098 辐射式空调设备测试标准的对比及讨论.doc

辐射式空调末端测试标准的对比及讨论天津大学 环境学院 张诚 田喆摘要：对比分析了美国及欧盟现行辐射式空调系统末端的测试标准，对不同标准中的测量产品性能的原理和方法进行了讨论，得出关于辐射式空调系统末端测试标准制定的几点建议。关键词：辐射式空调末端 测试标准 1 绪论辐射式空调作为一种新型的空调方式，具有极佳的热舒适性和节能潜力，在节能形势日趋严峻的今天，辐射式空调系统正在受到越来越多人们的重视，因此各种形式的辐射式空调系统也相继产生，如楼板式、金属吊顶式、石膏板、毛细管、被动式冷梁及主动式冷梁等等。而对于不同类型产品的开发以及性能的比较就必须基于相应的测试标准。本文涉及的标准有欧盟EN-14240、EN-14518、EN-15116及美国ASHRAE-138，不同国家及组织所制定的标准在测试原理、测试舱结构、测量精度的要求和冷却性能的描述等方面均有所区别。因此笔者希望对不同测试标准的各自特点和原理做出概括性的阐述，并通过理论分析和对比的方法对不同标准中的某些区别和特点进行讨论，希望能为我国今后相关标准的制定提一定的供理论依据。2 辐射式空调末端相关测试标准的概述欧盟在辐射式空调末端供冷能力检测方面的现行标准有：EN 14240：2004，EN 14518：2005，EN 15116：2008。他们分别针对不同类型的辐射式空调末端：EN 14240主要针对冷却天花板；EN 14518主要针对被动式冷梁；而EN 15116则主要针对主动式冷梁。作为同一标准体系下的三个标准，它们之间有着很好的继承性，因此他们在基本的测试原理、测试舱结构、仪器设备精度等方面有着相同的要求，只不过由于针对不同的测试对象在测试过程中的某些细节有所区别。美国采暖、制冷与空调工程师学会在2005年6月25日颁布了ANSI/ASHRAE Standard 138-2005作为美国辐射式空调末端检测的现行标准。与欧盟标准不同，ASHRAE 138只针对冷却天花板，并没有涉及冷梁的检测标准，但在冷却天花板检测方面，与EN 14240相比，ASHRAE 138不仅仅能够对被测产品进行供冷工况的检测，对于供热工况也同样适用。下文中将对上述标准在细节方面进行比较和分析。3 标准的比较与分析3.1 测试原理欧盟标准与ASHRAE标准在测试原理方面相同，都是利用实验方法以及相关设备在测试舱内部创造一种与产品在实际应用时较为相似的环境工况，并在这种工况下对被测辐射式空调末端进行供热或供冷性能的检测，用来模拟该空调末端在实际应用过程中的运行情况，同时也能够比较在相同条件下同种类型的不同产品供热或供冷能力的大小。其中确定被测产品性能的方法是通过测量供水流量和供回水温差来计算产品的供热或供冷能力，同时需要测量室内负荷的大小，用来校核产品性能的准确性（由于测试舱保温性能良好，可以认为室内的冷热负荷完全由被测产品来消除）。3.2 测试舱的尺寸要求 欧盟标准中要求测试舱的天花板面积应在10到21之间，长宽比应小于2，内部高度应在2.7m到3m之间。而标准中所给出测试舱的推荐尺寸为4m4m3m（长宽高）。ASHRAE标准中测试舱尺寸的要求范围为长4-6m，宽4-6m，高3-4.5m，宽长比在0.9-1.0之间，另外要求测试舱高度不能大于宽度。可以看出两种标准在测试舱尺寸要求方面大体相似，所推荐的测试舱尺寸均接近于普通办公室或居住房间的大小，等比例大小的测试舱可以很好的模拟产品在实际应用时的情况，并能够直接测量工作区域内的各种热舒适环境参数，得到更为可信的的测试结果。另外，与实际房间大小相似的测试舱可以同时测量多个产品模块的总供热或供冷能力，这样可以增大某些被测量（如流量、负荷、供热供冷量）的绝对数值，可以在仪器精度不变的情况下，减小测量误差对测试结果的影响。3.3 测试舱负荷的模拟方式欧盟标准中测试舱负荷的模拟方法有两种：内部热源法和外部热源法。其中对于冷却天花板（EN 14240）使用内部热源法，而对于冷梁(EN 14518 EN 15116 )则两种方法皆可采用。(1)内部热源法采用人体模拟热源（Dummies）产生热量。Dummies分两排布置，并与测试舱的长边平行，每一个dummy功率不能超过180W并且要求输出功率可以无级调节。(2)外部热源法外部热源法指的是热量由测试舱外部环境或包围测试舱的水循环控制盘管通过墙壁和地板传入测试舱内的一种负荷模拟方法。而负荷大小的调节主要是通过控制测试舱内表面温度的方法来实现。ASHRAE标准中负荷的模拟方法类似于欧盟标准给出的外部热源法，负荷同样是通过墙壁和地板传入测试舱内，不同的是除天花板外的各内表面需要通过单独的水循环控制盘管进行温度控制，并且四面墙中有三面模拟为内墙，一面模拟为外墙。对于供热工况，模拟外墙的内表面温度应保持在ta-5.50.5（ta为室内干球温度），模拟内墙及地板的内表面温度应保持在ta-0.50.5；对于供冷工况，模拟外墙的内表面温度应保持在ta+5.50.5，模拟内墙及地板的内表面温度应保持在ta+0.50.5。同样作为针对冷却天花板产品的检测标准，EN 14240和ASHRAE 138的负荷模拟方法有所不同，欧盟EN 14240通常采用内部热源法，负荷由Dummise提供；而ASHRAE 138采用外部热源法，负荷由测试舱围护结构传入。而不同的负荷模拟方法对冷却天花板产品性能的检测会产生影响。欧盟标准采用Dummise模拟负荷，Dummise在欧洲有着传统的应用历史，可以很好地模拟室内人员产生的余热，因此基于欧盟标准的实验舱可以较好的模拟实际应用中室内存在人员时工作区域的热环境。 美国ASHRAE标准中负荷通过测试舱围护结构传入室内。模拟内墙与室内空气温差很小，模拟外墙与室内空气温差一般在5左右，因此围护结构负荷主要通过外墙传入室内。这样很好的模拟了实际建筑中三面内墙一面外墙的围护结构以及其负荷的来源情况。另外在辐射供热供冷的过程中，负荷的消除很大程度上是通过辐射换热进行的，即首先通过冷天花表面与围护结构进行辐射换热以降低或提高其内表面温度，再通过对流换热的方式消除室内负荷。因此可以看出，欧盟标准的负荷模拟方法可以有效地模拟人员产热；而ASHRAE标准的负荷模拟方法能够较好的模拟实际建筑中围护结构负荷产生的情况，并且可以有效地反映辐射式空调系统通过辐射换热消除围护结构冷热负荷的特点。3.4 描述测试工况的测量参数（工况参数）如3.1中所述，在测试过程中需要创造一种与产品在实际应用时较为相似的测试工况，在这种工况下对产品的性能进行测定。而为了满足这种测试工况需要对舱内的某些环境参数进行控制，并认为当这些环境参数满足要求时，测试工况也就确定了。欧盟标准和ASHRAE标准在工况参数方面的要求上有所不同，会对测试过程以及测试结果产生影响。欧盟标准中要求测量的工况参数有：参考温度、黑球温度、室内干球温度（包括距地板1.7m、1.1m、0.1m三处）、测试舱各内表面温度以及天花板表面温度，针对冷梁的标准需测量室内风速。ASHRAE标准中要求测量的工况参数有：室内干球温度（包括距地板0.75m、1.5m两处和距天花板0.75m一处）、相对湿度、室内风速、测试舱各内表面温度以及天花板表面温度。其中参考温度是欧盟标准中为了计算特征温差所提出的一个温度概念，参考温度由于产品类型的不同在欧盟的三个标准中有着不同的含义：由于冷却天花板主要以辐射换热为主，因此EN 14240中参考温度选择能够有效反映室内平均辐射情况的黑球温度；而对于被动式和主动式冷梁，消除负荷主要通过送冷风来实现，因此在EN 14518中参考温度选择冷梁盘管入口的空气温度，在EN 15116中参考温度为诱导风的入口温度。针对不同产品的工作原理选择不同的参考温度来计算特征温差能够更好的反映产品消除室内负荷的特点，使测试结果更为准确。虽然ASHRAE标准并没有参考温度这一概念，但通过其特征温差的定义我们可以发现在ASHRAE标准中与参考温度概念相对应的是作用温度（通过测量测试舱各内表面温度计算出平均辐射温度，再与室内干球温度取算数平均值得到），因此这里把作用温度定义为ASHRAE标准中的参考温度，以方便对比分析。考虑到EN 14240和ASHRAE 138都是针对于冷却天花板产品的检测标准，具有较强的可比性，下文将主要针EN 14240和ASHRAE 138在工况参数方面的不同以及其对产品测试所产成的影响进行讨论。3.4.1 参考温度EN 14240中采用黑球温度作为参考温度，黑球温度的高低可以间接地反映人体对周围环境所感受辐射热的状况，可有效地模拟人员通过辐射换热与所处环境交换热量的多少，但却忽略了对流换热的影响；而ASHRAE 138中采用作用温度作为参考温度，考虑到室内干球温度和平均辐射温度的综合作用，它的大小反映了人员与所处环境通过辐射和对流两种方式所交换总热量的多少，可以较准确的说明人员在所处环境中总的得热量或失热量的大小。因此ASHRAE标准中采用作用温度作为参考温度在反映人员总得失热时更为准确。但ASHRAE标准中计算作用温度地方法是测量房间各内表面以及天花板温度，再由各表面温度对于相应应面积的加权平均计算得到平均辐射温度，再与室内干球温度取算术平均值得到。实际上在拥有黑球温度计的情况下可以测量黑球温度，计算平均辐射温度，进而得到作用温度，可以简化测试过程。因此笔者推荐选择作用温度作为参考温度，并在测试条件允许的情况下采用测量黑球温度来计算作用温度的方法。3.4.2 室内干球温度测量位置在室内干球温度的测量方面，欧盟标准与ASHRAE标准所规定的测点位置不同，欧盟标准所规定的三个测点分别为距地板1.7m、 1.1m和0.1m处；ASHRAE标准规定的三个测点分别为距地板0.75m、1.5m处以及距天花板0.75m处。对产品性能的检测必须是在满足人体热舒适的前提下，因此在对产品进行性能检测的同时还需保证室内的热环境满足室内垂直温度梯度以及某些局部温度的要求。如欧盟标准中距地板1.7m和1.1m处反映人体分别处于站姿和坐姿时头部区域的温度；而0.1m处对应人体脚踝处的温度。通过三点温度的测量不仅可以得到室内的平均干球温度，同时也检验了室内的垂直温度梯度以及某些局部温度是否满足要求。ASHRAE标准虽然在温度测点的位置上有所不同，但目的相同。3.4.3 其他参数的区别ASHRAE标准中要求测量测试舱内的相对湿度和风速，欧盟标准对于冷却天花板的测试并没有要求，由于辐射式空调末端只承担显热负荷，潜热负荷由新风系统承担，而测试标准只是为了检测产品消除显热负荷的能力，因此室内相对湿度并不是一个必要的参数，另外由于冷天花的测试舱内并没有送风系统，舱内无明显的空气流动，因此风速同样不是必要的参数。欧盟标准中要求测量露点温度，而ASHRAE标准中没有相关要求。由于测量露点温度可以避免冷却天板表面出现结露的危险，因此应作此项要求。在以上讨论的三个参数当中，露点温度为必要测量参数，而相对湿度和风速并非必要测量参数，可选择性测量。3.5 描述产品性能的测量参数（性能参数）产品的性能即产品在某一测试工况下的供热或供冷量的大小，而产品性能的确定是整个测试工作的最终目的。如3.1中所述，产品性能的确定是通过测量产品的供水流量以及供回水温差来实现的，还需要测量测试舱内模拟负荷的大小来校验产品性能测试的准确性。欧盟标准中要求测量的性能参数有：冷却天花板的供水流量、供回水温度、模拟热源Dummies的电功率；ASHRAE标准要求测量的性能参数有：冷却天花板的供水流量、供回水温度及压力、各控制盘管的供水流量及供回水温度及压力。两标准在性能参数的要求方面差别不大，由于采用不同的负荷模拟方法，因此负荷的测量存在区别，另外ASHRAE标准中要求测量供回水压力，虽然对于产品的性能确定没有直接作用，但测量供回水压力可以得到被测产品的阻力特性曲线并能监测供回水管路压力变化，保证管路的正常运行。 3.6 测试数据处理及产品性能结果表达 在测试数据处理方面，欧盟标准和ASHRAE标准的方法基本相同，都是根据不同工况测试点所得到产品的供回水温差和流量计算被测产品的供热或供冷能力，并通过负荷的大小来校验产品测试性能的准确性。并在得到测试舱内所有产品的总供热或供冷量后，对于冷却天花板需要计算单个产品单元的性能，而对于冷梁则需要计算单位长度产品的性能大小。欧盟标准要求至少对三个稳定工况点的参数进行测量，三个工况点的特征温差的要求为t=(61)K,(81)K,(101)K 。在计算出各个工况点产品总供冷能力及单位长度或单位面积供冷能力后，做以特征温差为横坐标，产品总供冷能力和单位长度或单位面积供冷能力为纵坐标的函数图。另外欧盟标准中还定义名义特征温差tN=8K作为比较同类型不同产品供冷能力大小的基准特征温差。ASHRAE标准要求对于供热能力测试至少需要五个稳定工况点，对于供冷能力测试至少需要四个稳定工况点，并且所有稳定工况点供水温度的范围必须涵盖产品制造商给出的推荐范围。另外ASHRAE标准选择以特征温差的自然对数值lnt作为横坐标，产品单位面积供冷能力的自然对数值lnP作为纵坐标作函数图。在产品性能的表达方式上欧盟标准和ASHRAE标准采用相同的数学表达式，都将产品的性能表示为特征温差的函数（式1），并对得到的产品性能函数曲线进行数学回归得出特征参数k和n的数值。 （1）不同的是欧盟标准中只定义了一种特征温差，即供回水平均温度和参考温度之差，而ASHRAE则定义了三种不同的特征温差：第一种为供回水平均温度与作用温度之差，用来反映产品通过对流和辐射两种方式消除室内负荷的情况；第二种为供回水平均温度与室内干球温度之差，用来反映产品通过对流方式消除室内负荷的情况，可以得到产品通过对流和辐射方式承担负荷的比例的大小；第三种为盘管表面温度与室内干球温度之差，定义这个特征温差的目的在于检验测试结果是否可以被接受。4 结论根据上述关于空调末端测试标准的分析和讨论，给出制定辐射式空调末端测试标准的几点建议：1. 测试舱应采用全尺寸大小。2. 采用人体模拟热源的内部热源法可有效地模拟人员产热，而外部热源法可更好地反映建筑围护结构产生负荷的情况，应根据实际需要进行选择。3. 推荐选择作用温度作为参考温度，并在测试条件允许的情况下通过测量黑球温度来计算作用温度。4. 测量参数的精度要求应尽量满足ASHRAE或欧盟标准的要求。5. 建议测量测试舱内露点温度及供回水管路压力以避免结露和保证管路运行正常。6. 在产品性能结果表达方面可参考ASHRAE标准，根据不同要求选择不同的特征温差。本论文受国家科技支撑计划既有建筑综合改造技术集成示范工程资助完成，课题编号2006BAJ03A10。5 参考文献1 European standard EN-14240 2004. Ventilation for buildings - Chilled ceilings - Testing and ratingS.2 European standard EN-14518 2005. Ventilation for buildings -Chilled beams-