冬季穩(wěn)定人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的新方法

王喜良　張泠　羅勇強(qiáng)　謝磊　吳靜　徐秀　呂曉慧

摘 要：

人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對(duì)溫度的控制精度低于工藝性環(huán)境要求，但冬季若采用分體式空調(diào)制熱模式控制，實(shí)驗(yàn)室溫度的波動(dòng)范圍過(guò)大，影響采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。提出冬季采用空調(diào)制冷模式聯(lián)合電取暖器穩(wěn)定人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的新方法，在背景實(shí)驗(yàn)中將新方法和傳統(tǒng)空調(diào)制熱溫度控制方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：采用新方法能大幅度提高人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)房間溫度的穩(wěn)定性。為對(duì)新方法中空調(diào)的設(shè)定制冷溫度與電取暖器功率匹配問(wèn)題做進(jìn)一步研究而進(jìn)行探究試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：空調(diào)制冷量Q1、測(cè)試房間熱負(fù)荷Q2、電取暖器功率Q3和測(cè)試房間其他設(shè)備功率Q4存在匹配關(guān)系，當(dāng)空調(diào)設(shè)定溫度相同時(shí)，|Q1+Q2-Q3-Q4|值越小，人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度波動(dòng)頻率越穩(wěn)定，振幅越小。

關(guān)鍵詞：

溫度控制；空調(diào)制冷模式；電取暖器；匹配；冬季工況

中圖分類(lèi)號(hào)：TU831.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：16744764（2016）04003306

隨著社會(huì)的發(fā)展和人民居住條件的不斷提高，建筑能耗急劇增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011建筑能耗占總能耗的27.5% [1]。隨著城市化程度的不斷提高，建筑能耗的比例將繼續(xù)提高，估計(jì)這一比例到2020年將提高到35%。如何降低建筑能源消耗，提高能源利用效率，實(shí)施建筑節(jié)能，是可持續(xù)發(fā)展亟待研究解決的重大課題[23]。專(zhuān)家學(xué)者紛紛投入到建筑節(jié)能新技術(shù)研究中[48]，一般通過(guò)搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。陳友明等[9]、Zhou等[10]通過(guò)搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對(duì)夏熱冬冷地區(qū)通風(fēng)式雙層皮幕墻VDSF（ventilated double skin facades）自然通風(fēng)實(shí)驗(yàn)研究與優(yōu)化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；Diaconu等[11]通過(guò)搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對(duì)雙層定型相變墻體的房間進(jìn)行了全年運(yùn)行能耗分析研究；柳鵬鵬等[12]通過(guò)搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對(duì)一種新型雙層定型相變墻體節(jié)能效果分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；李安邦等[13]通過(guò)搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對(duì)內(nèi)嵌管式輻射地板的頻域熱特性分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。一般在人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)需要控制房間溫度在一定范圍內(nèi)，在夏季，分體式空調(diào)制冷模式可以將人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度的波動(dòng)范圍控制在較小范圍內(nèi)，但是在冬季，采用分體式空調(diào)控制時(shí)，其溫度控制原理為單片機(jī)通過(guò)溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)[14]，對(duì)人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于冬季人們衣著較保暖，對(duì)溫度小范圍變化感知不敏感，同時(shí)，為防止壓縮機(jī)頻繁開(kāi)啟，系統(tǒng)設(shè)定的溫度范圍較大，導(dǎo)致人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度波動(dòng)范圍較大，影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。在夏季和冬季，雖然精密空調(diào)可以將人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度的波動(dòng)范圍控制在較小范圍內(nèi)，但其價(jià)格昂貴。

不管采用何種控制方法以及控制器均不能將室內(nèi)空氣溫度控制為絕對(duì)穩(wěn)定，室內(nèi)空氣溫度曲線必定是一條具有一定振幅和頻率的波動(dòng)曲線，而衡量一個(gè)控制室內(nèi)溫度穩(wěn)定方法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是振幅較小且頻率穩(wěn)定。在冬季，為控制人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度穩(wěn)定，提出冬季穩(wěn)定人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的新方法，采用空調(diào)制冷模式聯(lián)合電取暖器控制人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度穩(wěn)定，新方法操作方便成本低，易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)房間溫度穩(wěn)定性較好。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)房間位于為湖南大學(xué)除塵樓四樓樓頂，房間外部尺寸為2.6 m×2.6 m×2.6 m，內(nèi)部尺寸為 2 m×2 m×2 m，測(cè)試房間如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：電腦、溫度傳感器、無(wú)紙記錄儀，分體壁掛式家用空調(diào)器一臺(tái)，室內(nèi)機(jī)尺寸0.21 m×0.745 m×025 m，室外機(jī)尺寸0.32 m×0.818 m×0.54 m，能效為二級(jí)，制冷量為3 200 W，制冷功率為1 100 W，制熱功率為1 900 W、兩臺(tái)低檔位功率為400 W，高檔位功率為800 W的電取暖器兩臺(tái)，其他設(shè)備散熱功率之和為100 W。

1.2 房間負(fù)荷計(jì)算

首先計(jì)算房間最大熱負(fù)荷，因出現(xiàn)在夜晚，無(wú)朝向修正率，富余系數(shù)取為1.2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)根據(jù)實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[15]確定。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量計(jì)算公式如下：

2 背景實(shí)驗(yàn)

分別在20160315和20160316進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這兩天天氣條件相近，室外溫度分別為11～15 ℃和11～16 ℃，測(cè)試時(shí)間為早晨9：35到次日早晨8：00，第1天采用新方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)B，第2天采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)D，無(wú)紙記錄儀記錄時(shí)間間隔為5 min。限于篇幅，僅對(duì)室內(nèi)、屋面、空調(diào)進(jìn)風(fēng)口、空調(diào)出風(fēng)口和東面墻體溫度變化進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖3為空調(diào)制冷聯(lián)合電取暖器和空調(diào)制熱兩種實(shí)驗(yàn)條件下室內(nèi)溫度逐時(shí)變化規(guī)律。室內(nèi)空氣溫度有測(cè)點(diǎn)b和c，取兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值作為室內(nèi)空氣溫度。由圖3可知，當(dāng)空調(diào)為制熱模式，空調(diào)溫度設(shè)定18 ℃，溫度的最大值與最小值相差10 ℃，波動(dòng)幅度較大并且波動(dòng)頻率也不穩(wěn)定。從曲線可以看出，上端點(diǎn)分布稀疏，下端點(diǎn)分布密集，因室內(nèi)外溫差較大，向室外傳遞的熱量較多，溫度下降較快，點(diǎn)分布稀疏；隨著室內(nèi)空氣溫度不斷降低導(dǎo)致室內(nèi)外溫差變小，傳遞的熱量不斷減少，室內(nèi)空氣溫度降低較慢，下部點(diǎn)就較密集。當(dāng)空調(diào)為制冷模式溫度設(shè)定18 ℃聯(lián)合功率為1 200 W電取暖器時(shí)，室內(nèi)空氣溫度最大值與最小值相差為5 ℃，波動(dòng)頻率較為穩(wěn)定?？照{(diào)溫度傳感器值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，空調(diào)開(kāi)始制冷，低于空調(diào)溫度傳感器設(shè)定值時(shí)空調(diào)關(guān)閉。電取暖器始終處于開(kāi)啟狀態(tài)，室內(nèi)空氣溫度不斷升高，再次達(dá)到設(shè)定值時(shí)，空調(diào)重新開(kāi)啟工作，如此不斷循環(huán)工作。

由表4可知，在空調(diào)制冷模式聯(lián)合電取暖器控制和空調(diào)制熱工作模式下，通過(guò)對(duì)室內(nèi)空氣溫度、屋面溫度、回風(fēng)口溫度、進(jìn)風(fēng)口溫度和室內(nèi)東墻溫度進(jìn)行比較得到：采用新方法控制實(shí)驗(yàn)房間溫度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的空調(diào)制熱控制，使溫度的波動(dòng)范圍小，頻率更穩(wěn)定。

3 探究試驗(yàn)

為進(jìn)一步探究空調(diào)制冷模式聯(lián)合電取暖器的最佳匹配控制方案，在背景實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用新方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)A、實(shí)驗(yàn)C、實(shí)驗(yàn)E、實(shí)驗(yàn)F和實(shí)驗(yàn)G。實(shí)驗(yàn)測(cè)得空調(diào)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、室外空氣、地面、屋頂、室內(nèi)南外墻和室內(nèi)空氣溫度，僅對(duì)室內(nèi)空氣溫度進(jìn)行處理分析。

圖8中3種實(shí)驗(yàn)空調(diào)均為制冷模式，溫度均設(shè)定18 ℃，實(shí)驗(yàn)A電取暖器功率為800 W、實(shí)驗(yàn)B為1 200 W和實(shí)驗(yàn)C為1 600 W。實(shí)驗(yàn)A從下午14：30到晚上8：00之間，點(diǎn)分布在上端與下端，因室內(nèi)外溫差較小，傳熱較少，室內(nèi)溫度升高和降低的頻率較快。實(shí)驗(yàn)B中溫度的波動(dòng)頻率較為穩(wěn)定，但是溫度波動(dòng)的幅度較大。實(shí)驗(yàn)C中室內(nèi)空氣溫度的波動(dòng)很穩(wěn)定，因電取暖器的功率比較大，室內(nèi)溫度上升快，空調(diào)頻繁開(kāi)啟，波動(dòng)范圍較小。中午12：30到下午5：30之間室內(nèi)溫度略有上升是室內(nèi)向室外傳熱減少的因素。

當(dāng)空調(diào)設(shè)定為18 ℃時(shí)，電取暖器功率分別為800、1 200、1 600 W，|Q1+Q2-Q3-Q4|對(duì)應(yīng)的值分別為2 981.5、2 430、2 030 W，此時(shí)室內(nèi)溫度的波動(dòng)范圍為7、5、3.5 ℃?？梢钥闯鲭S著| Q1+Q2-Q3-Q4|不斷減小，室內(nèi)空氣溫度的波動(dòng)逐漸變小。當(dāng)空調(diào)溫度設(shè)定為16 ℃，電取暖器功率分別為800、1 200、1 600 W時(shí)，室內(nèi)空氣溫度的波動(dòng)也呈現(xiàn)上述規(guī)律。當(dāng)空調(diào)為制冷溫度設(shè)為16 ℃、電取暖器功率為1 600 W時(shí)，室內(nèi)溫度波動(dòng)頻率穩(wěn)定，振幅最小僅2.5 ℃。

4 結(jié) 論

提出冬季穩(wěn)定人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的新方法，即空調(diào)為制冷模式聯(lián)合電取暖器控制。主要結(jié)論如下：

1）在冬季采用新方法控制人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度時(shí)，室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)范圍小，頻率穩(wěn)定，控制效果較為理想，而且操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

2）在6組對(duì)比試驗(yàn)中，采用新方法時(shí)，當(dāng)空調(diào)為制冷模式、溫度設(shè)定16 ℃，電取暖器功率1 600 W時(shí)，人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)頻率穩(wěn)定，振幅最小僅為2.5 ℃。

3）空調(diào)制冷量Q1、測(cè)試房間熱負(fù)荷Q2、電取暖器功率Q3和測(cè)試房間其他設(shè)備功率Q4存在匹配關(guān)系，當(dāng)空調(diào)設(shè)定溫度相同時(shí)，| Q1+Q2-Q3-Q4|值越小，人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度波動(dòng)頻率越穩(wěn)定，振幅越小。

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（編輯 胡英奎）