冬季穩定人工環境實驗室內溫度的新方法

王喜良　張泠　羅勇強　謝磊　吳靜　徐秀　呂曉慧

摘 要：

人工環境實驗室對溫度的控制精度低于工藝性環境要求，但冬季若采用分體式空調制熱模式控制，實驗室溫度的波動范圍過大，影響采集實驗數據的準確性。提出冬季采用空調制冷模式聯合電取暖器穩定人工環境實驗室內溫度的新方法，在背景實驗中將新方法和傳統空調制熱溫度控制方法進行對比，結果表明：采用新方法能大幅度提高人工環境實驗房間溫度的穩定性。為對新方法中空調的設定制冷溫度與電取暖器功率匹配問題做進一步研究而進行探究試驗，實驗結果表明：空調制冷量Q1、測試房間熱負荷Q2、電取暖器功率Q3和測試房間其他設備功率Q4存在匹配關系，當空調設定溫度相同時，|Q1+Q2-Q3-Q4|值越小，人工環境實驗室內溫度波動頻率越穩定，振幅越小。

關鍵詞：

溫度控制；空調制冷模式；電取暖器；匹配；冬季工況

中圖分類號：TU831.3

文獻標志碼：A 文章編號：16744764（2016）04003306

隨著社會的發展和人民居住條件的不斷提高，建筑能耗急劇增長。據統計，2011建筑能耗占總能耗的27.5% [1]。隨著城市化程度的不斷提高，建筑能耗的比例將繼續提高，估計這一比例到2020年將提高到35%。如何降低建筑能源消耗，提高能源利用效率，實施建筑節能，是可持續發展亟待研究解決的重大課題[23]。專家學者紛紛投入到建筑節能新技術研究中[48]，一般通過搭建人工環境實驗室進行實驗研究。陳友明等[9]、Zhou等[10]通過搭建人工環境實驗室對夏熱冬冷地區通風式雙層皮幕墻VDSF（ventilated double skin facades）自然通風實驗研究與優化進行實驗研究；Diaconu等[11]通過搭建人工環境實驗室對雙層定型相變墻體的房間進行了全年運行能耗分析研究；柳鵬鵬等[12]通過搭建人工環境實驗室對一種新型雙層定型相變墻體節能效果分析進行實驗研究；李安邦等[13]通過搭建人工環境實驗室對內嵌管式輻射地板的頻域熱特性分析進行實驗研究。一般在人工環境實驗室內進行實驗需要控制房間溫度在一定范圍內，在夏季，分體式空調制冷模式可以將人工環境實驗室溫度的波動范圍控制在較小范圍內，但是在冬季，采用分體式空調控制時，其溫度控制原理為單片機通過溫度傳感器采集溫度數據[14]，對人工環境實驗室內的溫度進行調節。由于冬季人們衣著較保暖，對溫度小范圍變化感知不敏感，同時，為防止壓縮機頻繁開啟，系統設定的溫度范圍較大，導致人工環境實驗室溫度波動范圍較大，影響實驗數據采集的準確性。在夏季和冬季，雖然精密空調可以將人工環境實驗室溫度的波動范圍控制在較小范圍內，但其價格昂貴。

不管采用何種控制方法以及控制器均不能將室內空氣溫度控制為絕對穩定，室內空氣溫度曲線必定是一條具有一定振幅和頻率的波動曲線，而衡量一個控制室內溫度穩定方法優劣的標準應該是振幅較小且頻率穩定。在冬季，為控制人工環境實驗室內溫度穩定，提出冬季穩定人工環境實驗室內溫度的新方法，采用空調制冷模式聯合電取暖器控制人工環境實驗室內溫度穩定，新方法操作方便成本低，易于實現，實驗房間溫度穩定性較好。

1 實驗測試系統

1.1 實驗平臺簡介

實驗房間位于為湖南大學除塵樓四樓樓頂，房間外部尺寸為2.6 m×2.6 m×2.6 m，內部尺寸為 2 m×2 m×2 m，測試房間如圖1所示。實驗系統包括：電腦、溫度傳感器、無紙記錄儀，分體壁掛式家用空調器一臺，室內機尺寸0.21 m×0.745 m×025 m，室外機尺寸0.32 m×0.818 m×0.54 m，能效為二級，制冷量為3 200 W，制冷功率為1 100 W，制熱功率為1 900 W、兩臺低檔位功率為400 W，高檔位功率為800 W的電取暖器兩臺，其他設備散熱功率之和為100 W。

1.2 房間負荷計算

首先計算房間最大熱負荷，因出現在夜晚，無朝向修正率，富余系數取為1.2，圍護結構的傳熱系數根據實用供熱空調設計手冊[15]確定。圍護結構的基本耗熱量計算公式如下：

2 背景實驗

分別在20160315和20160316進行實驗，這兩天天氣條件相近，室外溫度分別為11～15 ℃和11～16 ℃，測試時間為早晨9：35到次日早晨8：00，第1天采用新方法進行實驗B，第2天采用傳統方法進行實驗D，無紙記錄儀記錄時間間隔為5 min。限于篇幅，僅對室內、屋面、空調進風口、空調出風口和東面墻體溫度變化進行數據分析。

圖3為空調制冷聯合電取暖器和空調制熱兩種實驗條件下室內溫度逐時變化規律。室內空氣溫度有測點b和c，取兩個測點的平均值作為室內空氣溫度。由圖3可知，當空調為制熱模式，空調溫度設定18 ℃，溫度的最大值與最小值相差10 ℃，波動幅度較大并且波動頻率也不穩定。從曲線可以看出，上端點分布稀疏，下端點分布密集，因室內外溫差較大，向室外傳遞的熱量較多，溫度下降較快，點分布稀疏；隨著室內空氣溫度不斷降低導致室內外溫差變小，傳遞的熱量不斷減少，室內空氣溫度降低較慢，下部點就較密集。當空調為制冷模式溫度設定18 ℃聯合功率為1 200 W電取暖器時，室內空氣溫度最大值與最小值相差為5 ℃，波動頻率較為穩定。空調溫度傳感器值達到設定值時，空調開始制冷，低于空調溫度傳感器設定值時空調關閉。電取暖器始終處于開啟狀態，室內空氣溫度不斷升高，再次達到設定值時，空調重新開啟工作，如此不斷循環工作。

由表4可知，在空調制冷模式聯合電取暖器控制和空調制熱工作模式下，通過對室內空氣溫度、屋面溫度、回風口溫度、進風口溫度和室內東墻溫度進行比較得到：采用新方法控制實驗房間溫度明顯優于傳統的空調制熱控制，使溫度的波動范圍小，頻率更穩定。

3 探究試驗

為進一步探究空調制冷模式聯合電取暖器的最佳匹配控制方案，在背景實驗的基礎上，采用新方法進行實驗A、實驗C、實驗E、實驗F和實驗G。實驗測得空調進風口、出風口、室外空氣、地面、屋頂、室內南外墻和室內空氣溫度，僅對室內空氣溫度進行處理分析。

圖8中3種實驗空調均為制冷模式，溫度均設定18 ℃，實驗A電取暖器功率為800 W、實驗B為1 200 W和實驗C為1 600 W。實驗A從下午14：30到晚上8：00之間，點分布在上端與下端，因室內外溫差較小，傳熱較少，室內溫度升高和降低的頻率較快。實驗B中溫度的波動頻率較為穩定，但是溫度波動的幅度較大。實驗C中室內空氣溫度的波動很穩定，因電取暖器的功率比較大，室內溫度上升快，空調頻繁開啟，波動范圍較小。中午12：30到下午5：30之間室內溫度略有上升是室內向室外傳熱減少的因素。

當空調設定為18 ℃時，電取暖器功率分別為800、1 200、1 600 W，|Q1+Q2-Q3-Q4|對應的值分別為2 981.5、2 430、2 030 W，此時室內溫度的波動范圍為7、5、3.5 ℃。可以看出隨著| Q1+Q2-Q3-Q4|不斷減小，室內空氣溫度的波動逐漸變小。當空調溫度設定為16 ℃，電取暖器功率分別為800、1 200、1 600 W時，室內空氣溫度的波動也呈現上述規律。當空調為制冷溫度設為16 ℃、電取暖器功率為1 600 W時，室內溫度波動頻率穩定，振幅最小僅2.5 ℃。

4 結 論

提出冬季穩定人工環境實驗室內溫度的新方法，即空調為制冷模式聯合電取暖器控制。主要結論如下：

1）在冬季采用新方法控制人工環境實驗室內的溫度時，室內空氣溫度波動范圍小，頻率穩定，控制效果較為理想，而且操作簡單，易于實現。

2）在6組對比試驗中，采用新方法時，當空調為制冷模式、溫度設定16 ℃，電取暖器功率1 600 W時，人工環境實驗室內空氣溫度波動頻率穩定，振幅最小僅為2.5 ℃。

3）空調制冷量Q1、測試房間熱負荷Q2、電取暖器功率Q3和測試房間其他設備功率Q4存在匹配關系，當空調設定溫度相同時，| Q1+Q2-Q3-Q4|值越小，人工環境實驗室內溫度波動頻率越穩定，振幅越小。

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（編輯 胡英奎）