空调焓差室取样器风速对相对湿度测量的影响

孔繁海 杜启行 王奎 邓林娟 刘汉阳 阮社

1.山东省计量检测中心 山东济南 250014；2.山东省计量科学研究院 山东济南 250014

1 引言

目前在空调器性能测试中，主要采用两种方法：房间型量热计法和空气焓值法。空气焓值法具有安装便捷、实验过程简单、实验室建设成本低等特点，是使用最为广泛的方法。空气焓值法中影响测量准确度的因素很多，本文主要就取样器风速对相对湿度测量的影响展开分析。

2 空气焓值法原理

根据GB/T 7725-2004《房间空气调节器》的定义，空气焓值法是一种测定空调器制冷、制热能力的试验方法，它对空调器的送风参数、回风参数以及循环风量进行测量，用测出的风量与送风、回风焓差的乘积确定空调器的能力。试验装置布置图如图1，按公式（1）～（5）进行计算（鉴于公式过于复杂，这里就不做过多展开）：

式中：

qmi——空调器室内侧风量，m3/s；

ha1——空调器室内侧回风空气焓值（干空气），J/kg；

Vn′——测点处湿空气比容，m3/kg；

Wn——测点处空气湿度，kg/kg（干空气）；

W1——室内侧回风口空气含湿量，kg/kg（干空气）；

dsw1——室内侧回风口饱和空气含湿量，kg/kg（干空气）；

W2——室内侧出风口空气含湿量，kg/kg（干空气）；

dsw2——室内侧出风口饱和空气含湿量，kg/kg（干空气）；

t1——室内侧回风干球温度，℃；

tw1——室内侧回风湿球温度，℃；

t2——室内侧出风干球温度，℃；

tw2——室内侧出风湿球温度，℃。

图1 试验装置布置图

图2 相对湿度随风速变化走势图

在对空气焓值法房间空气调节器测量不确定度评定中，我们可以通过“灵敏系数”计算得到的不确定度分量，比较直观的展现出各个分量对实验结果的影响程度，分析数据如下：

（1）室内侧回风干球温度t1引入的不确定度分量

（2）室内侧回风湿球温度tw1引入的不确定度分量

（3）室内侧出风干球温度t2引入的不确定度分量

（4）室内侧出风湿球温度tw2引入的不确定度分量

（5）喷嘴前干球温度t3引入的不确定度分量

（6）大气压pb引入的不确定度分量

（7）喷嘴前静压p2引入不确定度分量

（8）喷嘴前后压差Δp引入的不确定度分量

（9）喷嘴直径D引入不确定度分量

测量不确定度分量汇总表见表1。

由表1的|ciui|可以看出，影响制冷量的因素很多，其中湿球tw1和tw2温度的影响尤为突出，是九个影响量中最大的，起到了绝对的主导作用。为了进一步验证其影响程度，我们分别选取了制冷能力为2700W、4470W和5122W窗式空调标准机为实验对象，试验工况采用国家标准中规定的额定制冷工况（室内侧干球：27.00℃；室内侧湿球：19.00℃；室外侧干球：35.00℃；室外侧湿球：24.00℃），在其他条件都不改变的情况下，假设湿球传感器示值误差为0.03℃或-0.03℃，调整室内侧湿球传感器“bs值”进行修正，来模拟湿球测温不准时导致环境湿度产生偏差的情况。

通过实验数据可以看出，湿球温度每发生0.03℃的偏差，环境相对湿度会发生约0.2%RH的变化，相应的被测空调器制冷量会发生17W左右的变化，由此可见湿球温度的准确性对焓差法测试空调能力的影响是十分显著的，具体数据见表2。

3 风速对环境相对湿度测量准确性的影响分析

通过上面的不确定度分析和实验数据可以看出，如何准确测量湿球温度，保证环境相对湿度的准确、稳定至关重要。目前，空气焓值法实验室大都是使用干湿球法控制环境温相对湿度，这种方法是利用处于同一风速条件下的干、湿球温度传感器，根据其温度的差值，通过计算或查表求得相对湿度的方法。湿球温度传感器使用匹配度良好的纱布包裹，多出传感器部分的纱布与水容器相连，纱布上的水分蒸发会带走湿球上热量，使其温度低于干球温度，湿球纱布上的水分蒸发效率的高低将直接影响着湿球温度，查阅相关资料得知，其与风速和周围空气中的水分含量成某种函数关系，相关公式（6）～（9）如下：

式中：

U——环境相对湿度，%RH；

t——干球温度，℃；

tw——湿球温度，℃；

ew——湿球温度下的饱和水汽压，Pa；

es——干球温度下的饱和水汽压，Pa；

A——干湿球系数；

p——大气压力，Pa；

v——风速，m/s。

假定其他条件不变仅改变风速的情况下，通过公式计算得到结果，见表3。

由表2数据可得相对湿度随风速变化走势图，见图2。

从图2中可以直观地看出，随着风速的提高相对湿度维持稳定所对应的风速范围也越来越大。从实验原理的合理性和各检测机构及企业实验室实际使用情况来看，将取样器风速控制在（3.3～9）m/s范围内比较理想，主要优势为：

（1）相对湿度理论偏差可控制在±0.1%RH较小范围内；

（2）风速范围较宽，容易实现，可有效保证实验室间测量数据的一致性；

（3）较小的风速可使用功率较小的风机实现，能更好的保证风机的平稳运行，减少震动和发热产生的不良影响。

表1 测量不确定度分量汇总表

表2 湿球在不同“bs值”设定下额定制冷量测试数据

表3 不同风速下相对湿度的理论值

4 建议

GB/T 7725-2004《房间空气调节器》C.1.3条中要求“流过湿球温度计处的气流速度不小于5m/s”，此处未规定风速上限，这种表述方式逻辑上不够严谨，而且风速越大就意味着需要使用更大功率的风机或者减小取样器横截面积，小风速容易实现，而且减少了采用大功率风机可能导致的震动和发热问题。因此，建议增加上限值要求，在合理的风速范围内有效控制相对湿度的偏差幅度。

另外，为了保证测量数据的准确，在验过程中取样器的规范使用也十分重要，现给出如下几点建议：

（1）要保证空气取样装置周围有足够的空间，以满足空气必要的的流动性，保证被测机回风口处和流过取样器干湿球的空气温度、湿度的稳定性。

（2）试验时要注意连接空气取样装置风管的摆放位置，尽量摆放平顺，避免产生小角度弯曲，影响气流通过，从而影响流过取样器干湿球的风速。

（3）为保证空气流过干球、湿球风速的一致性，尽可能使其布置在取样器同一个横截面上。

（4）使用吸水性良好、与湿球传感器粗细匹配良好的纱布，更有利于纱布中水分稳定的蒸发带走热量，得到稳定的温度值。

（5）湿球被纱布包裹部分应覆盖全部感温区域，且长度至少应为感温区长度的2～3倍，不应短于50mm。

（6）为保证良好的吸水性，纱布入水部分的长度不应小于10mm。

（7）由于对环境温湿度准确度要求比较高（MPE(平均值)：±0.1℃），且湿球温度细小的偏差也将对实验结果产生较大的影响，可以考虑在取样器内布置两套干湿球温度传感器，通过测得的两套数据进行比对来验证所测环境温湿度平均值是否准确可靠。