房间空调器温湿双控控制方法实验研究

于琦，彭光前，吴俊鸿，单联瑜，王锐锋

（小米科技（武汉）有限公司，武汉，430010）

随着我国国民经济的快速发展与人们生活水平的迅速提高，空调已逐渐走进千家万户，空气调节对于室内环境空气质量的改善有着非常重要的意义和作用，因此通过合理的控制方式，平衡室内环境温度与湿度的关系就显得尤为重要。目前空调器的运行情况以设定温度作为主要导向，当室内环境温度远大于设定温度时，空调器以高频运行，此时室内换热器管温低于空气露点温度，导致室内空气湿度大幅降低，用户易产生干燥之感，但当室内环境温度接近设定温度时，压缩机低频运行，室内换热器管温接近或高于露点温度，空气中湿度可能会偏大，亦会导致用户体感不佳。［1-2］

基于上述问题，已有部分研究对温湿度可独立控制的空调系统进行了研究，并取得了显著的效果。许文明［3］等提出了一种基于压缩机频率及室内机风机转速的房间空调器温湿双控控制方法，该温湿双控方法可有效实现温度调节至设定温度，相对湿度维持在40 %～60 %范围内，大幅提升了用户的使用舒适性；席战利［4］针对家用空调制冷过程中湿度不可控的问题，设计了一种制冷过程中进行温湿双控的空调系统，经试验验证，该系统在不影响温降效果的情况下，室内环境湿度可较普通空调提升15%～20 %；刘宇［5］等对具有调温除湿功能的空调系统进行实验研究，实验结果表明，调温除湿模式比升温除湿模式的出风温度低约7 %，出风相对湿度低约27%；朱锦泉［6］在除湿制冷的同时，开启室内机自带的电加热元件，再通过调节压缩机频率，使房间冷热平衡，实现恒温除湿。测试结果表明，该控制方式不仅能有效地进行除湿，还能将房间温度波动控制在±1℃内，提高用户使用空调除湿功能的舒适度；。Qi Q等［7］基于多输入多输出控制，通过调整压缩机频率和内风机转速，对室内环境的温度和湿度实现了耦合控制。Fan HM等［8］对多单元热泵温湿双控进行了研究，并通过运行过程中产生的冷凝热并加以回收利用，实现了温度和湿度的同时控制。

本文提出了一种通过对室内环境温湿度与空调器设定温湿度差值进行实时检测，从而实现对压缩机频率与内风机转速耦合控制的温湿双控控制逻辑，通过对温度和湿度进行耦合控制，从而大幅改善室内环境的热舒适性，提升用户的使用体验。

1 功能设计

室内环境温度和空气湿度都会对人体的舒适性产生影响，根据室内环境温度与空气湿度对人体热舒适性影响程度的不同，空调器的控制逻辑也需进行相应的调节。当室内环境温度远大于设定温度时，由于温度对于舒适性的影响远大于空气湿度，此时空调器的显冷量输出需要增大，当室内环境温度接近设定温度时，空气湿度对于舒适性的影响逐渐增强，此时空调潜冷量的输出又显得更加重要。因此可根据室内环境温度及空气相对湿度对空调器执行器动作进行调节，从而将温度与湿度控制在合理范围内，实现温湿双控的功能效果。

温湿双控控制逻辑如图1所示，用户设定目标温度T设定及目标湿度RH设定后，空调器对室内环境温度及空气相对湿度进行实时采集，因室内相对湿度“RH内环”的变化无法有效表征空气中实际含湿量的变化，所以需要通过室内环境温度“T内环”和相对湿度“RH内环”计算空气中的实际含湿量“D内环”，再通过实际含湿量的目标变化量“△D”（△D=D内环-D设定）及室内环境温度变化量“△T”（△T=T内环-T设定）来调控压缩机的频率，及内风机的转速，以实现在控温的基础上有效控制室内湿度。根据温度及湿度调控区间的不同，压缩机及内风机执行动作如表1所示。

图1 温湿双控控制逻辑图

表1 温湿双控逻辑压缩机及内风机执行动作

2 实验方案

2.1 样机配置

上样机为1.5P变频房间空调器，对同一套样机搭载温湿双控控制逻辑前后进行对比，以评估温湿双控控制功能的准确性及合理性，样机配置参数如表2所示。

表2 试验样机配置

2.2 实验室布局

测试在标准舒适性试验台进行，试验台室内侧内部构造如图2所示。

图2 实验室布局示意图

2.3 测试工况

为验证温湿双控功能对温度及湿度控制的准确性及稳定性，测试工况通过对室内环境温湿度与设定温湿度差值进行设计，分别对“大温差”、“小温差”与“大湿度差”、“小湿度差”工况进行组合，以验证不同温湿度条件下的温湿度调节能力与效果，测试方案具体如表3所示。

表3 测试工况列表

3 测试结果分析

3.1 “小温差+大湿度差”工况试验结果分析

该测试工况下，实验室外侧干球温度维持35℃，湿球温度维持24 ℃，室内侧初始干球温度为27℃，初始相对湿度为80 %，采用温湿双控控制逻辑，设定温度24 ℃，目标相对湿度45%，运行3h，测试结果如图3所示。

图3 “小温差+大湿度差”工况室内温湿度变化

测试结果表明，在“小温差+大湿度差”的情况下，温湿双控控制逻辑可以同时兼顾室内环境

3.2 “大温差+大湿度差”工况试验结果分析

该测试工况下，实验室外侧干球温度维持35℃，湿球温度维持24 ℃，室内侧初始干球温度为32 ℃，初始相对湿度为80%，采用温湿双控控制逻辑，设定温度24 ℃，目标相对湿度45%，运行3h，测试结果如图4所示。温度和湿度，实现对温度和湿度的同时调控。当室内环境温度与设定温度差值△T≥2 ℃时，优先以降低室内环境温度为调控目标，此时内风机按照设定风档运行，压缩机以高频运行，当室内环境温度逐渐接近设定温度时，内风机降低转速，同时压缩机降频运行，以保证除湿效果，该工况下运行稳定后，室内环境温度稳定在23.7℃，相对湿度维持在48%，可以达到设定的温湿度条件。

图4 “大温差+大湿度差”工况室内温湿度变化

测试结果表明，在“大温差+大湿度差”的情况下，温湿双控控制逻辑同样可以实现对温度和湿度的同时调控。但相对于“小温差+大湿度差”的情况，为保证制冷效果，压缩机高频运行及内风机高转速运行时间较长，导致室内环境湿度出现约2 %的过调，但进入以室内湿度为控制目标的控制后，室内湿度可逐渐趋于稳定，该工况下运行稳定后，室内环境温度稳定在24.3℃，相对湿度维持在43%，可以达到设定的温湿度条件。

3.3 “大温差+小湿度差”工况试验结果分析

本组实验共进行两组测试，室内侧初始干球温度为32℃，初始相对湿度为80 %，室外侧工况分别维持35℃/24 ℃，43℃/32 ℃，采用温湿双控控制逻辑，设定温度24 ℃，目标相对湿度65%，运行3h，测试结果如图5所示。

图5 “大温差+小湿度差”工况室内温湿度变化

测试结果表明，在“大温差+小湿度差”的情况下，温湿双控控制逻辑同样可以实现对温度和湿度的同时调控。但在外环高负荷情况下（外环43℃），由于室外侧负荷较大，室内环境温度降低到设定温度耗时较长，导致室内环境相对湿度较设定湿度低约3%。两工况下运行稳定后，室内环境温度分别稳定在24.5℃、24.4℃，相对湿度分别维持在67%、62 %，可以达到设定的温湿度条件。

4 结论

本文通过对温湿度可独立控制的空调系统进行了研究，并提出了一种基于温湿双控的智能控制方法，通过对房间的热负荷和湿负荷进行智能检测及判断，并通过室内环境温度与设定温度差值及室内相对湿度差值及设定湿度差值，智能调节压缩机频率和室内风机转速，实现温度、湿度的同时控制，并在“小温差+大湿度差”、“大温差+大湿度差”及“大温差+小湿度差”工况下对温湿双控效果进行验证，试验结果表明在不同相对湿度环境下，采用温湿双控控制方法，室内环境温度较设定温度偏差为-0.3℃～+0.5℃，相对湿度较设定相对湿度偏差为-3%～+3%，可以实现营造室内舒适环境的目标。