随着科学技术的迅猛发展及人民生活水平的提高,城市化、现代化的程度越来越高,人们多数时间生活在各种人造的房间环境中,因此对室内环境有了更高的要求,而房间空调器的首要任务是为居住者提供舒适的热环境.热环境对人的健康及舒适度的影响尤为显著,因此有必要对使用空调器的房间热环境进行研究,而在热环境参数稳定的情况下,室内温度分布是人的舒适度的重要影响因素^{[1, 2]}.

环境试验室是测试空调器性能的有效手段.通过实测数据分析空调房间内的温度分布及温度场的研究尚不多见.本文设计的环境试验室可进行各种工况试验和空调房间内温度场测试,从而分析空调器在不同试验工况下的实际工作特性,以评价和研究房间空调器在特定的外部环境工况下营造的室内舒适性、节能性、耐候性和环境适应性.

设计主要依据GB/T 7725—2004^[3],并参照日本JIS B 8615-2—1999标准^[4].试验室由外室和内室构成.通过模拟空调器室外机工作的外部环境(春、夏、秋、冬),根据测温热电偶矩阵测得内室(用户居室)的温度,获得内室的温度分布.依据温度分布研究和评价房间空调器在特定的外部环境条件下的舒适性、节能性、耐候性和环境适应性,为提高空调器的耐候性作准备.另外,可获得内室的温度场分布,用于研究以舒适性为主要指标的空调控制技术,并为房间空调器的室内机设计和安装提供参考.

环境试验室主要包括绝热库房、空气处理系统及温度场测控系统三大部分.试验室的功能是采用人工方法对测试对象的实际运行环境进行模拟,以提供一个稳定、精确的工况环境,从而保证在不同的试验工况下,获得试验室内室中相应的温度场分布.其中,绝热库房由外室和内室构成,内室面积可调,可根据不同试验需求任意分割成面积不等的房间,其建筑结构的热力学特性等按照民用建筑规范^[5]设计,可模拟大部分常见用户的房间特性.

制冷系统主要由压缩机、油分离器、冷凝器、储液器、蒸发器、膨胀阀、热气旁通阀等组成,构成了四个循环回路,分别为润滑油回路、喷液回路、热气旁通回路及制冷系统主回路.制冷系统原理如图 1所示,其中:润滑油回路为压缩机—油分离器—回油手阀—油镜—压缩机,该回路保证了压缩机内部良好的润滑及密封等功能;喷液回路为压缩机—冷凝器—储液器—干燥过滤器—喷液膨胀阀—压缩机,该回路根据回气温度调节喷液阀的开度,避免压缩机吸气温度过高;热气旁通回路为压缩机—热气旁通阀—蒸发器—汽分—压缩机,该回路在制冷系统低负荷时,通过热气旁通阀调节压缩机制冷量,以利于系统节能;制冷系统主回路为压缩机—冷凝器—储液器—干燥过滤器—蒸发器—吸气分离器—吸气压力调节阀—压缩机,翅片管蒸发器上带有电加热除霜,且通过合理控制除霜时间及除霜功率完成低温恶劣工况试验^[6].

图 1

Fig. 1

图 1 制冷系统原理 Fig. 1 Schematic diagram of the refrigeration system

气流组织设计是通过在环境试验室的外室合理布置送风口和回风口,经过处理后温湿度达到设定值的空气由送风口经过全面孔板送风,空气在外室内扩散、混合过程中均匀地中和试验室外室内的余热和余湿,并通过自动测控技术保证试验室的外室内形成较均匀、稳定的温湿度分布和气流速度,达到试验工况要求.

环境试验室的内室顶部天花和地板均为内设风道的中空结构,左端设置进风口,右端设置循环风机,可最大限度地使外室内空气先后经过顶部和地板中的风道进行循环,以保证内室的顶部、四周墙体及底部的外侧环境温度一致,使得整个内室处于同一环境工况中,从而逼真地模拟了家庭住房的外界环境.环境试验室内室底部及顶部气流组织示意图如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 试验室内室底部及顶部气流组织示意图 Fig. 2 Schematic diagram of the airflow organization near the roof and bottom of the inner room

试验室内室中以矩阵形式布置了1 040个热电偶测点,该测温热电偶矩阵可实时测量房间内的温度分布及温度的变化速率.内室温度场垂直温度测点分布示意图如图 3所示.

图 3

Fig. 3

图 3 内室温度场垂直温度测点分布示意图 Fig. 3 Schematic diagram for the vertical measuring points distribution of the inner room temperature field

温度采集系统是环境试验室中较复杂的部分.为了精确获得内室整个空间内的温度场,将热电偶测温矩阵均匀布置在被测空间中.测温元件采用热电偶,要求其对温度的变化响应迅速.热电偶将温度信号转换成电势信号,以便于测试信号的远距离传送和转换,最终确保测试的精度.

温度采集系统所用的热电偶主要由热电极、绝缘套保护管、接线盒及补偿导线组成,将其与显示仪表、数据记录仪表配套使用构成了一套热电偶温度检测系统.试验室热电偶测温系统示意图如图 4所示.根据测温热电偶矩阵测得内室的温度,再通过计算机软件对采集的温度进行处理以获得内室的温度场分布.

图 4

Fig. 4

图 4 试验室热电偶测温系统示意图 Fig. 4 Schematic diagram of the laboratory temperature measuring system using thermocouple

对环境试验室的外室进行了根据GB/T 7725—2004^[3]所要求的各种工况试验.被测机型号为KFR-25G/Bp/BFXW,同时对空调器制热及制冷特性进行了相关试验研究.

制热运行试验工况如表 1所示.试验室外室干球温度、相对湿度均控制在试验工况下.高温工况在45 min左右即达到稳定状态;低温工况在170 min左右达到稳定状态,达到设定温度所需时间较长,这是由于试验室制冷能力设计偏小.试验工况中,干球温度控制精度小于1℃,相对湿度控制精度小于5%,均满足试验技术要求.

表 1 Table 1

表 1 制热运行试验工况 Table 1 The heating operation conditions 工况 干球温度/℃ 湿球温度/℃ 相对湿度/% 高温 7 6 86.8 低温 2 1 83.8 低温极限 -20 不作要求

表 1 制热运行试验工况 Table 1 The heating operation conditions

当试验室外室工况稳定后,出风温度设定为25℃的被测空调器在制热模式下分别进行了高温及低温工况运行试验.试验前、后的内室温度场分布分别如图 5、6所示.

图 5

Fig. 5

图 5 被测机制热高温工况下内室温度场变化 Fig. 5 The temperature field variation of the inner room in the high-temperature heating condition of the tested device

图 6

Fig. 6

图 6 被测机制热低温工况下内室温度场变化 Fig. 6 The temperature field variation of the inner room in the low-temperature heating condition of the tested device

开始测试前,试验室外室温湿度即被测机工作的室外环境工况(按表 1设定).此时,内室类似于用户居室,由于建筑墙体的保温作用,高温及低温工况下内室温度均略高于外室温度,温度场分层不明显.当内室温湿度达到空调器设定值时,房间内的温度场分布表明,气流前进方向的上游一定区域内温度偏高,高温工况中温度分层较低温工况更明显.房间其它工作区域温度分布较均匀,且在受控范围内,能满足人体舒适性要求.

制冷运行试验工况如表 2所示.T1工况在系统启动30 min内达到稳定状态并维持在误差允许范围内,试验室的室外侧能够达到高温极限设计工况,且能保持工况稳定,控制精度满足技术要求.达到设计要求的高温极限工况的时间约为160 min,这是由于测试时间在夏季,外界环境温度较高,在此状态下空调机组的制热效率较低,所以工况稳定时间较长.凝露工况在系统启动80 min 左右达到设定工况并稳定维持在设定误差范围内.

表 2 Table 2

表 2 制冷运行试验工况 Table 2 The refrigeration operation conditions 工况 干球温度/℃ 湿球温度/℃ 相对湿度/% T1 35 24 40.3 T2 27 19 46.9 T3 46 24 15.4 高温极限 52 31 23.0 凝露 27 24 78.2

表 2 制冷运行试验工况 Table 2 The refrigeration operation conditions

通常被测机制冷时设定温度为26℃.图 7、8分别为被测机在T1和凝露工况下内室温度场的变化.对比图 7、8可看出,开始测试前,内室类似于用户居室,由于墙体的保温作用,所以内室温度略低于外室温度.当内室温湿度达到被测机的设定值时,房间内的温度场分布表明,由于冷空气自重的影响,室内下部空间温度稍低于上部空间的温度,存在轻微的温度分层现象,但在人活动区域内,温度分层不明显,能满足人体舒适性要求.

图 7

Fig. 7

图 7 被测机T1工况下制冷内室温度场变化 Fig. 7 The variation of the inner room temperature field in the T1 refrigeration condition of the tested device

图 8

Fig. 8

图 8 被测机凝露工况下制冷内室温度场变化 Fig. 8 The variation of the inner room temperature field in the condensation working condition of the tested device

按照GB/T 7725—2004^[3]中的部分试验工况进行了空调制热及制冷特性研究,结果表明,环境试验室外室能够提供各种试验工况环境,温湿度的控制精度和稳定性高,温度和湿度的波动范围达到设计要求.该试验室已在国内一家知名空调企业获得了应用.该试验室提供了新型空调器开发所需的硬件和软件平台,为空调企业开发以人体舒适性为控制目标的新型空调产品、进行空调设备环境适应性试验以及进行环境舒适性主观评价的数据积累提供了条件.