基于傳感器測量實現HVAC系統(tǒng)性能的準確性和可重復性

加熱，通風和空調（HVAC）系統(tǒng)使用傳感器來調節(jié)機電設備的運行。運行該設備通常以代表每月電費很大一部分的速率消耗能量。當外部溫度降至室溫以下時，加熱負荷增加。相反，當外部溫度升高到室溫以上時，冷卻負荷增加。

僅使用干球溫度測量值來確定控制決策的系統(tǒng)已過時，應基于傳感器測量值的組合由控制系統(tǒng)代替，以實現最佳的乘員舒適度并降低加熱或冷卻結構的成本。在這些設計中，在溫度和濕度感測組件中使用最新技術產品可以幫助提高性能。本文的目的是提供這些傳感器在HVAC系統(tǒng)中的位置，使用方式以及它們對系統(tǒng)性能的準確性和可重復性的影響的高級視圖。

在HVAC系統(tǒng)中，有多個傳感器（圖1）。它們位于送風管道，外部和回風管道以及恒溫器控制單元中。這些傳感器（模擬或數字）提供原始數據，控制器可根據這些原始數據計算和管理系統(tǒng)的整體性能。

圖1這是基本的HVAC系統(tǒng)的布局。資料來源：德州儀器（Texas Instruments）

HVAC系統(tǒng)的整體效率取決于傳感器的固有準確性和可重復性。通過確保HVAC系統(tǒng)的機械運行（風扇，減震器和加濕器）在準確的時間和最少的時間內運行，從而顯著提高性能，從而減少了系統(tǒng)的總體功耗，從而降低了能源成本。

圖1所示的原始技術包括無源器件，例如負溫度系數（NTC）熱敏電阻和電阻溫度檢測器（RTD）。兩種設備在老化時都易于漂移。盡管RTD的線性度很高，但NTC熱敏電阻不是線性的，并且需要進行斜率和失調校正才能達到任何實際精度。這使得NTC熱敏電阻難以制造。

與基于硅的正溫度系數（PTC）熱敏電阻傳感器相比，RTD隨著時間的流逝變得非常不可靠，后者可以由與RTD相同或相似的單個激勵電流源驅動。這些PTC傳感器也可以像NTC熱敏電阻一樣進行電壓偏置。PTC設備具有與RTD相同的線性度，但是如果不隨時間進行校正，則不會出現相同的重復和累積漂移。在這里，提高的傳感器精度和可靠性可以為干球測量用例增加價值。

單經濟型和雙經濟型HVAC

如圖1所示，使用僅在外部具有溫度傳感器，回風和混合空氣的系統(tǒng)時，存在一個缺點。例如，在陰雨天，外部空氣的濕度會被帶入。為了使空氣除濕，這將需要額外的冷卻能力。但是因為溫度傳感器無法檢測到這種情況，所以控制器沒有意識到，將相對濕度檢測添加到與溫度傳感器相同的位置可以解決此問題。

因此，HVAC可以安排為單或雙焓節(jié)能器系統(tǒng)，分別如圖2和圖3所示。從％RH傳感器到主控制器的附加輸入使其可以在完成環(huán)境控制的同時更好地管理能耗。

圖2單經濟型HVAC系統(tǒng)使用了一個結合了焓的傳感器模塊，可以接觸到室外空氣。資料來源：德州儀器（Texas Instruments）

圖3雙節(jié)能器HVAC系統(tǒng)在回風路徑中增加了第二個節(jié)能節(jié)能器傳感器。資料來源：德州儀器（Texas Instruments）

焓是熱力學性質，不能直接測量。它是根據溫度和濕度的測量值計算得出的。因此，使用準確且可重復的溫度和相對濕度傳感器非常重要。計算誤差是各個傳感器精度和公差的組合，應盡可能小。

單經濟型HVAC系統(tǒng)使用組合式焓傳感器模塊，可接觸室外空氣。省煤器的目的是在可能的情況下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，使?jié)穸容^低時可以在較高溫度下使用室外空氣，以對空氣進行免費冷卻。

當用戶調整恒溫器設定點時，HVAC控制器將混合空氣控制回路從室外切換為以預設的室外風干球溫度返回空氣。在單個焓值節(jié)省器系統(tǒng)中，HVAC控制器模塊將根據溫度和濕度數據計算出的焓值與預選的設定點曲線進行比較，從而比僅使用溫度傳感器的解決方案更有效地完成任務。

在大多數氣候條件下，使用單節(jié)能器HVAC系統(tǒng)將焓值替代干球溫度，可以降低制冷成本。并且，盡管這些系統(tǒng)有效并且相對于僅溫度系統(tǒng)提供了改進，但在系統(tǒng)中使用第二個組合傳感器模塊會增加數據的另一個測量位置，從而有機會提高系統(tǒng)效率。

雙節(jié)能器HVAC系統(tǒng)在回風路徑中增加了第二個節(jié)能節(jié)能器傳感器。當用戶調整恒溫器設定點時，或者當混合空氣溫度超過預設范圍或設定點時，具有較低焓值的空氣（來自室外或回風）將被帶入空氣調節(jié)器的調節(jié)部分。

這是一種控制室外空氣使用量的非常有效的方法，因為回風和室外空氣的比較是連續(xù)不斷的，并且全年自動進行。此外，它消除了用戶記住或知道如何進行所需設定值更改的需要，從而消除了操作員的錯誤。在比回風更高的溫度下冷卻室外空氣可能看起來很浪費，但是這種節(jié)省是可以證實的，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。

在大量產生濕氣的建筑物中，例如廚房或淋浴間，與僅使用干燈泡上限的方法相比，這種控制順序可以節(jié)省大量成本。使用焓模塊意義重大，因為在顯熱溫度開始降低之前，空調系統(tǒng)約50％的制冷能力用于通過去除潛熱來對空調空氣進行除濕。

焓計算

在HVAC應用程序中，焓源自：

使用模擬或數字傳感器直接測量的環(huán)境溫度

混合比X，以每千克千焦耳或每磅英制熱量單位（BTU）為單位

大氣常數

相對濕度測量

通過使用單個數字溫度和濕度傳感器的數據，可以直接在微控制器（MCU）上計算焓（h）。

對于HVAC應用通常運行的溫度范圍，表1列出了在公式6中使用的推薦常數A（壓力），m（質量）和Tn（溫度）。

表1計算P ws的常數一個米n最大誤差溫度范圍

6.1164417.591386240.72630.083％-20°C至+ 50°C

單個焓計算示例從使用從傳感器收集的溫度和濕度數據開始。在下面列出的示例計算集中，從傳感器組合返回的測得溫度為25°C，相對濕度為52％RH。

求解P WS = 31.67450264 hPa

求解P W = 16.47074137 hPa

X的求解= 10.28032832 g / kg

求解焓，h1 = 51.43657 kj / kg，轉換為BTU / lb，h1 = 22.1327738 BTU / lb

此數學運算發(fā)生在本地MCU內部。MCU確定室外空氣是高于還是低于選定的設定點，然后向4-20上的邏輯模塊發(fā)送4-mA信號（不節(jié)能）或20-mA信號（節(jié)能）。 mA電流環(huán)路，返回主控制器。

當從控制器或商用恒溫器發(fā)出冷卻指令時，節(jié)能器邏輯模塊會將上面計算的值（h1，室外焓）與預先選擇的設定點控制曲線進行比較，如表2所示。安裝人員根據地理氣候選擇控制曲線；安裝的冷卻設備類型；乘員舒適度；并控制濕度，這將防止高濕度引起的室內空氣質量問題。

表2控制曲線設定點

控制曲線控制點

（大約溫度@ 50％RH）

一個73°華氏度/ 23°C

乙70°F / 21°C

C67°華氏度/ 19°C

d63°華氏度/ 17°C

單經濟型HVAC系統(tǒng)確實需要建筑居住者或維修技術人員知道季節(jié)性的要求，以便進行設置更改或記住要根據季節(jié)條件對控制曲線設置進行實際更改。

雙重焓計算

雙重焓計算通過添加位于回風中的第二組傳感器來構建單節(jié)油器示例，如圖3所示。當系統(tǒng)設置為冷卻或混合空氣溫度高于高混合空氣溫度時， -空氣溫度傳感器的范圍或設定點，將具有較低焓（室外或回風）的空氣引入空氣調節(jié)器的調節(jié)部分。

如前所述，這是控制室外空氣使用量的一種增強方法，因為回風和室外空氣比較是實現最高性能的途徑。從每小時千瓦時的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)可以根據需要進行調整，從而可以節(jié)省更多成本。

如果h1 = 22.1327738 BTU / lb，則根據暴露在外界空氣中的測得傳感器的溫度和濕度，為用戶設定點計算焓。如果將這些計算與HVAC系統(tǒng)的總熱量以及每分鐘立方英尺（CFM）一起應用在公式中，請將其轉換為千瓦時，然后將全國平均電費應用于該值。另外，確定解決溫度設定點的時間以及系統(tǒng)進入空閑模式的時間，這將產生每個事件，一天或一個月操作系統(tǒng)的成本。

在此示例中，如果用戶將恒溫器設置為21°C并僅保留％RH，則焓將為17.914 BTU / lb。公式7表示總熱量的公式：

假設CFM = 400，則每次用戶降低溫度時，在理想情況下，HVAC系統(tǒng)處理該請求大約需要2.23 kWh和大約7.6分鐘。根據美國全國平均水平$ 0.139 / kWh，此請求的費用約為$ 0.04。乍一看聽起來似乎不算是大筆費用，但它的確增加了成本。如果HVAC系統(tǒng)在外部氣溫和設定值較低的情況之間不斷循環(huán)，那么一天可能會發(fā)生60次以上。

以每天$ 2.50美元計算，一個月內的費用總計為$ 75.14。插入不同的濕度設定點（在這種情況下，是較高的％RH）可以進一步降低成本。這就是設計完整的焓傳感器的全部價值帶給HVAC設計和系統(tǒng)的原因，因為板載還將有一個濕度傳感器。

現在想象一下，溫度傳感器在任一方向上僅關閉了1°C。這樣的不準確性將導致該系統(tǒng)的能源消耗“泄漏”近7％，這使每月的賬單增加了5美元。如果％RH的偏差大于5％RH，則在％RH傳感器側也存在相同的成本泄漏。因此，至關重要的是為HVAC系統(tǒng)設計并提供傳感器，使其在所需的水平上準確且可重復，以確保系統(tǒng)在整個生命周期內的性能均可靠。

具有RTD線性度的熱敏電阻

TI的TMP61線性熱敏電阻等器件可以由與RTD相同或相似的單個激勵電流源驅動，也可以像NTC熱敏電阻一樣通過電壓偏置來驅動。這些器件還具有與RTD相同的線性度，但是如果不隨時間進行校正，則不會出現相同的重復和累積漂移，因為這些線性熱敏電阻是基于硅的器件，相比之下它們根本不會移動。

TMP61熱敏電阻的準確性，可靠性，低成本和一般靈活性為干球測量用例增加了價值。在設計或指定用于節(jié)能機的組件時，請考慮數字溫度和相對濕度傳感器（HDC1010，HDC1080，HDC2010，HDC2080，HDC2021，HDC2022），僅通過一個組合的傳感器組件即可滿足或超過大多數系統(tǒng)對焓的設計要求。

使用能夠提供所需精度，精確度和可重復性的傳感器非常重要，因為它們可以通過直接節(jié)省電費來為消費者增加實際價值，并通過可靠且一致的計算和決策來支持已安裝的HVAC系統(tǒng)。

Josh Wyatt管理著德州儀器（TI）的溫度和濕度感應應用團隊。

編輯：hfy