亞熱帶地區戶式化熱濕解耦分控方法研究

王大維 胡梓軒 徐 騁 岳淮安 肖志明

上海理工大學環境與建筑學院

0 引言

亞熱帶地區的氣候特點是夏季濕熱，冬季較冷。亞熱帶地區城市，如上海的年平均相對濕度在70%以上。在該地區，室外溫度不高，但濕度大，持續時間較長。

目前，空調系統主要以送風方式處理室內余熱余濕。這種以溫度為控制參數的處理方式，在亞熱帶地區，會出現以下問題：為滿足溫/濕度的精度要求，空調送風需要再熱，導致冷熱抵消，使空調能耗增加；房間內濕度高而溫度不高時，壓縮機不運行，導致室內無法除濕；夏季制冷時，降溫除濕同時處理，如果以室內溫度為控制參數，當室內溫度達到設定值后，壓縮機停止運行，達不到除濕效果。如果以濕度為控制參數，則容易出現過冷和能耗過大的問題。因此，研究人員提出了溫/濕度獨立控制概念，以克服常規空調難以同時滿足溫/濕度精度要求問題[1]。

熱/濕分控空調系統通常有兩個蒸發溫度的冷源。系統通過新風機組實現室內濕度的控制，通過干式末端實現室內溫度的控制。在熱/濕分控空調系統中，將顯熱負荷和潛熱負荷分開處理，實現室內環境溫/濕度的獨立調節和控制[2]。

溫濕度分控系統通常設置兩個獨立回路，分別處理室內顯熱負荷和濕負荷。這種直接解耦獨立分控雖然效果良好，但系統復雜，使用條件苛刻，不適宜戶式化使用，且轉輪除濕，除濕量有限，設備體積大[3]。

為此，本文研究提出采用單一冷源冷水機組空調系統實現中小型居住建筑戶式化室內溫/濕度解耦分控。

1 實驗研究方法

1.1 實驗系統

本研究基于變頻壓縮機建立戶式化熱/濕解耦分控冷水機組的實驗系統，系統原理如圖1所示。室內機為兩個水側板式換熱器。低溫板換采用7℃/12℃的冷凍水進出水溫度，可供末端新風機組控制室內濕度；高溫板換采用18℃/21℃的冷凍水進出水溫度。可供末端顯熱處理設備控制室內溫度。系統通過調節壓縮機頻率調節總制冷量，兩個電子膨脹閥（EEV）主要調控系統過熱度。系統主要部件，如壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器進出口安裝了已校準的溫度、壓力傳感器。板式換熱器水側進出口也安裝了溫度傳感器。

圖1 實驗系統原理圖

1.2 實驗方法

實驗在焓差實驗室進行。焓差實驗室包括兩個房間，分別模擬室外與室內環境，環境參數分別由焓差室內、外側制冷系統與室內負荷發生器（LGU）穩定控制。實驗室配備了已校準的高精度測量儀表，用以檢測室內、外側空氣干濕球溫度和冷凍水回水溫度。實驗室配有完備的數據采集系統對所有實驗數據進行監控和記錄。

在實驗中，室內干球溫度27℃，濕球溫度19℃，室外干球溫度35℃。系統使用制冷劑R410a，充注量為2kg。低溫板換冷凍水流量為0．409m3/h，進水溫度由焓差室水系統控制在11．3℃。高溫板換冷凍水流量為2m3/h，進水溫度控制在22．3℃。在上述工況時，利用冷水機組進行不同壓縮機頻率下系統穩態運行實驗，監測系統運行數據。壓縮機頻率設定值為45-70Hz，每隔5Hz一組，共計6組。壓縮機頻率改變后，在系統運行達到穩定后，采集和記錄多組數據，將其平均值作為系統穩定運行參數。

2 實驗結果分析

圖2和圖3給出了系統在壓縮機頻率變化下的吸排氣壓力及高/低溫板式換熱器的冷凍水進出水溫度變化。由圖2可見，排氣壓力隨壓縮機頻率增加而增大，吸氣壓力隨壓縮機頻率增加而逐漸降低。因排氣壓力不能超過一定范圍，壓縮機頻率不能無限增大。由圖3可見，高/低溫板換的冷凍水進水溫度在焓差室水系統的控制下基本穩定在設定值，出水溫度隨壓縮機頻率增加而降低，因此進出水溫差增大，系統冷量增大。

圖4顯示了不同壓縮機頻率下系統冷量輸出與顯熱/潛熱冷量分配情況。由圖可見，顯熱/潛熱冷量在不同壓縮機頻率下變化趨勢一致，且制冷量隨壓縮機頻率增加而增大，高低溫板換冷量比例也同時變化。由此，可通過調節壓縮機頻率對系統輸出顯熱冷量和潛熱冷量進行控制，從而實現室內溫度和濕度的控制。

圖2 不同壓縮機頻率下吸排氣壓力

圖3 不同壓縮機頻率下高/低溫板換的進出水溫度

圖4 不同壓縮機頻率下系統制冷量及分配情況

3 基于ANN的戶式化溫濕度解耦分控方法

傳統的溫濕度獨立控制空調系統是設置兩個相對獨立的回路，分別處理顯熱負荷和濕負荷，系統相對復雜。基于實驗得到的戶式化熱/濕分控冷水機組運行特性，提出利用人工神經網絡（ANN）模型建立室內熱/濕解耦分控，可將溫濕分控過程看作是空調機組輸入與輸出的一類非線性映射，通過ANN尋找最優能力[4]。在研究中，ANN模型將表征系統輸出冷量與輸入可控參數（壓縮機頻率、EEV開度）的非線性關系。圖5為基于ANN溫濕度分控邏輯。控制系統分為溫度控制與濕度控制兩個相對獨立的回路。系統可分別設定溫度值和濕度值，控制運算模塊根據設定值與反饋值的誤差計算系統所需顯冷量和潛冷量值，通過ANN模型得出系統可調對象的控制信號，將信號傳遞給系統進行調節所需輸出顯冷量和潛冷量。傳感器再對室內溫度值和濕度值進行反饋，完成控制回路從而達到室內溫濕度控制要求。也可對溫濕度控制結果進行預測，通過預測值反映系統所需顯冷量和潛冷量值，從而達到控制要求[5]。

圖5 基于ANN模型的戶式化溫濕度控制邏輯

ANN結構模型如圖6所示。輸入層接受外部信號，并由各輸入單元傳遞給直接相連的中間層各個神經元。中間層是網絡的內部處理單元層，與外部沒有直接連接。神經網絡所具有的模式變換能力，如模式分類、模式完善、特征提取等，主要是在中間層進行。根據處理功能的不同，中間層可以是一層，也可以是多層，中間層單元不直接與外部輸入輸出進行信息交換。輸出層是網絡輸出運行結果并與顯示設備或執行機構相連接的部分[6]。

圖6 系統ANN結構示意

4 結論

傳統的溫/濕度分控系統通常是設置兩個相對獨立的系統，分別處理室內顯熱負荷和濕負荷。這種直接解耦獨立分控雖然效果良好，但并不適用中小型居住建筑的室內環境控制。研究提出基于單一冷源的戶式化熱濕解耦分控冷水機組及控制方法，采用單一冷源。實驗結果表明，在不同壓縮機頻率下，可實現顯熱、潛熱冷量分配。基于這一運行特性，研究提出利用系統ANN模型建立戶式化溫濕度解耦分控方法，從而提高室內人員的熱舒適性、室內空氣品質和系統能效。