房間空調器溫濕雙控控制方法實驗研究

于琦，彭光前，吳俊鴻，單聯瑜，王銳鋒

（小米科技（武漢）有限公司，武漢，430010）

隨著我國國民經濟的快速發展與人們生活水平的迅速提高，空調已逐漸走進千家萬戶，空氣調節對于室內環境空氣質量的改善有著非常重要的意義和作用，因此通過合理的控制方式，平衡室內環境溫度與濕度的關系就顯得尤為重要。目前空調器的運行情況以設定溫度作為主要導向，當室內環境溫度遠大于設定溫度時，空調器以高頻運行，此時室內換熱器管溫低于空氣露點溫度，導致室內空氣濕度大幅降低，用戶易產生干燥之感，但當室內環境溫度接近設定溫度時，壓縮機低頻運行，室內換熱器管溫接近或高于露點溫度，空氣中濕度可能會偏大，亦會導致用戶體感不佳。［1-2］

基于上述問題，已有部分研究對溫濕度可獨立控制的空調系統進行了研究，并取得了顯著的效果。許文明［3］等提出了一種基于壓縮機頻率及室內機風機轉速的房間空調器溫濕雙控控制方法，該溫濕雙控方法可有效實現溫度調節至設定溫度，相對濕度維持在40 %～60 %范圍內，大幅提升了用戶的使用舒適性；席戰利［4］針對家用空調制冷過程中濕度不可控的問題，設計了一種制冷過程中進行溫濕雙控的空調系統，經試驗驗證，該系統在不影響溫降效果的情況下，室內環境濕度可較普通空調提升15%～20 %；劉宇［5］等對具有調溫除濕功能的空調系統進行實驗研究，實驗結果表明，調溫除濕模式比升溫除濕模式的出風溫度低約7 %，出風相對濕度低約27%；朱錦泉［6］在除濕制冷的同時，開啟室內機自帶的電加熱元件，再通過調節壓縮機頻率，使房間冷熱平衡，實現恒溫除濕。測試結果表明，該控制方式不僅能有效地進行除濕，還能將房間溫度波動控制在±1℃內，提高用戶使用空調除濕功能的舒適度；。Qi Q等［7］基于多輸入多輸出控制，通過調整壓縮機頻率和內風機轉速，對室內環境的溫度和濕度實現了耦合控制。Fan HM等［8］對多單元熱泵溫濕雙控進行了研究，并通過運行過程中產生的冷凝熱并加以回收利用，實現了溫度和濕度的同時控制。

本文提出了一種通過對室內環境溫濕度與空調器設定溫濕度差值進行實時檢測，從而實現對壓縮機頻率與內風機轉速耦合控制的溫濕雙控控制邏輯，通過對溫度和濕度進行耦合控制，從而大幅改善室內環境的熱舒適性，提升用戶的使用體驗。

1 功能設計

室內環境溫度和空氣濕度都會對人體的舒適性產生影響，根據室內環境溫度與空氣濕度對人體熱舒適性影響程度的不同，空調器的控制邏輯也需進行相應的調節。當室內環境溫度遠大于設定溫度時，由于溫度對于舒適性的影響遠大于空氣濕度，此時空調器的顯冷量輸出需要增大，當室內環境溫度接近設定溫度時，空氣濕度對于舒適性的影響逐漸增強，此時空調潛冷量的輸出又顯得更加重要。因此可根據室內環境溫度及空氣相對濕度對空調器執行器動作進行調節，從而將溫度與濕度控制在合理范圍內，實現溫濕雙控的功能效果。

溫濕雙控控制邏輯如圖1所示，用戶設定目標溫度T設定及目標濕度RH設定后，空調器對室內環境溫度及空氣相對濕度進行實時采集，因室內相對濕度“RH內環”的變化無法有效表征空氣中實際含濕量的變化，所以需要通過室內環境溫度“T內環”和相對濕度“RH內環”計算空氣中的實際含濕量“D內環”，再通過實際含濕量的目標變化量“△D”（△D=D內環-D設定）及室內環境溫度變化量“△T”（△T=T內環-T設定）來調控壓縮機的頻率，及內風機的轉速，以實現在控溫的基礎上有效控制室內濕度。根據溫度及濕度調控區間的不同，壓縮機及內風機執行動作如表1所示。

圖1 溫濕雙控控制邏輯圖

表1 溫濕雙控邏輯壓縮機及內風機執行動作

2 實驗方案

2.1 樣機配置

上樣機為1.5P變頻房間空調器，對同一套樣機搭載溫濕雙控控制邏輯前后進行對比，以評估溫濕雙控控制功能的準確性及合理性，樣機配置參數如表2所示。

表2 試驗樣機配置

2.2 實驗室布局

測試在標準舒適性試驗臺進行，試驗臺室內側內部構造如圖2所示。

圖2 實驗室布局示意圖

2.3 測試工況

為驗證溫濕雙控功能對溫度及濕度控制的準確性及穩定性，測試工況通過對室內環境溫濕度與設定溫濕度差值進行設計，分別對“大溫差”、“小溫差”與“大濕度差”、“小濕度差”工況進行組合，以驗證不同溫濕度條件下的溫濕度調節能力與效果，測試方案具體如表3所示。

表3 測試工況列表

3 測試結果分析

3.1 “小溫差+大濕度差”工況試驗結果分析

該測試工況下，實驗室外側干球溫度維持35℃，濕球溫度維持24 ℃，室內側初始干球溫度為27℃，初始相對濕度為80 %，采用溫濕雙控控制邏輯，設定溫度24 ℃，目標相對濕度45%，運行3h，測試結果如圖3所示。

圖3 “小溫差+大濕度差”工況室內溫濕度變化

測試結果表明，在“小溫差+大濕度差”的情況下，溫濕雙控控制邏輯可以同時兼顧室內環境

3.2 “大溫差+大濕度差”工況試驗結果分析

該測試工況下，實驗室外側干球溫度維持35℃，濕球溫度維持24 ℃，室內側初始干球溫度為32 ℃，初始相對濕度為80%，采用溫濕雙控控制邏輯，設定溫度24 ℃，目標相對濕度45%，運行3h，測試結果如圖4所示。溫度和濕度，實現對溫度和濕度的同時調控。當室內環境溫度與設定溫度差值△T≥2 ℃時，優先以降低室內環境溫度為調控目標，此時內風機按照設定風檔運行，壓縮機以高頻運行，當室內環境溫度逐漸接近設定溫度時，內風機降低轉速，同時壓縮機降頻運行，以保證除濕效果，該工況下運行穩定后，室內環境溫度穩定在23.7℃，相對濕度維持在48%，可以達到設定的溫濕度條件。

圖4 “大溫差+大濕度差”工況室內溫濕度變化

測試結果表明，在“大溫差+大濕度差”的情況下，溫濕雙控控制邏輯同樣可以實現對溫度和濕度的同時調控。但相對于“小溫差+大濕度差”的情況，為保證制冷效果，壓縮機高頻運行及內風機高轉速運行時間較長，導致室內環境濕度出現約2 %的過調，但進入以室內濕度為控制目標的控制后，室內濕度可逐漸趨于穩定，該工況下運行穩定后，室內環境溫度穩定在24.3℃，相對濕度維持在43%，可以達到設定的溫濕度條件。

3.3 “大溫差+小濕度差”工況試驗結果分析

本組實驗共進行兩組測試，室內側初始干球溫度為32℃，初始相對濕度為80 %，室外側工況分別維持35℃/24 ℃，43℃/32 ℃，采用溫濕雙控控制邏輯，設定溫度24 ℃，目標相對濕度65%，運行3h，測試結果如圖5所示。

圖5 “大溫差+小濕度差”工況室內溫濕度變化

測試結果表明，在“大溫差+小濕度差”的情況下，溫濕雙控控制邏輯同樣可以實現對溫度和濕度的同時調控。但在外環高負荷情況下（外環43℃），由于室外側負荷較大，室內環境溫度降低到設定溫度耗時較長，導致室內環境相對濕度較設定濕度低約3%。兩工況下運行穩定后，室內環境溫度分別穩定在24.5℃、24.4℃，相對濕度分別維持在67%、62 %，可以達到設定的溫濕度條件。

4 結論

本文通過對溫濕度可獨立控制的空調系統進行了研究，并提出了一種基于溫濕雙控的智能控制方法，通過對房間的熱負荷和濕負荷進行智能檢測及判斷，并通過室內環境溫度與設定溫度差值及室內相對濕度差值及設定濕度差值，智能調節壓縮機頻率和室內風機轉速，實現溫度、濕度的同時控制，并在“小溫差+大濕度差”、“大溫差+大濕度差”及“大溫差+小濕度差”工況下對溫濕雙控效果進行驗證，試驗結果表明在不同相對濕度環境下，采用溫濕雙控控制方法，室內環境溫度較設定溫度偏差為-0.3℃～+0.5℃，相對濕度較設定相對濕度偏差為-3%～+3%，可以實現營造室內舒適環境的目標。