè)計(jì)。由于模型箱體不涉及到實(shí)際樣品相似的結(jié)構(gòu)形式，因此保證好的漏風(fēng)率相對實(shí)現(xiàn)容易。但實(shí)際樣品包括盤管段外接連接和風(fēng)機(jī)段支撐段的設(shè)計(jì)，不可避免會帶來漏風(fēng)量的增加，實(shí)際評價(jià)的漏風(fēng)等級也相對較低。同樣，漏風(fēng)率影響漏熱量，漏風(fēng)率越高，漏熱越明顯。

2.2 箱體變形測試

箱體變形測試設(shè)置負(fù)壓式組合式空調(diào)、正壓式組合式空調(diào)和帶正壓室和負(fù)壓室組合式空調(diào)，如圖3所示。考慮到組合式空調(diào)除了應(yīng)用在機(jī)場和商場等公共場所，還應(yīng)用在制藥、醫(yī)院和電子工廠等潔凈要求比較高的場合，尤其是藥品冷庫對溫濕度的要求更為嚴(yán)苛[19-20]。傳統(tǒng)的-400 Pa和+700 Pa壓力設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足電子工廠和藥廠等的需求，因?yàn)槌袎涸礁撸潴w變形量增加，同時(shí)變形點(diǎn)發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致選型的產(chǎn)品與最終使用的效果差異比較大。所以標(biāo)準(zhǔn)在機(jī)組承壓和漏風(fēng)測量部分提供了多個(gè)靜壓的選項(xiàng)，測試箱體變形的測試壓力分為±1,000 Pa、±1,500 Pa、±2,000 Pa和±2,500 Pa。

圖3 組合式空調(diào)變形測試設(shè)置

此外，AHRI 1350設(shè)計(jì)時(shí)還考慮到一類介于風(fēng)機(jī)盤管和組合式空調(diào)之間的高靜壓機(jī)組，其功能偏重于組合式空調(diào)，有過濾段等基本功能，但又沒有組合式空調(diào)的其他特殊的設(shè)計(jì)功能，所以這類產(chǎn)品的測試壓力為250 Pa。

2.3 箱體漏熱和熱橋因子測試

2.3.1 箱體漏熱和熱橋因子的溫度布點(diǎn)

箱體熱性能和熱橋因子測試需要滿足如下工況要求，并按照圖4進(jìn)行內(nèi)部溫度布點(diǎn)。圖5所示為額外溫度布點(diǎn)。如果溫度點(diǎn)之間大于1.2 m，設(shè)置額外增加點(diǎn)。溫度區(qū)間1為進(jìn)風(fēng)口后，區(qū)間2為盤管前，區(qū)間3為盤管后，區(qū)間4位出風(fēng)口前。箱體周圍溫度為16～32 ℃；箱體內(nèi)部和外部溫差：17～22 ℃；箱體周圍風(fēng)速小于0.5 m/s（距離箱體30 cm）；箱體內(nèi)部循環(huán)風(fēng)速區(qū)間為(1.8±0.25) m/s。

圖4 箱體內(nèi)部截面溫度布點(diǎn)

圖5 箱體額外溫度布點(diǎn)

2.3.2 箱體漏熱和熱橋因子的測試要點(diǎn)

漏熱測試需要在箱體內(nèi)部增加額外的循環(huán)風(fēng)機(jī)，在模擬機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行漏熱測試。迎面風(fēng)速設(shè)置為1.8 m/s，輔助風(fēng)機(jī)風(fēng)量的設(shè)計(jì)根據(jù)迎風(fēng)面積進(jìn)行計(jì)算。增加內(nèi)循環(huán)風(fēng)量設(shè)計(jì)的測試會增加漏熱量，如果機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致漏風(fēng)增強(qiáng)，或者機(jī)組的箱體絕熱性能不強(qiáng)，那么在內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行下，機(jī)組的漏熱和熱橋因子等級都發(fā)生改變。

在測試時(shí)需要注意溫度場的均勻性，使箱體各面的漏熱均勻分布，以確保漏熱性能評估的準(zhǔn)確性，通過熱橋因子的測量可以發(fā)現(xiàn)箱體設(shè)計(jì)最薄弱的部分。AHRI 1350漏熱測試需要保證箱體內(nèi)部布置的所有溫度點(diǎn)滿足如下要求：1）箱體內(nèi)部和外部的溫差不得低于17 ℃，但內(nèi)部不得高于50 ℃；2）箱體內(nèi)部和外部的每個(gè)單點(diǎn)溫度和平均溫度的偏差不得超過1.7 ℃；

單純的基于溫差和換熱面積來進(jìn)行評估的，忽略溫差建立時(shí)其箱體內(nèi)部場均勻性會導(dǎo)致傳熱系數(shù)偏離。根據(jù)理論模型分析結(jié)果，如圖6所示，箱體頂板的溫差最大，而底部的溫差較小，傳熱不均。

圖6 溫度場模型

3 AHRI箱體等級

3.1 箱體變形等級

標(biāo)準(zhǔn)對箱體的變形、漏風(fēng)、漏熱及熱橋因子的等級重新進(jìn)行了定義。

通過箱體的承壓能力規(guī)定對應(yīng)的箱體等級，如CD4的承壓是1,000 Pa，而CD1的承壓為2,500 Pa。為了避免不同厚度及不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，用同一等級的描述測試，便于設(shè)計(jì)人員的選型。箱體變形等級如表1所示。

表1 箱體變形等級

3.2 箱體的漏風(fēng)等級

箱體漏風(fēng)等級的測試需要在制造商規(guī)定的箱體承壓下進(jìn)行（正壓和負(fù)壓），如制造商樣本中描述的承壓是2,500 Pa，那么漏風(fēng)測試施加的壓力即為2,500 Pa，避免用同一靜壓進(jìn)行測試而造成無法識別不同箱體的設(shè)計(jì)和等級，箱體漏風(fēng)等級如表2所示，以10 m2為參考值的等級。

表2 箱體漏風(fēng)等級

箱體的漏風(fēng)等級計(jì)算見式(1)[1]，通過實(shí)際測試壓力，將實(shí)際漏風(fēng)率轉(zhuǎn)換成箱體的漏風(fēng)率，參照表2最大漏風(fēng)率進(jìn)行評級。漏風(fēng)等級趨勢如圖7所示。

圖7 漏風(fēng)等級趨勢

式中，CL為箱體漏風(fēng)率，L/s；CLm為實(shí)際漏風(fēng)率，L/s；pm為測試壓力，Pa；pr為參考壓力，取值100,250 Pa。

3.3 箱體漏熱等級

在箱體漏熱等級計(jì)算中引入了不帶漏風(fēng)傳熱系數(shù)U的計(jì)算。實(shí)際漏熱測試是在實(shí)際樣品和可能的漏風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行的，根據(jù)此測試結(jié)果，并結(jié)合箱體的漏風(fēng)數(shù)值進(jìn)行推算不帶漏風(fēng)的傳熱系數(shù)U，箱體漏熱將對漏風(fēng)和不漏風(fēng)這兩種情況下分別評級，等級如表3所示。

表3 箱體漏熱等級

3.4 箱體熱橋因子等級

若宣稱熱橋因子等級為CB0，那么包括螺釘（含墊圈）和緊固件等關(guān)鍵位置都要進(jìn)行測量。對于等級CB1至CB5的產(chǎn)品，若螺釘（含墊圈）和緊固件的總的表面積小于組合式空調(diào)表面積的1%，那么這些測點(diǎn)排除在外，但是，任何一個(gè)表面積超過1.6 cm2厘米的螺釘（含墊圈）和緊固件都必須參與測點(diǎn)位置選擇。箱體熱橋因子等級見表4，計(jì)算公式為：

表4 箱體熱橋因子等級

式中，Tai為箱體內(nèi)部平均溫度，℃；Tae為箱體外部平均溫度，℃；Tso為箱體外部熱橋因子溫度，℃。

4 結(jié)論

本文通過對AHRI 1350—2014《組合式空調(diào)箱體性能》標(biāo)準(zhǔn)的解讀，得到如下結(jié)論：

1）對箱體的等級進(jìn)行劃分包括箱體變形等級CDx、箱體漏風(fēng)等級CLx、熱橋因子CBx和箱體漏熱等級CTx，相關(guān)設(shè)計(jì)人員可直觀從機(jī)組的等級上識別機(jī)組信息；

2）模型箱體無內(nèi)部支撐，會造成變形薄弱點(diǎn)偏移，影響漏風(fēng)率測試結(jié)果；采用實(shí)際樣品，增加實(shí)驗(yàn)的操作性難度，但更好貼近實(shí)際應(yīng)用；

3）測量箱體漏熱和熱橋因子時(shí)，增加循環(huán)風(fēng)量，以保證溫度場所的均勻性；漏風(fēng)和變形測量宜根據(jù)設(shè)計(jì)運(yùn)用場合采用特定靜壓值（±1,000 Pa、±1,500 Pa、±2,000 Pa和±2,500 Pa）選項(xiàng)進(jìn)行測試。