家用空调器能力验证结果分析

为研究不同实验室家用空调器制冷量测量能力的一致性, 中国计量科学研究院牵头组织了全国4个平衡环境型量热计和9个空气焓值法实验室间的能力验证。在GB/T7725-2004《房间空气调节器》中规定的T1工况下, 对一台窗式标准空气调节器在国家计量标准实验室及参加实验室间进行了比对实验。结合能力验证结果, 通过Z比分法和相对标准差法来评价实验室的能力, 并分析了制冷量差异的原因。结果表明:参加实验室的制冷量测量结果都在平均值两倍标准差范围以内, Z比分法能更公正地评价参加实验室的制冷量测试能力。量热计法制冷量测量平均值比焓值法制冷量测量平均值低90W, 平衡环境型量热计压力平衡装置和温湿球误差是引起其制冷量差异的主要原因。

空调能力的测量方法主要有量热计法和空气焓值法, 其中量热计法是一种准确度较高的测量方法, 不确定度一般在1%以内。空气焓值法相比量热计法除了准确度上稍有不足外, 在检测速度、设备投入等方面都更有优势, 因此空气焓值法目前已经成为空调器能力测量的主要手段。到目前为止, 不同实验室间的差异仍然是制冷量测量亟待解决的关键问题之一, 除对实验室在线校准外, 实验室间的能力验证是保证制冷量测量一致性的有效手段。

由于测量条件及影响因素不一致, 各实验室在测量结果上有一定差异。但通过能力验证结果, 不同实验室间制冷量测量差异的影响因素尚未研究。结合本次制冷量测量能力验证实验, 对结果进行Z比分法和相对标准差法分析, 分析了多个量热计法 (热平衡实验室) 和空气焓值法 (焓差实验室) 制冷量测量平均值产生差异的影响因素, 并提出改进制冷量能力验证一致性的建议, 以保障不同实验室制冷量测量值统一、可靠。

比对样机为一台质量合格的窗机, 为了使测量结果更加准确, 该窗机经过一定的特殊改装。在室内侧蒸发器排冷凝水的管道底部钻一个小孔, 使冷凝水通小孔直接流出窗机。这样改装的原因是为了减少使窗机室外侧托盘积水, 保证冷凝器换热状态稳定。按照GB/T7725-2004的要求, 将该窗机安装在制冷量国家标准测量装置 (中国计量科学研究院量热计实验室[2014]国量标计证字第277号) 中进行5次重复测量, 制冷量测量平均值为4900.9W, 功率平均值为2201.0W, 能效比平均值为2.227。

参加能力验证比对的有全国6个省、3个直辖市的13个实验室, 分布在各省计量院以及空气调节器制造加工的企业。实验方案为环式传递方案, 在主导实验室完成5次测试后平均值作为标准数据, 然后样机依次传递至各个参与比对的实验室, 每个实验室测试完毕与主导实验室的标准数据对比, 如果偏差较大则样机返回主导实验室检修, 如果偏差可接受则传递下一实验室, 最终所有数据由主导实验室统计并分析检测结果, 具体传递方案示意图如图1所示。

平衡环境型量热计和空气焓值法实验室测量装置布置如图2和图3所示。

为了保证实验室间比对数据的真实可靠, 实验室样机的安装必须统一。确保样机稳定安装在内外室间的隔墙上, 使窗机内侧比外侧高0~5°倾角 (方便冷凝水流出) , 窗口密封良好。室内空气取样装置放在空调回风口的0.15m处, 取样装置开孔与回风口垂直。出风口的风管不影响空调器的回风。室外侧取样装置进风温度的测量位置不能受空调器的出风影响, 距离窗机0.3m, 所测得温度代表空气调节器周围的温度。

图1 摇方案流程

图2 热平衡实验室装置图

图3 焓差实验室装置图

表1 能力验证结果

图4 制冷量测量值

图5 功率测量值

参加本次能力验证的实验室共有4个平衡环境型量热计实验室 (热平衡) 和9个焓值法实验室 (焓差室) , 并分别使用Z比分法和相对标准差法对验证结果进行了分析。结果如表1所示。

相对标准差表示每一个测量值与平均值偏离几个标准差, 这种方法能够反映一个测量值距离平均值的相对标准距离, 是一种可以得出某测量值在分布中相对位置的方法, 具体参见式 (1) 。

式中:Xi——实验室测量结果;———制冷量平均值;s—标准差。

Z比分法分析制冷量结果可得:实验室制冷量Z值绝对值都小于2, 为满意结果。相对标准差方法:制冷量都集中在2倍标准差内。由图4可知, Z比分法和相对标准差法给出的结果基本吻合, 制冷量数值一致性比较高。

Z比分法分析功率结果可得6号、9号、12号实验室的功率Z值大于3, 为不满意结果 (离群值) , 且6号焓差室Z值为-4.89, 偏差最大, 实验室应加强该项检测能力。相对标准差方法:6号实验室功率测量为2.17倍标准差, 偏差较大, 和Z比分法给出的结果一样应加强该项检测能力, 其余实验室都集中在2倍标准差内。由图5可知, Z比分法和相对标准差法给出的结果有一定差别。

比较发现制冷量的偏差最大为-110.5W, 波动较大, 标准差为59.0, 标准四分位距为62.27, 数值相近, 两种方法得出结果基本吻合。功率的偏差最大为-26.9W, 变化波动小, 标准差为12.4, 四分位距比较小, 为5.26, 两种方法得出结果不吻合。当数据波动较小时, 可能导致两种方法给出的结果不相同, Z值法更直观地反映测量结果的分布范围 (见图5) 。相对标准差法数值基本集中在2倍标准差以内, 不能显示出离群值, 它是以平均值为参考值作比较, 所有的数据都会影响平均值本身的变化, 而Z比分法以中位值为参考值比较, 中位数数值稳定, 再极端的数据都不会影响到中位数本身的变化, Z值分布更直观地反映每个实验室的测试结果问题。Z比分法比相对标准差法在能力验证结果评定中更公正直观。

图6 平均值比较

Z比分法和相对标准差法只能反映出各实验室与整体比对实验室水平的接近程度, 不能真正地表现出实验室问题所在。进一步分析离群实验室可知6号、9号为焓差实验室, 12号为热平衡实验室。分析比对数据可知热平衡实验室的平均值为4864.22W, 而焓差室的平均值为4958.6W, 热平衡实验室的平均制冷量要比焓差室的平均制冷量值低90W, 占到了制冷量标准值的1.8%, 由图6可知, 热平衡实验室和焓差室测量结果有很大差异。

热平衡实验室和焓差室都是复杂的测试系统, 由于各个实验室的软件和硬件都不一定相同, 所以其设计结构和测试方法、采用的测量设备及其准确度都会不同, 这些因素都会影响测量结果。如实验装置的差异、内外干湿球准确度控制等会影响制冷量的测量结果。

平衡环境型量热计法和焓值法装置不同之处在于平衡环境型量热计的研究对象是在一个封闭的隔热围体之内, 且热平衡实验室在测定时要打开压力平衡装置的泄漏风机, 通过调节其速度和直径达到内外侧压力平衡;而焓值法的研究对象则是在带有进、出两个开口的围体之内, 无压力平衡装置。压力平衡装置会把一定的能量转移, 而这部分能量却没有被考虑在计算中。把热平衡实验室的压力平衡装置关闭, 测试标准窗机可发现其制冷量输出达到了4941W, 比打开状态下增加了50W左右, 占到了制冷量的1%, 制冷量与焓差室测量数值相接近。因此这部分能量也应参与制冷量计算。

制冷测试工况的干湿球稳定控制在工况温度±0.1℃, 干湿球稳定误差的设定通常也会导致制冷量的测试结果不是在国家标准规定的工况点测得, 因此准确度的偏差也会对制冷量产生影响。以0.1℃的波动在焓差室测试干湿球对制冷量的影响, 得到制冷量与室内侧干球温度和室外侧湿球成反比, 与室内侧湿球和室外侧干球成正比, 随着干湿球温度的变化而发生接近线性的改变, 且室内侧湿球和室外侧干球对制冷量输出的影响较大。干湿球温度准确度误差设定应降到最小。

综上所述, Z比分法和相对标准差法都可以作为制冷量能力验证评价的方法, 但Z比分法能更公正地评价参加实验室的制冷量测试能力。通过家用空调器能力验证结果分析可知, 平衡环境型量热计和焓值法实验室的制冷量测量能力的差别受以下因素影响:

(1) 平衡环境型热量计法计算时的压力平衡装置的泄漏风机为了维持室内外的压力平衡, 会把一定的能量从室内侧被转移到室外侧或者把一定的能量从室外侧转移到室内侧, 这部分能量也应参与制冷量计算。

(2) 实验室干湿球温度测量误差影响空气调节器的测试能力, 制冷量随着室内侧干球的温度增加而降低, 随着室内侧湿球的温度增加而增加, 随着室外侧干球的温度增加而增加, 随着室外侧湿球的温度增加而降低, 且湿球温度对制冷量的影响较大。