利用精确的传感器提高 HVAC 效率

供暖、通风和空调 (HVAC) 系统使用传感器来调节机电设备的运行。运行该设备通常消耗的能量占每月电费的很大一部分。当室外温度低于室温时，供暖负荷就会增加。相反，当室外温度高于室温时，冷负荷就会增加。

仅使用干球温度测量来确定控制决策的系统已经过时，应替换为基于传感器测量组合的控制，以实现最佳的居住者舒适度并降低结构加热或冷却的成本。在这些设计中的温度和湿度传感组件中使用最新的技术产品有助于提高未来几年的性能。本文的目的是提供有关这些传感器在 HVAC 系统中的位置、它们的使用方式以及它们对系统性能的准确性和可重复性的影响的高级视图。

在 HVAC 系统中，有多个传感器。它们位于送风管道、室外和回风管道以及恒温器控制单元中。这些传感器(无论是模拟传感器还是数字传感器)提供原始数据，控制器根据这些数据计算和管理系统的整体性能。

HVAC 系统的整体效率取决于传感器的固有精度和可重复性。通过确保 HVAC 系统的机械操作(运行风扇、阻尼器和加湿器)在精确的时间和最短的时间内运行，可以显着提高性能，从而降低整体系统功耗，从而降低能源成本。

原始技术，包括负温度系数 (NTC) 热敏电阻和电阻温度检测器 (RTD) 等无源器件。随着年龄的增长，这两种设备都容易出现漂移。虽然 RTD 的线性度很高，但 NTC 热敏电阻则不然，需要斜率和偏移校正才能实现真正的精度。这使得 NTC 热敏电阻的制造变得困难。

与硅基正温度系数 (PTC) 热敏电阻传感器相比，随着时间的推移，RTD 可能会变得非常不可靠，而硅基正温度系数 (PTC) 热敏电阻传感器可由与 RTD 相同或相似的单激励电流源驱动。这些 PTC 传感器也可以像 NTC 热敏电阻一样进行电压偏置。 PTC 器件与 RTD 具有相同的线性度，但如果不随时间推移进行校正，则不会出现相同的重复和累积漂移。在这里，提高传感器精度和可靠性可以为干球测量用例增加价值。

单经济器和双经济器 HVAC

使用仅在室外、回风和混合空气中具有温度传感器的系统时存在一个缺点，如图1所示。例如，在凉爽的雨天，室外空气的湿度会被带入。这将需要额外的冷却能力来对空气进行除湿。但由于温度传感器无法检测到这种情况，控制器无法察觉，因此在与温度传感器相同的位置添加相对湿度传感可以解决此问题。

因此，HVAC 可以布置为单热节能器系统或双热节能器系统。从 %RH 传感器到主控制器的额外输入使其能够更好地管理能源消耗，同时完成环境控制。

焓是一种热力学性质，无法直接测量。它是根据温度和湿度的测量值计算得出的。因此，使用准确且可重复的温度和相对湿度传感器极其重要;计算误差是各个传感器精度和容差的组合，并且应尽可能低。

单经济器 HVAC 系统使用组合式焓传感器模块，可接触室外空气。节能器的目的是尽可能使用室外空气进行冷却，以减少压缩机的运行。它报告干球温度和湿度，从而能够在湿度较低时使用较高温度的室外空气来自然冷却空气。

当用户调节恒温器设定点时，HVAC 控制器将混合空气控制回路从室外切换到预设室外空气干球温度的回风。在单个热函节能器系统中，HVAC 控制器模块会将根据温度和湿度数据计算出的热函值与预选的设定点曲线进行比较，从而比仅使用温度传感器的解决方案更有效地完成任务。

在单经济器 HVAC 系统中使用热函代替干球温度可以降低大多数气候下的冷却成本。虽然这些系统是有效的并且比仅温度系统提供了改进，但在系统中使用第二个组合传感器模块增加了另一个数据测量位置，从而有机会提高系统效率。

双节能器 HVAC 系统在回风路径中添加了第二个节能器传感器。当用户调节恒温器设定点或当混合空气温度高于预设范围或设定点时，来自室外或回风的具有较低焓的空气被带入空气处理器的调节部分。

这是控制室外空气使用的一种非常有效的方法，因为回风和室外空气的比较是全年连续且自动的。此外，它消除了用户记住或知道如何进行所需的设定点更改的需要，从而消除了操作员错误。以比回风更高的温度冷却室外空气可能显得浪费，但节省的成本是可以验证的，因为对空气进行除湿所需的机械冷却量通常超过降低干球温度所需的量。

在厨房或淋浴间等产生大量湿气的建筑物中，与单独使用干球上限的方法相比，这种类型的控制序列可以节省大量成本。使用焓模块意义重大，因为空调系统约 50% 的冷却能力用于通过在显热温度开始降低之前去除潜热来对空调空气进行除湿。

焓计算

在 HVAC 应用中，热函源自：

· 使用模拟或数字传感器直接测量环境温度

· 混合比 X，以千焦每千克或英国热量单位 (BTU) 每磅为单位

· 大气常数

· 相对湿度测量

可以使用来自单个数字温度和湿度传感器的数据直接在微控制器 (MCU) 上计算焓 (h)。

单个焓计算示例首先使用从传感器收集的温度和湿度数据。在下面列出的计算示例集中，从传感器组合返回的测量温度为 25°C，相对湿度为 52%RH。

1. 求解 P WS = 31.67450264 hPa

2. 求解 P W = 16.47074137 hPa

3. 求解 X = 10.28032832 g/kg

4. 求解焓，h1 = 51.43657 kj/kg，转换为 BTU/lb，h1 = 22.1327738 BTU/lb

该数学运算发生在本地 MCU 内部。 MCU 确定室外空气是否高于或低于所选设定点，并向 4-20 上的逻辑模块发送 4-mA 信号(不适合节能)或 20-mA 信号(适合节能) mA电流环，返回主控制器。

当控制器或商用恒温器发出冷却命令时，节能器逻辑模块会将上面计算的值(h1，室外热函)与预选的设定点控制曲线进行比较，如下表所示。安装人员根据地理气候选择控制曲线;安装的冷却设备的类型;乘员舒适度;并控制湿度，防止高湿度引起的室内空气质量问题。

表 控制曲线设定点

控制曲线控制点

(大约温度@50%RH)

一个73°F/23°C

乙70°F/21°C

C67°F/19°C

D63°F/17°C

单节能器 HVAC 系统确实要求建筑物居住者或维护技术人员了解季节性需要以更改设置，或者记住根据季节性条件实际更改控制曲线设置。

双焓计算

双焓计算通过添加位于回风中的第二组传感器来构建单省煤器示例，如图 3 所示。当系统设置为冷却或混合空气温度高于高混合空气温度时-空气温度传感器范围或设定点，具有较低焓的空气(室外或返回)被带入空气处理器的调节部分。

如前所述，这是一种控制室外空气使用的增强方法，因为回风和室外空气比较是实现最高性能的途径。从每小时千瓦消耗和使用成本的角度来看，使用两个焓传感器子系统可以消除或避免正确安装后的操作员错误。随着季节的变化，系统可以根据需要进行调整，这将带来更显着的成本节省。

如果 h1 = 22.1327738 BTU/lb，则根据暴露于外部空气的测量传感器计算温度和湿度的用户设定点的焓。如果您在总热量公式中应用这些计算，以及 HVAC 系统的每分钟立方英尺 (CFM)，请将其转换为千瓦时，并将全国平均电价应用到该值。此外，还要确定温度设定点得到解决以及系统进入空闲模式的时间，这将产生每个事件、每天或每月的操作系统成本。

在此示例中，如果用户将恒温器设置为 21°C 并单独保留 %RH，则热函将为 17.914 BTU/lb。

假设 CFM = 400，每次用户降低温度时，在理想情况下，HVAC 系统需要大约 2.23 kWh 和大约 7.6 分钟来处理请求。根据美国全国平均每千瓦时 0.139 美元计算，该请求的成本约为 0.04 美元。乍一看，这似乎不是一个很大的成本，但它确实会增加。如果 HVAC 系统在室外气温和较低设定点情况之间持续循环，这种情况每天可能会发生 60 多次。

。插入不同的湿度设定点(在本例中为较高的 %RH)可以进一步降低成本。这就是设计完整的焓传感器给 HVAC 设计和系统带来的全部价值，因为板上还将有一个湿度传感器。

现在想象一下，温度传感器在任一方向上仅偏差 1°C。这种不准确将导致系统能耗“泄漏”近 7%，从而每月额外增加 5 美元的账单。如果 %RH 传感器偏差 >5%RH，则同样的成本泄漏也存在于 %RH 传感器侧。因此，为 HVAC 系统设计并提供准确且可重复的传感器至关重要，这样系统在其整个生命周期内的性能都是可靠的。