基于不同原理的焓差试验室标定用标准机方案可行性研究

李斌诚 李燕龙 何冠成 陈松龙

（1.威凯检测技术有限公司 广州 510663；2.广东美的暖通设备有限公司 佛山 528311）

引言

随着中国暖通空调行业的发展，房间空调器的制冷量测试结果在不同焓差室间不一致的问题逐渐凸显，同时这也是国内抽查以及国际贸易中容易引发关键问题的重要技术指标。同时，随着近些年“一带一路”战略的稳步推进，中国房间空调器企业逐步打开国门发展广阔的海外市场。据国家统计局前瞻产业研究院统计，2021年1～12月中国空调出口量突破5 000 万台，累计出口金额达到了80.83 亿美元，累计增长17.7 %。这也使得行业对于制冷量测试得的准确性和一致性提出了更高的要求。另一方面，今年来节能减排的问题在全球范围内倍受关注，能效制度作为诸多国家房间空调器产品的市场准入制度，严格规定了房间空调器的能效等级和能源效率的最小市场准入值。GB 21455-2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》[2]已于2019年12月31日发布，新标准的实施将会大力推动空调行业整体能效水平的升级，各能效等级要求相比上一个版本进行了全面整体地提高，因此能源效率制度的实施对制冷量测量的测试也提出了更高的准确度要求。本文以介绍不同原理或技术路线的焓差试验室标定用标准机方案，以准确度和一致性作为前提，对不同方案的不确定度进行对比分析，为行业研究更先进的标准机提出一些新的思路。目前，制冷行业内用于焓差试验室标定的标准机通常有两种，一是经过改造后的窗机空调器，通常为提高稳定性，会增加特定的条件，如：固化的传感器，固定出风口扇叶角度、安装条件等；二是能够实现可调可控可自测的标准机方案，利用空调原理实现分解型的组合式标准机。本文主要针对第二种使用不同原理和技术方案的标准机进行可行性研究。

1 标准机方案分析的基本准则

实现制冷量输出非常准确的标准机，首先需要实现的是制冷量测量方法的不确定度能达到1 %以内，即可以在1 %的置信度内测得标准机输出的制冷量。若达不到1 %不确定度的制冷量测量方案，即使标准机的控制手段再先进，控制精度再高，也无法确保我们控制的制冷量是否在设定值的1 %以内。因此，我们选择标准机自测制冷量的不确定度作为最基本的准则，对比分析各个不同方案的标准机制冷量测量不确定度。不确定度的评定，统一采用以下基本的评定方法。

根据标准JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》[1]中相关规定，不确定度的评定包括A 类不确定度和B 类不确定度 。

对于本文探讨的制冷量来说，A 类不确定由实验测量的随机误差引入，评定流程参考图1所示。

图1 A 类不确定度评定流程

而B 类不确定度是各直接测量量的测试仪器误差所带来的系统误差。其计算方法根据不同的测量量实际情况会有所不同，评定流程参考图2所示。

图2 B 类不确定度评定流程

对于本文探讨的制冷量估计值来说，通常各个输入量间均不相关，相关系数为零。故被测量估计值y 的合成标准不确定度uc(y)按式（1）计算：

式中：

uc(y)—被测量估计值的合成标准不确定度；

u(xi)—输入量xi的标准不确定度；

y—被测量估计值；

xi—第i 个输入量的估计值。

考虑到不确定度要包含被测量可能值的置信区间半宽度，合成扩展不确定度计算按式（2）：

式中：

U—合成扩展不确定度；

k—包含因子k（通常取2）。

最终制冷量的测量结果可用式（3）表示：

2 各技术方案的不确定度对比分析

由于不确定度分析中的A 类不确定度及B 类不确定度中灵敏系数的计算是需要代入实际测量数据计算的，采用估算方法会带来较大计算误差。因此，各方案的不确定度对比分资料范围尽量宽泛，保证调研结果的可信度。

根据调研结果分析，得到各方案的标准机测量制冷量时，估算的不确定度如下：

空气焓值法中，由于制冷量不确定度对进出风口的湿球温度敏感性高，远高于其他各直接测量物理量，而该法中无法避免湿球温度的测量，因此最终的制冷量测量结果存在较大不确定度，约2.7 %。

水焓值法中，避开了湿度的测量，而且水流量相较于空气流量更易准确测量，所以能实现一个比较低的制冷量测量不确定度，约0.9 %。

液体流量计法，由于制冷剂侧的流量测量很容易受到含油量（润滑油）的影响，流量测量精度度，所以制冷剂液体流量计法也无法达到很低的测量不确定度，约2.2 %。

冰浆法，制冷量计算公式简单，涉及参数少，存在实现较低测量不确定的可能。详见表1。

表1 各技术方案的不确定度调研分析结果

表1 各技术方案的不确定度调研分析结果（续）

综上所述，根据各方案不确定度分析的调研结果，选取目前国内外都比较少见的冰浆法方案进行详细分析，包含实现的原理及不确定度分析。

3 冰浆法实现标准机的技术方案分析

冰浆法实现标准机的技术方案，具有直接测试量少的特点，具有非常高精确度的潜力。如图3所示，是本方案设计的冰浆法标准机结构示意图。标准机主要由制冰循环部分和冰浆循环部分两部分组成。其中，制冰循环部分包括压缩机，冷凝器，节流阀，制冰器等部件，其主要功能是将冰浆循环部分的回水降温至冰点以下，在制冰器上结成冰晶，冰晶在水的流动中脱落至冰水混合腔中。冰浆循环部分主要包括冰水混合腔，水泵，低温水箱以及冰水换热器和音叉密度计，其中低温水箱为冰水混合腔补充低温水。冰水混合腔内结晶冰和冷水在搅拌器的作用下充分混合，产生混合均匀的冰浆。冰浆由水泵送至冰水换热器中输出冷量。

图3 冰浆制冷源装置结构示意图

该结构的关键点在于制冰器中要安装喷淋器，使回水以喷淋的方式进入制冰器中，保证所得冰晶皆为碎冰。碎冰在冰水混合腔中要和水充分混合，制成冰浆状态。冰浆具有很好的换热性能和流动性能，在管路和换热器中具有良好的换热性能。并且，要保证冰水换热器的进出口工质都为冰浆态，换热量不宜过大，否则冰浆中的水会吸收显热，影响制冷量的测算。

冰浆法输出的制冷量为：

式中：

r—0 ℃和1.01×10 Pa 大气压强下冰的相变潜热，334.3 kJ/kg；

冰浆中冰的质量不容易直接测量，所以，该方案拟在换热器进出口各布置一个音叉密度计，直接对冰浆的密度进行测量，再通过密度换算出冰浆中冰和水的比例，结合体积流量计即可按下式计算出：

式中：

ρ1—换热器进口冰浆的密度，g/cm3；

ρ2—换热器出口冰浆的密度，g/cm3；

从而得出冰浆法输出的制冷量的直接计算公式为：

式中：

Q—冰浆法输出的制冷量。

由公式可知，冰浆冷源装置的输出制冷量Q 只与ρ1，ρ2，三个直接测量量相关。测量参数很少，参考上述的不确定度评定方法，当三个参数的测量及控制精度都比较高时，制冷量的测量不确定度有可能达到比较低的水平，所以，该方案具有高精度的应用潜力。

4 结束语

综上所述，本文以标准机自测制冷量的不确定度作为最基本的分析准则，对各个不同方案的标准机制冷量测量不确定度进行调研及分析研究。同时，提出目前行业内在国内外均未实现的冰浆法技术方案的实现思路，推动行业内使用标准机对焓差试验室进行比对分析的准确度和结果有效性。