国际标准ISO5151-2010低温制热测试解析

李敏 徐飞 姜敬德

（上海出入境检验检疫局 上海 200135）

国际标准ISO5151-2010低温制热测试解析

李敏 徐飞 姜敬德

（上海出入境检验检疫局 上海 200135）

通过对ISO5151-2010标准中热泵低温制热测试方法的解析，阐明低温制热的测试环节、不同运行表现热泵的具体测试方法和要求以及测试误差的主要来源，从而得出热泵低温制热测试要对不同运行表现热泵进行分类并采用不同的数据采集方法和要求，才能减小测试误差，各试验室在同一规定的测试方法和要求下测试其测试数据才有可比性。

转速可调型冷暖房间空气调节器；除霜循环；热泵低温制热；稳态制热；非稳态制热

1 前言

为了更全面地评价转速可调型冷暖房间空气调节器（以下简称热泵）的能源效率，国标《转速可调型房间空气调节器能效限定值及能效等级》（GB21455-2013）［1］引入了全年能源消耗效率（APF）作为热泵能效评价指标，而APF的测试方法则依据标准《单元式空气调节机》（GB/T17758-2010）［2］和《房间空气调节器》（GB/T7725-2004）［3］的测试方法，其测试项目包括低温制热测试。

GB/T17758-2010对热泵的低温制热试验在附录A.9.4.2和A9.4.3中进行了规定。其中A9.4.2规定：房间空调装置和被试空调机应进行不少于1 h的运行，工况稳定后记录数据，被试空调机由于融霜控制元件的动作导致的工况波动除外。A9.4.3规定：被试空调机应进行3 h的试验运行；在试验结束时如果被试空调机正在融霜则融霜循环应完成，每隔10 min记录一次数据；

为了准确确定融霜循环的起始和结束以及室内气流的时间-温度特性曲线（室内机风机运转时）输入被试机的电功率，在融霜循环过程中应连续记录试验数据［2］。

同样GB/T7725-2004在A.2.4.2和A2.4.3中也进行了类似的规定［3］。

热泵低温制热测试时，室外侧换热器结霜的运行状态是不稳定的。由于不同制造商、同一制造商不同型号产品之间的结构和控制设计不同，因此在低温制热测试时的表现也不尽相同，可分为无除霜循环制热和有除霜循环制热两类，有除霜循环制热的除霜循环频次也不相同。

由于现行标准GB/T7725-2004和GB/T17758-2010对热泵的低温制热试验未根据产品运行期间的不同表现对试验方法分别加以具体规定，同时由于各实验室对标准理解的不同造成试验方法有差异。因此，同一产品在不同实验室进行低温制热测试，其试验结果偏差较大，常出现离群现象，这一情况从近年来中国能效标志管理中心举办的能力验证统计数据可清楚看出。

国际标准《自由送风型空气调节器和热泵的试验和测定》（ISO5151-2010）［4］对热泵低温制热测试中可能遇到的各种情况进行了分类，并对可能出现的每一种低温制热情况试验方法进行了规定。本文通过对ISO5151-2010标准中热泵低温制热测试方法的解析，阐明低温制热测试的环节，测试中不同运行表现热泵的具体测试方法和要求以及测试误差的主要来源，以供业内实验室同行和标准修订者参考。

2 热泵低温制热测试的环节

ISO5151-2010规定热泵低温制热测试分为预调节阶段、平衡阶段、数据采集阶段等三个环节。

2.1预调节阶段

预调节阶段是指在产品正式测试前对试验房间的空气再处理设备及被试热泵运行进行调节的阶段，预调节阶段必须满足以下条件：

（1）测试室工况条件达到标准规定的要求，见表1、表2和表3。

表1　试验工况

表2　制冷量和稳态制热量试验的读数允差

表3　非稳态制热量试验过程允许的偏差

（2）空调器应至少运行10 min。

（3）预调节阶段可在出现除霜循环时结束；如果出现这种情况，在平衡阶段开始前，热泵应以制热模式在除霜结束后至少运行10 min。

（4）低温制热试验时，推荐用自动或手动的方式启动除霜循环以结束预调节阶段，满足预调节要求后才能进入下个环节的平衡阶段。

2.2平衡阶段

ISO5151-2010标准规定热泵低温制热试验预调节阶段完成后将进入平衡阶段，平衡阶段试验工况要满足表1及表2、表3的要求，热泵要连续运行至少持续1 h。

2.3数据采集阶段

在平衡阶段后立即进入数据采集阶段。ISO5151-2010标准依据低温制热时被试热泵的不同表现，其数据采集要求不同，具体要求见以下解析。

3 ISO5151-2010标准低温制热数据采集阶段测试解析

制热量试验依据热泵的运行情况可分为：稳态制热量和非稳态制热量测试。ISO5151-2010引入了一个重要的定义：数据收集期间任一5 min进、出风温差的改变百分比，用%△T表示。按下述公式计算：

式中：△Ti（τ=0）-数据收集期间前5 min进、出风温差的平均值，℃；

△Ti（τ）-数据收集期间任一5 min进、出风温差的平均值，℃。

在数据采集阶段开始的35 min内进行测量，计算%△T的值作为判定热泵稳态和非稳态制热重要的依据。

3.1热泵稳态低温制热测试解析

预调节阶段前进行了除霜循环（自动或手动），平衡阶段和开始的35 min数据采集阶段未出现除霜循环，如果在开始的35 min数据采集阶段，%△T小于2.5%且在平衡阶段和开始的35min数据采集阶段，试验允差满足试验要求，则制热量试验按照稳态制热量试验进行，流程见图1［4］。

图1　稳态制热量试验流程

用数据采集阶段35 min所记录的制热量平均值作为平均制热量；用数据采集阶段35 min所记录的输入功率平均值或35 min所记录的积分输入功率作为平均输入功率。

3.2热泵非稳态低温制热测试解析

在开始的35 min数据采集阶段，如果%△T大于2.5%，制热量试验应按非稳态试验。同样，如果热泵的平衡阶段或开始的35 min数据采集阶段开始了除霜循环，制热量试验应按非稳态制热量试验进行。非稳态试验依据热泵实际运行的状态，可分成以下5种类型：

3.2.1无除霜的非稳态低温制热试验

预调节阶段前进行了除霜循环（自动或手动），平衡阶段和开始的35 min数据采集阶段未出现除霜循环，在开始的35 min数据采集阶段%△T大于2.5%，数据采集周期达到3h试验结束。试验主要流程见图2［4］。

图2　无除霜的非稳态低温制热试验主要流程

3.2.2数据采集阶段出现1个除霜循环的非稳态低温制热试验

预调节阶段前进行了除霜循环（自动或手动），平衡阶段和开始的35 min数据采集阶段未出现除霜循环，在开始的35 min数据采集阶段%△T大于2.5%，数据采集3 h时段出现了除霜循环，当数据采集周期达到3 h试验结束。试验主要流程见图3［4］。

图3　数据采集阶段出现1个除霜循环的非稳态低温制热试验主要流程

3.2.3数据采集阶段出现1个完整除霜循环的非稳态低温制热试验

预调节阶段前进行了除霜循环（自动或手动），平衡阶段未出现除霜循环，开始的35 min数据采集阶段出现除霜循环，数据采集3 h段进行了1个完整的除霜周期，当数据采集周期达到3 h试验结束。试验主要流程见图4［4］。

图4　数据采集阶段出现1个完整除霜循环的非稳态低温制热试验主要流程

3.2.4数据采集阶段出现2个完整的除霜循环的非稳态低温制热试验

预调节阶段前进行了除霜循环（自动或手动），平衡阶段未出现除霜循环，开始的35 min数据采集阶段出现除霜循环，数据采集3 h段进行了2个完整的除霜周期，当数据采集周期达到3 h试验结束。试验主要流程见图5［4］。

图5　数据采集阶段出现2个完整的除霜循环的非稳态低温制热试验主要流程

3.2.5数据采集阶段出现3个完整的除霜循环的非稳态低温制热试验

预调节阶段前进行了除霜循环（自动或手动），平衡阶段出现除霜循环，数据采集阶段完成3个完整的除霜循环试验结束。试验主要流程见图6［4］。

图6　数据采集阶段出现3个完整的除霜循环的非稳态低温制热试验主要流程

3.2.6热泵非稳态低温制热量计算

在数据采集期间，如果空调器包含一个或多个完整循环（一个完整的循环包含一个制热过程和从除霜终止到下一个除霜终止的除霜过程），应按照以下要求确定制热量和输入功率：平均制热量由制热量的积分值和数据采集期间所包含的所有时间来确定；平均输入电功率由输入功率的积分值和数据采集期间与测量制热量相同的时间来确定。

在数据采集期间，如果没有发生完整循环的空调器，则应按照以下要求确定制热量和输入功率：平均制热量由制热量的积分值和数据采集期间的发生时间（室内空气焓值法3 h，量热计法6 h）来确定；平均输入电功率由输入功率的平均值和数据采集期间与测量制热量相同的时间来确定。

4 热泵稳态和非稳态低温制热测试的差异

4.1试验工况允差不同

稳态制热量试验的读数允差见表2，非稳态制热量试验的读数允差见表3。两表比较可以看出稳态和非稳态制热试验读数允许的偏差不同，表3中的D区间是指除霜循环和接下来10 min每5 min采集数据的平均值，H区间是指除了除霜之后的10 min以外的每5 min采集数据的平均值。

非稳态制热量试验在平衡阶段和数据采集阶段均应满足表3规定的试验允差，每个H区间或D区间的所有数据都应符合表3的试验允差，而且应分别根据H区间的数据或D区间的数据评价是否符合表3的试验允差，而不是将两个或多H区间或D区间的数据结合一起评价。

4.2数据采集阶段总时间不同

稳态制热量试验数据采集时间为35 min，而非稳态制热量试验数据采集时间为3 h或三个完整的除霜周期。

4.3数据采集频率不同

稳态制热量试验数据至少每间隔30 s取值一次；非稳态制热量试验在除霜过程中及除霜后的10min，数据采集应更频繁，平均间隔应为每10 s或更短，其他时间段至少每间隔30 s取值一次。

4.4测试结果的计算方法不同

稳态制热用数据采集阶段35 min所记录的制热量平均值作为平均制热量，用数据采集阶段35 min所记录的输入功率平均值或35 min所记录的积分输入功率作为平均输入功率。

非稳态制热分为两种情况，参见3.2.6。

5 热泵低温制热试验主要测试误差来源

低温制热试验中测试程序对除霜周期开始和结束时间节点的判定是测试误差的主要来源，图7、8、9分别给出了某热泵低温制热量、功率和风量测试曲线实例。

图7　热泵低温制热量曲线

图8　热泵低温制热功率曲线

从图7制热量曲线中可以看出，具有完整除霜周期热泵低温制热量的大小为图形与时间轴包络线的面积积分，除霜期间制热量为零，因此判定除霜开始和结束的时间节点非常重要，其直接影响热泵制热量计算结果，同样功率的计算结果也会受影响。

各试验室由于设计思路和方法不同，测试程序对除霜判定的方法不同，主要有以下几种判定方法：

（1）以四通换向阀线圈得电和失电的换向信号作为热泵除霜循环开始和结束的判定依据；

（2）以室内侧风机停止和运转作为热泵除霜循环开始和结束的判定依据；

（3）以热泵输入功率的大小变化作为除霜循环开始和结束的判定依据；

（4）以空气测量段所测量到的风量变化作为除霜新欢开始和结束的判定依据。

（1）、（2）两种判定方法准确把握了除霜开始和结束的时间节点，数据采集精度较高，但安装难度大，需要引入四通换向阀、风机电机开挺信号，破坏了被试热泵原有的电气连接。从图8和图9的曲线可以看出（3）、（4）两种方法，判定除霜开始和结束的时间标准难以统一，不同试验试室对同一产品的测试值离散率大。笔者推荐使用（1）、（2）两种判定方法。

图9　热泵低温制热风量曲线

6 结论

热泵低温制热测试要对不同运行表现热泵进行分类，并采用不同的数据采集方法和要求才能减小测试误差，各试验室在同一规定的测试方法和要求下测试，其测试数据才有可比性。

［1］GB21455-2013转速可调型房间空气调节器能效限定值及能效等级［S］.

［2］GB/T17758-2010单元式空气调节机［S］.

［3］GB/T7725-2004房间空气调节器［S］.

［4］ISO5151-2010自由送风型空气调节器和热泵的试验和测定［S］.

Low Temperature Heating Test Analysis of the International Standard ISO5151-2010

Li Min，Xu Fei，Jiang Jingde
（Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Shanghai，200135）

This paper discussed the specific test methods and requirements of different performance of the heat pump and the main source of measurement error in the low temperature heating test，through analyzing the system test method for heat pump at low temperature in the standard of ISO5151-2010，for the reference of the peer on the test chamber and standard revision.

Speed Adjustable Type Cooling and Heating Air Conditioner；Defrost Cycle；Low Temperature Heat Pump System；Steady State Heat；Non Steady State Thermal System

T651

E-mail：limin@shciq.gov.cn

上海出入境检验检疫局科研项目（HK018-2013）

2014-10-11