基于歐標低溫平衡環境型房間量熱計

劉貴權 劉 旭

（中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

為應對全球氣候變化的挑戰，空調器行業全面提升產品能效要求，2012年歐盟發布了新的季節能效檢測標準[1]，要求采用平衡環境型房間量熱計（簡稱量熱計）進行空調器季節能效的檢測。由于常規量熱計采用水作為冷源，所以一直以來都只能進行0 ℃以上的工況試驗[2,3]。歐標要求進行負溫工況的制熱試驗，因此采用水做冷源的方式就必須改變。另外歐標要求用量熱計進行空調季節能效測試，該測試過程試驗空調器處于開/停的非穩態運行模式，而量熱計采用冷熱平衡的原理，達到冷熱平衡過程時間長，非穩態測試造成工況波動大，測試準確性低，重復性差[4,5]。最后，歐標對變頻空調器的最小制冷量、中間額定制冷能力及25 % 額定制冷能力的測量要求，也是行業中已有量熱計試驗室無法滿足的[1]。

國內外市場急需一種滿足歐盟標準測試要求的低溫平衡環境型量熱計。中國同樣重視空調器能效的提升，相關標準不斷修訂，要求越來越嚴格，2020年7月1日起實施了被行業稱為史上最嚴的能效標準，隨著市場準入標準不斷變化，空調器能效檢測的需求也在不斷變化。因此，我國自主研發一臺新型的量熱計迫在眉睫。

1 工作原理與設計方法

1.1 房間型量熱計法的測試原理

房間型量熱計的基本原理是熱平衡法。而熱平衡法就是在穩定的工況條件下，在達到熱平衡狀態時，投入到密閉、隔熱的房間型量熱計中的總能量即吸收熱量等于空調器的的總制冷能力。而制熱能力就是反過來，從密閉、隔熱的房間型量熱計中帶走的總能量等于空調器的總制熱能力。

1）根據標準給出的房間熱平衡法測量空調器制冷量的計算方法[8]：

室內側空調器總制冷量計算公式為：

式中：

φtic—內側總制冷量，W；

∑Pr—內側總輸入功率，W；

hw1—加濕蒸汽焓值，kj/kg；

hw2—空調器凝水焓值，kj/kg；

Wr—空調器內的凝結水量，g/s；

φ1P—內側中隔墻漏熱量，W；

φ1r—內側其余五面墻漏熱量，W。

室外側空調器總制冷量計算公式為：

式中：

φtco—外側總制冷量，W；

φc—外側冷卻盤管帶走的熱量，W；

∑Po—外側總輸入功率，W；

∑Pt—空調器總輸入功率，W；

hw3—外側空調柜冷凝水焓值，kj/kg；

φ′1P—外側中隔墻漏熱量，W；

φ1r—外側其余五面墻漏熱量，W。

2）根據標準給出的房間熱平衡法測量熱泵制熱量的計算方法[8]：

室內側熱泵制熱量計算公式為：

式中：

φhi—內側熱泵制熱量，W；

φ1ci—內側空調柜盤管帶走的熱量，W；

φt—內側中隔墻漏熱量，W；

φ1i—側其余五面墻漏熱量，W；

Pi—內側總輸入功率，W。

室外側熱泵制熱量計算公式為：

式中：

φho—外側熱泵制熱量，W；

Po—外側總輸入功率，W；

Pt—空調器總輸入功率，W；

qwo—進入外側隔室水的質量流量，g/s；

hw4—進入外側水的焓值，kj/kg；

hw5—外側凝結水焓值，kj/kg；

φ′t—外側中隔墻漏熱量，W；

φ1oo—外側其余五面墻漏熱量，W。

1.2 非穩態控制原理

根據歐盟最新標準對非穩態工況能力測試的要求，對不同的非穩態工況分別采用多組不同的PID控制方式進行溫濕度調節，同時該工況下根據被測機能力負荷采用動態熱負荷投入或切除的方式，以解決非穩態試驗過程的工況波動，縮短工況穩定的時間[9]。

1.3 小負荷能力測試原理

采用高精度傳感器及冷媒測量機構，實時在線精確測量冷媒的溫度、壓力及流量，測試軟件通過量熱計法不確定度的分析，減少不確定度影響的因素，優化控制工況設備投入比例，提高冷媒換熱器制冷量的測量精度，實現小負荷能力測試[10]。

1.4 試驗室本體及氣流組織設計

項目研制的低溫平衡環境型房間量熱計試主要用于檢測房間空調器的性能及各項參數，本項目主要研究量熱計0 ℃以下低溫工況的穩定性和測試精度的實現方法，針對變頻空調機，研究準確測量低頻率、小負荷下的能力測試的技術措施和解決歐盟標準空調季節能效非穩態測試時工況波動大，能力測試準確性低，重復性差的控制方案和測量方法等。根據標準要求[11]，試驗室主要包含內外側套間和內外側隔室兩個嵌套的房間。房間選用雙面彩鋼硬質聚氨酯庫板組合而成，套間送風方式采用頂部風道送風，隔室與套間之間的底部風道回風。隔室內側房間為滿足樣機除霜性能試驗條件，采用孔板下送上回的送回風方式[12-13]。隔室外側房間為達到除濕試驗條件，其送回風的位置則與室內側相反，采用孔板上送下回的方式[14]。房間的送風系統示意圖如圖1所示。

圖1 量熱計分布圖

1.5 房間負荷的計算

根據EN 14825標準中不同的試驗工況要求，核算出內外側所需最大的冷熱負荷。房間負荷公式Qj為[15-17]：

式中：

Qj—房間負荷；

Q1—外圍結構傳熱；

Q2—冷橋損失；

Q3—風機發熱；

Q4—照明發熱；

Q5—窗戶熱損失；

Q6—被測機制冷（熱）量；

Q7—最小加熱量（調節方式需要）；

Q8—加濕熱負荷。

根據上述公式，可核算出房間所需的最大冷熱負荷，見表1。

表1 房間負荷核算表

2 研究內容與方案制定

2.1 負溫工況系統

本項目采用直接蒸發壓縮制冷循環作為低溫冷媒流量系統，冷媒蒸發器替換常規量熱計外側的表冷器盤管，以滿足低溫工況要求[18]。制冷系統內配置冷媒質量流量計、冷媒壓力測試裝置和溫度測量裝置，測試蒸發器在隔室的換熱能力，計算出空調器內、外側能力值。經過試驗驗證及實際應用驗證，采用低溫冷媒流量系統，系統穩定性、可靠性更高，操作維護更加便捷，使用成本降低，便于實施智能控制方案。

2.2 低溫冷媒系統制冷劑選擇

室外側需滿足最低溫度-25 ℃的低溫環境工況，因此冷媒系統需要選擇中低溫型制冷劑[19]。該方案選擇了R404A作為制冷劑，基于該制冷劑已在多套試驗室制冷系統中長期穩定運行。

2.3 冷凍機組選型

根據表1房間負荷核算表，由于負荷計算過程中已附加了1.3的安全系數，冷凍機組冷量配置匹配不再加安全系數[20]。內側套間采用一臺變頻壓縮機、內側隔室冷凍水系統選用一臺變頻壓縮機，外側套間選用一臺變頻壓縮機和一臺定頻壓縮機，外側隔室冷媒系統選擇一臺變頻壓縮機，冷凍機組選型見表2。

表2 冷凍機組選型表

2.4 低溫冷媒流量測量系統設計

低溫冷媒流量測量系統關鍵部件包括：半封閉壓縮機、換熱器器、水冷式冷凝器、電子膨脹閥、高效油分離器、流量計、過冷度控制裝置、氣液分離器、干燥過濾器、吸氣干燥過濾器、蒸發壓力調節器、液噴閥、電磁閥等。系統原理圖如圖2所示。

圖2 冷凍機組系統圖

本制冷循環系統的制冷劑氣體經壓縮機（1）壓縮為高壓氣體，流入雙級高效油分離器（5）-1、（5）-2，將制冷劑和冷凍機油分離，制冷劑經過冷凝器（2）冷凝后進入過冷度控制裝置（7），維持足夠的過冷度以保證冷媒側能力計算的準確性，然后進入冷媒流量計（6）后再流入電子膨脹閥（4）節流，節流后制冷劑進入房間蒸發器（3）換熱，對房間進行冷卻降溫，以達到所設定的工況。制冷劑經過氣液分離器（8）再回到壓縮機，即1→5→2→7→6→4→8→1，系統的制冷量由此循環獲得。

3 技術難題與解決措施

3.1 解決低溫工況的穩定性和測試精度的要求

由于冷媒系統內的含油率會影響冷媒能力測試的準確性，為此采用高效過濾油分離器，降低系統的含油率，系統采用雙級高效油分離器，并以電磁閥輔助控制實現連續回油，油分離效率可達到99.995 %，提高了能力測試的準確性。各項指標均能滿足歐盟最新標準的要求。

熱平衡冷媒系統采用通過測試系統高精度質量流量和盤管進出口焓值可以計算出冷媒系統在盤管的換熱量：

外側盤管能力=外側冷媒質量流量/3 600*（出口焓值-進口焓值）*1 000。

測試中發現由于冷媒特性，在外側溫度（20～60）℃時盤管能力偏低，（-25～0）℃時盤管能力偏高，但其具有較好的測試穩定性和一致性。試驗得出R404A冷媒偏差線性較好，且在1 %以內，通過試驗校核，最終得到穩態測試平衡比小于等于4 %，非穩態測試平衡比小于等于5 %，均能滿足歐盟最新標準要求。

3.2 滿足高精度、高穩定性地測量低頻率小負荷下的能力值

采用低溫冷媒流量測量系統時，為了提高小負荷能力測試的精度，將對換熱能力計算影響較大的鉑電阻由以往采用的A級（精度±0.15）升級為1/10B級（精度±0.03），開發了檢修方便、測量精度高的冷媒冷媒溫度測量結構，降低進出口溫度測量偏差；選用高精度冷媒質量流量計；降低風機發熱量；同時根據對量熱計法試驗室能力測試不確定度的分析，在進行小負荷能力測試時，工況設備的選擇匹配也至關重要，在滿足測試工況的前提下通過變頻技術和電子膨脹閥調節，盡量降低環境工況機組的能力，也就相應降低了房間總功率的投入量，從而減少因測量誤差引起的能力偏差。

3.3 研制出滿足最新標準測試要求的控制軟件

根據歐標EN14511對非穩態工況測試要求，主要包括除霜工況和通斷工況，不同工況根據現場調試分別采用了多組組不同的PID控制方式進行溫濕度調節，同時該工況下根據被測機能力負荷采用動態熱負荷預投入或預切除的方式，以解決非穩態試驗過程的工況波動，縮短工況穩定的時間。

軟件程序增加了除霜、通斷能力測試和季節能效比測試的流程和相關計算方法。非穩態測試時軟件計算依據能量守恒定律，內側和外側分別投入到房間內用于抵消被測機釋放的冷、熱量的總能量，在工況穩定后最終將趨于一致，因此在非穩態測試的過程中需將所有參與能力計算的中間過程參數進行積分計算，最終工況穩定后計算出內外側被測機的總能量，兩者的平衡比小于5 %，能量與試驗時間的比值即為被測機的最終能力。

4 關鍵技術與創新點

本項目基于直接蒸發制冷系統，研究實時控制制冷系統的過冷度和過熱度，智能動態調節系統制冷量，精確控制、測量制冷劑的溫度、壓力及流量的方法。通過對低溫冷媒流量系統冷熱負荷實時動態監控，分析模擬計算所需制冷量，實現不同工況條件下冷凝機組冷量自動控制。通過量熱計法測量不確定度的分析，細調工況設備投入比例，解決冷凝機組過冷度、過熱度難穩定控制的問題，實現冷媒換熱器制冷量準確測量，實現工況設備自動控制。實現室外側0 ℃以下能力測試，實現變頻小功率能力測試。已實現（-25～55）℃范圍內的工況穩定，實現全工況范圍內空調器性能的準確測量，屬國內首創。

5 結論

本項目研制的符合最新歐盟標準要求的平衡型房間量熱計硬件設備和計算軟件，充分滿足國內空調器生產企業和認證檢測企業對符合歐盟標準新型量熱計的需求，有效解決了家用空調器行業的重大關鍵問題，為推動空調器企業突破歐盟的技術壁壘發揮了重要作用。同時，本項目的實施，對空調器檢測領域智能技術的發展及應用具有較大的推動作用。本項目的建設是行業發展的趨勢，符合我國高質量發展的要求。

經過持續的系列關鍵技術研究，形成了相對成熟的技術方案。產品中應用智能化技術，提高了產品性能、簡化了操作，但試驗室運行智能化管理還有完善空間，今后將結合公司的試驗室信息化管理系統、檢測云平臺繼續開展智能化技術的研究及應用，實現遠程維護、故障診斷等功能。