空调制冷原理论文：焓差法空调制冷量测量不确定度分析

1、低温与超导第38卷 第8期制冷技术R efrigeration Cryo .&Supercond .V o.l 38 N o .8收稿日期:2010-04-13基金项目: 数字电子产品检测公共服务平台建设 (08D Z2290400课题资助。作者简介:何曙(1973-,女,工程师/博士,研究方向为家用电器能效与节能。焓差法空调制冷量测量不确定度分析何曙,陈巍,陈荣,刘洪(上海市质量监督检验技术研究院,国家家用电器能效与安全质量监督检验中心,上海200233摘要:介绍了焓差法空调测试系统及测量原理,分析了焓差法空调测试过程中各个量的不确定度来源以及评定方法,并以实验数据为基础,对具体的实

2、验数据进行了分析计算。提出了减小焓差法空调测试系统测量不确定度的途径,以提高测量的准确性和测量数据的可信度。关键词:焓差法;空调;制冷量;不确定度Uncertainty of air conditi o ners cooli n g capacit y m easured by ent halpy m et hodH e Shu ,Chen W e,i Chen R ong ,L iu H ong(Shangha i Instit u te of Q ua lit y Inspecti on and T echn i ca l R esearch ,N a tiona lQ ua lity I

3、nspection C ente rof E lectric A ppli ance Energy E ffi c iency &Safety ,Shangha i 200233,Ch i naAbstrac t :The testi ng syste m f o r m easur i ng air conditi oners coo li ng capacity by usi ng enthalpy me t hod w as presented i n th i s paper .A nd t hen the uncerta i nty of each para m ete r

4、was tracked and its assess m entm ethod w as described .A lso ,a deta iled calcu lati on was per f o r m ed based on testi ng .F i nall y ,w ays t o reduce the uncerta i nty i n such syste m w ere presented to i m prove m easure accuracy and t he re liab ilit y o f testi ng data .K eyword s :Enthalp

5、y m ethod ,A ir conditi oner ,Coo li ng capacity ,U ncerta i nty1 前言测量不确定度是测量系统最基本也是最重要的特性指标,是测量质量的重要标志。一个完整的测量过程,引起测量不确定度的因素有很多,测量系统的概念不只局限于测量仪器、测量设备的范畴,而是指用来对被测量值赋值的测量操作程序、测量人员、设备、环境及软件等要素的综合,是获得测量结果的整个过程。空调制冷量测量的准确性如何直接关系到所得到的空调能效等级的大小,也直接关系到所提供测量数据的准确性及可信度。2 焓差法空调测试系统不确定度来源焓差法是指通过测量空调器室内机的进出口空气的

6、焓差和风量来确定空调器的制冷能力,见式(1。焓值和风量的测量都属间接测量,是通过温度、压力、长度等直接测量量按公式计算而得: tci =q m i (h 1-h 2/V n (1+W n (1式中: tci 为室内侧测量的总制冷量,W;q mi 是空调器室内测点的风量,m 3/s ;h 1和h 2分别为空调器室内侧回风和送风空气焓值(干空气,J/kg ;V !n 是测点处湿空气比容,m 3/kg ;W n 为测点处空气湿度,kg /kg(干。焓差法空调测试系统具有工况稳定快,试验室使用效率高等特点;焓差台还能进行非稳态制热能力的测量,因而可进行房间空调季节耗电量的测量;利用焓差台还可进行单独换

7、热器性能试验和进行低温试验。因此,焓差台广泛地用于空调器生产厂家流水线性能测试、检测单位进行空调性能测试、汽车空调换热器测试等场合。上海市质量监督检验技术研究院的空调测试系统是根据GB /T 77251设计建造的风洞式空气焓值法测试系统。本文将按照文献2中的方法对这一测试系统的不确定度进行详细分析,并提出了减小焓差法空调测试系统不确定度的途径。焓差法测量空调制冷量的系统较为复杂,影响测试结果不确定度的因素很多,从系统误差、传播误差和读数误差各方面分析,主要的不确定度来源有以下几个方面:(1人为操作带来的误差。其中包括被测空调器的安装,室内外侧空气取样装置的摆放,风管的安装和密封,干湿球温度传感

8、器的放置和湿球纱布的放置等。人为操作带来的不确定度分量通过多次独立的试验来确定,每次独立的试验包括重新安装被测空调器,风管的安装、空气取样装置的摆放和干湿球温度测量装置的放置。(2控制器精度带来的误差。调节器控制精度会对室内外侧温度、湿度造成波动,静压调零也会对被测空调器出风量造成波动,加上被测空调器自身的性能波动和数据采集系统的读数误差,体现出来的就是被测空调器制冷量数值的波动现象。上述因素造成的不确定度分量属于A类分量,可通过多次取样,即空调器运行稳定,各项数据无明显上升或下降趋势后,对测试数据进行记录,每5分钟记录一次,共记7组,共计35分钟。对这7组数据进行计算,可确定上述因素对制冷量

9、测试结果造成的不确定度分量。(3基本量测量的不确定度。喷嘴前风温、室外侧环境干湿球、室内侧吸入干湿球、室内侧吐出干湿球温度、喷嘴压差和喷嘴直径的测量都属于基本量的测量,它们的测量准确性将影响风量和焓值的测量准确性,从而影响制冷量的测量准确性。这些基本量测量的不确定度通过计算公式传播造成的制冷量不确定度分量,下文也有详细阐述和计算过程。(4制冷剂灌注量。制冷剂灌注量的多少对整个实验的不确定度也有很大影响。本实验中,灌注1170g10g R22制冷剂,实际灌注量可控制在1170g5g。由于时间关系,制冷剂灌注仅第一次试验前进行,后两次试验没有重新灌注。试验机连接管的安装可靠,试验前抽真空和试验后回

10、收冷媒都比较彻底,因此在下文的不确定度分析中,不考虑制冷剂灌注量误差和试验中微量泄漏对制冷量的影响。3 基本量测量的不确定度分析在空气焓值法测试系统中,直接测量的基本量主要是温度、压力、风洞喷嘴直径和功率。这些基本量的准确程度将直接影响最终空调器性能指标测试结果。对基本量的不确定度有两类评定方法:即A 类评定#用统计方法的不确定度估计(通常根据重复读数和B类评定#根据任何其他信息的不确定度估计。这信息可能来自过去的测量经验,来自校准证书,来自生产厂的技术说明书,来自计算,来自出版物的信息,根据常识等等。所有有贡献的不确定度,都以相同的置信概率并将它们换算成标准不确定度来表示。对A类评定计算标准

11、不确定度:对待测参数x,当取了一组若干个重复读数,对该组值可计算出平均值(x,以及估计的标准偏差s(x。据此,对平均值的估计的标准不确定度u按下式计算: u A(x=s(x/n(2其中s(x=ni=1(x-x2(n-1(3式中,n是该组值的测量次数。自由度v A(x=n-1。对B类评定计算标准不确定度:(1数据采集仪器对测量不确定度的影响。按说明书,仪器产生的最大允差为c,均匀分布,其可信度为100%,则仪器产生的不确定度分量为:u1(x=c/2(4自由度v1(x=%(2传感器对测量不确定度的影响。传感器最大误差为y,正态分布,可信度为80%(不确定度为20%,则其产生的不确定度分量为:u2(

12、x=y2.58(5自由度v2(x=12&0.22=12.5合成标准不确定度:由A类或B类评定所计算的多个标准不确定度用 平方和法有效地进行合成即为合成标准不确定度,u(x=u2A(x+u21(x+u22(x(6采用上述方法计算各基本量(温度、压力、风洞喷嘴直径和功率的不确定度A类和B类分量,计算结果表明各基本量的不确定度A类分量要远远小于B类分量,因此在进行不确定度传播计算时,可忽略这些基本量的不确定度A类分量。4 基本量测量不确定度传播根据国家标准对空调器进行的性能测试,主要是以制冷(热量、功率和能效比作为考核指标。对于测量来讲,最重要的就是制冷(热量的测量。在空气焓值法中,按不确定

13、度传播率,式(1中制冷量 tci 的不确定度可表示为:u ( tci =! tci !q m i u 2(q m i +! tci !h al u 2(h a l +! tci !h a 22u 2(h a 2+! tci !V !n2u 2(V !n +! tci !W n 2u 2(W n (7可见,若要求得制冷量 tci 的不确定度,需先分别计算风量、焓值、湿空气比容和含湿量的不确定度(具体见表1。表1 基本量测量不确定度传播造成的不确定度T ab .1 U ncerta i nty caused by uncerta i nty of basic m easuri ng param e

14、ters参数计算公式不确定度风量q m i =14YC d D 22#P n V nu(q mi=!q m i !Y 2u 2(Y+!q mi !C d 2u 2(C d +!q m i !D 2u 2(D +!q mi !#P n 2u 2(#P n +!q mi !V 1n2u 2(V 1n 湿空气比容V !n =V n1+W nu (V !n=!V !n!V n2u 2(V n +!V !n !W n2u 2(W n 含湿量W n =(2501-2.340t !a W !n -1.005(t a -t !a 2501+1.846t a -4.186t !au(W n =!W n!W !n

15、 2u 2(W !n +!W n !t a2u 2(t a +!W n !t !a2u 2(t !a 焓值h a =1.005t a +(2501+1.846t a W nu(h a =!h a!t a2u 2(t a +!h a !W n2u 2(W n 上表各不确定度计算中各分量的计算式及其不确定度计算式见表2。表2 各分量计算式及其不确定度T ab .2 Expressi on of sub-para m ete rs and the uncerta i nty参数计算公式不确定度膨胀系数Y Y =0.452+0.548(1-#P nP Bu (Y =!Y !#P n2u 2(#P n

16、+!Y !P n 2u 2(P B 湿空气对应干空气比容V nV n =287T pP g P g =P B -P S P S =W n P B 0.622+W n u(V n =!V n !t p2u 2(t p +!V n !P g2u 2(P g u 2(P g =u 2(P B +u 2(P s u (P s =!P s !P B 2u 2(P B +!P s !W n 2u 2(W n 饱和水蒸气含湿量W !n =0.622P bs P B -P b sP b s =e f (T !a f (t !a =-5800.2206/t !a +1.3914993-0.04860239t !

17、a+0.41764768t !2a /104-0.14452093t !3a /107+6.54596731n (t !a u (W !n =!W !n !P bs2u 2(t p +!W !n !P B2u 2(P B u (P bs =d (P bsd T !au (T !a 在风量不确定度计算公式中,喷嘴流量系数一般可精确到0.002。假设作图法确定C d 的最大误差为0.002,正态分布,可信度为80%,则喷嘴流量系数的不确定度为u (C d =0.0022.58=7.75&1-4。在湿空气比容不确定度计算公式中,V n 是对应干空气的比容,T p 是喷嘴前风温,P g 是干空

18、气分压力,P s 为水蒸气分压力。在含湿量的不确定计算公式中,W!n是对应饱和水蒸气的含湿量,P bs是湿球温度对应饱和水蒸气压。通过表1和表2及各基本量的不确定度即可计算由其传播产生的风量、吸入焓值、吐出焓值、湿空气比容和含湿量的不确定度,分别记作u q m i、u ha1、u ha2、u Vn1、u W n,并计算这五项对制冷量产生的不确定度分量,将这些不确定度分量通过式(7计算,就可得到由于基本量测量不确定度造成的制冷量不确定度分量。5 制冷量测量不确定度计算每次单独的试验,记录7组数据,这7组数据的平均值作为该次试验的结果,其不确定度由上述分析包括三个方面,即人为操作误差带来的不确定度

19、分量,记作u1;试验系统波动带来的不确定度分量,记作u2;基本量测量不确定度通过计算公式传播带来的不确定度分量,记作u3。三次独立试验的制冷量测试结果分别为2 621.1W,2626.8W,2631.3W,平均值为2626. 4W,则根据式(2求得u1=3.0W。对于该次单独试验,记录的7组试验结果如表3所示。制冷量平均值 =2626.80W,则按照式(2可求得u2=1.4W。不确定度分量u3根据前文对基本量测量不确定度传播造成制冷量不确定度分量的推导公式表3 7次独立测量所得制冷量T ab.3 Coo li ng capac i ty o f7separated m easuresT ab.

20、4 L ist o f uncerta i nty pa rame ters标准不确定度分量影响因素不确定度引起制冷量不确定度分量uqm i风量1.98m3/h10.8Wuha1吸入焓值0.118kJ/kg18.7Wuha2吐出焓值0.102kJ/kg16.2WuVn1湿空气比容3.7E-05m3/kg0.1Wu W n含湿量0.00012kg/kg0.4W计算,得u3=27.0W。其中,风量、吸入焓值、吐出焓值、湿空气比容和含湿量的不确定度和由其引起的制冷量的不确定度分量如表4所示。至此,制冷量测量结果的合成标准不确定度按式(6可得u=u21+u22+u23=27.2W。扩展不确定度U=ku

21、=2&29.9=54.4W。制冷量测量结果可表示为:=2626.8W,U=54.4W,k=2(置信区间为95%制冷量测量不确定度列表如下。表5 制冷量测量不确定度分析总表T ab.5 R esults and pa ra m e ters i n fl uent ana l y si s标准不确定度分量不确定度来源类型不确定度分量人为操作带来的误差A3.0Wu2室内外侧温度、湿度波动静压调零对被测空调器出风量造成的波动数据采集系统的读数误差A1.4Wu3喷嘴前风温、室外侧环境干湿球、室内侧吸大气压力、喷嘴压差的测量误差喷嘴直径的测量误差B27.0W合成标准不确定度u=27.2W扩展不确

22、定度U=54.4W,k=2(置信区间为95%从表4和表5可以看出,影响焓差法空调制冷量测量不确定度的主要因素是由于风量和吸入焓及吐出焓值引起的B类不确定度,而这些参数(下转第72页5 结论本文根据郑州市某一工程建立了太阳能-土壤源热泵系统仿真模型,在冬季供暖工况下,对系统的运行模式进行了研究,对运行模式I和运行模式II进行了仿真模拟计算,结果如图38所示。系统在运行模式I下,热泵机组的平均制热性能系数COP h值为3.7,地下埋管吸热总量为10120k Wh。系统在运行模式II下,热泵机组的平均制热性能系数COP h值为2.88,地下埋管吸热总量为11400k Wh,结果显示系统在运行模式I下

23、的COP h值及太阳能集热器的集热量均高于其在运行模式II下的集热量,但是运行模式II控制简单且运行稳定,且建筑物夜间热负荷较大,当蓄热水箱静态集热后,与地下埋管联合运行可以较好地满足夜间系统运行要求,因此宜针对工程的具体情况进行系统设计。参考文献1Phetteplace G,Sullivan W.P erfor m ance of a hybridGCHP syste mJ.A S HRA E transacti ons,1998,104(1:763-770.2K avanaugh S P.A desi gn m ethod for hybr i d g round-source hea t

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25、 e r J D.R ees S J,e t a.l A m odel f o rsi m u l a ti ng the perfor m ance o f a shall ow pond as a sup p l ementa l hea t re j ecte r w it h closed-l oop ground-source heat pu m p sy stem sJ.AS HRAE T ransacti ons,2000,106(2:107-121.5何梓年,蒋富林,等.热管式真空管集热器的热性能研究J.太阳能学报,1994,15(1:73-82.6K avanaugh S P.Si m ulation and exper i m ental v erifica ti ong round coup l ed heat pu mp sy stem sD.O k l ahom a