亚热带地区户式化热湿解耦分控方法研究

王大维 胡梓轩 徐 骋 岳淮安 肖志明

上海理工大学环境与建筑学院

0 引言

亚热带地区的气候特点是夏季湿热，冬季较冷。亚热带地区城市，如上海的年平均相对湿度在70%以上。在该地区，室外温度不高，但湿度大，持续时间较长。

目前，空调系统主要以送风方式处理室内余热余湿。这种以温度为控制参数的处理方式，在亚热带地区，会出现以下问题：为满足温/湿度的精度要求，空调送风需要再热，导致冷热抵消，使空调能耗增加；房间内湿度高而温度不高时，压缩机不运行，导致室内无法除湿；夏季制冷时，降温除湿同时处理，如果以室内温度为控制参数，当室内温度达到设定值后，压缩机停止运行，达不到除湿效果。如果以湿度为控制参数，则容易出现过冷和能耗过大的问题。因此，研究人员提出了温/湿度独立控制概念，以克服常规空调难以同时满足温/湿度精度要求问题[1]。

热/湿分控空调系统通常有两个蒸发温度的冷源。系统通过新风机组实现室内湿度的控制，通过干式末端实现室内温度的控制。在热/湿分控空调系统中，将显热负荷和潜热负荷分开处理，实现室内环境温/湿度的独立调节和控制[2]。

温湿度分控系统通常设置两个独立回路，分别处理室内显热负荷和湿负荷。这种直接解耦独立分控虽然效果良好，但系统复杂，使用条件苛刻，不适宜户式化使用，且转轮除湿，除湿量有限，设备体积大[3]。

为此，本文研究提出采用单一冷源冷水机组空调系统实现中小型居住建筑户式化室内温/湿度解耦分控。

1 实验研究方法

1.1 实验系统

本研究基于变频压缩机建立户式化热/湿解耦分控冷水机组的实验系统，系统原理如图1所示。室内机为两个水侧板式换热器。低温板换采用7℃/12℃的冷冻水进出水温度，可供末端新风机组控制室内湿度；高温板换采用18℃/21℃的冷冻水进出水温度。可供末端显热处理设备控制室内温度。系统通过调节压缩机频率调节总制冷量，两个电子膨胀阀（EEV）主要调控系统过热度。系统主要部件，如压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器进出口安装了已校准的温度、压力传感器。板式换热器水侧进出口也安装了温度传感器。

图1 实验系统原理图

1.2 实验方法

实验在焓差实验室进行。焓差实验室包括两个房间，分别模拟室外与室内环境，环境参数分别由焓差室内、外侧制冷系统与室内负荷发生器（LGU）稳定控制。实验室配备了已校准的高精度测量仪表，用以检测室内、外侧空气干湿球温度和冷冻水回水温度。实验室配有完备的数据采集系统对所有实验数据进行监控和记录。

在实验中，室内干球温度27℃，湿球温度19℃，室外干球温度35℃。系统使用制冷剂R410a，充注量为2kg。低温板换冷冻水流量为0．409m3/h，进水温度由焓差室水系统控制在11．3℃。高温板换冷冻水流量为2m3/h，进水温度控制在22．3℃。在上述工况时，利用冷水机组进行不同压缩机频率下系统稳态运行实验，监测系统运行数据。压缩机频率设定值为45-70Hz，每隔5Hz一组，共计6组。压缩机频率改变后，在系统运行达到稳定后，采集和记录多组数据，将其平均值作为系统稳定运行参数。

2 实验结果分析

图2和图3给出了系统在压缩机频率变化下的吸排气压力及高/低温板式换热器的冷冻水进出水温度变化。由图2可见，排气压力随压缩机频率增加而增大，吸气压力随压缩机频率增加而逐渐降低。因排气压力不能超过一定范围，压缩机频率不能无限增大。由图3可见，高/低温板换的冷冻水进水温度在焓差室水系统的控制下基本稳定在设定值，出水温度随压缩机频率增加而降低，因此进出水温差增大，系统冷量增大。

图4显示了不同压缩机频率下系统冷量输出与显热/潜热冷量分配情况。由图可见，显热/潜热冷量在不同压缩机频率下变化趋势一致，且制冷量随压缩机频率增加而增大，高低温板换冷量比例也同时变化。由此，可通过调节压缩机频率对系统输出显热冷量和潜热冷量进行控制，从而实现室内温度和湿度的控制。

图2 不同压缩机频率下吸排气压力

图3 不同压缩机频率下高/低温板换的进出水温度

图4 不同压缩机频率下系统制冷量及分配情况

3 基于ANN的户式化温湿度解耦分控方法

传统的温湿度独立控制空调系统是设置两个相对独立的回路，分别处理显热负荷和湿负荷，系统相对复杂。基于实验得到的户式化热/湿分控冷水机组运行特性，提出利用人工神经网络（ANN）模型建立室内热/湿解耦分控，可将温湿分控过程看作是空调机组输入与输出的一类非线性映射，通过ANN寻找最优能力[4]。在研究中，ANN模型将表征系统输出冷量与输入可控参数（压缩机频率、EEV开度）的非线性关系。图5为基于ANN温湿度分控逻辑。控制系统分为温度控制与湿度控制两个相对独立的回路。系统可分别设定温度值和湿度值，控制运算模块根据设定值与反馈值的误差计算系统所需显冷量和潜冷量值，通过ANN模型得出系统可调对象的控制信号，将信号传递给系统进行调节所需输出显冷量和潜冷量。传感器再对室内温度值和湿度值进行反馈，完成控制回路从而达到室内温湿度控制要求。也可对温湿度控制结果进行预测，通过预测值反映系统所需显冷量和潜冷量值，从而达到控制要求[5]。

图5 基于ANN模型的户式化温湿度控制逻辑

ANN结构模型如图6所示。输入层接受外部信号，并由各输入单元传递给直接相连的中间层各个神经元。中间层是网络的内部处理单元层，与外部没有直接连接。神经网络所具有的模式变换能力，如模式分类、模式完善、特征提取等，主要是在中间层进行。根据处理功能的不同，中间层可以是一层，也可以是多层，中间层单元不直接与外部输入输出进行信息交换。输出层是网络输出运行结果并与显示设备或执行机构相连接的部分[6]。

图6 系统ANN结构示意

4 结论

传统的温/湿度分控系统通常是设置两个相对独立的系统，分别处理室内显热负荷和湿负荷。这种直接解耦独立分控虽然效果良好，但并不适用中小型居住建筑的室内环境控制。研究提出基于单一冷源的户式化热湿解耦分控冷水机组及控制方法，采用单一冷源。实验结果表明，在不同压缩机频率下，可实现显热、潜热冷量分配。基于这一运行特性，研究提出利用系统ANN模型建立户式化温湿度解耦分控方法，从而提高室内人员的热舒适性、室内空气品质和系统能效。