改進耗能法在空調控制系統(tǒng)中的應用

周朝娟吳小俊

(1江南大學物聯(lián)網工程學院江蘇無錫214122 2江陰市華姿中等專業(yè)學校江蘇無錫214401)

0 引言

由于我國人口眾多人民居住生活條件不斷改善，建筑能耗數(shù)量十分巨大，所占全國能源消費總量的比例也在逐步升高。2004年有關資料顯示，全世界建筑能耗約占能源總消費量的30%，其中住宅能耗約為商用建筑的2倍?？照{系統(tǒng)的能耗是由風系統(tǒng)、水系統(tǒng)的能耗組成的。在風系統(tǒng)中，風機的能耗占相當大的比例;而水系統(tǒng)中，降低水泵與冷水機組的能耗才是節(jié)能中最關鍵的部分。通?？照{設備只能按照設計的額定工況運行，當系統(tǒng)的負荷降低時，設備仍然按照額定功率全負荷運行，這就必然造成能量的浪費。因此必須采用一定的智能控制方法降低空調系統(tǒng)的運行功耗。實現(xiàn)空調節(jié)能的一個有效途徑就在于利用室內外條件、維護結構及空調設備的相互作用關系，選擇滿足建筑節(jié)能要求的控制方案，既能達到舒適、高效的室內環(huán)境，而同時又實現(xiàn)大幅度節(jié)能的目的。

1.最小耗能理論

1.1 新有效溫度

PMV與PPD為國際標準組織制定空調舒適度的根據(jù)[1]，因其較復雜，所需變量太多，不利于控制運用，多運用于試驗分析。本文才用新有效溫度作為空調系統(tǒng)的控制目標。新有效溫度是以皮膚濕度變化為基礎，反映環(huán)境的干球溫度、平均輻射溫度、濕度對人體熱交換的綜合作用的熱舒適指標。人在不同濕度的實驗環(huán)境中達到熱平衡以后與相對濕度為50%的均勻溫度空間的輻射、對流、蒸發(fā)的換熱量相同時，均勻空氣的溫度值為新有效溫度值。實驗表明新有效溫度與皮膚濕度、人的熱感覺變化規(guī)律相符合。新有效溫度的數(shù)學公式如下：

pET*,s：有效溫度ET*下之飽和蒸汽壓力

to：操作溫度

w：皮膚濕潤度

im：水分滲透率

LR：路易斯比

式中操作溫度to實際上是受到平均室外輻射溫度tr、室內溫度ta及室內水蒸汽壓力pa三個參數(shù)所影響，至于皮膚濕潤度w即為人體活動量的表現(xiàn)，水分滲透率im代表人們的衣著條件。一般而言，ET*是無法固定為一通用的情況，但是為取得合理的控制起見，皮膚比熱w及水分滲透指標im在指定某些典型條件下則為固定，如美國冷凍空調協(xié)會(ASHRAE)標準ANSI/ASHRAE55-2008的舒適區(qū)標準。

本研究將針對夏季及冬季時期辦公室空調條件進行探討，并以ASHRAE標準中，在夏季時有效溫度24.5ET*(舒適度100%)的曲線，及冬季時有效溫度22ET*(舒適度100%)的曲線作為舒適度設定曲線的控制方法，且將傳統(tǒng)方法中以干球溫度為單一變量的控制改變?yōu)榻Y合干球溫度與相對濕度的雙變量控制，以此來達到改進空調空間的舒適度、節(jié)約能源的效果。

1.2 最小焓差理論

新有效溫度線為一定的范圍，只要滿足新有效溫度就可以達到等效的舒適度。當時室內溫濕度點選擇不同時空調的熱濕處理過程也就不同，其中所消耗的能量也就不同[2][3]。在控制系統(tǒng)中加入了最小焓值估算器隨時計算當前空氣狀態(tài)點到達舒適度100%曲線上各點所需能量，求出到達曲線上耗能最小的設定點，以此點作為控制時的依據(jù)。

對于空調系統(tǒng)來說,加熱、制冷、加濕、去濕均需耗費能源。若直接用焓值相減可能出現(xiàn)潛熱改變量與顯熱改變量正負抵消情況從而無法正確反映空調所消耗能量,應分別計算顯熱與潛熱改變量的絕對值再相加。其中顯熱變化對應空調系統(tǒng)進行制冷或加熱所消耗的能量，如式所示,潛熱變化對應空調系統(tǒng)加濕或去濕所消耗的能量，如式所示。以這種方式計算的焓值差來衡量空調系統(tǒng)所耗費能源相對合理，式為由A點處理到B點過程中需要的總能量[4]。

1.3 最小耗能理論

最小焓差理論考慮了空氣熱濕處理過程中顯熱和濕熱所需能量不能簡單的相加，必須是絕對值相加，但是最小焓值法沒有考慮到熱濕處理過程中所需的能量品質的不同。例如制冷所需要的制冷量一般由制冷機組提供，加濕所需要的熱量一般由電加濕器提供。熱濕過程中的能量變化和實際需要的能量值一般來講是不相等，而我們更加關注的是整個空調系統(tǒng)所消耗的電能。因此我們應該對整個熱濕處理過程中所消耗的電能進行考慮。制冷過程一般由制冷機組實現(xiàn)，該過程所消耗的電能值為顯熱變化值除以制冷機組的制冷COP值；加熱過程一般由制冷機組的熱泵功能實現(xiàn)，該過程所消耗的電能為顯熱變化值除以熱泵COP值；加濕過程一般由電加濕器實現(xiàn)，該過程所消耗的電能和潛熱變化值相等；除濕過程一般在制冷過程同時實現(xiàn)，其電能消耗值為潛熱變化值除以制冷COP值。綜合以上考慮，A狀態(tài)到B狀態(tài)的顯熱耗能和潛熱耗能公式分別如式和所示，該過程消耗的總電能為兩者之后。

2 結果與討論

為了保證空調房間的熱舒適性，空調的控制目標為新有效溫度24.5℃，由于濕度對人體舒適性較溫度來講比較小，濕度的控制目標為40~60%。圖1和圖2分別為定控制目標和最小耗能法處理單位質量空氣所需要的電量云圖。

圖1 最小耗能法處理單位質量空氣所需電量

圖2 定溫濕度法處理單位質量空氣所需耗能

圖3 兩種方法處理檔位質量空氣耗電量差值

從上面三幅圖可以看出采用最小耗能法，處理各種參數(shù)的空氣所需要的電量都小于定溫濕度方法所需要的電量。當所需要處理的空氣的有效溫度與房間有效溫度相同時，兩種方法所需要的消耗的電量值都比較，當處理的空氣的參數(shù)原理房間有效溫度范圍時兩種方法所需要的電量值都會相應的增加，但是定溫濕度法增加的速度要大于最小耗能法。同時當需要處理的空氣的濕度小于房間要求濕度時，處理單位質量的空氣最小耗能法可以節(jié)約電量4kJ/kg左右。當需要處理的空氣濕度大于房間要求的濕度時，兩種方法所需要消耗的電量值相差較小，約為1kJ/kg左右。綜上分析可以發(fā)現(xiàn)最小耗能法可以在保持房間舒適度保持不變的情況下有效的降低空調所需要消耗的電量。

[1]徐曉寧,丁云飛.基于熱舒適圖的空調新風控制模式及實現(xiàn)方法研究[J].廣州大學學報,2008,7(2):84-86.

[2]Chi-Min Chu,Tai-Lang Jong,Yue-Wei Hua.Thermal comfort control on multi-room fan coil unit system using LEE-based fuzzy logic[J].Energy Conversion and Management,2005,46(9~10):1579~1593.

[3]Chi-Min Chu,Tai-Lang Jong,Yue-Wei Hua.A study of thermal comfort control using least enthalpy estimator on HVAC system.Portland:American Control Conference,2005.

[4]燕飛,梁毅,韓寧.最小焓差在空調節(jié)能控制系統(tǒng)中的應用及仿真[J].土木建筑與環(huán)境工程,2010,32(5):65~70.