王大維 胡梓軒 徐 騁 岳淮安 肖志明

上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院

0 引言

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

目前，空調(diào)系統(tǒng)主要以送風(fēng)方式處理室內(nèi)余熱余濕。這種以溫度為控制參數(shù)的處理方式，在亞熱帶地區(qū)，會出現(xiàn)以下問題：為滿足溫/濕度的精度要求，空調(diào)送風(fēng)需要再熱，導(dǎo)致冷熱抵消，使空調(diào)能耗增加；房間內(nèi)濕度高而溫度不高時，壓縮機不運行，導(dǎo)致室內(nèi)無法除濕；夏季制冷時，降溫除濕同時處理，如果以室內(nèi)溫度為控制參數(shù)，當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值后，壓縮機停止運行，達(dá)不到除濕效果。如果以濕度為控制參數(shù)，則容易出現(xiàn)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(guī)空調(diào)難以同時滿足溫/濕度精度要求問題[1]。

熱/濕分控空調(diào)系統(tǒng)通常有兩個蒸發(fā)溫度的冷源。系統(tǒng)通過新風(fēng)機組實現(xiàn)室內(nèi)濕度的控制，通過干式末端實現(xiàn)室內(nèi)溫度的控制。在熱/濕分控空調(diào)系統(tǒng)中，將顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷分開處理，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境溫/濕度的獨立調(diào)節(jié)和控制[2]。

溫濕度分控系統(tǒng)通常設(shè)置兩個獨立回路，分別處理室內(nèi)顯熱負(fù)荷和濕負(fù)荷。這種直接解耦獨立分控雖然效果良好，但系統(tǒng)復(fù)雜，使用條件苛刻，不適宜戶式化使用，且轉(zhuǎn)輪除濕，除濕量有限，設(shè)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(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)中小型居住建筑戶式化室內(nèi)溫/濕度解耦分控。

1 實驗研究方法

1.1 實驗系統(tǒng)

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(tǒng)，系統(tǒng)原理如圖1所示。室內(nèi)機為兩個水側(cè)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(fēng)機組控制室內(nèi)濕度；高溫板換采用18℃/21℃的冷凍水進出水溫度?？晒┠┒孙@熱處理設(shè)備控制室內(nèi)溫度。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)壓縮機頻率調(diào)節(jié)總制冷量，兩個電子膨脹閥（EEV）主要調(diào)控系統(tǒng)過熱度。系統(tǒng)主要部件，如壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器進出口安裝了已校準(zhǔn)的溫度、壓力傳感器。板式換熱器水側(cè)進出口也安裝了溫度傳感器。

圖1 實驗系統(tǒng)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(nèi)環(huán)境，環(huán)境參數(shù)分別由焓差室內(nèi)、外側(cè)制冷系統(tǒng)與室內(nèi)負(fù)荷發(fā)生器（LGU）穩(wěn)定控制。實驗室配備了已校準(zhǔn)的高精度測量儀表，用以檢測室內(nèi)、外側(cè)空氣干濕球溫度和冷凍水回水溫度。實驗室配有完備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對所有實驗數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和記錄。

在實驗中，室內(nèi)干球溫度27℃，濕球溫度19℃，室外干球溫度35℃。系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行實驗，監(jiān)測系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。壓縮機頻率設(shè)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(tǒng)運行達(dá)到穩(wěn)定后，采集和記錄多組數(shù)據(jù)，將其平均值作為系統(tǒng)穩(wěn)定運行參數(shù)。

2 實驗結(jié)果分析

圖2和圖3給出了系統(tǒng)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(tǒng)的控制下基本穩(wěn)定在設(shè)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(tǒng)冷量增大。

圖4顯示了不同壓縮機頻率下系統(tǒng)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(diào)節(jié)壓縮機頻率對系統(tǒng)輸出顯熱冷量和潛熱冷量進行控制，從而實現(xiàn)室內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)的溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)是設(shè)置兩個相對獨立的回路，分別處理顯熱負(fù)荷和濕負(fù)荷，系統(tǒng)相對復(fù)雜?；趯嶒灥玫降膽羰交療?濕分控冷水機組運行特性，提出利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）模型建立室內(nèi)熱/濕解耦分控，可將溫濕分控過程看作是空調(diào)機組輸入與輸出的一類非線性映射，通過ANN尋找最優(yōu)能力[4]。在研究中，ANN模型將表征系統(tǒng)輸出冷量與輸入可控參數(shù)（壓縮機頻率、EEV開度）的非線性關(guān)系。圖5為基于ANN溫濕度分控邏輯?？刂葡到y(tǒng)分為溫度控制與濕度控制兩個相對獨立的回路。系統(tǒng)可分別設(shè)定溫度值和濕度值，控制運算模塊根據(jù)設(shè)定值與反饋值的誤差計算系統(tǒng)所需顯冷量和潛冷量值，通過ANN模型得出系統(tǒng)可調(diào)對象的控制信號，將信號傳遞給系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)所需輸出顯冷量和潛冷量。傳感器再對室內(nèi)溫度值和濕度值進行反饋，完成控制回路從而達(dá)到室內(nèi)溫濕度控制要求。也可對溫濕度控制結(jié)果進行預(yù)測，通過預(yù)測值反映系統(tǒng)所需顯冷量和潛冷量值，從而達(dá)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(jié)構(gòu)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(jīng)元。中間層是網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部處理單元層，與外部沒有直接連接。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jù)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(wǎng)絡(luò)輸出運行結(jié)果并與顯示設(shè)備或執(zhí)行機構(gòu)相連接的部分[6]。

圖6 系統(tǒng)ANN結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的溫/濕度分控系統(tǒng)通常是設(shè)置兩個相對獨立的系統(tǒng)，分別處理室內(nèi)顯熱負(fù)荷和濕負(fù)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(nèi)環(huán)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(jié)果表明，在不同壓縮機頻率下，可實現(xiàn)顯熱、潛熱冷量分配?；谶@一運行特性，研究提出利用系統(tǒng)ANN模型建立戶式化溫濕度解耦分控方法，從而提高室內(nèi)人員的熱舒適性、室內(nèi)空氣品質(zhì)和系統(tǒng)能效。