李敏 徐飛 姜敬德

（上海出入境檢驗檢疫局 上海 200135）

國際標準ISO5151-2010低溫制熱測試解析

李敏 徐飛 姜敬德

（上海出入境檢驗檢疫局 上海 200135）

通過對ISO5151-2010標準中熱泵低溫制熱測試方法的解析，闡明低溫制熱的測試環(huán)節(jié)、不同運行表現(xiàn)熱泵的具體測試方法和要求以及測試誤差的主要來源，從而得出熱泵低溫制熱測試要對不同運行表現(xiàn)熱泵進行分類并采用不同的數(shù)據(jù)采集方法和要求，才能減小測試誤差，各試驗室在同一規(guī)定的測試方法和要求下測試其測試數(shù)據(jù)才有可比性。

轉(zhuǎn)速可調(diào)型冷暖房間空氣調(diào)節(jié)器；除霜循環(huán)；熱泵低溫制熱；穩(wěn)態(tài)制熱；非穩(wěn)態(tài)制熱

1 前言

為了更全面地評價轉(zhuǎn)速可調(diào)型冷暖房間空氣調(diào)節(jié)器（以下簡稱熱泵）的能源效率，國標《轉(zhuǎn)速可調(diào)型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》（GB21455-2013）［1］引入了全年能源消耗效率（APF）作為熱泵能效評價指標，而APF的測試方法則依據(jù)標準《單元式空氣調(diào)節(jié)機》（GB/T17758-2010）［2］和《房間空氣調(diào)節(jié)器》（GB/T7725-2004）［3］的測試方法，其測試項目包括低溫制熱測試。

GB/T17758-2010對熱泵的低溫制熱試驗在附錄A.9.4.2和A9.4.3中進行了規(guī)定。其中A9.4.2規(guī)定：房間空調(diào)裝置和被試空調(diào)機應(yīng)進行不少于1 h的運行，工況穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，被試空調(diào)機由于融霜控制元件的動作導(dǎo)致的工況波動除外。A9.4.3規(guī)定：被試空調(diào)機應(yīng)進行3 h的試驗運行；在試驗結(jié)束時如果被試空調(diào)機正在融霜則融霜循環(huán)應(yīng)完成，每隔10 min記錄一次數(shù)據(jù)；

為了準確確定融霜循環(huán)的起始和結(jié)束以及室內(nèi)氣流的時間-溫度特性曲線（室內(nèi)機風(fēng)機運轉(zhuǎn)時）輸入被試機的電功率，在融霜循環(huán)過程中應(yīng)連續(xù)記錄試驗數(shù)據(jù)［2］。

同樣GB/T7725-2004在A.2.4.2和A2.4.3中也進行了類似的規(guī)定［3］。

熱泵低溫制熱測試時，室外側(cè)換熱器結(jié)霜的運行狀態(tài)是不穩(wěn)定的。由于不同制造商、同一制造商不同型號產(chǎn)品之間的結(jié)構(gòu)和控制設(shè)計不同，因此在低溫制熱測試時的表現(xiàn)也不盡相同，可分為無除霜循環(huán)制熱和有除霜循環(huán)制熱兩類，有除霜循環(huán)制熱的除霜循環(huán)頻次也不相同。

由于現(xiàn)行標準GB/T7725-2004和GB/T17758-2010對熱泵的低溫制熱試驗未根據(jù)產(chǎn)品運行期間的不同表現(xiàn)對試驗方法分別加以具體規(guī)定，同時由于各實驗室對標準理解的不同造成試驗方法有差異。因此，同一產(chǎn)品在不同實驗室進行低溫制熱測試，其試驗結(jié)果偏差較大，常出現(xiàn)離群現(xiàn)象，這一情況從近年來中國能效標志管理中心舉辦的能力驗證統(tǒng)計數(shù)據(jù)可清楚看出。

國際標準《自由送風(fēng)型空氣調(diào)節(jié)器和熱泵的試驗和測定》（ISO5151-2010）［4］對熱泵低溫制熱測試中可能遇到的各種情況進行了分類，并對可能出現(xiàn)的每一種低溫制熱情況試驗方法進行了規(guī)定。本文通過對ISO5151-2010標準中熱泵低溫制熱測試方法的解析，闡明低溫制熱測試的環(huán)節(jié)，測試中不同運行表現(xiàn)熱泵的具體測試方法和要求以及測試誤差的主要來源，以供業(yè)內(nèi)實驗室同行和標準修訂者參考。

2 熱泵低溫制熱測試的環(huán)節(jié)

ISO5151-2010規(guī)定熱泵低溫制熱測試分為預(yù)調(diào)節(jié)階段、平衡階段、數(shù)據(jù)采集階段等三個環(huán)節(jié)。

2.1預(yù)調(diào)節(jié)階段

預(yù)調(diào)節(jié)階段是指在產(chǎn)品正式測試前對試驗房間的空氣再處理設(shè)備及被試熱泵運行進行調(diào)節(jié)的階段，預(yù)調(diào)節(jié)階段必須滿足以下條件：

（1）測試室工況條件達到標準規(guī)定的要求，見表1、表2和表3。

表1　試驗工況

表2　制冷量和穩(wěn)態(tài)制熱量試驗的讀數(shù)允差

表3　非穩(wěn)態(tài)制熱量試驗過程允許的偏差

（2）空調(diào)器應(yīng)至少運行10 min。

（3）預(yù)調(diào)節(jié)階段可在出現(xiàn)除霜循環(huán)時結(jié)束；如果出現(xiàn)這種情況，在平衡階段開始前，熱泵應(yīng)以制熱模式在除霜結(jié)束后至少運行10 min。

（4）低溫制熱試驗時，推薦用自動或手動的方式啟動除霜循環(huán)以結(jié)束預(yù)調(diào)節(jié)階段，滿足預(yù)調(diào)節(jié)要求后才能進入下個環(huán)節(jié)的平衡階段。

2.2平衡階段

ISO5151-2010標準規(guī)定熱泵低溫制熱試驗預(yù)調(diào)節(jié)階段完成后將進入平衡階段，平衡階段試驗工況要滿足表1及表2、表3的要求，熱泵要連續(xù)運行至少持續(xù)1 h。

2.3數(shù)據(jù)采集階段

在平衡階段后立即進入數(shù)據(jù)采集階段。ISO5151-2010標準依據(jù)低溫制熱時被試熱泵的不同表現(xiàn)，其數(shù)據(jù)采集要求不同，具體要求見以下解析。

3 ISO5151-2010標準低溫制熱數(shù)據(jù)采集階段測試解析

制熱量試驗依據(jù)熱泵的運行情況可分為：穩(wěn)態(tài)制熱量和非穩(wěn)態(tài)制熱量測試。ISO5151-2010引入了一個重要的定義：數(shù)據(jù)收集期間任一5 min進、出風(fēng)溫差的改變百分比，用%△T表示。按下述公式計算：

式中：△Ti（τ=0）-數(shù)據(jù)收集期間前5 min進、出風(fēng)溫差的平均值，℃；

△Ti（τ）-數(shù)據(jù)收集期間任一5 min進、出風(fēng)溫差的平均值，℃。

在數(shù)據(jù)采集階段開始的35 min內(nèi)進行測量，計算%△T的值作為判定熱泵穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)制熱重要的依據(jù)。

3.1熱泵穩(wěn)態(tài)低溫制熱測試解析

預(yù)調(diào)節(jié)階段前進行了除霜循環(huán)（自動或手動），平衡階段和開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段未出現(xiàn)除霜循環(huán)，如果在開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段，%△T小于2.5%且在平衡階段和開始的35min數(shù)據(jù)采集階段，試驗允差滿足試驗要求，則制熱量試驗按照穩(wěn)態(tài)制熱量試驗進行，流程見圖1［4］。

圖1　穩(wěn)態(tài)制熱量試驗流程

用數(shù)據(jù)采集階段35 min所記錄的制熱量平均值作為平均制熱量；用數(shù)據(jù)采集階段35 min所記錄的輸入功率平均值或35 min所記錄的積分輸入功率作為平均輸入功率。

3.2熱泵非穩(wěn)態(tài)低溫制熱測試解析

在開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段，如果%△T大于2.5%，制熱量試驗應(yīng)按非穩(wěn)態(tài)試驗。同樣，如果熱泵的平衡階段或開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段開始了除霜循環(huán)，制熱量試驗應(yīng)按非穩(wěn)態(tài)制熱量試驗進行。非穩(wěn)態(tài)試驗依據(jù)熱泵實際運行的狀態(tài)，可分成以下5種類型：

3.2.1無除霜的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗

預(yù)調(diào)節(jié)階段前進行了除霜循環(huán)（自動或手動），平衡階段和開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段未出現(xiàn)除霜循環(huán)，在開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段%△T大于2.5%，數(shù)據(jù)采集周期達到3h試驗結(jié)束。試驗主要流程見圖2［4］。

圖2　無除霜的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗主要流程

3.2.2數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)1個除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗

預(yù)調(diào)節(jié)階段前進行了除霜循環(huán)（自動或手動），平衡階段和開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段未出現(xiàn)除霜循環(huán)，在開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段%△T大于2.5%，數(shù)據(jù)采集3 h時段出現(xiàn)了除霜循環(huán)，當數(shù)據(jù)采集周期達到3 h試驗結(jié)束。試驗主要流程見圖3［4］。

圖3　數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)1個除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗主要流程

3.2.3數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)1個完整除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗

預(yù)調(diào)節(jié)階段前進行了除霜循環(huán)（自動或手動），平衡階段未出現(xiàn)除霜循環(huán)，開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)除霜循環(huán)，數(shù)據(jù)采集3 h段進行了1個完整的除霜周期，當數(shù)據(jù)采集周期達到3 h試驗結(jié)束。試驗主要流程見圖4［4］。

圖4　數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)1個完整除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗主要流程

3.2.4數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)2個完整的除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗

預(yù)調(diào)節(jié)階段前進行了除霜循環(huán)（自動或手動），平衡階段未出現(xiàn)除霜循環(huán)，開始的35 min數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)除霜循環(huán)，數(shù)據(jù)采集3 h段進行了2個完整的除霜周期，當數(shù)據(jù)采集周期達到3 h試驗結(jié)束。試驗主要流程見圖5［4］。

圖5　數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)2個完整的除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗主要流程

3.2.5數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)3個完整的除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗

預(yù)調(diào)節(jié)階段前進行了除霜循環(huán)（自動或手動），平衡階段出現(xiàn)除霜循環(huán)，數(shù)據(jù)采集階段完成3個完整的除霜循環(huán)試驗結(jié)束。試驗主要流程見圖6［4］。

圖6　數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)3個完整的除霜循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)低溫制熱試驗主要流程

3.2.6熱泵非穩(wěn)態(tài)低溫制熱量計算

在數(shù)據(jù)采集期間，如果空調(diào)器包含一個或多個完整循環(huán)（一個完整的循環(huán)包含一個制熱過程和從除霜終止到下一個除霜終止的除霜過程），應(yīng)按照以下要求確定制熱量和輸入功率：平均制熱量由制熱量的積分值和數(shù)據(jù)采集期間所包含的所有時間來確定；平均輸入電功率由輸入功率的積分值和數(shù)據(jù)采集期間與測量制熱量相同的時間來確定。

在數(shù)據(jù)采集期間，如果沒有發(fā)生完整循環(huán)的空調(diào)器，則應(yīng)按照以下要求確定制熱量和輸入功率：平均制熱量由制熱量的積分值和數(shù)據(jù)采集期間的發(fā)生時間（室內(nèi)空氣焓值法3 h，量熱計法6 h）來確定；平均輸入電功率由輸入功率的平均值和數(shù)據(jù)采集期間與測量制熱量相同的時間來確定。

4 熱泵穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)低溫制熱測試的差異

4.1試驗工況允差不同

穩(wěn)態(tài)制熱量試驗的讀數(shù)允差見表2，非穩(wěn)態(tài)制熱量試驗的讀數(shù)允差見表3。兩表比較可以看出穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)制熱試驗讀數(shù)允許的偏差不同，表3中的D區(qū)間是指除霜循環(huán)和接下來10 min每5 min采集數(shù)據(jù)的平均值，H區(qū)間是指除了除霜之后的10 min以外的每5 min采集數(shù)據(jù)的平均值。

非穩(wěn)態(tài)制熱量試驗在平衡階段和數(shù)據(jù)采集階段均應(yīng)滿足表3規(guī)定的試驗允差，每個H區(qū)間或D區(qū)間的所有數(shù)據(jù)都應(yīng)符合表3的試驗允差，而且應(yīng)分別根據(jù)H區(qū)間的數(shù)據(jù)或D區(qū)間的數(shù)據(jù)評價是否符合表3的試驗允差，而不是將兩個或多H區(qū)間或D區(qū)間的數(shù)據(jù)結(jié)合一起評價。

4.2數(shù)據(jù)采集階段總時間不同

穩(wěn)態(tài)制熱量試驗數(shù)據(jù)采集時間為35 min，而非穩(wěn)態(tài)制熱量試驗數(shù)據(jù)采集時間為3 h或三個完整的除霜周期。

4.3數(shù)據(jù)采集頻率不同

穩(wěn)態(tài)制熱量試驗數(shù)據(jù)至少每間隔30 s取值一次；非穩(wěn)態(tài)制熱量試驗在除霜過程中及除霜后的10min，數(shù)據(jù)采集應(yīng)更頻繁，平均間隔應(yīng)為每10 s或更短，其他時間段至少每間隔30 s取值一次。

4.4測試結(jié)果的計算方法不同

穩(wěn)態(tài)制熱用數(shù)據(jù)采集階段35 min所記錄的制熱量平均值作為平均制熱量，用數(shù)據(jù)采集階段35 min所記錄的輸入功率平均值或35 min所記錄的積分輸入功率作為平均輸入功率。

非穩(wěn)態(tài)制熱分為兩種情況，參見3.2.6。

5 熱泵低溫制熱試驗主要測試誤差來源

低溫制熱試驗中測試程序?qū)Τ芷陂_始和結(jié)束時間節(jié)點的判定是測試誤差的主要來源，圖7、8、9分別給出了某熱泵低溫制熱量、功率和風(fēng)量測試曲線實例。

圖7　熱泵低溫制熱量曲線

圖8　熱泵低溫制熱功率曲線

從圖7制熱量曲線中可以看出，具有完整除霜周期熱泵低溫制熱量的大小為圖形與時間軸包絡(luò)線的面積積分，除霜期間制熱量為零，因此判定除霜開始和結(jié)束的時間節(jié)點非常重要，其直接影響熱泵制熱量計算結(jié)果，同樣功率的計算結(jié)果也會受影響。

各試驗室由于設(shè)計思路和方法不同，測試程序?qū)Τ卸ǖ姆椒ú煌饕幸韵聨追N判定方法：

（1）以四通換向閥線圈得電和失電的換向信號作為熱泵除霜循環(huán)開始和結(jié)束的判定依據(jù)；

（2）以室內(nèi)側(cè)風(fēng)機停止和運轉(zhuǎn)作為熱泵除霜循環(huán)開始和結(jié)束的判定依據(jù)；

（3）以熱泵輸入功率的大小變化作為除霜循環(huán)開始和結(jié)束的判定依據(jù)；

（4）以空氣測量段所測量到的風(fēng)量變化作為除霜新歡開始和結(jié)束的判定依據(jù)。

（1）、（2）兩種判定方法準確把握了除霜開始和結(jié)束的時間節(jié)點，數(shù)據(jù)采集精度較高，但安裝難度大，需要引入四通換向閥、風(fēng)機電機開挺信號，破壞了被試熱泵原有的電氣連接。從圖8和圖9的曲線可以看出（3）、（4）兩種方法，判定除霜開始和結(jié)束的時間標準難以統(tǒng)一，不同試驗試室對同一產(chǎn)品的測試值離散率大。筆者推薦使用（1）、（2）兩種判定方法。

圖9　熱泵低溫制熱風(fēng)量曲線

6 結(jié)論

熱泵低溫制熱測試要對不同運行表現(xiàn)熱泵進行分類，并采用不同的數(shù)據(jù)采集方法和要求才能減小測試誤差，各試驗室在同一規(guī)定的測試方法和要求下測試，其測試數(shù)據(jù)才有可比性。

［1］GB21455-2013轉(zhuǎn)速可調(diào)型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級［S］.

［2］GB/T17758-2010單元式空氣調(diào)節(jié)機［S］.

［3］GB/T7725-2004房間空氣調(diào)節(jié)器［S］.

［4］ISO5151-2010自由送風(fēng)型空氣調(diào)節(jié)器和熱泵的試驗和測定［S］.

Low Temperature Heating Test Analysis of the International Standard ISO5151-2010

Li Min，Xu Fei，Jiang Jingde
（Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Shanghai，200135）

This paper discussed the specific test methods and requirements of different performance of the heat pump and the main source of measurement error in the low temperature heating test，through analyzing the system test method for heat pump at low temperature in the standard of ISO5151-2010，for the reference of the peer on the test chamber and standard revision.

Speed Adjustable Type Cooling and Heating Air Conditioner；Defrost Cycle；Low Temperature Heat Pump System；Steady State Heat；Non Steady State Thermal System

T651

E-mail：limin@shciq.gov.cn

上海出入境檢驗檢疫局科研項目（HK018-2013）

2014-10-11