吳俊榮李敏黃升宇

（1.上海朗詩規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司上海200092；2.上海出入境檢驗(yàn)檢疫局；3.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心上海分中心）

熱平衡法測(cè)量空調(diào)器制冷量測(cè)量不確定度的研究

吳俊榮1李敏2黃升宇3

（1.上海朗詩規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司上海200092；2.上海出入境檢驗(yàn)檢疫局；3.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心上海分中心）

通過房間空調(diào)器制冷量測(cè)試的實(shí)例，分析熱平衡法測(cè)量的誤差來源，并對(duì)制冷量測(cè)試測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不確定評(píng)價(jià)，為業(yè)內(nèi)同行提供參考。

空調(diào)器；熱平衡法；制冷量；測(cè)量；不確定度

1 前言

熱平衡和空氣焓差法是目前業(yè)內(nèi)對(duì)房間空氣調(diào)節(jié)器（以下簡(jiǎn)稱空調(diào)器）進(jìn)行制冷量測(cè)試的主要方法。相對(duì)于焓差試驗(yàn)室而言，熱平衡室對(duì)空調(diào)器制冷量的測(cè)試較為準(zhǔn)確，行業(yè)內(nèi)常用熱平衡室來對(duì)焓差試驗(yàn)室制冷量的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。

但用熱平衡方法測(cè)量空調(diào)器的制冷量涉及到多個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)，使用了大量的如壓力、溫度、電量等儀表，在測(cè)試過程中會(huì)產(chǎn)生誤差積累，使得測(cè)試結(jié)果偏離真值，這就需要對(duì)熱平衡試驗(yàn)室空調(diào)器制冷量測(cè)試過程的誤差來源進(jìn)行分析并對(duì)此測(cè)量的不確定度進(jìn)行評(píng)價(jià)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TS 16491：2012（E）《Guidelines for the evaluation of uncertainty of measurement in air conditioner and heat pump cooling and heating capacity tests》技術(shù)規(guī)范對(duì)空調(diào)器制冷量測(cè)試的不確定度分析、計(jì)算方法進(jìn)行了規(guī)范，但由于各實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)、工作原理和使用的儀器儀表不盡相同，各實(shí)驗(yàn)室只能根據(jù)自己實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正確的不確定度評(píng)價(jià)。

2 熱平衡試驗(yàn)室工作原理簡(jiǎn)介

房間熱平衡室有兩種形式：標(biāo)定型熱平衡室和平衡環(huán)境型熱平衡室。標(biāo)定型熱平衡室由于隔室外圍護(hù)環(huán)境不可控，在制冷量計(jì)算時(shí)涉及到大量的漏熱標(biāo)定，操作難度大且準(zhǔn)確度差，業(yè)內(nèi)現(xiàn)在主要采用平衡環(huán)境型熱平衡室，其原理圖見圖1。

圖1 平衡環(huán)境型熱平衡室原理圖[1]

從圖1可以看出，平衡室分室內(nèi)隔室和室外隔室，隔室外有夾套。在室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)之間的隔墻上設(shè)計(jì)裝有壓力平衡裝置，室內(nèi)外隔室和夾套均能分別控制其內(nèi)部環(huán)境的溫濕度。通過電加熱、電加濕來平衡空調(diào)器制冷量和除濕量的方法，使隔室及夾套的環(huán)境滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，測(cè)定用于平衡制冷量和除濕量所輸入室內(nèi)側(cè)隔室的熱量來確定被試空調(diào)器的制冷量，室外側(cè)通過用于平衡空調(diào)器冷凝器側(cè)排出熱量所需的冷水量來確定被試空調(diào)器的放熱量。滿足平衡比要求后，以室內(nèi)側(cè)制冷量測(cè)試結(jié)果作為最終結(jié)果，室外側(cè)放熱量的測(cè)試結(jié)果用以校驗(yàn)室內(nèi)側(cè)的制冷量。

測(cè)試時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定工況設(shè)置空調(diào)器熱平衡實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)、室外的工況，空調(diào)器以額定電壓運(yùn)行至穩(wěn)定狀態(tài)后，開始讀取制冷量測(cè)試數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)分7組，每組5min，共計(jì)采集35min，然后將7組測(cè)試值進(jìn)行平均，平均值作為額定制冷量的測(cè)試結(jié)果。

3 熱平衡試驗(yàn)室空調(diào)器制冷量測(cè)試不確定度評(píng)價(jià)方法

3.1 建立數(shù)學(xué)模型

熱平衡室熱量傳遞的示意圖如圖2所示。

依據(jù)圖2按照工況穩(wěn)定時(shí)冷熱平衡的原則確定空調(diào)器室內(nèi)側(cè)制冷量的計(jì)算公式為：

這就是熱平衡試驗(yàn)室空調(diào)器制冷量測(cè)試不確定度評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型。

公式中：φtci-總制冷量（室內(nèi)側(cè)數(shù)據(jù)），單位為W；

ΣPic-室內(nèi)側(cè)總輸入功率，單位為W；

hw1-室內(nèi)加濕器進(jìn)水焓值，單位為kJ/kg；

hw2-室內(nèi)設(shè)備凝結(jié)水焓值，單位為kJ/kg；

Wr-加濕進(jìn)水量，單位為kg/s；

φlp-室內(nèi)外分割庫板的漏熱，單位為W；

φli-室內(nèi)側(cè)與環(huán)境分割庫板的漏熱，單位為W。

3.2 根據(jù)數(shù)學(xué)模型確立不確定度的來源—不確定度分量

影響制冷量測(cè)量的不確定因素主要包括：

（1）功率表讀數(shù)誤差；

（2）加濕水焓值測(cè)量誤差；

（3）冷凝水焓值測(cè)量誤差；

（4）蒸發(fā)水量測(cè)量誤差；

（5）室內(nèi)外隔墻傳熱系數(shù)測(cè)量誤差；

（6）室內(nèi)外隔墻溫差測(cè)量誤差；

（7）夾套漏熱系數(shù)測(cè)量誤差；

（8）夾套與房間溫差測(cè)量誤差；

（9）確定的對(duì)測(cè)量不確定間接貢獻(xiàn)。

其中，（1）-（8）不確定度分量均可由儀器等級(jí)和計(jì)量證書上的數(shù)據(jù)確定，采用B類不確定度評(píng)價(jià)方法；（9）項(xiàng)是預(yù)先給定的不確定度的間接貢獻(xiàn)，ISO/ TS16491 First edition 2012-12-01規(guī)定的間接貢獻(xiàn)為試測(cè)制冷量的1.5%[2]。

3.3 計(jì)算各不確定度分量的大小

根據(jù)儀表的測(cè)量精度、概念分布的包含因子及靈敏系數(shù)計(jì)算出各不確定度分量大小。

3.4 合成不確定度計(jì)算

合成不確定度計(jì)算按照公式（2）計(jì)算

3.5 擴(kuò)展不確定度計(jì)算

擴(kuò)展不確定度按照公式（3）計(jì)算

其中k取2。

4 測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)實(shí)例

下面以某知名企業(yè)的一套2HP的掛壁式空調(diào)器在上海出入境檢驗(yàn)檢疫局機(jī)電中心的5HP熱平衡實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行制冷量不確定度分析，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試工況：室內(nèi)側(cè)干球/濕球溫度為27/19℃，室外側(cè)干球/濕球溫度為35/24℃。

室內(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)空氣焓值：h1=12.9kJ/kg；室內(nèi)機(jī)出風(fēng)空氣焓值：h2=0.85kJ/kg；空調(diào)器內(nèi)的冷凝水量：Wt=0.02g/s。

各測(cè)量不確定度分量分析如下：

（1）ΣPic室內(nèi)側(cè)房間總輸入電量測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

測(cè)量?jī)x器為日本恒河公司生產(chǎn)的WT230電量表，計(jì)量報(bào)告顯示其為二級(jí)測(cè)量?jī)x表，準(zhǔn)確度0.5%，包含因子k＝2：則ΣPic測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（2）hw1加濕器進(jìn)水溫度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

加濕器進(jìn)水溫度的測(cè)量由鉑電阻、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)采集器組成，測(cè)量加濕水流量電子秤的讀數(shù)為：0.28×10-3kg/s。查設(shè)備計(jì)量報(bào)告得加濕器進(jìn)水溫度測(cè)量精度為0.1℃，焓值由溫度值確定，查水焓值表得進(jìn)水焓值最大偏差為419 J/kg，不確定度分布為矩形分布，包含因子，則hw1測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（3）hw2加濕器出水測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

同（2）可得：

（4）Wr測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

加濕進(jìn)水與冷凝水的焓差實(shí)測(cè)值為：5.45×104J/kg。加濕進(jìn)水量由電子秤測(cè)得，試驗(yàn)過程中電子秤測(cè)得的水流量為0.28×10-3kg/s，查計(jì)量報(bào)告得到電子秤的測(cè)量不確定度為10%，矩形分布，包含因子k＝，則Wr標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（5）KSp室內(nèi)外側(cè)中間隔墻漏熱系數(shù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

室內(nèi)外側(cè)中間隔墻漏熱系數(shù)試驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果為4.0 W/K，不確定度為20%，矩形分布，包含因子k＝，制冷量測(cè)試時(shí)室內(nèi)外側(cè)的環(huán)境溫度差為：8（35.0-27.0）K，則中間隔墻漏熱系數(shù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（6）KSi室內(nèi)側(cè)與夾套隔墻漏熱系數(shù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

室內(nèi)側(cè)與夾套隔墻漏熱系數(shù)試驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果為20W/K，不確定度為20%，矩形分布，包含因子k＝，制冷量測(cè)試時(shí)室內(nèi)側(cè)與夾套的環(huán)境溫度差為：0.5（27.5-27.0）K，則漏熱系數(shù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（7）Toam室外側(cè)溫度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

查熱平衡室外側(cè)溫度測(cè)量計(jì)量證書得其測(cè)量不確定度為0.2 K，正態(tài)分布，包含因子k＝2，室內(nèi)外側(cè)的漏熱系數(shù)為4.0 W/K，則室外側(cè)溫度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（8）Tiam室內(nèi)側(cè)溫度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

查熱平衡室內(nèi)側(cè)溫度測(cè)量計(jì)量證書得其測(cè)量不確定度為0.2 K，正態(tài)分布，包含因子k＝2，室內(nèi)與外側(cè)及加套的的漏熱系數(shù)標(biāo)定值為4.0 W/K+20.0 W/K= 24.0 W/K，則室內(nèi)側(cè)溫度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（9）Tiscm室內(nèi)側(cè)夾套溫度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

查熱平衡室內(nèi)側(cè)夾套溫度測(cè)量計(jì)量證書得其測(cè)量不確定度為0.2 K，正態(tài)分布，包含因子k＝2，室內(nèi)側(cè)與夾套的漏熱系數(shù)標(biāo)定值為20.0 K，則室內(nèi)側(cè)夾套溫度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（10）IC間接貢獻(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

間接貢獻(xiàn)IC預(yù)設(shè)值為測(cè)試結(jié)果的3.0%，包含因子k＝2，則室內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

此次測(cè)試結(jié)果的不確定度評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

表2 不確定度評(píng)價(jià)結(jié)果表

擴(kuò)展不確定度：U=kuc（φtci）=80.2 W（系數(shù)k=2）

5 結(jié)論

本文通過實(shí)例，闡述了熱平衡法測(cè)試房間空氣調(diào)節(jié)器制冷量的誤差來源、不確定度的評(píng)價(jià)程序和評(píng)價(jià)方法，此評(píng)價(jià)方法同樣適用于制熱量測(cè)試。業(yè)內(nèi)試驗(yàn)室可根據(jù)各自使用的試驗(yàn)裝置和儀器儀表的實(shí)際情況，參考此方法對(duì)各自試驗(yàn)室制冷量測(cè)試不確定度進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而滿足客戶的實(shí)際需求。

[1]GB/T7725-2004房間空氣調(diào)節(jié)器[S].

[2]TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS16491 First edition 2012-12-01 Guidelines for the evaluation of uncertainty of measurement in air conditioner and heat pump cooling and heating capacity tests[S].

Analysis of the Main Deviation Sources of Measuring the Cooling Capacity of Air Conditioners by Calorimeter Room Method and the Evaluation of Measurement Uncertainty

WU Junrong1，LI Min2，HUANG Shengyu3
（1.Airware（Shanghai）Special Air-Conditioner Co.，Ltd，201613；
2.Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau；
3.China Quality Certification Center Shanghai Branch）

In this paper，through the room air conditioner cooling capacity test example，analysis of the deviation source of the Calorimeter room method，and the test results of the cooling capacity of the uncertainty evaluation，to provide reference for the industry counterparts.

Air Conditioners；Calorimeter Room Method；Refrigerating Capacity；Measure；Uncertainty

TM3

E-mail：59157194@qq.com

上海出入境檢驗(yàn)檢疫局科研項(xiàng)目（HK029-2016）

2016-08-03