柜式空调辅助电加热设备工作模式的研究

袁双全，吴俊鸿，魏广飞

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

0 引言

空调辅助电加热设备的使用可以有效提高空调机组的制热舒适性[1-3]。但是，由于空调辅助电加热的使用空调能耗也相对提高，目前对降低空调辅助电加热能耗方面的研究相对较少。而且，由于辅助电加热的投入使用，空调机组的安全性和可靠性等方面也受到影响[4]。因此，空调辅助电加热工作模式的研究对空调辅助电加热节能降耗研究具有重要意义[5-6]。

1 实验原理

1.1 实验设备及方案

采用珠海格力电器空调器焓差法测试室进行实验，实验设备示意图如图1所示。实验设备包含风量测量装置、循环风机、室内侧冷机、温度采集装置、室外侧冷机和空气处理柜等。

实验开始时关辅助电加热，直到室内环境温度稳定10 min后（室内环境温度变化在0.5 ℃以内）开启辅助电加热，开启辅助电加热后待环境温度稳定10 min后再关闭辅助电加热，关闭辅助电加热后待环境温度稳定10 min后，再开启辅助电加热，待环境温度稳定10 min，之后再关闭辅助电加热，一直不开。实验期间记录室内环境温度、室内换热器管温、空调出风温度、距离出风口1.3 m处室内温度等。

图1 柜式空调辅助电加热实验设备示意图

1.2 辅助电加热工作模式下室内温度变化理论部分

1.2.1 假设条件

为方便理论计算，可简化房间温度变化模型，计算过程所用假设条件如下：

1) 空调稳定运行时，开启辅助电加热期间房间内温度分布均匀；

2) 开启辅助电加热过程中房间墙壁温度不变；

3) 开启辅助电加热期间空调制热量不变；

4) 忽略墙壁辐射换热对温度变化影响。

1.2.2 室内温升规律理论推导

对房间进行热量平衡计算可得：

上式 (Pd+ qc)dt表示空调制热和辅助电加热对房间的热量输入；cmdT表示热量输入用于室内空气温度上升的部分；hA(T-Twall)dt表示室内热量输入用于室内空气对墙壁散热部分。

对式(1)进行处理可得：

对式(2)积分可得：

则室内温度变化可表达为：

2 数据分析

2.1 辅助电加热工作模式室内温度变化规律实验验证

由式(4)可知，在室内空调制热达到稳定时开启辅助电加热，室内温度应呈指数上升的规律。在实验条件为室内环境温度0 ℃、室外环境温度-7 ℃、风量为低风档时，对实验结果进行验证。由图2可见，实验结果基本符合指数变化的规律。

图2 室内0 ℃、室外-7 ℃、低风档工况下室内出风口1.3 m处温度变化图

2.2 辅助电加热工作模式下管温和出风温度变化

在室内环境温度0 ℃、室外环境温度0 ℃、风量为高风档和室内环境温度 0 ℃、室外环境温度-7 ℃、风量为超高风档工况下，研究辅助电加热开启对空调出风温度和管温的影响，实验运行3个除霜周期，实验结果如图3和图4所示。由图3可知，不开辅助电加热时，空调制热过程中空调管温稍高于空调出风温度，由图4可知开启辅助电加热之后，空调管温变化不明显，出风口温度升高明显，并且温度高于空调管温。

图3 室内0 ℃、室外0 ℃、高风档工况下空调管温和出风温度变化

图4 室内0 ℃、室外-7 ℃、超高风档工况下辅助电加热对出风温度和管温影响

分析认为，在开启辅助电加热之前，主要依靠空调室内机管温温度升高来加热空气，所以从理论上来说在开启辅助电加热之前，空调室内机管温为室内温度最高点，距离出风口越远，温度越低，所以出风口处温度会低于管温。而当辅助电加热开启之后，室内空气的加热热源有两个，一个是空调室内机铜管，另一个是辅助电加热加热管，出风口处的空气首先经过室内机铜管加热一次，然后再经过辅助电加热加热一次，经过两次加热，导致出风口处空气温度高于室内机管温。

2.3 辅助电加热工作模式下化霜期间室内温度变化

在室内环境温度 0 ℃、室外环境温度 0 ℃、风量为高风档和室内环境温度 0 ℃、室外环境温度-7 ℃、风量为超高风档工况下，实验运行3个除霜周期，研究空调室内感温包和出风口1.3 m处温度测量点温度变化。结果如图5和图6所示。由图5和图 6可知，在空调进行除霜模式时，空调室内感温包测得室内温度温降明显高于 1.3 m出风口处测得温度值。

图5 室内0 ℃、室外0 ℃、高风档工况下实验结果

图6 室内0 ℃、室外-7 ℃、超高风档工况下辅助电加热对出风温度和管温影响

分析认为，一般在空调处于除霜模式时，空调由制热模式转为制冷模式，此时室内机风扇停止工作，目的是减缓室内空气温降，由图3和图4可知，当空调处于除霜模式时，室内机铜管温度急剧降低，室内机铜管在除霜模式时，管温低至-20 ℃～-30 ℃，此时由于空调室内感温包测量点距离室内机铜管较近，导致其温度降低也很快，以室内0℃、室外 0 ℃、高风档工况实验结果为例，在时间为60 min～80 min内的除霜过程中，空调室内感温包温降由 22.4 ℃降低至-0.9 ℃，温降为 23.3 ℃，而出风口1.3 m处距离室内机铜管较远，此时风扇也停止工作，其温度变化尚不明显，在上述除霜过程中，出风口1.3 m处温度由23.6 ℃降低至20.6 ℃，温降为3 ℃。由此可见，在除霜过程中空调室内机室内温度感温包显示数值不能代表当前室内温度真实温度，在空调辅助电加热工作模式下进行化霜时，要考虑室内感温包温度测量不准确带来的影响。

2.4 辅助电加热工作模式下不同风挡影响

实验测量了室内环境温度0 ℃、室外环境温度0 ℃工况下，不同风档下的管温和出风温度随时间变化，实验结果如图7和图8所示。由图7和图8可知，在一般情况下，随着空调出风速度提高，空调的出风温度降低，管温降低。

图7 室内0 ℃、室外0 ℃、不同风档对出风温度影响

图8 室内0 ℃、室外0 ℃、不同风档对管温影响

分析认为，随着出风速率不断提高，空调室内机铜管与周围空气对流换热系数增大，在空调能力不变的情况下，换热系数越大，则温差越小，进而导致随风速增加，空调管温降低，而出风温度在辅助电加热不开的情况下是受管温直接影响的，所以出风温度也随之降低。

2.5 辅助电加热工作模式下室外环境温度对室内环境温度温升效果影响

室外环境温度对室内环境温度温升有一定影响，室内环境温度 0 ℃、室外环境温度 0 ℃、风量为高风档和室内环境温度0 ℃、室外环境温度-7 ℃、风量为高风档的室内 1.3 m出风口处温度变化曲线如图9所示。由图可知，室外环境温度为0 ℃时的室内环境温度曲线斜率要大于室外环境温度为-7 ℃的斜率，说明室外环境温度为 0 ℃时的室内环境温升速率要高于室外环境温度为-7 ℃的温升速率，由图 9可得，室外环境温度为 0 ℃时的温升速率为0.59 ℃/min，室外环境温度-7 ℃时的温升速率为0.42 ℃/min。

分析认为，一方面，室外环境温度越低，在压缩机功耗相同的情况下，空调向室内环境的制热量就越少，导致室内环境温度上升速率减慢；另一方面，室外环境温度越低，则室内外温差就越大，室内与室外的散热量就越大，这也导致了室内温度上升减缓。两者综合作用，使得室内环境温度上升速率随室外环境温度降低而降低。

图9 室外环境温度对出风温度影响

3 结论

在不同工况下，对空调进行自由温升实验，所得主要结论如下：

(1) 在室内空调制热达到稳定时开启辅助电加热，理论上室内温度呈指数上升的规律；

(2) 在不同工况下，开启辅助电加热之前，空调制热过程中空调管温稍高于空调出风温度，开启辅助电加热之后，空调管温变化不明显，出风口温度升高明显，并且温度高于空调管温；

(3) 在空调进行除霜模式时，空调室内感温包测得室内温度温降明显高于1.3 m出风口处测得温度值；

(4) 随着空调出风速度提高，空调的出风温度降低，管温降低；

(5) 室内环境温度上升速率随室外环境温度降低而降低。

符号说明

P ——辅助电加热功率，W；

q ——空调制热量，W；

h ——室内空气与墙壁对流换热系数，W/(m2·℃)；

c ——室内空气比热容，J/(kg·℃)；

A ——室内空气对流换热面积，m2；

m ——室内空气总质量，kg；

T ——室内空气温度，℃；

Twall——室内墙壁温度，℃；

Tin——室内空调的回风温度，℃；

T0——辅助电加热开启室内环境温度，℃；

t ——开启辅助电加热时间，s。

[1] 程磊, 田琦. 太阳能-电辅热供暖系统的经济优化[J].建筑热能通风空调, 2011, 30(5): 57-59.

[2] 佚名. 2011年 8月中国空调市场分析[J]. 家用电器,2011(10): 106-112.

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