房間空調(diào)器溫濕雙控控制方法實(shí)驗(yàn)研究

于琦，彭光前，吳俊鴻，單聯(lián)瑜，王銳鋒

（小米科技（武漢）有限公司，武漢，430010）

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與人們生活水平的迅速提高，空調(diào)已逐漸走進(jìn)千家萬(wàn)戶，空氣調(diào)節(jié)對(duì)于室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量的改善有著非常重要的意義和作用，因此通過(guò)合理的控制方式，平衡室內(nèi)環(huán)境溫度與濕度的關(guān)系就顯得尤為重要。目前空調(diào)器的運(yùn)行情況以設(shè)定溫度作為主要導(dǎo)向，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度遠(yuǎn)大于設(shè)定溫度時(shí)，空調(diào)器以高頻運(yùn)行，此時(shí)室內(nèi)換熱器管溫低于空氣露點(diǎn)溫度，導(dǎo)致室內(nèi)空氣濕度大幅降低，用戶易產(chǎn)生干燥之感，但當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度接近設(shè)定溫度時(shí)，壓縮機(jī)低頻運(yùn)行，室內(nèi)換熱器管溫接近或高于露點(diǎn)溫度，空氣中濕度可能會(huì)偏大，亦會(huì)導(dǎo)致用戶體感不佳。［1-2］

基于上述問(wèn)題，已有部分研究對(duì)溫濕度可獨(dú)立控制的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并取得了顯著的效果。許文明［3］等提出了一種基于壓縮機(jī)頻率及室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的房間空調(diào)器溫濕雙控控制方法，該溫濕雙控方法可有效實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)至設(shè)定溫度，相對(duì)濕度維持在40 %～60 %范圍內(nèi)，大幅提升了用戶的使用舒適性；席戰(zhàn)利［4］針對(duì)家用空調(diào)制冷過(guò)程中濕度不可控的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種制冷過(guò)程中進(jìn)行溫濕雙控的空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)在不影響溫降效果的情況下，室內(nèi)環(huán)境濕度可較普通空調(diào)提升15%～20 %；劉宇［5］等對(duì)具有調(diào)溫除濕功能的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)溫除濕模式比升溫除濕模式的出風(fēng)溫度低約7 %，出風(fēng)相對(duì)濕度低約27%；朱錦泉［6］在除濕制冷的同時(shí)，開(kāi)啟室內(nèi)機(jī)自帶的電加熱元件，再通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率，使房間冷熱平衡，實(shí)現(xiàn)恒溫除濕。測(cè)試結(jié)果表明，該控制方式不僅能有效地進(jìn)行除濕，還能將房間溫度波動(dòng)控制在±1℃內(nèi)，提高用戶使用空調(diào)除濕功能的舒適度；。Qi Q等［7］基于多輸入多輸出控制，通過(guò)調(diào)整壓縮機(jī)頻率和內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度實(shí)現(xiàn)了耦合控制。Fan HM等［8］對(duì)多單元熱泵溫濕雙控進(jìn)行了研究，并通過(guò)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的冷凝熱并加以回收利用，實(shí)現(xiàn)了溫度和濕度的同時(shí)控制。

本文提出了一種通過(guò)對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫濕度與空調(diào)器設(shè)定溫濕度差值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)頻率與內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速耦合控制的溫濕雙控控制邏輯，通過(guò)對(duì)溫度和濕度進(jìn)行耦合控制，從而大幅改善室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性，提升用戶的使用體驗(yàn)。

1 功能設(shè)計(jì)

室內(nèi)環(huán)境溫度和空氣濕度都會(huì)對(duì)人體的舒適性產(chǎn)生影響，根據(jù)室內(nèi)環(huán)境溫度與空氣濕度對(duì)人體熱舒適性影響程度的不同，空調(diào)器的控制邏輯也需進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度遠(yuǎn)大于設(shè)定溫度時(shí)，由于溫度對(duì)于舒適性的影響遠(yuǎn)大于空氣濕度，此時(shí)空調(diào)器的顯冷量輸出需要增大，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度接近設(shè)定溫度時(shí)，空氣濕度對(duì)于舒適性的影響逐漸增強(qiáng)，此時(shí)空調(diào)潛冷量的輸出又顯得更加重要。因此可根據(jù)室內(nèi)環(huán)境溫度及空氣相對(duì)濕度對(duì)空調(diào)器執(zhí)行器動(dòng)作進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而將溫度與濕度控制在合理范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)溫濕雙控的功能效果。

溫濕雙控控制邏輯如圖1所示，用戶設(shè)定目標(biāo)溫度T設(shè)定及目標(biāo)濕度RH設(shè)定后，空調(diào)器對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度及空氣相對(duì)濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，因室內(nèi)相對(duì)濕度“RH內(nèi)環(huán)”的變化無(wú)法有效表征空氣中實(shí)際含濕量的變化，所以需要通過(guò)室內(nèi)環(huán)境溫度“T內(nèi)環(huán)”和相對(duì)濕度“RH內(nèi)環(huán)”計(jì)算空氣中的實(shí)際含濕量“D內(nèi)環(huán)”，再通過(guò)實(shí)際含濕量的目標(biāo)變化量“△D”（△D=D內(nèi)環(huán)-D設(shè)定）及室內(nèi)環(huán)境溫度變化量“△T”（△T=T內(nèi)環(huán)-T設(shè)定）來(lái)調(diào)控壓縮機(jī)的頻率，及內(nèi)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)在控溫的基礎(chǔ)上有效控制室內(nèi)濕度。根據(jù)溫度及濕度調(diào)控區(qū)間的不同，壓縮機(jī)及內(nèi)風(fēng)機(jī)執(zhí)行動(dòng)作如表1所示。

圖1 溫濕雙控控制邏輯圖

表1 溫濕雙控邏輯壓縮機(jī)及內(nèi)風(fēng)機(jī)執(zhí)行動(dòng)作

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 樣機(jī)配置

上樣機(jī)為1.5P變頻房間空調(diào)器，對(duì)同一套樣機(jī)搭載溫濕雙控控制邏輯前后進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)估溫濕雙控控制功能的準(zhǔn)確性及合理性，樣機(jī)配置參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)樣機(jī)配置

2.2 實(shí)驗(yàn)室布局

測(cè)試在標(biāo)準(zhǔn)舒適性試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)室內(nèi)側(cè)內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室布局示意圖

2.3 測(cè)試工況

為驗(yàn)證溫濕雙控功能對(duì)溫度及濕度控制的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，測(cè)試工況通過(guò)對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫濕度與設(shè)定溫濕度差值進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別對(duì)“大溫差”、“小溫差”與“大濕度差”、“小濕度差”工況進(jìn)行組合，以驗(yàn)證不同溫濕度條件下的溫濕度調(diào)節(jié)能力與效果，測(cè)試方案具體如表3所示。

表3 測(cè)試工況列表

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 “小溫差+大濕度差”工況試驗(yàn)結(jié)果分析

該測(cè)試工況下，實(shí)驗(yàn)室外側(cè)干球溫度維持35℃，濕球溫度維持24 ℃，室內(nèi)側(cè)初始干球溫度為27℃，初始相對(duì)濕度為80 %，采用溫濕雙控控制邏輯，設(shè)定溫度24 ℃，目標(biāo)相對(duì)濕度45%，運(yùn)行3h，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 “小溫差+大濕度差”工況室內(nèi)溫濕度變化

測(cè)試結(jié)果表明，在“小溫差+大濕度差”的情況下，溫濕雙控控制邏輯可以同時(shí)兼顧室內(nèi)環(huán)境

3.2 “大溫差+大濕度差”工況試驗(yàn)結(jié)果分析

該測(cè)試工況下，實(shí)驗(yàn)室外側(cè)干球溫度維持35℃，濕球溫度維持24 ℃，室內(nèi)側(cè)初始干球溫度為32 ℃，初始相對(duì)濕度為80%，采用溫濕雙控控制邏輯，設(shè)定溫度24 ℃，目標(biāo)相對(duì)濕度45%，運(yùn)行3h，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。溫度和濕度，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的同時(shí)調(diào)控。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度與設(shè)定溫度差值△T≥2 ℃時(shí)，優(yōu)先以降低室內(nèi)環(huán)境溫度為調(diào)控目標(biāo)，此時(shí)內(nèi)風(fēng)機(jī)按照設(shè)定風(fēng)檔運(yùn)行，壓縮機(jī)以高頻運(yùn)行，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度逐漸接近設(shè)定溫度時(shí)，內(nèi)風(fēng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速，同時(shí)壓縮機(jī)降頻運(yùn)行，以保證除濕效果，該工況下運(yùn)行穩(wěn)定后，室內(nèi)環(huán)境溫度穩(wěn)定在23.7℃，相對(duì)濕度維持在48%，可以達(dá)到設(shè)定的溫濕度條件。

圖4 “大溫差+大濕度差”工況室內(nèi)溫濕度變化

測(cè)試結(jié)果表明，在“大溫差+大濕度差”的情況下，溫濕雙控控制邏輯同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的同時(shí)調(diào)控。但相對(duì)于“小溫差+大濕度差”的情況，為保證制冷效果，壓縮機(jī)高頻運(yùn)行及內(nèi)風(fēng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境濕度出現(xiàn)約2 %的過(guò)調(diào)，但進(jìn)入以室內(nèi)濕度為控制目標(biāo)的控制后，室內(nèi)濕度可逐漸趨于穩(wěn)定，該工況下運(yùn)行穩(wěn)定后，室內(nèi)環(huán)境溫度穩(wěn)定在24.3℃，相對(duì)濕度維持在43%，可以達(dá)到設(shè)定的溫濕度條件。

3.3 “大溫差+小濕度差”工況試驗(yàn)結(jié)果分析

本組實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行兩組測(cè)試，室內(nèi)側(cè)初始干球溫度為32℃，初始相對(duì)濕度為80 %，室外側(cè)工況分別維持35℃/24 ℃，43℃/32 ℃，采用溫濕雙控控制邏輯，設(shè)定溫度24 ℃，目標(biāo)相對(duì)濕度65%，運(yùn)行3h，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 “大溫差+小濕度差”工況室內(nèi)溫濕度變化

測(cè)試結(jié)果表明，在“大溫差+小濕度差”的情況下，溫濕雙控控制邏輯同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的同時(shí)調(diào)控。但在外環(huán)高負(fù)荷情況下（外環(huán)43℃），由于室外側(cè)負(fù)荷較大，室內(nèi)環(huán)境溫度降低到設(shè)定溫度耗時(shí)較長(zhǎng)，導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境相對(duì)濕度較設(shè)定濕度低約3%。兩工況下運(yùn)行穩(wěn)定后，室內(nèi)環(huán)境溫度分別穩(wěn)定在24.5℃、24.4℃，相對(duì)濕度分別維持在67%、62 %，可以達(dá)到設(shè)定的溫濕度條件。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)溫濕度可獨(dú)立控制的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并提出了一種基于溫濕雙控的智能控制方法，通過(guò)對(duì)房間的熱負(fù)荷和濕負(fù)荷進(jìn)行智能檢測(cè)及判斷，并通過(guò)室內(nèi)環(huán)境溫度與設(shè)定溫度差值及室內(nèi)相對(duì)濕度差值及設(shè)定濕度差值，智能調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率和室內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的同時(shí)控制，并在“小溫差+大濕度差”、“大溫差+大濕度差”及“大溫差+小濕度差”工況下對(duì)溫濕雙控效果進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明在不同相對(duì)濕度環(huán)境下，采用溫濕雙控控制方法，室內(nèi)環(huán)境溫度較設(shè)定溫度偏差為-0.3℃～+0.5℃，相對(duì)濕度較設(shè)定相對(duì)濕度偏差為-3%～+3%，可以實(shí)現(xiàn)營(yíng)造室內(nèi)舒適環(huán)境的目標(biāo)。