热平衡法测量空调器制冷量测量不确定度的研究

吴俊荣李敏黄升宇

（1.上海朗诗规划建筑设计有限公司上海200092；2.上海出入境检验检疫局；3.中国质量认证中心上海分中心）

热平衡法测量空调器制冷量测量不确定度的研究

吴俊荣1李敏2黄升宇3

（1.上海朗诗规划建筑设计有限公司上海200092；2.上海出入境检验检疫局；3.中国质量认证中心上海分中心）

通过房间空调器制冷量测试的实例，分析热平衡法测量的误差来源，并对制冷量测试测试结果进行不确定评价，为业内同行提供参考。

空调器；热平衡法；制冷量；测量；不确定度

1 前言

热平衡和空气焓差法是目前业内对房间空气调节器（以下简称空调器）进行制冷量测试的主要方法。相对于焓差试验室而言，热平衡室对空调器制冷量的测试较为准确，行业内常用热平衡室来对焓差试验室制冷量的测试结果进行标定。

但用热平衡方法测量空调器的制冷量涉及到多个测量环节，使用了大量的如压力、温度、电量等仪表，在测试过程中会产生误差积累，使得测试结果偏离真值，这就需要对热平衡试验室空调器制冷量测试过程的误差来源进行分析并对此测量的不确定度进行评价。国际标准化组织ISO/TS 16491：2012（E）《Guidelines for the evaluation of uncertainty of measurement in air conditioner and heat pump cooling and heating capacity tests》技术规范对空调器制冷量测试的不确定度分析、计算方法进行了规范，但由于各实验室实验装置结构、工作原理和使用的仪器仪表不尽相同，各实验室只能根据自己实验室的实际情况，对实验结果进行正确的不确定度评价。

2 热平衡试验室工作原理简介

房间热平衡室有两种形式：标定型热平衡室和平衡环境型热平衡室。标定型热平衡室由于隔室外围护环境不可控，在制冷量计算时涉及到大量的漏热标定，操作难度大且准确度差，业内现在主要采用平衡环境型热平衡室，其原理图见图1。

图1 平衡环境型热平衡室原理图[1]

从图1可以看出，平衡室分室内隔室和室外隔室，隔室外有夹套。在室内侧和室外侧之间的隔墙上设计装有压力平衡装置，室内外隔室和夹套均能分别控制其内部环境的温湿度。通过电加热、电加湿来平衡空调器制冷量和除湿量的方法，使隔室及夹套的环境满足标准的要求，测定用于平衡制冷量和除湿量所输入室内侧隔室的热量来确定被试空调器的制冷量，室外侧通过用于平衡空调器冷凝器侧排出热量所需的冷水量来确定被试空调器的放热量。满足平衡比要求后，以室内侧制冷量测试结果作为最终结果，室外侧放热量的测试结果用以校验室内侧的制冷量。

测试时按照标准规定的额定工况设置空调器热平衡实验室室内、室外的工况，空调器以额定电压运行至稳定状态后，开始读取制冷量测试数据，采集数据分7组，每组5min，共计采集35min，然后将7组测试值进行平均，平均值作为额定制冷量的测试结果。

3 热平衡试验室空调器制冷量测试不确定度评价方法

3.1 建立数学模型

热平衡室热量传递的示意图如图2所示。

依据图2按照工况稳定时冷热平衡的原则确定空调器室内侧制冷量的计算公式为：

这就是热平衡试验室空调器制冷量测试不确定度评价的数学模型。

公式中：φtci-总制冷量（室内侧数据），单位为W；

ΣPic-室内侧总输入功率，单位为W；

hw1-室内加湿器进水焓值，单位为kJ/kg；

hw2-室内设备凝结水焓值，单位为kJ/kg；

Wr-加湿进水量，单位为kg/s；

φlp-室内外分割库板的漏热，单位为W；

φli-室内侧与环境分割库板的漏热，单位为W。

3.2 根据数学模型确立不确定度的来源—不确定度分量

影响制冷量测量的不确定因素主要包括：

（1）功率表读数误差；

（2）加湿水焓值测量误差；

（3）冷凝水焓值测量误差；

（4）蒸发水量测量误差；

（5）室内外隔墙传热系数测量误差；

（6）室内外隔墙温差测量误差；

（7）夹套漏热系数测量误差；

（8）夹套与房间温差测量误差；

（9）确定的对测量不确定间接贡献。

其中，（1）-（8）不确定度分量均可由仪器等级和计量证书上的数据确定，采用B类不确定度评价方法；（9）项是预先给定的不确定度的间接贡献，ISO/ TS16491 First edition 2012-12-01规定的间接贡献为试测制冷量的1.5%[2]。

3.3 计算各不确定度分量的大小

根据仪表的测量精度、概念分布的包含因子及灵敏系数计算出各不确定度分量大小。

3.4 合成不确定度计算

合成不确定度计算按照公式（2）计算

3.5 扩展不确定度计算

扩展不确定度按照公式（3）计算

其中k取2。

4 测量不确定度评价实例

下面以某知名企业的一套2HP的挂壁式空调器在上海出入境检验检疫局机电中心的5HP热平衡实验室的测试结果进行制冷量不确定度分析，实验室测试数据见表1。

表1 实验室测试数据

测试工况：室内侧干球/湿球温度为27/19℃，室外侧干球/湿球温度为35/24℃。

室内机进风空气焓值：h1=12.9kJ/kg；室内机出风空气焓值：h2=0.85kJ/kg；空调器内的冷凝水量：Wt=0.02g/s。

各测量不确定度分量分析如下：

（1）ΣPic室内侧房间总输入电量测量的标准不确定度。

测量仪器为日本恒河公司生产的WT230电量表，计量报告显示其为二级测量仪表，准确度0.5%，包含因子k＝2：则ΣPic测量的标准不确定度为：

（2）hw1加湿器进水温度测量的标准不确定度。

加湿器进水温度的测量由铂电阻、模数转换器及数据采集器组成，测量加湿水流量电子秤的读数为：0.28×10-3kg/s。查设备计量报告得加湿器进水温度测量精度为0.1℃，焓值由温度值确定，查水焓值表得进水焓值最大偏差为419 J/kg，不确定度分布为矩形分布，包含因子，则hw1测量的标准不确定度为：

（3）hw2加湿器出水测量的标准不确定度。

同（2）可得：

（4）Wr测量的标准不确定度。

加湿进水与冷凝水的焓差实测值为：5.45×104J/kg。加湿进水量由电子秤测得，试验过程中电子秤测得的水流量为0.28×10-3kg/s，查计量报告得到电子秤的测量不确定度为10%，矩形分布，包含因子k＝，则Wr标准不确定度为：

（5）KSp室内外侧中间隔墙漏热系数测量的标准不确定度。

室内外侧中间隔墙漏热系数试验标定结果为4.0 W/K，不确定度为20%，矩形分布，包含因子k＝，制冷量测试时室内外侧的环境温度差为：8（35.0-27.0）K，则中间隔墙漏热系数测量的标准不确定度为：

（6）KSi室内侧与夹套隔墙漏热系数测量的标准不确定度。

室内侧与夹套隔墙漏热系数试验标定结果为20W/K，不确定度为20%，矩形分布，包含因子k＝，制冷量测试时室内侧与夹套的环境温度差为：0.5（27.5-27.0）K，则漏热系数测量的标准不确定度为：

（7）Toam室外侧温度测量标准不确定度。

查热平衡室外侧温度测量计量证书得其测量不确定度为0.2 K，正态分布，包含因子k＝2，室内外侧的漏热系数为4.0 W/K，则室外侧温度测量的标准不确定度为：

（8）Tiam室内侧温度测量标准不确定度。

查热平衡室内侧温度测量计量证书得其测量不确定度为0.2 K，正态分布，包含因子k＝2，室内与外侧及加套的的漏热系数标定值为4.0 W/K+20.0 W/K= 24.0 W/K，则室内侧温度测量的标准不确定度为：

（9）Tiscm室内侧夹套温度测量的标准不确定度。

查热平衡室内侧夹套温度测量计量证书得其测量不确定度为0.2 K，正态分布，包含因子k＝2，室内侧与夹套的漏热系数标定值为20.0 K，则室内侧夹套温度测量的标准不确定度为：

（10）IC间接贡献的标准不确定度。

间接贡献IC预设值为测试结果的3.0%，包含因子k＝2，则室内侧环境温度测量的标准不确定度为：

此次测试结果的不确定度评价结果见表2。

表2 不确定度评价结果表

扩展不确定度：U=kuc（φtci）=80.2 W（系数k=2）

5 结论

本文通过实例，阐述了热平衡法测试房间空气调节器制冷量的误差来源、不确定度的评价程序和评价方法，此评价方法同样适用于制热量测试。业内试验室可根据各自使用的试验装置和仪器仪表的实际情况，参考此方法对各自试验室制冷量测试不确定度进行评价，从而满足客户的实际需求。

[1]GB/T7725-2004房间空气调节器[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

上海出入境检验检疫局科研项目（HK029-2016）

2016-08-03