空調(diào)制熱模式下智能加濕功能模塊

喻聯(lián)璽　謝代軍　秦川　蔡宗欣

研究背景

冬天寒冷，我們南方大部分地區(qū)都是開空調(diào)取暖，但空調(diào)制熱的同時，也使得室內(nèi)空氣異常干燥。當空氣濕度低于40%的時候，鼻部和肺部呼吸道黏膜脫水、彈性降低，灰塵、細菌等容易附著在黏膜上，引發(fā)咳嗽，同時容易誘發(fā)支氣管炎、哮喘等呼吸道疾病，人在干燥的環(huán)境中也易感染流感病毒。而現(xiàn)在市面上的空調(diào)只有除濕功能，很多人還要買加濕器對房間加濕。于是我就想能不能給空調(diào)增加智能加濕功能，讓空調(diào)吹出溫暖的熱風，同時還可以增加房間濕度，讓房間里的人更加舒適。

研究目標

◇給空調(diào)增加智能加濕裝置，在空氣干燥時自動加濕。

◇給空調(diào)加裝高效PM2.5濾網(wǎng)，改善空氣質(zhì)量，提高人體的舒適度。

方案設計

設計思路

利用濕度傳感器檢測濕度值V，當其低于設定值M（標準50%，或者自己設定），開啟智能加濕功能。根據(jù)濕度目標值與設定值比值，智能調(diào)節(jié)加濕狀態(tài)工作周期T（根據(jù)多次實驗60秒比較適合）的水泵供水時間值T₁，T₁=T_X（1- V/M）。當環(huán)境濕度值V不小于設定值M時，T₁≤0，水泵停止工作;在T₁水泵工作周期內(nèi)，加濕液噴灑在加濕蒸發(fā)器上，自動調(diào)節(jié)空調(diào)出風口的溫度濕度。同時，進氣口增加高效PM2.5濾網(wǎng)改善空氣質(zhì)量，提高人體的舒適度，保護使用者的身體健康。

系統(tǒng)方案圖

系統(tǒng)方案圖見圖1。

硬件設計

硬件設計圖見圖2。

硬件搭建

本系統(tǒng)最好是直接加裝到空調(diào)室內(nèi)機內(nèi)部，在空調(diào)原有蒸發(fā)器前面加裝水分蒸發(fā)器，根據(jù)檢測濕度控制加水量，利用空調(diào)在制熱過程中吹出的熱風，加快水分蒸發(fā)，使室內(nèi)環(huán)境變得溫暖和濕潤。

然而我們參加科技創(chuàng)新項目，不可能用這么大的空調(diào)做原型機，經(jīng)過多次選擇實驗，我們選擇了夏天用的空調(diào)扇外殼及部分零件，再加上網(wǎng)購的其他所需材料設計制作原型機。我們網(wǎng)購了超導PTC暖風機代替空調(diào)的發(fā)熱和通風系統(tǒng)。

空調(diào)在夏天制冷時，蒸發(fā)器會凝結(jié)大量水分，所以空調(diào)原蒸發(fā)器可以直接用作水分蒸發(fā)器，那么超導PTC發(fā)熱部件能不能直接用作水分蒸發(fā)器呢？根據(jù)PTC發(fā)熱組件的產(chǎn)品特點和參數(shù)，我們認為可以直接把水加到PTC發(fā)熱組件上的。然而拆開PTC發(fā)熱組件后，我們發(fā)現(xiàn)直接加水很困難，于是就設計將水加到風機轉(zhuǎn)筒上，利用風機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力，使水滴飛濺到TPC發(fā)熱組件上。

主要模塊

濕度傳感器模塊：Dht22，濕度測量范圍20%～95%（0～50℃），測量誤差±2%;溫度測量范圍40～80℃，測量誤差±0.5℃;工作電壓3.3～5V。

水量檢測器模塊：用來檢測加濕液容量，低位時報警提示加液。工作電壓DC3～5V，工作電流小于20 mA，模擬型傳感器，檢測面積為40 mm×16 mm。

單片機模塊：我們選用了Arduino開發(fā)板，程序編寫簡單易用，對外圍設備的控制能力強。我們用了2塊Arduino開發(fā)板，1塊用于控制各種傳感器，1塊專用液晶顯示，2塊單片機通過串口通訊。

加濕模塊：選用海綿板吸收水分，用霧化器進行噴發(fā)加濕。

軟件設計

軟件設計流程圖見圖3，代碼略。

裝置測試

第3次實驗機完成后，我們在5月2日和3日對裝置進行了測試（測試結(jié)果略），根據(jù)測試結(jié)果得出如下結(jié)論：

◇濕度與設定濕度值相差越大，水分蒸發(fā)越多，每小時蒸發(fā)100g左右。

◇設定值與濕度值相近時，每小時保持濕度需要蒸發(fā)水分50g左右。

◇在開窗通風環(huán)境下水分蒸發(fā)量增大。

創(chuàng)新點

◇集成空調(diào)加熱與加濕功能，有效地實現(xiàn)二者協(xié)調(diào)。

◇利用空調(diào)室內(nèi)機原有集水功能，實現(xiàn)水的再利用。

◇供水周期、供水量可調(diào)。

結(jié)論

給空調(diào)增加智能加濕功能，根據(jù)檢測到的空氣質(zhì)量、濕度給熱風智能加濕。中國南方冬天沒有暖氣，大量使用空調(diào)制熱，空調(diào)熱空氣加濕應用前景需求很大。

該項目獲得第33屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

項目在現(xiàn)在空調(diào)上加裝加濕功能，充分利用空調(diào)本身的制熱功能產(chǎn)生的熱量，直接利用空調(diào)蒸發(fā)器使液體變成水蒸氣，實現(xiàn)增加室內(nèi)空氣濕度的功能。項目創(chuàng)新點明確。建議考慮合適的凈化措施確保用水安全。