柜式空調(diào)輔助電加熱設(shè)備工作模式的研究

袁雙全，吳俊鴻，魏廣飛

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

空調(diào)輔助電加熱設(shè)備的使用可以有效提高空調(diào)機組的制熱舒適性[1-3]。但是，由于空調(diào)輔助電加熱的使用空調(diào)能耗也相對提高，目前對降低空調(diào)輔助電加熱能耗方面的研究相對較少。而且，由于輔助電加熱的投入使用，空調(diào)機組的安全性和可靠性等方面也受到影響[4]。因此，空調(diào)輔助電加熱工作模式的研究對空調(diào)輔助電加熱節(jié)能降耗研究具有重要意義[5-6]。

1 實驗原理

1.1 實驗設(shè)備及方案

采用珠海格力電器空調(diào)器焓差法測試室進(jìn)行實驗，實驗設(shè)備示意圖如圖1所示。實驗設(shè)備包含風(fēng)量測量裝置、循環(huán)風(fēng)機、室內(nèi)側(cè)冷機、溫度采集裝置、室外側(cè)冷機和空氣處理柜等。

實驗開始時關(guān)輔助電加熱，直到室內(nèi)環(huán)境溫度穩(wěn)定10 min后（室內(nèi)環(huán)境溫度變化在0.5 ℃以內(nèi)）開啟輔助電加熱，開啟輔助電加熱后待環(huán)境溫度穩(wěn)定10 min后再關(guān)閉輔助電加熱，關(guān)閉輔助電加熱后待環(huán)境溫度穩(wěn)定10 min后，再開啟輔助電加熱，待環(huán)境溫度穩(wěn)定10 min，之后再關(guān)閉輔助電加熱，一直不開。實驗期間記錄室內(nèi)環(huán)境溫度、室內(nèi)換熱器管溫、空調(diào)出風(fēng)溫度、距離出風(fēng)口1.3 m處室內(nèi)溫度等。

圖1 柜式空調(diào)輔助電加熱實驗設(shè)備示意圖

1.2 輔助電加熱工作模式下室內(nèi)溫度變化理論部分

1.2.1 假設(shè)條件

為方便理論計算，可簡化房間溫度變化模型，計算過程所用假設(shè)條件如下：

1) 空調(diào)穩(wěn)定運行時，開啟輔助電加熱期間房間內(nèi)溫度分布均勻；

2) 開啟輔助電加熱過程中房間墻壁溫度不變；

3) 開啟輔助電加熱期間空調(diào)制熱量不變；

4) 忽略墻壁輻射換熱對溫度變化影響。

1.2.2 室內(nèi)溫升規(guī)律理論推導(dǎo)

對房間進(jìn)行熱量平衡計算可得：

上式 (Pd+ qc)dt表示空調(diào)制熱和輔助電加熱對房間的熱量輸入；cmdT表示熱量輸入用于室內(nèi)空氣溫度上升的部分；hA(T-Twall)dt表示室內(nèi)熱量輸入用于室內(nèi)空氣對墻壁散熱部分。

對式(1)進(jìn)行處理可得：

對式(2)積分可得：

則室內(nèi)溫度變化可表達(dá)為：

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 輔助電加熱工作模式室內(nèi)溫度變化規(guī)律實驗驗證

由式(4)可知，在室內(nèi)空調(diào)制熱達(dá)到穩(wěn)定時開啟輔助電加熱，室內(nèi)溫度應(yīng)呈指數(shù)上升的規(guī)律。在實驗條件為室內(nèi)環(huán)境溫度0 ℃、室外環(huán)境溫度-7 ℃、風(fēng)量為低風(fēng)檔時，對實驗結(jié)果進(jìn)行驗證。由圖2可見，實驗結(jié)果基本符合指數(shù)變化的規(guī)律。

圖2 室內(nèi)0 ℃、室外-7 ℃、低風(fēng)檔工況下室內(nèi)出風(fēng)口1.3 m處溫度變化圖

2.2 輔助電加熱工作模式下管溫和出風(fēng)溫度變化

在室內(nèi)環(huán)境溫度0 ℃、室外環(huán)境溫度0 ℃、風(fēng)量為高風(fēng)檔和室內(nèi)環(huán)境溫度 0 ℃、室外環(huán)境溫度-7 ℃、風(fēng)量為超高風(fēng)檔工況下，研究輔助電加熱開啟對空調(diào)出風(fēng)溫度和管溫的影響，實驗運行3個除霜周期，實驗結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3可知，不開輔助電加熱時，空調(diào)制熱過程中空調(diào)管溫稍高于空調(diào)出風(fēng)溫度，由圖4可知開啟輔助電加熱之后，空調(diào)管溫變化不明顯，出風(fēng)口溫度升高明顯，并且溫度高于空調(diào)管溫。

圖3 室內(nèi)0 ℃、室外0 ℃、高風(fēng)檔工況下空調(diào)管溫和出風(fēng)溫度變化

圖4 室內(nèi)0 ℃、室外-7 ℃、超高風(fēng)檔工況下輔助電加熱對出風(fēng)溫度和管溫影響

分析認(rèn)為，在開啟輔助電加熱之前，主要依靠空調(diào)室內(nèi)機管溫溫度升高來加熱空氣，所以從理論上來說在開啟輔助電加熱之前，空調(diào)室內(nèi)機管溫為室內(nèi)溫度最高點，距離出風(fēng)口越遠(yuǎn)，溫度越低，所以出風(fēng)口處溫度會低于管溫。而當(dāng)輔助電加熱開啟之后，室內(nèi)空氣的加熱熱源有兩個，一個是空調(diào)室內(nèi)機銅管，另一個是輔助電加熱加熱管，出風(fēng)口處的空氣首先經(jīng)過室內(nèi)機銅管加熱一次，然后再經(jīng)過輔助電加熱加熱一次，經(jīng)過兩次加熱，導(dǎo)致出風(fēng)口處空氣溫度高于室內(nèi)機管溫。

2.3 輔助電加熱工作模式下化霜期間室內(nèi)溫度變化

在室內(nèi)環(huán)境溫度 0 ℃、室外環(huán)境溫度 0 ℃、風(fēng)量為高風(fēng)檔和室內(nèi)環(huán)境溫度 0 ℃、室外環(huán)境溫度-7 ℃、風(fēng)量為超高風(fēng)檔工況下，實驗運行3個除霜周期，研究空調(diào)室內(nèi)感溫包和出風(fēng)口1.3 m處溫度測量點溫度變化。結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5和圖 6可知，在空調(diào)進(jìn)行除霜模式時，空調(diào)室內(nèi)感溫包測得室內(nèi)溫度溫降明顯高于 1.3 m出風(fēng)口處測得溫度值。

圖5 室內(nèi)0 ℃、室外0 ℃、高風(fēng)檔工況下實驗結(jié)果

圖6 室內(nèi)0 ℃、室外-7 ℃、超高風(fēng)檔工況下輔助電加熱對出風(fēng)溫度和管溫影響

分析認(rèn)為，一般在空調(diào)處于除霜模式時，空調(diào)由制熱模式轉(zhuǎn)為制冷模式，此時室內(nèi)機風(fēng)扇停止工作，目的是減緩室內(nèi)空氣溫降，由圖3和圖4可知，當(dāng)空調(diào)處于除霜模式時，室內(nèi)機銅管溫度急劇降低，室內(nèi)機銅管在除霜模式時，管溫低至-20 ℃～-30 ℃，此時由于空調(diào)室內(nèi)感溫包測量點距離室內(nèi)機銅管較近，導(dǎo)致其溫度降低也很快，以室內(nèi)0℃、室外 0 ℃、高風(fēng)檔工況實驗結(jié)果為例，在時間為60 min～80 min內(nèi)的除霜過程中，空調(diào)室內(nèi)感溫包溫降由 22.4 ℃降低至-0.9 ℃，溫降為 23.3 ℃，而出風(fēng)口1.3 m處距離室內(nèi)機銅管較遠(yuǎn)，此時風(fēng)扇也停止工作，其溫度變化尚不明顯，在上述除霜過程中，出風(fēng)口1.3 m處溫度由23.6 ℃降低至20.6 ℃，溫降為3 ℃。由此可見，在除霜過程中空調(diào)室內(nèi)機室內(nèi)溫度感溫包顯示數(shù)值不能代表當(dāng)前室內(nèi)溫度真實溫度，在空調(diào)輔助電加熱工作模式下進(jìn)行化霜時，要考慮室內(nèi)感溫包溫度測量不準(zhǔn)確帶來的影響。

2.4 輔助電加熱工作模式下不同風(fēng)擋影響

實驗測量了室內(nèi)環(huán)境溫度0 ℃、室外環(huán)境溫度0 ℃工況下，不同風(fēng)檔下的管溫和出風(fēng)溫度隨時間變化，實驗結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，在一般情況下，隨著空調(diào)出風(fēng)速度提高，空調(diào)的出風(fēng)溫度降低，管溫降低。

圖7 室內(nèi)0 ℃、室外0 ℃、不同風(fēng)檔對出風(fēng)溫度影響

圖8 室內(nèi)0 ℃、室外0 ℃、不同風(fēng)檔對管溫影響

分析認(rèn)為，隨著出風(fēng)速率不斷提高，空調(diào)室內(nèi)機銅管與周圍空氣對流換熱系數(shù)增大，在空調(diào)能力不變的情況下，換熱系數(shù)越大，則溫差越小，進(jìn)而導(dǎo)致隨風(fēng)速增加，空調(diào)管溫降低，而出風(fēng)溫度在輔助電加熱不開的情況下是受管溫直接影響的，所以出風(fēng)溫度也隨之降低。

2.5 輔助電加熱工作模式下室外環(huán)境溫度對室內(nèi)環(huán)境溫度溫升效果影響

室外環(huán)境溫度對室內(nèi)環(huán)境溫度溫升有一定影響，室內(nèi)環(huán)境溫度 0 ℃、室外環(huán)境溫度 0 ℃、風(fēng)量為高風(fēng)檔和室內(nèi)環(huán)境溫度0 ℃、室外環(huán)境溫度-7 ℃、風(fēng)量為高風(fēng)檔的室內(nèi) 1.3 m出風(fēng)口處溫度變化曲線如圖9所示。由圖可知，室外環(huán)境溫度為0 ℃時的室內(nèi)環(huán)境溫度曲線斜率要大于室外環(huán)境溫度為-7 ℃的斜率，說明室外環(huán)境溫度為 0 ℃時的室內(nèi)環(huán)境溫升速率要高于室外環(huán)境溫度為-7 ℃的溫升速率，由圖 9可得，室外環(huán)境溫度為 0 ℃時的溫升速率為0.59 ℃/min，室外環(huán)境溫度-7 ℃時的溫升速率為0.42 ℃/min。

分析認(rèn)為，一方面，室外環(huán)境溫度越低，在壓縮機功耗相同的情況下，空調(diào)向室內(nèi)環(huán)境的制熱量就越少，導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境溫度上升速率減慢；另一方面，室外環(huán)境溫度越低，則室內(nèi)外溫差就越大，室內(nèi)與室外的散熱量就越大，這也導(dǎo)致了室內(nèi)溫度上升減緩。兩者綜合作用，使得室內(nèi)環(huán)境溫度上升速率隨室外環(huán)境溫度降低而降低。

圖9 室外環(huán)境溫度對出風(fēng)溫度影響

3 結(jié)論

在不同工況下，對空調(diào)進(jìn)行自由溫升實驗，所得主要結(jié)論如下：

(1) 在室內(nèi)空調(diào)制熱達(dá)到穩(wěn)定時開啟輔助電加熱，理論上室內(nèi)溫度呈指數(shù)上升的規(guī)律；

(2) 在不同工況下，開啟輔助電加熱之前，空調(diào)制熱過程中空調(diào)管溫稍高于空調(diào)出風(fēng)溫度，開啟輔助電加熱之后，空調(diào)管溫變化不明顯，出風(fēng)口溫度升高明顯，并且溫度高于空調(diào)管溫；

(3) 在空調(diào)進(jìn)行除霜模式時，空調(diào)室內(nèi)感溫包測得室內(nèi)溫度溫降明顯高于1.3 m出風(fēng)口處測得溫度值；

(4) 隨著空調(diào)出風(fēng)速度提高，空調(diào)的出風(fēng)溫度降低，管溫降低；

(5) 室內(nèi)環(huán)境溫度上升速率隨室外環(huán)境溫度降低而降低。

符號說明

P ——輔助電加熱功率，W；

q ——空調(diào)制熱量，W；

h ——室內(nèi)空氣與墻壁對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

c ——室內(nèi)空氣比熱容，J/(kg·℃)；

A ——室內(nèi)空氣對流換熱面積，m2；

m ——室內(nèi)空氣總質(zhì)量，kg；

T ——室內(nèi)空氣溫度，℃；

Twall——室內(nèi)墻壁溫度，℃；

Tin——室內(nèi)空調(diào)的回風(fēng)溫度，℃；

T0——輔助電加熱開啟室內(nèi)環(huán)境溫度，℃；

t ——開啟輔助電加熱時間，s。

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