改进耗能法在空调控制系统中的应用

周朝娟吴小俊

(1江南大学物联网工程学院江苏无锡214122 2江阴市华姿中等专业学校江苏无锡214401)

0 引言

由于我国人口众多人民居住生活条件不断改善，建筑能耗数量十分巨大，所占全国能源消费总量的比例也在逐步升高。2004年有关资料显示，全世界建筑能耗约占能源总消费量的30%，其中住宅能耗约为商用建筑的2倍。空调系统的能耗是由风系统、水系统的能耗组成的。在风系统中，风机的能耗占相当大的比例;而水系统中，降低水泵与冷水机组的能耗才是节能中最关键的部分。通常空调设备只能按照设计的额定工况运行，当系统的负荷降低时，设备仍然按照额定功率全负荷运行，这就必然造成能量的浪费。因此必须采用一定的智能控制方法降低空调系统的运行功耗。实现空调节能的一个有效途径就在于利用室内外条件、维护结构及空调设备的相互作用关系，选择满足建筑节能要求的控制方案，既能达到舒适、高效的室内环境，而同时又实现大幅度节能的目的。

1.最小耗能理论

1.1 新有效温度

PMV与PPD为国际标准组织制定空调舒适度的根据[1]，因其较复杂，所需变量太多，不利于控制运用，多运用于试验分析。本文才用新有效温度作为空调系统的控制目标。新有效温度是以皮肤湿度变化为基础，反映环境的干球温度、平均辐射温度、湿度对人体热交换的综合作用的热舒适指标。人在不同湿度的实验环境中达到热平衡以后与相对湿度为50%的均匀温度空间的辐射、对流、蒸发的换热量相同时，均匀空气的温度值为新有效温度值。实验表明新有效温度与皮肤湿度、人的热感觉变化规律相符合。新有效温度的数学公式如下：

pET*,s：有效温度ET*下之饱和蒸汽压力

to：操作温度

w：皮肤湿润度

im：水分渗透率

LR：路易斯比

式中操作温度to实际上是受到平均室外辐射温度tr、室内温度ta及室内水蒸汽压力pa三个参数所影响，至于皮肤湿润度w即为人体活动量的表现，水分渗透率im代表人们的衣着条件。一般而言，ET*是无法固定为一通用的情况，但是为取得合理的控制起见，皮肤比热w及水分渗透指标im在指定某些典型条件下则为固定，如美国冷冻空调协会(ASHRAE)标准ANSI/ASHRAE55-2008的舒适区标准。

本研究将针对夏季及冬季时期办公室空调条件进行探讨，并以ASHRAE标准中，在夏季时有效温度24.5ET*(舒适度100%)的曲线，及冬季时有效温度22ET*(舒适度100%)的曲线作为舒适度设定曲线的控制方法，且将传统方法中以干球温度为单一变量的控制改变为结合干球温度与相对湿度的双变量控制，以此来达到改进空调空间的舒适度、节约能源的效果。

1.2 最小焓差理论

新有效温度线为一定的范围，只要满足新有效温度就可以达到等效的舒适度。当时室内温湿度点选择不同时空调的热湿处理过程也就不同，其中所消耗的能量也就不同[2][3]。在控制系统中加入了最小焓值估算器随时计算当前空气状态点到达舒适度100%曲线上各点所需能量，求出到达曲线上耗能最小的设定点，以此点作为控制时的依据。

对于空调系统来说,加热、制冷、加湿、去湿均需耗费能源。若直接用焓值相减可能出现潜热改变量与显热改变量正负抵消情况从而无法正确反映空调所消耗能量,应分别计算显热与潜热改变量的绝对值再相加。其中显热变化对应空调系统进行制冷或加热所消耗的能量，如式所示,潜热变化对应空调系统加湿或去湿所消耗的能量，如式所示。以这种方式计算的焓值差来衡量空调系统所耗费能源相对合理，式为由A点处理到B点过程中需要的总能量[4]。

1.3 最小耗能理论

最小焓差理论考虑了空气热湿处理过程中显热和湿热所需能量不能简单的相加，必须是绝对值相加，但是最小焓值法没有考虑到热湿处理过程中所需的能量品质的不同。例如制冷所需要的制冷量一般由制冷机组提供，加湿所需要的热量一般由电加湿器提供。热湿过程中的能量变化和实际需要的能量值一般来讲是不相等，而我们更加关注的是整个空调系统所消耗的电能。因此我们应该对整个热湿处理过程中所消耗的电能进行考虑。制冷过程一般由制冷机组实现，该过程所消耗的电能值为显热变化值除以制冷机组的制冷COP值；加热过程一般由制冷机组的热泵功能实现，该过程所消耗的电能为显热变化值除以热泵COP值；加湿过程一般由电加湿器实现，该过程所消耗的电能和潜热变化值相等；除湿过程一般在制冷过程同时实现，其电能消耗值为潜热变化值除以制冷COP值。综合以上考虑，A状态到B状态的显热耗能和潜热耗能公式分别如式和所示，该过程消耗的总电能为两者之后。

2 结果与讨论

为了保证空调房间的热舒适性，空调的控制目标为新有效温度24.5℃，由于湿度对人体舒适性较温度来讲比较小，湿度的控制目标为40~60%。图1和图2分别为定控制目标和最小耗能法处理单位质量空气所需要的电量云图。

图1 最小耗能法处理单位质量空气所需电量

图2 定温湿度法处理单位质量空气所需耗能

图3 两种方法处理档位质量空气耗电量差值

从上面三幅图可以看出采用最小耗能法，处理各种参数的空气所需要的电量都小于定温湿度方法所需要的电量。当所需要处理的空气的有效温度与房间有效温度相同时，两种方法所需要的消耗的电量值都比较，当处理的空气的参数原理房间有效温度范围时两种方法所需要的电量值都会相应的增加，但是定温湿度法增加的速度要大于最小耗能法。同时当需要处理的空气的湿度小于房间要求湿度时，处理单位质量的空气最小耗能法可以节约电量4kJ/kg左右。当需要处理的空气湿度大于房间要求的湿度时，两种方法所需要消耗的电量值相差较小，约为1kJ/kg左右。综上分析可以发现最小耗能法可以在保持房间舒适度保持不变的情况下有效的降低空调所需要消耗的电量。

[1]徐晓宁,丁云飞.基于热舒适图的空调新风控制模式及实现方法研究[J].广州大学学报,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]燕飞,梁毅,韩宁.最小焓差在空调节能控制系统中的应用及仿真[J].土木建筑与环境工程,2010,32(5):65~70.