供暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)使用傳感器來調(diào)節(jié)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行。運(yùn)行該設(shè)備通常消耗的能量占每月電費(fèi)的很大一部分。當(dāng)室外溫度低于室溫時(shí)，供暖負(fù)荷就會增加。相反，當(dāng)室外溫度高于室溫時(shí)，冷負(fù)荷就會增加。
僅使用干球溫度測量來確定控制決策的系統(tǒng)已經(jīng)過時(shí)，應(yīng)替換為基于傳感器測量組合的控制，以實(shí)現(xiàn)最佳的居住者舒適度并降低結(jié)構(gòu)加熱或冷卻的成本。在這些設(shè)計(jì)中的溫度和濕度傳感組件中使用最新的技術(shù)產(chǎn)品有助于提高未來幾年的性能。本文的目的是提供有關(guān)這些傳感器在 HVAC 系統(tǒng)中的位置、它們的使用方式以及它們對系統(tǒng)性能的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性的影響的高級視圖。
在 HVAC 系統(tǒng)中，有多個(gè)傳感器。它們位于送風(fēng)管道、室外和回風(fēng)管道以及恒溫器控制單元中。這些傳感器(無論是模擬傳感器還是數(shù)字傳感器)提供原始數(shù)據(jù)，控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算和管理系統(tǒng)的整體性能。
HVAC 系統(tǒng)的整體效率取決于傳感器的固有精度和可重復(fù)性。通過確保 HVAC 系統(tǒng)的機(jī)械操作(運(yùn)行風(fēng)扇、阻尼器和加濕器)在精確的時(shí)間和最短的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，可以顯著提高性能，從而降低整體系統(tǒng)功耗，從而降低能源成本。
原始技術(shù)，包括負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻和電阻溫度檢測器 (RTD) 等無源器件。隨著年齡的增長，這兩種設(shè)備都容易出現(xiàn)漂移。雖然 RTD 的線性度很高，但 NTC 熱敏電阻則不然，需要斜率和偏移校正才能實(shí)現(xiàn)真正的精度。這使得 NTC 熱敏電阻的制造變得困難。
與硅基正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻傳感器相比，隨著時(shí)間的推移，RTD 可能會變得非常不可靠，而硅基正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻傳感器可由與 RTD 相同或相似的單激勵電流源驅(qū)動。這些 PTC 傳感器也可以像 NTC 熱敏電阻一樣進(jìn)行電壓偏置。 PTC 器件與 RTD 具有相同的線性度，但如果不隨時(shí)間推移進(jìn)行校正，則不會出現(xiàn)相同的重復(fù)和累積漂移。在這里，提高傳感器精度和可靠性可以為干球測量用例增加價(jià)值。
單經(jīng)濟(jì)器和雙經(jīng)濟(jì)器 HVAC
使用僅在室外、回風(fēng)和混合空氣中具有溫度傳感器的系統(tǒng)時(shí)存在一個(gè)缺點(diǎn)，如圖1所示。例如，在涼爽的雨天，室外空氣的濕度會被帶入。這將需要額外的冷卻能力來對空氣進(jìn)行除濕。但由于溫度傳感器無法檢測到這種情況，控制器無法察覺，因此在與溫度傳感器相同的位置添加相對濕度傳感可以解決此問題。
因此，HVAC 可以布置為單熱節(jié)能器系統(tǒng)或雙熱節(jié)能器系統(tǒng)。從 %RH 傳感器到主控制器的額外輸入使其能夠更好地管理能源消耗，同時(shí)完成環(huán)境控制。
焓是一種熱力學(xué)性質(zhì)，無法直接測量。它是根據(jù)溫度和濕度的測量值計(jì)算得出的。因此，使用準(zhǔn)確且可重復(fù)的溫度和相對濕度傳感器極其重要;計(jì)算誤差是各個(gè)傳感器精度和容差的組合，并且應(yīng)盡可能低。
單經(jīng)濟(jì)器 HVAC 系統(tǒng)使用組合式焓傳感器模塊，可接觸室外空氣。節(jié)能器的目的是盡可能使用室外空氣進(jìn)行冷卻，以減少壓縮機(jī)的運(yùn)行。它報(bào)告干球溫度和濕度，從而能夠在濕度較低時(shí)使用較高溫度的室外空氣來自然冷卻空氣。
當(dāng)用戶調(diào)節(jié)恒溫器設(shè)定點(diǎn)時(shí)，HVAC 控制器將混合空氣控制回路從室外切換到預(yù)設(shè)室外空氣干球溫度的回風(fēng)。在單個(gè)熱函節(jié)能器系統(tǒng)中，HVAC 控制器模塊會將根據(jù)溫度和濕度數(shù)據(jù)計(jì)算出的熱函值與預(yù)選的設(shè)定點(diǎn)曲線進(jìn)行比較，從而比僅使用溫度傳感器的解決方案更有效地完成任務(wù)。
在單經(jīng)濟(jì)器 HVAC 系統(tǒng)中使用熱函代替干球溫度可以降低大多數(shù)氣候下的冷卻成本。雖然這些系統(tǒng)是有效的并且比僅溫度系統(tǒng)提供了改進(jìn)，但在系統(tǒng)中使用第二個(gè)組合傳感器模塊增加了另一個(gè)數(shù)據(jù)測量位置，從而有機(jī)會提高系統(tǒng)效率。
雙節(jié)能器 HVAC 系統(tǒng)在回風(fēng)路徑中添加了第二個(gè)節(jié)能器傳感器。當(dāng)用戶調(diào)節(jié)恒溫器設(shè)定點(diǎn)或當(dāng)混合空氣溫度高于預(yù)設(shè)范圍或設(shè)定點(diǎn)時(shí)，來自室外或回風(fēng)的具有較低焓的空氣被帶入空氣處理器的調(diào)節(jié)部分。
這是控制室外空氣使用的一種非常有效的方法，因?yàn)榛仫L(fēng)和室外空氣的比較是全年連續(xù)且自動的。此外，它消除了用戶記住或知道如何進(jìn)行所需的設(shè)定點(diǎn)更改的需要，從而消除了操作員錯(cuò)誤。以比回風(fēng)更高的溫度冷卻室外空氣可能顯得浪費(fèi)，但節(jié)省的成本是可以驗(yàn)證的，因?yàn)閷諝膺M(jìn)行除濕所需的機(jī)械冷卻量通常超過降低干球溫度所需的量。
在廚房或淋浴間等產(chǎn)生大量濕氣的建筑物中，與單獨(dú)使用干球上限的方法相比，這種類型的控制序列可以節(jié)省大量成本。使用焓模塊意義重大，因?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)約 50% 的冷卻能力用于通過在顯熱溫度開始降低之前去除潛熱來對空調(diào)空氣進(jìn)行除濕。
焓計(jì)算
在 HVAC 應(yīng)用中，熱函源自：
· 使用模擬或數(shù)字傳感器直接測量環(huán)境溫度
· 混合比 X，以千焦每千克或英國熱量單位 (BTU) 每磅為單位
· 大氣常數(shù)
· 相對濕度測量
可以使用來自單個(gè)數(shù)字溫度和濕度傳感器的數(shù)據(jù)直接在微控制器 (MCU) 上計(jì)算焓 (h)。
單個(gè)焓計(jì)算示例首先使用從傳感器收集的溫度和濕度數(shù)據(jù)。在下面列出的計(jì)算示例集中，從傳感器組合返回的測量溫度為 25°C，相對濕度為 52%RH。
1. 求解 P WS = 31.67450264 hPa
2. 求解 P W = 16.47074137 hPa
3. 求解 X = 10.28032832 g/kg
4. 求解焓，h1 = 51.43657 kj/kg，轉(zhuǎn)換為 BTU/lb，h1 = 22.1327738 BTU/lb
該數(shù)學(xué)運(yùn)算發(fā)生在本地 MCU 內(nèi)部。 MCU 確定室外空氣是否高于或低于所選設(shè)定點(diǎn)，并向 4-20 上的邏輯模塊發(fā)送 4-mA 信號(不適合節(jié)能)或 20-mA 信號(適合節(jié)能) mA電流環(huán)，返回主控制器。
當(dāng)控制器或商用恒溫器發(fā)出冷卻命令時(shí)，節(jié)能器邏輯模塊會將上面計(jì)算的值(h1，室外熱函)與預(yù)選的設(shè)定點(diǎn)控制曲線進(jìn)行比較，如下表所示。安裝人員根據(jù)地理氣候選擇控制曲線;安裝的冷卻設(shè)備的類型;乘員舒適度;并控制濕度，防止高濕度引起的室內(nèi)空氣質(zhì)量問題。
表 控制曲線設(shè)定點(diǎn)
控制曲線控制點(diǎn)
(大約溫度@50%RH)
一個(gè)73°F/23°C
乙70°F/21°C
C67°F/19°C
D63°F/17°C
單節(jié)能器 HVAC 系統(tǒng)確實(shí)要求建筑物居住者或維護(hù)技術(shù)人員了解季節(jié)性需要以更改設(shè)置，或者記住根據(jù)季節(jié)性條件實(shí)際更改控制曲線設(shè)置。
雙焓計(jì)算
雙焓計(jì)算通過添加位于回風(fēng)中的第二組傳感器來構(gòu)建單省煤器示例，如圖 3 所示。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置為冷卻或混合空氣溫度高于高混合空氣溫度時(shí)-空氣溫度傳感器范圍或設(shè)定點(diǎn)，具有較低焓的空氣(室外或返回)被帶入空氣處理器的調(diào)節(jié)部分。
如前所述，這是一種控制室外空氣使用的增強(qiáng)方法，因?yàn)榛仫L(fēng)和室外空氣比較是實(shí)現(xiàn)最高性能的途徑。從每小時(shí)千瓦消耗和使用成本的角度來看，使用兩個(gè)焓傳感器子系統(tǒng)可以消除或避免正確安裝后的操作員錯(cuò)誤。隨著季節(jié)的變化，系統(tǒng)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，這將帶來更顯著的成本節(jié)省。
如果 h1 = 22.1327738 BTU/lb，則根據(jù)暴露于外部空氣的測量傳感器計(jì)算溫度和濕度的用戶設(shè)定點(diǎn)的焓。如果您在總熱量公式中應(yīng)用這些計(jì)算，以及 HVAC 系統(tǒng)的每分鐘立方英尺 (CFM)，請將其轉(zhuǎn)換為千瓦時(shí)，并將全國平均電價(jià)應(yīng)用到該值。此外，還要確定溫度設(shè)定點(diǎn)得到解決以及系統(tǒng)進(jìn)入空閑模式的時(shí)間，這將產(chǎn)生每個(gè)事件、每天或每月的操作系統(tǒng)成本。
在此示例中，如果用戶將恒溫器設(shè)置為 21°C 并單獨(dú)保留 %RH，則熱函將為 17.914 BTU/lb。
假設(shè) CFM = 400，每次用戶降低溫度時(shí)，在理想情況下，HVAC 系統(tǒng)需要大約 2.23 kWh 和大約 7.6 分鐘來處理請求。根據(jù)美國全國平均每千瓦時(shí) 0.139 美元計(jì)算，該請求的成本約為 0.04 美元。乍一看，這似乎不是一個(gè)很大的成本，但它確實(shí)會增加。如果 HVAC 系統(tǒng)在室外氣溫和較低設(shè)定點(diǎn)情況之間持續(xù)循環(huán)，這種情況每天可能會發(fā)生 60 多次。
。插入不同的濕度設(shè)定點(diǎn)(在本例中為較高的 %RH)可以進(jìn)一步降低成本。這就是設(shè)計(jì)完整的焓傳感器給 HVAC 設(shè)計(jì)和系統(tǒng)帶來的全部價(jià)值，因?yàn)榘迳线€將有一個(gè)濕度傳感器。
現(xiàn)在想象一下，溫度傳感器在任一方向上僅偏差 1°C。這種不準(zhǔn)確將導(dǎo)致系統(tǒng)能耗“泄漏”近 7%，從而每月額外增加 5 美元的賬單。如果 %RH 傳感器偏差 >5%RH，則同樣的成本泄漏也存在于 %RH 傳感器側(cè)。因此，為 HVAC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提供準(zhǔn)確且可重復(fù)的傳感器至關(guān)重要，這樣系統(tǒng)在其整個(gè)生命周期內(nèi)的性能都是可靠的。
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