房间空调器性能测试平台的研制

1、文章编号:1003-0344(200701-100-4房间空调器性能测试平台的研制李雄林曹小林(中南大学能源科学与工程学院摘要:本文主要介绍焓差法空调器性能测试平台的原理及其组成结构;基于测试平台的稳定性与实时性,提出了分布式数据采集与过程控制系统;并介绍虚拟仪器软件LabVIEW 在此性能测试平台上的应用。关键词:性能测试焓差法空调器S t u d y o n P e rfo rm a n c e -t e s t in g P la t fo rm o f Ro o m Air Co n d it io n e rLi Xionglin and Cao Xiaolin(School of

2、Energy Science and Engineering,Central South UniversityAbst r act :In the paper,the configuration and the principles of air conditioner performance-testing platform have been introduced with enthalpy potential method.In terms of the stability and real time of the testing platform,the distributed dat

3、a collection and process control system have been brought forward,and the virtual instruments software (LabVIEWhas been applied in the performance-testing platform.Keywor ds:performance test,enthalpy potential method,air conditioner收稿日期:2006-9-26作者简介:李雄林(1980,男,在读硕士研究生;湖南省长沙市中南大学校本部能源科学与工程学院制冷与低温工程研

4、究所(410083;139*;E-mail:li_xio0前言目前,热泵型房间空调器的性能测试原理主要有焓差法和热平衡法两种。相对热平衡法而言,焓差法具有投资小、反应快等优点,比较适合于高校研究性的试验测试。空气焓差法能进行静态实验来测试房间空调的制冷能力和制热能力,同时也能进行非稳态(动态性能的试验(包括风机性能测试,且房间空调器季节节能能效比(SFFR 的试验需要测定间歇启/停状态下空调器的制冷量和输入功率。此热泵型房间空调器性能测试平台能完成“空调器性能测试”在内的许多试验,包括:空调房间的温度场测试、空调器的结霜和除霜控制、空调器的工质替代等试验。其测试可再现性可达1%,用校验装置检验

5、,可达优于2%的准确度。1测试平台的工作原理本测试平台的设计主要依据的标准为国标GB7725-2004房间空气调节器国家标准、ISO D5151-94不带风道的空调器和热泵的试验和测定,依据标准,此性能测试试验平台采用空气焓差法的测试原理,主要由两个测试室(室内机室和室外机室、被测空调器、空气再处理系统、风量测试装置以及计算机测控系统等五部分组成。测试室的围护结构的材料为:聚氨酯库板。被测空调器的室内机安装在风量测试装置前,由风量测试装置测量通过室内机的空气流量,再根据被测空调室内机的进风口和出风口的干球温度及其湿球温度,由上位计算机的监控管理软件计算出室内机的进出口焓差,从而得出空调器的制冷

6、量(或制热第26卷第1期2007年2月建筑热能通风空调Building Energy &EnvironmentVol.26No.1Feb.2007.100103量,如式(11所示。式中:Q tpi为制冷量,kW;q m为干空气质量风量,kg/s;h i1为进风口空气的比焓,kJ/kg;h i2为出风口空气的比焓,kJ/kg;W n为出风口处空气的含湿量,kg/kg。测试过程中,要求室内机室和室外机室的空气状态(包括温度和湿度及大气压力同时维持在国家标准所规定的试验工况。因此,室内机室和室外机室内的空气都要经过空气再处理系统处理,达到标准的试验工况。计算机测控系统设计成采用微机管理的自动

7、控制测量方式。计算机通过数据采集模块及传感器对系统各参数进行采集,控制系统的加热、加湿,从而达到系统的稳定运行。2测试平台的结构2.1被测空调器被测空调器是市场上广泛买卖的家用空调器,可以是单冷型,也可以是热泵型空调器。2.2空气再处理系统试验过程中,被测空调器向室外机室、室内机室分别供给热量和冷量。为了达到试验工况的要求,必须维持两个测试室内规定的环境温度与湿度,所以,采用空气再处理系统对室外机室、室内机室的空气进行处理。空气再处理系统主要是由制冷机组、加湿器、加热器及相关的控制设备组成。制冷机组(压缩机、冷凝器、蒸发器、高低压保护器和热力膨胀阀等产生的冷量,通过离心式风机向室内机侧和室外机

8、侧进行孔板送风,平衡室内机侧与室外机侧的热量。同时,通过固态继电器调节加湿器与加热器的电路导通时序,进行脉冲加热,根据通电时间的长短,来控制测试室内的热量需求,达到室内机侧和室外机侧的湿球温度及干球温度的试验工况要求。制冷机组的制冷功率的选择,分别以室内机侧和室外机侧作为一个孤立系统,根据能量守恒及质量守恒定律计算出室内的总散热量,选择相匹配的制冷机组;其数学模型如式(22:以室内机侧为例,工况稳定时得如下:式中:Q0为被测机的制冷量,kW;E1为风机电机的输入功率,kW;E2为制冷机组的制冷能力,kW;E3为电加湿器输入功率,kW;E4为电加热器输入功率,kW; E5为取样风机输入功率,kW

9、;h w1进入室内侧加湿蒸气的焓值,kJ/kg;h w2为被测试机及空气再处理制冷机组排出室内侧凝结水的焓值,kJ/kg;w r室内侧凝结水的排出量,kg/h;HL围护结构总漏热量,kW。首先假定室内机侧为制冷工况时,E2=0;求出E4;再假设室内机侧为热泵工况时,E4=0;求出E2;其室外机侧以同样的方法,求出其制冷机组及其加热器的换热能力;2.3风量测试装置在焓差法空调器性能测试中,要想得到精度比较高的测试值,其空气流量的测量是最为关键的,也是最为复杂4。此装置的主要构成由接收室、喷嘴、排风室、压力变送器、变频式轴流风机、静压控制仪表及连接软管等组成,如下图所示:每个测试风洞的排气口与室内

10、空气处理系统入口直接相连,配备一台可调节空气循环风机,这样就不会影响室内温度的均匀性。并在每个风洞后部设有分流调节器。在测试开始前,调节好分流调节器于适当位置,有助于选择循环风机最有效益的工作点。将一个或多个喷嘴安装在接收室的一个壁面上,并向排风室排风。喷嘴前后的静压差为排风机要克服的风压,因此排风机的最大风量应满足最大试验机组循环风量的要求。测量喷嘴前后的压力降采用一个或多个并联的压差计,压差计的一头与接收室的静压接管相接;而另一头则与排气室的静压接管相接。静压接管的安装必须与外壁内表面齐平,并避免受到气流流动的影响。如有需要,喷嘴出口处动压可用毕托管测量。若使用组合喷嘴测风量,则需用毕托管

11、对每个喷嘴进行测定。为了将接收室靠近空调器送风口处的静压调到(1(2(3图1风量测试装置图李雄林等:房间空调器性能测试平台的研制第26卷第1期101零,需采用一台差压计,它的一头和接收室的一个或多个静压接管相接,接管应与接收室内壁齐平。静压调零的主要作用是通过排风室安装的排风扇克服室内机侧的通风阻力以及风量测量装置空气采样装置的挡板阻力,由于接收室内采用了静压差变送器,经过静压调零后,其接收室内的气体压力也为一个大气压;其风量的测试原理是根据流体通过喷嘴节流装置,使部分压力能转变为动能而产生差压信号。根据差压信号及其喷嘴的通风口径,可以得出其室内机的空气流量。根据流体连续性方程和伯努里方程可推

12、导得流量方程式如下4:式中:q m为质量流量,kg/s;C d为流量系数;为流体的可膨胀性系数;2n为喷嘴入口端流体密度,kg/m3;B d1为喷嘴前后的压差,Pa;d为喷嘴的喉部直径,m;为喷嘴的喉部直径与管道的当量直径之比,=d/D。空气流量采用喷嘴测量,风量测试装置选择不同的喷嘴组合来满足不同的测量范围。而对于空调器性能测试的实验平台中,由于其实际的风量测试装置的结构及其相对应的压力和温度变化范围,因此有必要对式(4进行简化;根据参考文献5,经过喷嘴的喉部流速为:15m/sv35m/s;当马赫数M0.2,即其喉部流速v68m/s时,可忽略气体的可压缩性,按不可压缩气体处理,所以,=1;由

13、于其风量的测试是采用多喷嘴组合方式测试空调器室内机的通风量;其接收室的当量直径D=2bh/(b+h,在此测试平台的风量测试装置中,b=780mm,h=880mm,对于多个喷嘴组合测量空调风量时,其喷嘴组合的当量直径,可以用下式:在此测试平台中,采用一个D50、一个D100,两个D70的喷嘴;例如:当一个D50和一个D70的喷嘴组合测风量时,其中;所以,式(4可以简化为:3测试与控制系统基于测试平台的稳定性及控制系统的实时性,其测试与控制系统采用分布式数据采集与过程控制系统。主要工作方式是上位计算机通过数据采集模块,采集各测量点温度、静压差以及电量信息,并且向前端机(主要是PID数字调节器和PL

14、C可编程控制器的工作方式进行设置;同时,通过前端机把控制信号送至现场的各个执行机构(如压缩机及各种风机的开闭;其上位机作为监控管理机,通过监控管理软件对各种采集的数据进行处理,并适时地发出控制指令。由于前端机与计算机的通讯是数字通讯,提高了系统的抗干扰性,而且,它们与计算机之间的连接仅为一根通信电缆,简化了系统的安装,提高了系统的可靠性与可维护性。3.1硬件结构测试系统由大量的温度传感器、压力变送器智能PID调节器仪表(内有A/D、D/A转换模块数据采集器、串口扩展卡、PLC可编程控制器及其PC机组成,计算机通过串行通讯连接PLC和PID及数据采集器,可以设置和监控整个测试过程。系统组成如图2

15、所示。温度、压力(压差、流量等模拟量分两路走,一路只作为测量的模拟信号(如:喷嘴差压,被试机出口的干湿球温度及其大量布置在试验室内的热电偶辅助温度测量点经数据采集系统A/D转换并输入计算机,另一路需要对其进行控制的模拟信号(如:室外侧干湿球温度、室内侧干湿球温度及其被试机进出口静差压则直接送给PID数字调节器,由PID数字调节器根据实测值与设定值的差值,根据PID算法自适应控制相应执行机构;其数据信号再由PID数字调节器送给计算机,由上位机监控管理软件对数据进行处理。PLC用于控制测试室各种设备的运行、停止并监控设备状态;系统设有多项报警及设备相互开停保护内容由PLC可编程控制器的输入继电器X

16、系列进行控制,当报警发生时,PLC将自动应急处理,并发出声光报警。执行机构由PLC的输出继电器Y系列进行控制,如表1、表2所示:(4(5(6(7图2计算机测量控制图2007年建筑热能通风空调1023.2软件结构此焓差法空调器性能测试平台的软件分别由下位机(PID 、PLC 和上位机两部分软件构成。PID 数字调节器软件采用面向结构化的汇编语言编制。该部分共有主程序存贮模块、数据采集模块、数据存贮模块、数据显示模块、系统控制模块和通讯模块。而PLC 可编程控制器则采用传统的梯形图作为编程语言,此种方式简便明了,易于操作,足可以满足空调器的性能测试平台的测控要求。上位机(计算机软件的功能是与前端机

17、进行通信,向前端机传送各次试验的控制参数等信息,判断试验设备的稳定状态,随时向前端机发布命令。试验设备达到稳定状态后,把数据采集器和智能PID 调节器传送来的温度、压力等参数存贮,以备长期保存。试验完成后,即时对本次试验进行数据处理以及系统评价,并输出试验报告。测试软件在Windows 平台上采用LabView 软件开发工具。LabVIEW (Laboratory Vitual InstrumentEngineering Workbench,实验室虚拟仪器工程平台是美国NI 公司(National Instrument Company 推出的一种基于G 语言(Graphics Language

18、 图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具5。所谓虚拟仪器,就是在通用计算机为核心的硬件平台上,由用户设计定义,具有虚拟面板,其测试功能由测试软件实现的一种计算机系统。其实质是利用PC 计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板,以多种形式表达输出检测结果,利用PC 计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;并利用I/O 接口设备完成信号的采集、测量与调理,从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。在焓差法空调器性能测试平台中,主要由三大模块组成:即I/O 接口模块、冷量设计计算模块以及数据输出模块。I/O 接口模块主要完成数据信号的采集,如:室内外的干湿球温度、静压差、喷嘴差压等信号的测量及调理;同时,根据GB7725-2004房间空气调节器国家标准的试验标准工况以及表1和表2的控制参数向前端机发送参数控制信号。在整个测试过程中,计算机自动设定工况,自动进行测控及其设备调稳,能准确测出被试空调的制冷量、输入功率和能效比等重要数据。本系