房间空调器实验室节能技术及能耗等级划分的探讨Discussion on energy saving technology and energy saving grade division of room air conditioner laboratory
陈容健1耿帅凯2
CHEN Rongjian1G EN G Shuaikai2
1.姝海格力电器股份有限公司广东冰海519070;
2.中国家用电器研究院安徽中家智锐科技有限公司安徽滁州341103
1. Gree Electric Appliances, Inc. Of Zhuhai Zhuhai 519070;
2. China Household Appliance Research Institute Anhui Zhongjia Zhirui Technology Co., Ltd. Chuzhou 341103
摘要：经过几十年的迅猛发展，空调器实验室的建造技术己经日趋成熟，然而承建商往往为节约成本，而减少新型节能技术的推广应用，从而严重 阻碍节能新技术的发展和推广，导致空调器实验室能耗还处
在10年前的水平。为了空调器实验室朝着更高水平地发展，通过分析行业空调器实验室状 况，介绍空调器实验室的新型节能技术及效果，探讨推进节能等级划分的措施，从而提出了空调器实验室运行中平衡能效和实验能效的概念，以期推 动空调器实验室新型节能技术的发展，提升行业的标准要求。
关键词：空调器实验室；节能技术；平衡能效；房间热平衡；空气焓差
Abstract: After decades of rapid development, the construction technology of air conditioner laboratory has become increasingly mature, but contractors often to save costs, and reduce the promotion and application of new energy-saving technology, which seriously hinder the development and promotion of new energy-saving technology, resulting in air conditioner laboratory energy consumption is still at the level of 10 years ago.To air conditioner laboratory development towards a higher level, through the analysis of industry air conditioner laboratory conditions, introduce the new energy-saving technology and the effect of air conditioner laboratory, discusses measures to promote energy-saving hierarchies, and put forward the balance of energy efficiency in the operation of the air conditioner laboratory and experimental efficiency concept, hope to promote the development of new energy-saving air conditioner laboratory technology, promote industry standards.
茶农技艺
Keywords: Air conditioner laboratory; Energy saving technology; Balance energy efficiency; Room heat balance; Air enthalpy difference
中图分类号：TB6; TU831 D0l:10.ki.issn1672-0172.2021.02.0015
i引言
绿可持续一直是国家甫视的发展方式，节能减排是整个社会 对发展的诉求，在如今的耗能产业中，不仅企业会想方设法降低能 耗、节约运营成本，国家和政府也相应出台了许多与能源使用相关的 标准文件以提高能源使用效率。空调实验室是典型的恒温恒湿实验 室，对温度、湿度都有着严格的要求，其应用频率高、用电量大，是重 要能耗设备之一，推动空调实验室新型节能技术的应用发展，违立能 耗等级划分制度，是一项丨•分有意义的工作。
在空调实验室节能技术相关研究中，唐峥、罗祥坤、邓本峥等人 从能鬚：肀衡、PLC控制方式、设备运行等多角度出发，运用冷凝热回收原理提出套较完整的节能解决方案|1]。何曙等分析了量热计法和 空气焓值法实验室的差异|21。陈坤、李征涛等人通过PID调节器对电动 三通阀、热气旁通阀及蒸发压力调节阀进行调节控制，做了降低空气 处理机组综合能耗的研宂131。与此同时，国内专业从事设计、制造空气 实验室装置的单位，北方一般有中国家用电器研究院、中国建筑科学 研究院、中W海洋大学等单位，南方有擎天、兰石、源知、海普等单位，都己经尝试建造节能空调实验室，并取得了明
显的经济效益。
就目前所知，空调实验室节能技术已经成熟并开始应用.但是行 业对空调实验室的能耗等级和测试效率一寅没有明确的要求，这也 导致实验室建造厂商因为掌握的技术深度不够或者为了降低建造成
作者简介：陈容健（1975-)，电气助理T.R师，研宄方向：电气控制及实验室建设，地址：广东珠海格力电器股份有限公司•E-m ai l:j i m8丨29347@163.c o m.
通讯作者：耿帅凯.E-mail:I401l78647(?iqq.c o m,.
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本，不愿使用和推广新型节能技术，从而降低了实验室长期运行的节 能效率，严重阻碍行业向更高的水平发展。本文希望通过介绍空调实 验室新型节能技术，探讨空调实验室能耗等级划分的方式，从而推 动空调实验室进行能耗等级划分及评价，推动空调实验室向更精准、更节能、更先进的方向发展。
2目前行业空调实验室状况
目前行业中主流空调实验室为平衡环境型房间实验室(如图1所 示）和空气焓差法实验室（如图2所示）这两种。其中平衡环境型实验 室采用房间型量热计原理，即在量热计的室内侧和室外侧进行冷热
量平衡。而空气焓差法则是通过设计合适的装置，测试空调器送风 口的风量、温湿度以及回风口的温度，根据送、回风温度对应的焓值 之差与风量的乘积即可得到空调器的制冷量或热泵制热量[2]。平衡 环境型房间实验室和空气焓差法实验室虽然测试原理不同，但都是 为了去创造一个恒温恒湿的空间环境，靠空气处理机去平衡实验室 内不断变化的冷、热、湿负荷，从而达到稳定的状态。而空调实验室 的能耗几乎全部集中在空调处理机中，故两种实验室的能耗等级相 同。
1-空气取样管，2-混合器，3-风机，4-加湿器，5-加热器，6-冷却盘管,7-压力平衡装置，8-被测机，9-室外侧测试室，10-室内侧测试室，11-温度可控的套间
图I平衡环境型房间实验室原理图
'N微区扫描电化学工作站
10
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1
—^
4
21
风机消音器i
1-室外侧测试室，2-室内侧测试室，3-干湿球测试器，4-静压箱，5-风量测量喷嘴箱，6-前置电加热，7-蒸发器，8-吹出电加热，9-循环风机，10-风道
图2空气焓差法实验室原理图
目前行业中一味要求空调实验室测试精度和重复性，但受结构 材料和测量传感器的固有精度限制，整体的不确定度己明显局限在±1%〜2%之内，同时再提高精度要求，对产品测试意义也不大。所以 在成熟行业技术中，如无新技术革新，将导致行业得不到更先进的 技术来推动发展。因此在保证测量精度的基础上，尽可能减少空调实 验室的整体能耗己成为其发展的新形势。在测量精度要求上，GB/T 7725-2004《房间空气调节器》己明确规定相关的内容，其测量显示的 不确定度和最大读数允差如表1和表2所示。然而，国家和行业的标 准文件中却鲜有关于空调实验室能耗方面的规定，故本文通过探讨 如何对实验室耗能等级进行合理划分，希望加快有关空调实验室能 耗等级划分的新规范或新标准
出现。
表I测量不确定度
测量量测量量显示值的不确定度
温度±0.1。。
水
温差土o.rc
体积流量±5%
静压差±5Pa
干球温度±0.2°C
空气
湿球温度±0.2°C
体积流量土5%
静压差±5Pa(P<100 P a)或土5%(P>100 P a)
输入电量±0.5%
时间±0.2%
质量土1.0%
速度±1.0%
注：测量的不确定度：表征被测量的真值所处量值范围的评定。测量的不确定度通常包括许 多分量，其中某些分量可在各连续测量结果的统计分布基础上进行估算并可用试验标准 偏差表征，另一些分量可根据经验或其他信息进行估计，并可用假设存在的近似“标准偏 差"表征。
表2制冷和热泵制热量试验的读数允差
读数读数的平均值对额定工况的偏差各读数对额定工况的最大偏差室内侧空气干球±0.3°C±0.5°C 温度湿球土0.2.C±0.3X：
室外侧空气干球±0.3°C±0.5.C 温度湿球±0.2。。±0.3.C 电压、频率±1.0%±2.0%
空气体积流量土5%±10%
进口+0.1.C+0.2.C 水温
出口±0.1*C±0.2.C 水体积流量±1.0%±2.0%空气流动的外阻力±5Pa±10 Pa
3空调实验室新技术介绍
实现空调实验室能源等级划分，必须依靠节能高新技术，在实现 高精度测试的同时，降低空调实验室的运行能耗。在空调实验室运行 的过程中，要实现恒温恒湿控制，需要制冷机组和电加热器不断工作 以保持冷热平衡，这个过程导致的冷热抵消是实验室耗能的主要方 面。如图3所示为空气处理的过程w。
从图3可知，在空气处理的过程中，电加热器和电加湿器处于一 直工作的状态，从而有冷热抵消导致能量损失。实践表明，仅电加热
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1
r ,. 加热_ c 吸收余热_ M 酬
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-----------------------------------------
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水泵自动抽水
O M ft 榷机^3A V
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图5带；令凝热回收系统图的图例
密目网节。可以将电加热器控制器和制冷系统所配备的变频器形成耦合系 统，从而实现能力的自动调节，此种方法控制简单，增加易损件少， 效果明显。某品牌变频器如图6所示。
N —实验室内空气状态：C 一回风混合状态：L —机器露点:S —送风状态
图空气处理过程图
器一项耗能，便超过整个实验室总耗能的1/2111，所以减少电加热器的 投入，是降低实验室能耗的主要路径。以下是目前空调实验室采用的 几大主要节能技术。3.1热量回收技术
制冷系统为逆卡诺循环，提供冷量的过程，就是将实验室内的 热量转移至实验室外侧的过程，所以制冷系统需要冷凝器高效散热 以保证其工作效率。热量回收技术的思路是将这部分热量代替电加 热器，从而减少电加热器输出，达到节能的效果。但是热量回收技术 要求所用的热交换器有较好的换热能力，所以常用平行流微通道冷 凝器，并辅以电动三通阀控制，以提高热交换器的换热系数[51。带冷 凝热回收的系统图和图例如图4、图5所示。
3.2变频变容调节技术
制冷系统变频技术是目前运用最广泛、最成熟的节能技术，通 过改变压缩机或者循环风机的运彳7•频率从而实现制冷系统的能力调
图^某品牌变频器
3.3蒸发器容量可变技术
蒸发器的容量应当与压冷机组相匹配，才能展现压冷机组最大 的制冷能力。蒸发器换热面积的大小不仅会改变压冷机组的制冷量， 而且会改变系统的蒸发温度。•般来说，蒸发器换热面积的增加会提 高蒸发温度，反之，会降低蒸发器的蒸发温度。所以较小换热面积的 蒸发器对一些低湿度工况有利，较大换热面积的蒸发器对高湿度工 况有利。因此如果可以改变蒸发器换热面积的大小，将大幅度缩短工 况的稳定过程。同时会降低某些工况的耗电量，对整个实验室的节 能和工况的优化都有重要影响m 。
如图7所示是一种改变蒸发器换热面积的方法，称之为分组蒸发 器技术，通过电磁阀的开闭，改变蒸发器的换热面积。此方法初次投 入成本低，控制逻辑简单，效果明显。
表3是某空调制造厂新建的节能空调实验室采用分组蒸发器后 的对比，旁通项为关闭电磁阀、减少蒸发器换热面积后的数据，显而 易见，整体耗电量下降的同时，电加湿投入量变高。所以该技术运用 于高温低湿工况时最为有利。
3.4蒸发压力调节技术
蒸发压力的改变必然导致蒸发温度的改变，而蒸发温度的改变 对蒸发器的除湿能力、结霜速度起着至
关重要的作用。正常情况下蒸
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图7分组蒸发器技术原理简图表3分组蒸发器技术运行数据表
序号分类
干球温度
相对湿度压缩机规格运行频率
运行累计
单位时间用电猷
(.V )(%)IIP (H z )时间（b >
(k W .h )
I
旁通4355330112.972
常态
43
55
3
50
1
14.96
发器的迎面风速、蒸发器的换热面积、压缩机的频率、冷凝压力是影 响蒸发压力的因素，但是这些因
素的变化对蒸发压力的调节有限，为 了更有效地控制蒸发压力，部分厂家在制冷系统中采用蒸发压力调 节阀（吸气压力调节阀），如图8所示。在高温高湿工况，通过调节蒸 发压力调节阀可以提高蒸发器的蒸发压力，从而提高蒸发温度，在降 低电加热器输出的同时可以降低除湿量，从而起到节能的效果。
图s 蒸发压力调节阀图
3.5热气旁通技术
热气旁通技术就是将压缩机排出的高温高压气体直接旁通到压 缩机的回气端（有时候也会旁通到蒸发器的入口处），从而减少制冷 系统内有效制冷剂流量，达到控制制冷系统能力的效果。在特定工况 中，减少制冷系统能力，电加热器投入也会随之降低，从而减少了冷 热抵消导致的能量损失，起到节能的效果m 。热气旁通原理图如图9 所示。
压缩机抹气端
旁通电磁阀
控制回路
手动拧制阀
低压压力控制器
回气璀
压缩机
图热气旁通原理图
4空调实验室能耗等级划分的探讨
要促进各个空调实验室承建商推广使用上述新型节能技术，必 然需要对承建商所建造的实验室的耗能水平进行限制。在实验室实
际使用过程中，低耗能的同时能否保证高效地完成测试任务，则是对 空调实验室能耗等级划分的主要依据。故在测试过程中，可以以被 测空调器的功率（W E S )与实验室自身的功率（W T S -W ES)比值来衡量 实验室的能耗水平。暂时将此值的结果命名为：空调实验室平衡能效
(Balanced energy efficiency ratio )，简写为沒^^尺。则实验室瞬时T :
衡能效（BE £R S )公式为:
BEER S = IV E S / (lVJ S i — fF p g ) (1)
式中，
—瞬时平衡能效，％s ~-被测空调器的功率，
实验室运行总功率。
对于一个完整的测试工况，可以求出整个稳定区间的平衡能耗比 (5££7?)，此时以空调器在此区间的耗电量（％)为分子，以实验室 自身的耗电量为分母，％代表整个实验室在测试过程中 的总耗电量。则：
BEER =IV e/ (W T -J V F) (2)
式中，
—平衡能效比，％—被测空调器耗电量，％—实验
室运行总耗电量。
在空调实验室使用中，往往对•台被测机组进行一系列工况的
实验测试，受空调测试过程中IPLV 测试方式的启发，为了更准确描述 空调实验室实际使用过程中的耗能水平，可以用实验室的平衡状态 综合部分性能系数沒Balance integrated part load value ):
BIPL V =i ],BEER ^2BEER ^r ]y BEER y +-• (3)
其中代表不同工况的平衡能效比，//代表每个工况的平衡 能效比所占权重。
以上划分实验室能耗等级的方式，为长期从事焓差室建设和房
(下转110页）
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的温度最高为36.2’C (开机率35%)，避免了仿真时出现加热丝100% 运行导致局部点温度过高的情况，满足了防凝露要求（方案6和方案4 相同部位的凝露对比，如图14所示）。
(3)根据方案5的实验结果：在把手玻璃面采用贴VIP，辅助人 感盒局部贴加热丝的方案，在测试过程屮，当加热丝的开机率控制在 35%以上时，各检测点的温度均高于露点温度，没有观测到门体、箱 体部位出现凝露现象，也没有出现温度过高的情况（开机率45%时，各温度监测点最高温度35.4X：)，同样达到了防凝露的要求，而且此 方案是仅在人感盒上増加加热丝，总的电能消耗相比方案4更小。
3结论
基于上述研宂，本文对于某公司研发设计过程中遇到的门把手 凝露的具体问题，通过初步仿真，先辨别出凝露风险较高部位，有针 对性的再对这些部位制定预设改善的凝露方案进一步仿真确认，确 定下一阶段实验验证方案，再制作实际样机进行验证：通过采用仿 真模拟和试验验证结合的方式进行研究，筛选出具有可行的两种方 案：便捷制造方案一一方案4 (加热丝方案）和低能耗方案一一方案5 (VIP+加热丝方案），解决了本案例冰箱门把手凝露的问题，减少了 样机制作数量，并缩短了验证周期，从而快速为设计端提供设计建议。为后续同类问题提供了解决思路和参考，有一定的借鉴意义。
但不可避免，在本文的撰写过程中因为个人水平有限，本文还存 在一些不足待后续改进：首先，本案例的仿真采用的是稳态模拟，但 冰箱及加热丝实际运行工况为开停模式，虽等效开机率可以折算，
但如改为瞬态仿真模拟，更贴合实际情况：其次，考虑到相变引入对 仿真结果的影响，仿真时没有加入空气湿度的影响，在技术完善后，
可将这一因素引入进一步进行优化；最后，在样机阶段加热丝功率 的选取参考的是现有冷藏翻转梁的功率，根据长度关系等效选择的 实验功率，根据测试结果可知，因功率选择较大导致实际开机率小 (<50%)，后续在保证不凝露的情况下，可以适当减小功率，使加热 丝的工作情况更符合实际。
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(上接103页）
间空调器测试工作中总结而得，希望可对以后实验室能耗等级划分 标准的出现起到启发和推动作用。
在实验室建造时，应该鼓励实验室建造商应用创新节能技术，从而使硬件方面的节能成为可能。另一方面，在日常实验室运行过程 中，实行实时监控管理和实验成本管理。每次实验均要记录实验过 的能耗成本。实验室测试过程中，往往会出现实验人员的异常操作，从而产生不必要的耗电。目前实验室的软件和测控系统，主要测量被 测机的功率，而忽略了对实验室测量过程中整体的能耗统计和异常 耗能分析，从而无法及时发现、纠正实验人员的错误操作。为此，实 验室软件上应具备监控、记录、生成实验室测试过程中整体耗电量的 功能，在空调测试报告中，明确显示各个测试工况的实验室总体耗电 量和主要设备耗电量，从而运算实验成本，使其成为实验报告不可缺 少的组成部分。
5结论
本文通过介绍空调实验室新型节能技术和探讨未来实验室能耗等级划分的方式，目的是推动行业新增空调实验室新型节能技术的 发展，希望对以后空调实验室能耗等级评价及划分起到启发和推动 的作用。最终得出降低实验室的能耗应从两方面实现：（1)建造阶段 推广新型节能技术，对空调实验室进行耗能考核，以划分不同能效等 级的实验室。（2)加强计算机软件对实验室运行阶段耗能评价管理、
实时对各个工况的实验室用电量进行记录分析，督促实验人员以最 节能的方式进行实验测试，让实验耗能成本成为测试报告不可缺少 的组成部分。对于本文探讨提出的能效等级划分的方式，未来将通过 大量的实验数据，以完善实验室能耗等级划分的具体内容。
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