室内温控器的控制过程及设计.pdf

第2 7卷第 5期 2 0 0 7年 5月 煤 气 与 热 力 GAS& HE AT V 0 1 2 7 No 5 Ma v 20 07 祭祭 发建筑供暖 空 调 热环境 p 鲁 荽 鑫 罱 室 内温控 器 的控 制过 程 及 设 计 张瑞权 ， 何崇智 ， 刘世超 ( 1 关东建设有限公司 天津分公司，天津 3 0 0 8 5 9 ；2 中国市政工程华北设计研究院， 天津 3 0 0 0 7 4 ；3 天津大学 环境科学与工程学院，天津 3 0 0 0 7 2 ) 摘要 ： 介绍 了温控器对室内温度的控制过程、 设计 中涉及的重要概念， 分析 了温控 器的辅 助控制功能及设计 中应注意的问题。探 讨了可编程温控器对 室内温度的控制过程 。 关键词 ： 温控器； 可编程温控器； 室内温度 ； 设计 中图分类号 ：T U 9 9 5 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 4 4 1 6 ( 2 0 0 7 ) 0 5 0 0 8 1 0 4 Co n t r o l Pr o c e s s a nd De s i g n o f I n do o r Th e r m o s t a t ZHANG Ru i q u a n ，HE Ch o n g z h i ，LI U S h i c h a o ( 1 T i a n fi n F i l i a l e ，G u a n d o n g C o n s t r u c t i o n C o ， L t d ，T i a n j i n 3 0 0 8 5 9， C h i n a ； 2 N o r t h C h i n a Mu n i c ip a l E n g i n e e r i n g D e s i g n&R e s e a r c h I nst i t u t e ，T i a n j i n 3 0 0 0 7 4， C h i n a ； 3 S c h o o l o f E n v i r o n me n t S c i e n c e& T e c h n o l o g y ，T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t：T he c o n t r o l pr o c e s s o f i n d o o r t e mp e r a t u r e b y t h e r mo s t a t a n d t h e i mpo r t a n t c o n c e pt s c o n c e me d i n t h e de s i g n a r e i n t r o d u c e dTh e a u x i l i a r y c o n t r o l f u n c t i o n s o f t h e t h e rm o s t a t a n d t h e pr o b l e ms t o w h i c h a t t e n t i o n s h o u l d b e p a i d i n t h e d e s i g n a r e a n a l y z e d T h e c o n t r o l p r o c e s s o f i n d o o r t e mp e r a t u r e b y t h e p r o g r a mma b l e t h e rm o s t a t i s d i s c u s s e d Ke y wor ds ：t h e rm o s t a t ；pr o gra mma b l e t h e rm o s t a t ； i n d o o r t e mp e r a t u r e；d e s i g n 据统 计， 我 国建筑能耗 占全 国总 能耗 3 0 左 右， 随着人民生活水平的提高， 建筑能耗将呈现持续 迅速增长的趋势。为了降低建筑能耗， 许多大型的 酒店 、 写字楼以及 高档住宅小区都已采用温控器控 制风机盘管以营造舒适的办公居住环境 ， 并实现节 能的目的。2 0世纪 9 0 年代国内出现大批温控器生 产厂家， 温控器开始广泛地应用于暖通空调工程中。 笔者通过对 国内外众多品牌的温控器性能的测试和 调研发现， 目 前很多国产的温控器性能不尽人意， 控 制特性较差 ， 对经济性 、 舒适性及节能性考 虑不周 。 产生这些问题的主要原因是有关设计人员对温控器 设计过程中涉及的一些重要概念和控制原理理解不 够 ， 本文介绍国外温控器设计过程 中涉及 的一些重 要概念 、 控制原理和关键问题。 1 重要概念 温控器是一种能够 自动感应室内温度并将其控 制在设定范围的装置。当温度传感器感应到室内温 度偏离设定值后 ， 温控器就会 打开或关闭相应 的制 冷或供暖设备 ， 使室内温度基本稳定在设定值附近。 通常温控器内必须具备以下装置： 温度传感器， 用来 感应室 内温度的变化 ； 温度设定装置 ， 用来输入温度 设定值 ； 执行器 ， 通常是一个开关 ， 用来打开或关闭 制冷 、 供暖设备。在夏季工况下 ， 温控器控制室内温 度的过程见图 1 。 设备启动温度 设备启动温度( C u t i n P o i n t ) 指温控器启动制 冷、 供暖设备时的室内温度。 设备停止温度 81 维普资讯 http:/ 第2 7 卷第5 期 煤 气 与 热 力 W W W w a t e r g a s h e a t c o m A 设备启动温度 B 设备停 止温度 C 最低室内温度 D 最高室 内温度 图 1 夏季工况下温控器控制室 内温度过程 F i g 1 C o n t r o l p r o c e s s o f i n d o o r t e mp e r a t u r e b y t h e r mo s t a t u n d e r s l i mme r c o n d i t i o n 设备停止温度 ( C u t o u t P o i n t ) 指温控器关闭制 冷、 供暖设备时的室内温度 。 周期率 周期率( C y c l e R a t e ) 指制冷、 供暖设备在某一时 间段 中启停 的频率 ， 周期率通常用每 1 h内制冷、 供 暖设备启动次数表示。 温度容差 温度容差( T e m p e r a t u r e D i f f e r e n t i a 1 ) 是设备启动 温度与设备停止温度之差的绝对值 。 过冲温差 以夏季工况为例 ， 室内温度升至设备启动温度 后 ， 虽然制冷设备 已经启动 ， 但 由于惯性作用室内温 度还会上升一定范围， 最高室 内温度 与设备启动温 度之差称为过冲温差( S y s t e m O v e r s h o o t ) 。 滞后温差 以夏季工况为例， 室内温度下降到设备停止温 度后， 虽然制冷设备已经停止运行， 但由于惯性作用 室内温度还会下降一定范围， 最低室内温度与设备 停止温度之差称为滞后温差( S y s t e m L a g ) 。 温度波动 温度波动( T e m p e r a t u r e S w i n g ) 是 由温控器控制 的最高室内温度与最低室 内温度之差。温度波动即 温度容差 、 滞后温差与过冲温差三者之和。 控制点偏移 控制点偏移( D r o o p ) 指室内负荷变化时， 温度 控制点( 室 内平均温度) 偏离设定值的情况。将 2 0 负荷下的温度控制点与 8 0 负荷下的温度控 制点之间的温度差定义为控制点偏移。 2 温控 器的辅助控制功 能 通断控制是温控器的最基本 的控制形式。温控 器的通断控制 由设备启动温度和设备停 止温 度决 定 ， 只有全开、 全关两种状态。全开状态是室内温度 到达设备启动温度 ， 全关状 态是室 内温度达到设 备 停止温度。除通断控制外 ， 还有一些辅助控制功能 以提高温控器 的控制性能， 包括周期率控制 ( C y c l e R a t e C o n t r o 1 ) 、 补偿控制( A n t i c i p a t o r C o n t r o 1 ) 和容差 控制( D i f f e r e n t i a l C o n t r o 1 ) o 周期率控制 周期率与舒适性、 室内温度波动及设备使用寿 命有着密切关系， 因此许多温控器都采用了周期率 控制。 补偿控制 由于空气具有较大的热惰性， 而且温控器的传 感器通常封装在温控器的外壳内， 因此传感器感应 的室内温度会滞后于实际的室内温度 ， 会产生滞后 温差和过冲温差。补偿控制使温控器在室内温度还 没有达到设备启动温度 ( 或设备停止温度 ) 之前就 开启( 或关闭) 制冷、 供暖设备， 以降低室内温度波 动。 容差控制 有些可编程式的温控器可直接调整温度容差 ， 通常温控器的温度容差为 2 2 ， 用户可 以调整 的 步长一般为 0 3 。 3 设计中应注意的问题 温度波动的确定。由于不同用户会有不同 的生活习惯及各 自的热舒适要求 ， 而且每个用户所 选用制冷、 供暖设备的性能和使用要求也不尽相同， 因此很难确定一个通用 的温度 波动 同时满足舒适 性、 设备寿命和节能的要求。 性能优越的温控器能够对微小的不足以使用户 感到不适的温度变化 (4 - 0 5) 做出响应 ， 可在维 持舒适性、 提高设备使用效率、 延长设备使用寿命及 节约能源之间求得平衡。应 当指 出的是 ， 对微小温 度变化做出反应并不意味着使室内温度精确地维持 在设定温度， 因为这样会导致设备频繁启停 ， 从而缩 短设备的使用寿命 。同样 ， 也不能只从保护设 备的 角度出发 ， 而忽略舒适性要求。 过冲温差和滞后温差产生的原因以及消除 方法。过冲温差由室内空气和其他物体的热惰性形 成， 滞后温差反映一个房间在制冷设备关闭后， 剩余 冷量造成室内温度的温降。设计中通常采用热补偿 的方法来消除过 冲温差和滞后温差 ， 当需要制冷设 8 2 维普资讯 http:/ 张瑞权， 等： 室内温控器的控制过程及设计 第2 7卷第5期 备启动时， 热补偿起作用使温控器在还 没有达到设 备启动温度时提前启动制冷设备 ， 从而减小或消除 过冲温差 。热补偿也能够在室内温度到达设备停止 温度以前就停止制冷设备 的运行。因此 ， 热补偿能 够减小或消除滞后温差。对于供暖的情况也是同样 的道理。 上面关于过冲温差和滞后温差的定义是在设定 温控器的传感器没有滞后的理想情况下做出的， 实 际上 ， 由于温控器的机械设计、 软件设计以及安装位 置的影响 ， 温控器 的传感 器感应到室 内温度变化滞 后于实际室 内温度的变化 ， 这也会造成过冲温差 和 滞后温差的产生。 温度波动、 设定温度 、 设备启动次数及舒适 性之间的关系。在夏季 ， 如果空调房间室 内温度波 动过大 ， 即当室内最高温度超过设定 温度达 到某一 温度时 ， 用户会感 受到温度差异 ( 假定设 定温度是 用户最满意的舒 适温度 ) 。很 明显 ， 如果温度 差异 过大 ， 就会导致用户通过 降低设定 温度来消 除这种 不适 。因此 ， 温度波动过大会导致用 户降低设定温 度 ， 导致能耗增加。同样 ， 冬季温度波动过大会导致 设定温度的升高。 温度波动会随着设备启 动次数 的增加而降低 ， 随着设备启动次数的减小而升高。设备启动次数的 减小有利于制冷( 或供暖) 设备延长使用寿命 ， 但过 小的设备启动次数会导致温度波动的增 大， 从 而影 响到舒适度。因此 ， 应合理选择适 当的设备启动次 数， 使得在满足室内舒适性要求的同时， 也保证制 冷 、 供暖设备的启停不过于频繁。设备启动次数影 响室内温度波动 、 舒适性