供暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)使用傳感器來調(diào)節(jié)機電設(shè)備的運行。運行該設(shè)備通常消耗的能量占每月電費的很大一部分。當(dāng)室外溫度低于室溫時，供暖負荷就會增加。相反，當(dāng)室外溫度高于室溫時，冷負荷就會增加。
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，應(yīng)替換為基于傳感器測量組合的控制，以實現(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)的機械操作(運行風(fēng)扇、阻尼器和加濕器)在精確的時間和最短的時間內(nèi)運行，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 熱敏電阻一樣進行電壓偏置。 PTC 器件與 RTD 具有相同的線性度，但如果不隨時間推移進行校正，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值。
單經(jīng)濟器和雙經(jīng)濟器 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)時存在一個缺點，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算得出的。因此，使用準確且可重復(fù)的溫度和相對濕度傳感器極其重要;計算誤差是各個傳感器精度和容差的組合，并且應(yīng)盡可能低。
單經(jīng)濟器 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行冷卻，以減少壓縮機的運行。它報告干球溫度和濕度，從而能夠在濕度較低時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)定點時，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)計算出的熱函值與預(yù)選的設(shè)定點曲線進行比較，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，但在系統(tǒng)中使用第二個組合傳感器模塊增加了另一個數(shù)據(jù)測量位置，從而有機會提高系統(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節(jié)能器傳感器。當(dāng)用戶調(diào)節(jié)恒溫器設(shè)定點或當(dāng)混合空氣溫度高于預(yù)設(shè)范圍或設(shè)定點時，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，因為回風(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行所需的設(shè)定點更改的需要，從而消除了操作員錯誤。以比回風(fēng)更高的溫度冷卻室外空氣可能顯得浪費，但節(jié)省的成本是可以驗證的，因為對空氣進行除濕所需的機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，因為空調(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)空氣進行除濕。
焓計算
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) 上計算焓 (h)。
單個焓計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，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，節(jié)能器邏輯模塊會將上面計算的值(h1，室外熱函)與預(yù)選的設(shè)定點控制曲線進行比較，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
控制曲線控制點
(大約溫度@50%RH)
一個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)確實要求建筑物居住者或維護技術(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)性條件實際更改控制曲線設(shè)置。
雙焓計算
雙焓計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-空氣溫度傳感器范圍或設(shè)定點，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方法，因為回風(fēng)和室外空氣比較是實現(xiàn)最高性能的途徑。從每小時千瓦消耗和使用成本的角度來看，使用兩個焓傳感器子系統(tǒng)可以消除或避免正確安裝后的操作員錯誤。隨著季節(jié)的變化，系統(tǒng)可以根據(jù)需要進行調(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算溫度和濕度的用戶設(shè)定點的焓。如果您在總熱量公式中應(yīng)用這些計算，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，并將全國平均電價應(yīng)用到該值。此外，還要確定溫度設(shè)定點得到解決以及系統(tǒng)進入空閑模式的時間，這將產(chǎn)生每個事件、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，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 0.139 美元計算，該請求的成本約為 0.04 美元。乍一看，這似乎不是一個很大的成本，但它確實會增加。如果 HVAC 系統(tǒng)在室外氣溫和較低設(shè)定點情況之間持續(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(在本例中為較高的 %RH)可以進一步降低成本。這就是設(shè)計完整的焓傳感器給 HVAC 設(shè)計和系統(tǒng)帶來的全部價值，因為板上還將有一個濕度傳感器。
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)計并提供準確且可重復(fù)的傳感器至關(guān)重要，這樣系統(tǒng)在其整個生命周期內(nèi)的性能都是可靠的。
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