改進(jìn)耗能法在空調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

周朝娟吳小俊

(1江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院江蘇無錫214122 2江陰市華姿中等專業(yè)學(xué)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(fèi)總量的比例也在逐步升高。2004年有關(guān)資料顯示，全世界建筑能耗約占能源總消費(fèi)量的30%，其中住宅能耗約為商用建筑的2倍?？照{(diào)系統(tǒng)的能耗是由風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)的能耗組成的。在風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)的能耗占相當(dāng)大的比例;而水系統(tǒng)中，降低水泵與冷水機(jī)組的能耗才是節(jié)能中最關(guān)鍵的部分。通?？照{(diào)設(shè)備只能按照設(shè)計的額定工況運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷降低時，設(shè)備仍然按照額定功率全負(fù)荷運(yùn)行，這就必然造成能量的浪費(fèi)。因此必須采用一定的智能控制方法降低空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行功耗。實(shí)現(xiàn)空調(diào)節(jié)能的一個有效途徑就在于利用室內(nèi)外條件、維護(hù)結(jié)構(gòu)及空調(diào)設(shè)備的相互作用關(guān)系，選擇滿足建筑節(jié)能要求的控制方案，既能達(dá)到舒適、高效的室內(nèi)環(huán)境，而同時又實(shí)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(biāo)準(zhǔn)組織制定空調(diào)舒適度的根據(jù)[1]，因其較復(fù)雜，所需變量太多，不利于控制運(yùn)用，多運(yùn)用于試驗(yàn)分析。本文才用新有效溫度作為空調(diào)系統(tǒng)的控制目標(biāo)。新有效溫度是以皮膚濕度變化為基礎(chǔ)，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(biāo)。人在不同濕度的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中達(dá)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(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)際上是受到平均室外輻射溫度tr、室內(nèi)溫度ta及室內(nèi)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(biāo)im在指定某些典型條件下則為固定，如美國冷凍空調(diào)協(xié)會(ASHRAE)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ASHRAE55-2008的舒適區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。

本研究將針對夏季及冬季時期辦公室空調(diào)條件進(jìn)行探討，并以ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(jié)合干球溫度與相對濕度的雙變量控制，以此來達(dá)到改進(jìn)空調(diào)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(dá)到等效的舒適度。當(dāng)時室內(nèi)溫濕度點(diǎn)選擇不同時空調(diào)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(dāng)前空氣狀態(tài)點(diǎn)到達(dá)舒適度100%曲線上各點(diǎn)所需能量，求出到達(dá)曲線上耗能最小的設(shè)定點(diǎn)，以此點(diǎn)作為控制時的依據(jù)。

對于空調(diào)系統(tǒng)來說,加熱、制冷、加濕、去濕均需耗費(fèi)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(fù)抵消情況從而無法正確反映空調(diào)所消耗能量,應(yīng)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(yīng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制冷或加熱所消耗的能量，如式所示,潛熱變化對應(yīng)空調(diào)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(diào)系統(tǒng)所耗費(fèi)能源相對合理，式為由A點(diǎn)處理到B點(diǎn)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(zhì)的不同。例如制冷所需要的制冷量一般由制冷機(jī)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(shí)際需要的能量值一般來講是不相等，而我們更加關(guān)注的是整個空調(diào)系統(tǒng)所消耗的電能。因此我們應(yīng)該對整個熱濕處理過程中所消耗的電能進(jìn)行考慮。制冷過程一般由制冷機(jī)組實(shí)現(xiàn)，該過程所消耗的電能值為顯熱變化值除以制冷機(jī)組的制冷COP值；加熱過程一般由制冷機(jī)組的熱泵功能實(shí)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(shí)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(shí)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(jié)果與討論

為了保證空調(diào)房間的熱舒適性，空調(diào)的控制目標(biāo)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(biāo)為40~60%。圖1和圖2分別為定控制目標(biāo)和最小耗能法處理單位質(zhì)量空氣所需要的電量云圖。

圖1 最小耗能法處理單位質(zhì)量空氣所需電量

圖2 定溫濕度法處理單位質(zhì)量空氣所需耗能

圖3 兩種方法處理檔位質(zhì)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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(dāng)需要處理的空氣的濕度小于房間要求濕度時，處理單位質(zhì)量的空氣最小耗能法可以節(jié)約電量4kJ/kg左右。當(dāng)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(diào)所需要消耗的電量。

[1]徐曉寧,丁云飛.基于熱舒適圖的空調(diào)新風(fēng)控制模式及實(shí)現(xiàn)方法研究[J].廣州大學(xué)學(xué)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(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及仿真[J].土木建筑與環(huán)境工程,2010,32(5):65~70.