基于空气焓差的中央空调末端计量与控制装置的制作方法

本发明属于暖通空调技术领域，具体涉及一种基于空气焓差的中央空调末端计量与控制装置。

背景技术：

近几年，随着北方供热分户计量的逐步推广开展，对于业内人士而言，南方集中空调系统的冷计量也受到越来越多的关注。尤其对于上海、北京等大型城市，冷计量的要求尤为突出。

目前中央空调费的分户计量方法是按照空调的室内使用面积来计算的，这是一种最直接、最简单的方法，但也是最易引起争议的方法，因为，不同的分户在空调的使用时间上是完全不一样的。不合理的收费很容易导致一些用户的恶意消费，即不管有人没人，总是把暖气或空调开着，造成能源浪费现象严重。

在实际过程中，所有的空调系统形式中风机盘管系统仍是最主要的空调方式，占所有系统的82％。而对于办公楼建筑而言，空调系统更是多为风机盘管集中空调系统，传统的风机盘管计费需检测供、回水温差和流量等参数进行计算，采用此方式计量，存在以下几个方面问题：①用户和空调系统不能相对独立分开。这是办公楼空调系统的特殊性决定的，系统在设计的时候不可能考虑到以后的出租方式而分户设计：并且办公楼里还经常出现用户使用面积分隔的变化，这些都制约了从水侧进行分户计量。②水侧计量投资大。如果考虑在每个末端的支管处安装热量计进行计量，其成本是任何业主都不可能接受的。③水侧计量安装复杂，布线困难；对于既有建筑而言，安装水侧计量装置需要破坏水系统，且增加了系统的漏水点。这些缺点都限制了水侧计量方式在风机盘管空调系统中的推广应用。

风机盘管是中央空调的末端产品，由热交换器、过滤器、直流无刷风机、接水盘、水管、排气阀和支架等组成，其工作原理是借助风机盘管机组不断循环室内空气，使空气通过冷水(热水)盘管后被冷却(加热)，维持室内要求的温度和湿度的恒定。

现有技术的空调系统普遍采用温湿度耦合的控制方法，即采用冷却除湿法对空气进行降温和除湿处理，去除建筑的显热负荷和潜热负荷。当室内负荷变化时，风机盘管的除湿量有较大变化，会出现过度除湿或除湿不足的现象。

技术实现要素：

为了解决中央空调末端装置计量成本高、不公平的问题，本发明提供一种基于空气焓差的中央空调末端计量与控制装置，具有运行成本低、计费准确合理、价格低廉的特点，具有广阔的市场前景。

为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现的：

本发明所述的基于空气焓差的中央空调末端计量与控制装置，包括控制器、分别与所述控制器连接的湿度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、电动水阀、控制面板和风机；所述湿度传感器和第一温度传感器都位于中央空调的风机盘管的回风通道内；所述第二温度传感器位于所述风机管盘的送风通道内；所述风机位于所述风机管盘内；所述控制器内设有用于调整送风温度、回风温度和/或回风湿度的信号处理模块；所述第一温度传感器用于采集回风通道内的第一温度信息，所述湿度传感器用于采集回风通道内的湿度信息，所述第二温度传感器用于采集送风通道内的第二温度信息；所述控制器通过接收所述第一温度信息、湿度信息、第二温度信息和风机转速信息后，所述信号处理模块通过第一温度信息和湿度信息计算回风焓值、通过第二温度信息计算送风焓值、通过风机转速信息计算送风量，并且再通过所述回风焓值、送风焓值和送风量，计算冷/热量，并且将所述冷/热量或相应费用，同时显示于控制面板。

进一步地，所述信号处理模块通过第一温度信息和湿度信息计算空气绝对含湿量或露点温度，实现自动调整送风温度，并且根据第一温度信息与预设温度信息比对后的第一温差信息后，通过调节控制风机的转速，实现送风量的自动调节，以调节室内的回风温度。

进一步地，所述信号处理模块将第二温度信息与预设温度信息进行比对后的第二温差信息后，通过调节电动水阀的开度，以实现送风温度的调节或者回风湿度的调节。

进一步地，所述信号处理模块包括第一PID运算处理单元；所述第一PID运算处理单元通过第一温差信息进行比例调节，以实现控制风机的转速。

进一步地，所述信号处理模块还包括第二PID运算处理单元；所述第二PID运算处理单元通过第二温差信息进行比例调节，以实现控制电动水阀的开度。

进一步地，所述控制器还连接至总线网络。

进一步地，所述控制面板设有分别与所述控制器连接的显示屏和操作按键。

进一步地，所述控制器设有多个I/O接口，用于分别与所述湿度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、电动水阀、控制面板和风机连接。

进一步地，所述控制器与控制面板通过双绞线无级性的带点通讯接口连接。

进一步地，所述风机为可调速风机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明根据智能控制的特点，采用空气焓差的方式对中央空调末端装置进行冷/热量计量，不涉及空调水系统，可以实现风机盘管空调系统的分户计量，特别适用于商业、办公楼等建筑，比检测供、回水温差和流量等参数进行计算的方式成本要低，比单纯按时间计费的方式准确度高，具有较高的实用性和经济性。

2、本发明通过温度传感器和湿度传感器的计量结合，使得用户因室内温度的调节导致的耗冷/热量变化，可以通过信号处理模块中的第一PID运算处理单元和第二PID运算处理单元实时反应在计算系统中，并且还可以实施欠费停机、用冷/热清单查询打印等功能。

3、本发明利用操作面板作为设定温度输入端，通过第一温度传感器采集的第一温度(回风温度)信息与设定温度比较，形成的温差信号，使得信号处理模块中的第一PID运算处理单元控制风机的转速，进而解决现有技术风机盘管的风量与水量不匹配、送风温度变化过大、换热效率低、控制精度差、人体感觉不舒服的弊端。

4、本发明利用操作面板作为设定温度输入端，通过第二温度传感器采集的第二温度(送风温度)信息与设定温度的温差信号，使得信号处理模块中的第二PID运算处理单元调节阀门的开度，保证送风温度的恒定，同时，保证了回水温差大于或等于设计温差，送风温度的恒定，保证了室内人员的舒适度。

5、本发明根据控制其内的第一PID运算处理单元和第二PID运算处理单元，对室内需求进行动态风量和水量的调节，实现需求与供冷/热量的自动匹配、送风量与供水量的自动匹配，既能实现温度、湿度独立控制，又能保证空调系统的舒适性，提高空调系统末端的节能效果。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明所述的基于空气焓差的中央空调末端计量与控制装置的结构示意简图；

图2是本发明所述的基于空气焓差的中央空调末端计量与控制装置的信号走向图；

图3是本发明所述的基于空气焓差的中央空调末端计量与控制装置的计量管理的流程图；

图4是本发明所述的基于空气焓差的中央空调末端计量与控制装置的空气变化曲线图。

图中：

1：风机管盘 2：风机

3：控制器

31：信号处理模块

311：第一PID运算处理单元 312：第二PID运算处理单元

4：控制面板

41：显示屏 42：操作按键

5：第一温度传感器 6：第二温度传感器 7：湿度传感器 8：电动水阀

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2和图3所示，本发明所述的基于空气焓差的中央空调末端计量与控制装置，包括控制器3和分别与所述控制器3连接的风机2、控制面板4、第一温度传感器5、第二温度传感器6、湿度传感器7和电动水阀8。

所述湿度传感器7和第一温度传感器5都位于中央空调的风机盘管1的回风通道内；第一温度传感器5用于采集回风通道内的第一温度信息，即回风温度信息；所述湿度传感器7用于采集回风通道内的湿度信息，并且所述第一温度信息和湿度信息实时传输至所述控制器3。

所述第二温度传感器6位于所述风机管盘1的送风通道内，用于采集送风通道内的第二温度信息，即送风温度信息，该第二温度信息也实时传输至所述控制器3。

所述控制器3内设有计算回风焓值、送风焓值、送风量和冷/热量的信号处理模块31，其通过第一温度信息和湿度信息计算回风焓值、通过第二温度信息计算送风焓值、通过风机转速信息计算送风量；最后由所述回风焓值、送风焓值和送风量，得出冷/热量，进而换算出对应的费用，同时显示于控制面板4上。

对于以上涉及的计算，具体方法如下：

各中央空调末端设备的冷/热量为

Q＝m(h₁-h₂) (1)

式中：m为空气质量流量(kg/s)；h₁为为风机盘管回风焓值(kJ/kg)；h₂为送风焓值(kJ/kg)。

由于控制器3可以对风机2的转速进行调节，额定转速下风机2的风量可由设备参数信息获得，在转速调节范围内，可近似认为风机2的风量与转速成正比，则空气质量流量为

m＝ρK_vL/3600 (2)

式中：ρ为空气密度，取1.2kg/m³；Kv为风机2转速比；L为风机2铭牌风量(m³/h)。

焓值为

式中：t为空气温度(℃)；p为当地大气压力(Pa)；p_qb为饱和水蒸气分压力(Pa)；为空气相对湿度。

根据经验公式Hyland-Wexler：当温度在0～200℃时，饱和水蒸气分压力p_qb可用下式计算：

式中：c₈＝-5 800.220 6；

c₉＝1.391 499 3；

c₁₀＝-0.048 602 39；

c₁₁＝0.417 647 68×10^-4；

c₁₂＝-0.144 520 93×10^-7；

c₁₃＝6.545 9673；

T为空气热力学温度(K)。

根据式(1)～式(4)可计算出整个系统在单位时间内的冷/热量。

在供冷模式下，当回风湿度大于60％时，需要冷却除湿，此时采用露点送风，可以认为经处理后的送风状态点达到机器露点，即取送风湿度在回风湿度小于60％，不需要除湿，送、回风湿度相同，故本发明省略送风湿度检测环节，降低检测成本。

当回风温度大于送风温度，系统在供暖模式下运行时，由于送、回风湿度相同，故(1)式可以简化为

Q＝1.01m(t₁-t₂) (5)

在供冷模式下，当回风湿度小于60％时，也可用上式计算中央空调末端设备单位时间内的冷量，(5)式冷量/热量计算只与送、回风温差有关，与相对湿度无关。

所述控制器3内还设有用于调整送风温度、回风湿度和回风温度的信号处理模块31；其通过第一温度信息和湿度信息计算露点温度，实现自动调整送风温度，其具体呈现以下情况：

(1)在供冷模式下，当室内湿度大于60％时，设定送风温度低于室内空气的露点温度，系统在湿工况运行，冷却除湿；

(2)在供冷模式下，当室内湿度小于60％时，风机盘管系统在干工况运行，处理空气时只降温不除湿，换热效率提高，在干工况运行一段时间后，盘管表面和滴水盘，没有冷凝水存留，关机状态下，没有细菌、霉菌滋生，实现风机盘管干燥的功能，解决风机盘管自动控制的精度和舒适度的问题，实现温湿度独立控制和舒适度与系统自动平衡的功能。

另外，所述信号处理模块31还可以根据第一温度信息与预设温度信息比对后的第一温差信息后，形成的温差信号，通过调节控制风机的转速，以实现回风温度的调节，解决了现有技术风机盘管的风量与水量不匹配、送风温度变化过大、换热效率低、控制精度差、人体感觉不舒服的弊端。

同时，所述信号处理模块31根据第二温度信息与预温度信息进行比对后的第二温差信息后，通过调节电动水阀的开度，以实现送风温度的调节，保证了回水温差大于或等于设计温差，送风温度的恒定，保证了室内人员的舒适度。

具体地，所述信号处理模块31中还包括有第一PID运算处理单元311和第二PID运算处理单元312；所述第一PID运算处理单元311通过第一温差信息进行比例调节，以实现控制风机的转速，从而控制风机管盘1的送风量，进而实现回风温度的调节；所述第二PID运算处理单元312通过第二温差信息进行比例调节，以实现控制电动水阀8的开度，该开度并且被记忆，最终实现对送风温度的调节。在实际过程中，如果湿度需要调整，也可以通过在调整送风温度的过程中，调整回风湿度。

所述末端冷量计量装置的传感器通过通讯系统将数据传至信号处理模块，信号处理模块31通过预设的用冷/热量，按冷/热量累积原理，实现中央空调系统冷/热量分户计量，用户的瞬时冷/热量和总冷/热量都可以实时通过控制面板4的显示屏41显示。

同时，所述控制器3还连接至总线网络，从而保证了以上数据信息记忆在存储器中，即使断电，数据也不会丢失，控制器3还可以实施欠费停机、用冷/热清单查询打印等功能，并且实现了对整个系统的更好调节与控制。

其中，为了保证提供连续可调的风量，所述风机2为直流无刷风机或变频风机，或者其他具有同等连续可调风量的风机。室内回风经风机2送出后，经风机盘管1内的换热盘管换热，再送至室内，风机盘管1的风机2的静压一般为10-50Pa，不超过80Pa。

为了在实际现场过程中安装更为简单、方便，则所述控制器3与控制面板4通过双绞线无级性的带点通讯接口连接。

所述控制面板4设有显示屏41和操作按键42，其中显示屏41用于显示当前室内温度、设定温度、室内湿度、风机启停状态、风机转速和冷/热量等信息，安装在室内空间距地1.0-1.3米高，无阳光直射和明显热源的位置，具体可根据实际调整；所述操作按键42用于输入用户所需的温度或湿度信息。

则所述控制器3通过现场总线接口连接至总线网络。

同时，所述控制器3设有多个I/O接口，便于与以上第一温度传感器5、第二温度传感器6、湿度传感器7、电动水阀8、控制面板4和风机2的连接，同时减少了强电线路，避免了现有技术中现场强电和弱电分别预埋、接线复杂、易错、需连线6-8条，甚至多达12条的问题。

本发明所述的基于空气焓差的中央空调末端计量与控制装置进行冷/热量计量，不涉及空调水系统，比检测供、回水温差和流量等参数进行计算的方式成本要低，比单纯按时间计费的方式准确度高，具有较高的实用性和经济性。

本发明所述基于空气焓差的中央空调末端计量与控制装置中的传感器安装以及布线都在吊顶内，比较隐蔽，可以有效防止盗冷现象，可以预装也可以在既有建筑中改造，不影响原有空调系统的管路，安装简单方便，同时冷量还可以选择就地显示或者在楼层设备房间内设总表显示，用户可以对使用情况一目了然。

用户在实际使用过程中，具体说明如下：

所述基于空气焓差的中央空调末端计量与控制装置，通过测量进出口温湿度以及风机2转速来计量耗冷/热量对中央空调末端装置进行冷/热量计量，不涉及空调水系统，可以实现风机盘管空调系统的分户计量，特别适用于商业办公楼等建筑，比检测供、回水温差和流量等参数进行计算的方式成本要低，比单纯按时间计费的方式准确度高，具有较高的实用性和经济性。

所述风机盘管1的风量一定时，供水温差一定，供水量减小，换热盘管水侧换热面积增大，风机盘管1换热效率增大。根据部分风机盘管1产品性能统计，当供水温差为5℃，供水量减少到80％时，制冷量为原来的92％左右，说明供水量减小时，风机盘管1制冷系数增大。

所述风机盘管1在标准工况下运行时，空气处理终点取决于空气处理焓差，不同工况下，空气处理过程，如图4(a)和(b)所示：送风状态点；R：回风状态点；M：新风与回风的状态点；S：送风状态点。

在图4(a)的湿工况运行下，即室内湿度高时，将送风温度设定到低于室内空气温度的露点温度，整个系统冷却除湿，在湿工况运行，换热器表面形成水膜，风机盘管换热效率降低，制冷量减小；在图(b)的干工况运行下，即室内湿度低时，将送风温度设定到高于室内空气温度的露点温度，整个系统只冷却不除湿，系统在干工况运行，风机盘管换热效率升高，制冷量增加，空调系统COP增大，因此，在不同工况下，通过改变送风温度，实现温湿度独立控制的功能。

室内热环境由室内空气温度、湿度、气流速度和平均辐射温度四要素综合组成，以人的热舒适程度作为评价标准。但是，在空调系统中，送风温度是影响室内空气温度、湿度等热环境要素的重要参数。传统风机盘管送风温度一般在12-16℃，本发明的风机盘管1的送风温度可调，严格控制在16-20℃，当系统负荷发生变化时，通过调节风量或水量，保证送风温度恒定，避免了吹冷风的不适感，保证了人体的舒适性。

本发明采用空气焓差的方式对中央空调末端装置进行冷/热量计量，不涉及空调水系统，可以实现风机盘管空调系统的分户计量，用户的瞬时冷/热量和总冷/热量都可以实时显示在系统中，具有安装简单方便、运行成本低、计量准确合理的特点。通过送风温度信号与设定送风温度信号对电动水阀进行控制，同时回风温度信号与设定回风温度信号控制风机盘管的送风量；根据室内需求换热量动态调节风量和水量，实现需求与供冷/热量的自动匹配、送风量与供水量的自动匹配，既能适应不同工况的要求，又能实现温湿度独立控制，保证空调系统的舒适性，提高空调系统末端的节能效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。