空調(diào)舒適性測試用熱源研究

楊瑞麗 王志坤 李子旭

（中家院（北京）檢測認(rèn)證有限公司，北京 100176）

隨著社會(huì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)生活環(huán)境的舒適性要求越來越高，房間空調(diào)器的發(fā)展已逐漸由追求簡單的制冷制熱向追求舒適性的方向邁進(jìn)。目前空調(diào)器的舒適性評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 33658-2017《室內(nèi)人體熱舒適環(huán)境要求與評(píng)價(jià)方法》[1]、CQC 1604-2015《房間空氣調(diào)節(jié)器舒適性認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》[2]、CHCT-JSGF-018-2016《房間空氣調(diào)節(jié)器舒適性評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[3]等。高文琪[4]對(duì)空調(diào)制冷舒適性的指標(biāo)進(jìn)行了研究分析。此外，有學(xué)者針對(duì)空調(diào)出風(fēng)口形式[5]、出風(fēng)口位置[6]、空調(diào)風(fēng)口風(fēng)速[7]等對(duì)熱舒適的影響進(jìn)行了研究。為模擬空調(diào)的實(shí)際運(yùn)行情況，在舒適性試驗(yàn)過程中通常需要投入一定量的熱負(fù)荷?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中沒有對(duì)熱源做出明確規(guī)定。通常實(shí)驗(yàn)室以電加熱作為熱源，此外，GB/T 33658-2017 中給出一種參考方法，通過在室內(nèi)側(cè)天花板的四周設(shè)置開孔導(dǎo)入室外側(cè)空氣作為熱源。不同的試驗(yàn)條件可能導(dǎo)致測試結(jié)果的差異。目前缺少針對(duì)空調(diào)舒適性測試用熱源的相關(guān)研究。本文通過實(shí)際測試分析空調(diào)制冷舒適性試驗(yàn)過程中熱源投入熱量的大小、熱源溫度及熱源位置對(duì)溫度均勻度、溫度波動(dòng)測試結(jié)果的影響，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂及空調(diào)設(shè)計(jì)開發(fā)人員提供參考。

1 研究方法

在如圖1 所示的試驗(yàn)室中進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)室分室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)兩部分，其中室內(nèi)側(cè)分為室內(nèi)側(cè)外室和室內(nèi)側(cè)內(nèi)室，墻體結(jié)構(gòu)均為保溫庫板。室外側(cè)和室內(nèi)側(cè)外室溫濕度可控，室內(nèi)側(cè)內(nèi)室溫濕度通過打開室內(nèi)側(cè)內(nèi)室的門與室內(nèi)側(cè)外室換熱來控制。

圖1 試驗(yàn)室示意圖

房間面積及房間內(nèi)熱電偶布置：室內(nèi)側(cè)內(nèi)室房間尺寸為4.2 m×3.5 m×2.7 m（長×寬×高）。溫度場每個(gè)平面測點(diǎn)數(shù)量為5×5，相鄰測點(diǎn)間的距離為（0.5±0.01）m。垂直方向0.1 m、0.6 m、1.1 m、1.7 m 布置4 個(gè)測溫點(diǎn)。

熱源系統(tǒng)：主要由恒溫水槽、毛細(xì)管網(wǎng)、水泵、變頻器、流量計(jì)等組成。毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)在圖1 所示室內(nèi)側(cè)內(nèi)室B 墻，尺寸為3 m×2.5 m（長×高）。通過測量毛細(xì)管網(wǎng)的進(jìn)、出水溫度及水流量計(jì)算投入房間的熱量。通過調(diào)節(jié)進(jìn)水溫度、水流量來控制投入房間的熱量。

試驗(yàn)樣機(jī)及安裝：試驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)額定制冷量為3 500 W的變頻分體式壁掛機(jī)，室內(nèi)機(jī)安裝在圖1 所示A 墻距離門側(cè)1/3 位置處，高度為2.3 m±0.1 m（空調(diào)器室內(nèi)機(jī)下沿距地面高度）。

試驗(yàn)方法：（1）設(shè)定初始環(huán)境工況：室內(nèi)側(cè)干球溫度（35±1）℃、濕球溫度（24±0.5）℃；室外側(cè)干球溫度（35±1）℃、濕球溫度（24±0.5）℃；（2）每隔5 s 采集一次數(shù)據(jù)，并運(yùn)行至熱穩(wěn)定狀態(tài)（每20 min 計(jì)算一次室內(nèi)所有測點(diǎn)的平均值，連續(xù)3 個(gè)平均值的差值不大于1℃）；（3）打開試驗(yàn)樣機(jī)（設(shè)定：制冷模式，27 ℃，水平方向出風(fēng)，最大風(fēng)速）及熱源系統(tǒng)，立即關(guān)閉室內(nèi)側(cè)內(nèi)室的門，同時(shí)室內(nèi)側(cè)外室溫度設(shè)定為跟隨室內(nèi)側(cè)內(nèi)室變化，室外側(cè)工況狀態(tài)不變；（4）試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行2 h 后，選取1 h 的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算（若有明顯溫度波動(dòng)周期，選取不小于1 h 的完整周期數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算）。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熱源投入熱量對(duì)測試結(jié)果的影響

2.1.1 熱源投入熱量對(duì)溫度均勻度的影響

熱源進(jìn)水溫度分別設(shè)定為35 ℃、34 ℃、33 ℃、32 ℃、31 ℃、30 ℃，實(shí)測進(jìn)水溫度在設(shè)定值±0.1 ℃范圍內(nèi)。通過調(diào)節(jié)水流量改變投入房間的熱量，溫度均勻度的測試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同投入熱量下的溫度均勻度

受空調(diào)本身控制精度影響，環(huán)境條件設(shè)定完全相同時(shí)，空調(diào)的運(yùn)行情況也不完全相同，因此測試結(jié)果會(huì)有一定波動(dòng)。從圖2 中可以看出大致趨勢：（1）投入熱量小于1 200 W 時(shí)，溫度均勻度基本穩(wěn)定在（0.32±0.02）℃范圍內(nèi)；（2）投入熱量大于1 200 W 時(shí)，隨著投入熱量的增加溫度均勻度逐漸增大。

房間內(nèi)局部位置投入熱量大于一定值時(shí)，投入熱量越大，溫度場越不均勻，溫度均勻度測試值越大。因此，應(yīng)充分考慮實(shí)際空調(diào)使用房間的得熱量，來確定測試標(biāo)準(zhǔn)中的投入熱量。

2.1.2 熱源投入熱量對(duì)溫度波動(dòng)的影響

對(duì)于單個(gè)測點(diǎn)溫度波動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33658-2017 和CQC 1604-2015 規(guī)定的計(jì)算方法相同。對(duì)于整個(gè)室內(nèi)環(huán)境的溫度波動(dòng)，依據(jù)GB/T 33658-2017 計(jì)算為室內(nèi)所有測點(diǎn)溫度波動(dòng)的平均值，依據(jù)CQC 1604-2015 計(jì)算為室內(nèi)所有測點(diǎn)溫度波動(dòng)的加權(quán)平均值（不同位置測點(diǎn)具有不同的權(quán)重系數(shù)）。本文依據(jù)GB/T 33658-2017 規(guī)定的方法計(jì)算整個(gè)室內(nèi)的溫度波動(dòng)，測試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同投入熱量下的溫度波動(dòng)

從圖3 中可以看出，溫度波動(dòng)結(jié)果明顯分為兩個(gè)區(qū)間：（1）投入熱量大于1 150 W 時(shí)，溫度波動(dòng)基本穩(wěn)定在0.15～0.30 ℃范圍內(nèi)；（2）投入熱量小于1 050 W 時(shí)，溫度波動(dòng)大于0.5 ℃。

溫度波動(dòng)的大小主要受空調(diào)的運(yùn)行方式和控制精度影響。本次試驗(yàn)樣機(jī)為變頻空調(diào)，熱源投入熱量大于1 150 W 時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)能夠較穩(wěn)定地保持在某一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行，房間內(nèi)的溫度波動(dòng)很小。當(dāng)熱源投入熱量較小時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)出現(xiàn)周期性的啟停，房間內(nèi)的溫度波動(dòng)增大。

2.2 熱源溫度、熱源位置對(duì)測試結(jié)果的影響

由于以上試驗(yàn)熱源進(jìn)水溫度最高35 ℃與最低30 ℃相差不大，且試驗(yàn)結(jié)果有一定的波動(dòng)，為更好地分析熱源溫度對(duì)測試結(jié)果的影響，使用電加熱（表面溫度約為50 ℃）作為熱源與上述試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)時(shí)電加熱依次放置在A 墻、B 墻中心位置的地面上，距離墻體（0.1±0.01）m 位置處。電加熱尺寸為0.76 m×0.11 m×0.60 m（長×寬×高）。測試結(jié)果如表1 所示。其中，為減小熱源附近的不均勻溫度場對(duì)測試結(jié)果的影響，表1 中帶括號(hào)的數(shù)據(jù)為去除熱源側(cè)溫度測點(diǎn)后計(jì)算的結(jié)果。例如，熱源在B 墻側(cè)，括號(hào)中的數(shù)據(jù)為去除圖1 中1～5位置處共20 個(gè)溫度測點(diǎn)后計(jì)算的結(jié)果。

表1 溫度均勻度、溫度波動(dòng)測試結(jié)果

以表1 結(jié)果可以看出：（1）熱源溫度越高，溫度均勻度的測試結(jié)果越大。（2）熱源的放置位置會(huì)對(duì)溫度均勻度的測試結(jié)果產(chǎn)生影響。（3）熱源溫度、熱源位置對(duì)溫度波動(dòng)的測試結(jié)果沒有明顯影響。

空調(diào)運(yùn)行時(shí)房間內(nèi)形成一個(gè)不均勻的溫度場，熱源放置在低溫區(qū)域或高溫區(qū)域?qū)囟染鶆蚨葴y試結(jié)果的影響不同，且熱源溫度越高，影響越大。A 墻為室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)之間的隔墻，墻上設(shè)有玻璃窗，且試驗(yàn)時(shí)空調(diào)設(shè)置為水平方向出風(fēng)，A 墻側(cè)區(qū)域?yàn)榉块g內(nèi)的高溫區(qū)域，熱源放置在A 墻側(cè)時(shí)加劇了房間內(nèi)溫度的不均勻度。

3 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：（1）向房間投入熱量越大、熱源溫度越高，會(huì)導(dǎo)致房間內(nèi)局部溫度越高，溫度均勻度測試值越大。（2）對(duì)于變頻空調(diào)，向房間投入熱量過小時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致空調(diào)壓縮機(jī)出現(xiàn)周期性啟停，房間內(nèi)的溫度波動(dòng)增大。（3）熱源放置位置影響溫度均勻度的測試結(jié)果。熱源放置在高溫區(qū)域會(huì)加劇房間內(nèi)溫度的不均勻性。目前各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)投入房間的熱量規(guī)定不盡相同，為更準(zhǔn)確地對(duì)空調(diào)器進(jìn)行舒適性能評(píng)價(jià)，建議根據(jù)空調(diào)使用房間的實(shí)際得熱量來確定試驗(yàn)過程中投入房間的熱量。為避免出現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)室依據(jù)相同標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果不一致的情況，有必要在測試標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)熱源的溫度、放置位置等方面作出相關(guān)規(guī)定。