冬季穩(wěn)定人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的新方法

王喜良，張泠，羅勇強(qiáng)，謝磊，吳靜，徐秀，呂曉慧

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410082)

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冬季穩(wěn)定人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的新方法

王喜良，張泠，羅勇強(qiáng)，謝磊，吳靜，徐秀，呂曉慧

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410082)

人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對溫度的控制精度低于工藝性環(huán)境要求，但冬季若采用分體式空調(diào)制熱模式控制，實(shí)驗(yàn)室溫度的波動范圍過大，影響采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。提出冬季采用空調(diào)制冷模式聯(lián)合電取暖器穩(wěn)定人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的新方法，在背景實(shí)驗(yàn)中將新方法和傳統(tǒng)空調(diào)制熱溫度控制方法進(jìn)行對比，結(jié)果表明：采用新方法能大幅度提高人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)房間溫度的穩(wěn)定性。為對新方法中空調(diào)的設(shè)定制冷溫度與電取暖器功率匹配問題做進(jìn)一步研究而進(jìn)行探究試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：空調(diào)制冷量Q1、測試房間熱負(fù)荷Q2、電取暖器功率Q3和測試房間其他設(shè)備功率Q4存在匹配關(guān)系，當(dāng)空調(diào)設(shè)定溫度相同時，|Q1+Q2-Q3-Q4|值越小，人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度波動頻率越穩(wěn)定，振幅越小。

溫度控制；空調(diào)制冷模式；電取暖器；匹配；冬季工況

隨著社會的發(fā)展和人民居住條件的不斷提高，建筑能耗急劇增長。據(jù)統(tǒng)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(xù)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(shí)施建筑節(jié)能，是可持續(xù)發(fā)展亟待研究解決的重大課題[2-3]。專家學(xué)者紛紛投入到建筑節(jié)能新技術(shù)研究中[4-8]，一般通過搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。陳友明等[9]、Zhou等[10]通過搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對夏熱冬冷地區(qū)通風(fēng)式雙層皮幕墻VDSF(ventilated double skin facades)自然通風(fēng)實(shí)驗(yàn)研究與優(yōu)化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；Diaconu等[11]通過搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對雙層定型相變墻體的房間進(jìn)行了全年運(yùn)行能耗分析研究;柳鵬鵬等[12]通過搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對一種新型雙層定型相變墻體節(jié)能效果分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究;李安邦等[13]通過搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對內(nèi)嵌管式輻射地板的頻域熱特性分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。一般在人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)需要控制房間溫度在一定范圍內(nèi)，在夏季，分體式空調(diào)制冷模式可以將人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度的波動范圍控制在較小范圍內(nèi)，但是在冬季，采用分體式空調(diào)控制時，其溫度控制原理為單片機(jī)通過溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)[14]，對人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。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(jī)頻繁開啟，系統(tǒng)設(shè)定的溫度范圍較大，導(dǎo)致人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度波動范圍較大，影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。在夏季和冬季，雖然精密空調(diào)可以將人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度的波動范圍控制在較小范圍內(nèi)，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(nèi)空氣溫度控制為絕對穩(wěn)定，室內(nèi)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(nèi)溫度穩(wěn)定方法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是振幅較小且頻率穩(wěn)定。在冬季，為控制人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度穩(wěn)定，提出冬季穩(wěn)定人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的新方法，采用空調(diào)制冷模式聯(lián)合電取暖器控制人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度穩(wěn)定，新方法操作方便成本低，易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)房間溫度穩(wěn)定性較好。

1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺簡介

實(shí)驗(yàn)房間位于為湖南大學(xué)除塵樓四樓樓頂，房間外部尺寸為2.6 m×2.6 m×2.6 m，內(nèi)部尺寸為 2 m×2 m×2 m，測試房間如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：電腦、溫度傳感器、無紙記錄儀，分體壁掛式家用空調(diào)器一臺，室內(nèi)機(jī)尺寸0.21 m×0.745 m×0.25 m，室外機(jī)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(shè)備散熱功率之和為100 W。

圖1 測試房間

溫度傳感器測點(diǎn)布置如圖2和表1所示，型號為PT100，精度為0.3，測試之前進(jìn)行誤差校正。溫度傳感器上包裹一層錫箔紙，防止輻射對測點(diǎn)溫度產(chǎn)生影響。

圖2 溫度測點(diǎn)的布置

表1 溫度測點(diǎn)編號

1.2 房間負(fù)荷計算

首先計算房間最大熱負(fù)荷，因出現(xiàn)在夜晚，無朝向修正率，富余系數(shù)取為1.2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)根據(jù)實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[15]確定。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量計算公式如下：

Qj=AjKj(tR-to.w)a

(1)

式中：Qj為j部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量，W；Aj為j部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面積，m2；Kj為j部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2.℃)；tR為冬季室內(nèi)計算溫度，℃；To,w為采暖室外計算溫度，℃；α為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度修正系數(shù)(北外窗為0.9，其余均為1)。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和面積列于表2。

表2 各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和面積

首先計算出各種不同組合下的房間最大熱負(fù)荷，將計算參數(shù)代入公式(1)，并將結(jié)果列于表3。

表3 不同試驗(yàn)的工作模式與房間最大熱負(fù)荷

2 背景實(shí)驗(yàn)

分別在2016-03-15和2016-03-16進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行實(shí)驗(yàn)B，第2天采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)D，無紙記錄儀記錄時間間隔為5 min。限于篇幅，僅對室內(nèi)、屋面、空調(diào)進(jìn)風(fēng)口、空調(diào)出風(fēng)口和東面墻體溫度變化進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖3為空調(diào)制冷聯(lián)合電取暖器和空調(diào)制熱兩種實(shí)驗(yàn)條件下室內(nèi)溫度逐時變化規(guī)律。室內(nèi)空氣溫度有測點(diǎn)b和c，取兩個測點(diǎn)的平均值作為室內(nèi)空氣溫度。由圖3可知，當(dāng)空調(diào)為制熱模式，空調(diào)溫度設(shè)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(wěn)定。從曲線可以看出，上端點(diǎn)分布稀疏，下端點(diǎn)分布密集，因室內(nèi)外溫差較大，向室外傳遞的熱量較多，溫度下降較快，點(diǎn)分布稀疏；隨著室內(nèi)空氣溫度不斷降低導(dǎo)致室內(nèi)外溫差變小，傳遞的熱量不斷減少，室內(nèi)空氣溫度降低較慢，下部點(diǎn)就較密集。當(dāng)空調(diào)為制冷模式溫度設(shè)定18 ℃聯(lián)合功率為1 200 W電取暖器時，室內(nèi)空氣溫度最大值與最小值相差為5 ℃，波動頻率較為穩(wěn)定?？照{(diào)溫度傳感器值達(dá)到設(shè)定值時，空調(diào)開始制冷，低于空調(diào)溫度傳感器設(shè)定值時空調(diào)關(guān)閉。電取暖器始終處于開啟狀態(tài)，室內(nèi)空氣溫度不斷升高，再次達(dá)到設(shè)定值時，空調(diào)重新開啟工作，如此不斷循環(huán)工作。

圖3 實(shí)驗(yàn)B和實(shí)驗(yàn)D條件下室內(nèi)空氣溫度逐時變化規(guī)律

圖4、圖5分別為屋面以及室內(nèi)東墻溫度逐時變化規(guī)律。由圖4和圖5可知，空調(diào)為制熱模式時，屋面以及室內(nèi)東墻溫度波動幅度比空調(diào)為制冷模式聯(lián)合電取暖器時大?？照{(diào)制熱模式時，從13:00后隨著室外溫度不斷升高，屋面和東外墻的溫度有明顯的提高；空調(diào)制冷模式聯(lián)合電取暖器時，屋面和東墻的溫度隨室外溫度升高略有升高。說明空調(diào)為制熱模式時，室外溫度變化對屋頂和墻面的影響比采用新方法時大。

圖4 實(shí)驗(yàn)B和實(shí)驗(yàn)D條件下屋面溫度逐時變化規(guī)律

圖5 實(shí)驗(yàn)B和實(shí)驗(yàn)D條件下東墻溫度逐時變化規(guī)律

圖6、圖7分別為空調(diào)回、出風(fēng)口處溫度逐時變化規(guī)律?？照{(diào)為制熱模式時，回、出風(fēng)口的溫度波動范圍較大且振幅不穩(wěn)定。隨著室外溫度的不斷升高，空調(diào)回風(fēng)口和出風(fēng)口溫度有有所升高，但升高幅度不大。采用新方法時空調(diào)回風(fēng)口和出風(fēng)口的溫度自始至終波動較為穩(wěn)定，幾乎不受室外溫度的變化影響。

圖6 實(shí)驗(yàn)B和實(shí)驗(yàn)D條件下空調(diào)回風(fēng)口溫度逐時變化規(guī)律

圖7 實(shí)驗(yàn)B和實(shí)驗(yàn)D條件下空調(diào)出風(fēng)口溫度逐時變化規(guī)律

由圖3～7可以看出，由室內(nèi)空氣、屋面、空調(diào)進(jìn)風(fēng)口、空調(diào)出風(fēng)口和室內(nèi)東墻溫度的對比，將溫度波動列于表4。

表4 實(shí)驗(yàn)B和實(shí)驗(yàn)D中不同測點(diǎn)溫度最大值與最小值的差值

由表4可知，在空調(diào)制冷模式聯(lián)合電取暖器控制和空調(diào)制熱工作模式下，通過對室內(nèi)空氣溫度、屋面溫度、回風(fēng)口溫度、進(jìn)風(fēng)口溫度和室內(nèi)東墻溫度進(jìn)行比較得到：采用新方法控制實(shí)驗(yàn)房間溫度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的空調(diào)制熱控制，使溫度的波動范圍小，頻率更穩(wěn)定。

3 探究試驗(yàn)

為進(jìn)一步探究空調(diào)制冷模式聯(lián)合電取暖器的最佳匹配控制方案，在背景實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用新方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)A、實(shí)驗(yàn)C、實(shí)驗(yàn)E、實(shí)驗(yàn)F和實(shí)驗(yàn)G。實(shí)驗(yàn)測得空調(diào)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、室外空氣、地面、屋頂、室內(nèi)南外墻和室內(nèi)空氣溫度，僅對室內(nèi)空氣溫度進(jìn)行處理分析。

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

圖8 實(shí)驗(yàn)A、B和C條件下室內(nèi)空氣溫度逐時變化規(guī)律

圖9中3種實(shí)驗(yàn)中空調(diào)均為制冷模式，溫度均設(shè)定16 ℃，E實(shí)驗(yàn)電取暖器功率為800 W、F實(shí)驗(yàn)電取暖器功率為1 200 W和G實(shí)驗(yàn)電取暖器功率為1 600 W。E實(shí)驗(yàn)中室內(nèi)空氣溫度的振幅和頻率均不穩(wěn)定。F實(shí)驗(yàn)中室內(nèi)空氣溫度自始至終溫度的波動都較為穩(wěn)定，波動范圍為14.5～18 ℃。實(shí)驗(yàn)G中看出室內(nèi)空氣溫度的波動為15～17.5 ℃，頻率穩(wěn)定且振幅均勻，此種匹配下溫度控制最為理想。

圖9 實(shí)驗(yàn)E、F和G條件下室內(nèi)空氣溫度逐時變化規(guī)律

將不同實(shí)驗(yàn)工作模式下對應(yīng)的各種負(fù)荷及相應(yīng)的室內(nèi)空氣溫度波動列于表5。

表5 不同實(shí)驗(yàn)工作模式下對應(yīng)的各種負(fù)荷及相應(yīng)的室內(nèi)空氣溫度最大值與最小值的差值

當(dāng)空調(diào)設(shè)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(yīng)的值分別為2 981.5、2 430、2 030 W，此時室內(nèi)溫度的波動范圍為7、5、3.5 ℃?？梢钥闯鲭S著| Q1+Q2-Q3-Q4|不斷減小，室內(nèi)空氣溫度的波動逐漸變小。當(dāng)空調(diào)溫度設(shè)定為16 ℃，電取暖器功率分別為800、1 200、1 600 W時，室內(nèi)空氣溫度的波動也呈現(xiàn)上述規(guī)律。當(dāng)空調(diào)為制冷溫度設(shè)為16 ℃、電取暖器功率為1 600 W時，室內(nèi)溫度波動頻率穩(wěn)定，振幅最小僅2.5 ℃。

4 結(jié) 論

提出冬季穩(wěn)定人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的新方法，即空調(diào)為制冷模式聯(lián)合電取暖器控制。主要結(jié)論如下：

1)在冬季采用新方法控制人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度時，室內(nèi)空氣溫度波動范圍小，頻率穩(wěn)定，控制效果較為理想，而且操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

2)在6組對比試驗(yàn)中，采用新方法時,當(dāng)空調(diào)為制冷模式、溫度設(shè)定16 ℃，電取暖器功率1 600 W時，人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣溫度波動頻率穩(wěn)定，振幅最小僅為2.5 ℃。

3)空調(diào)制冷量Q1、測試房間熱負(fù)荷Q2、電取暖器功率Q3和測試房間其他設(shè)備功率Q4存在匹配關(guān)系，當(dāng)空調(diào)設(shè)定溫度相同時，| Q1+Q2-Q3-Q4|值越小，人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度波動頻率越穩(wěn)定，振幅越小。

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(編輯 胡英奎)

A method of stabilizing temperatures in artificial environment experiment chamber in winter conditions

Wang Xiliang, Zhang Ling, Luo Yongqiang, Xie Lei, Wu Jing，Xu Xiu, Lyu Xiaohui

(School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, P. R. China)

The temperature control precision demand in artificial environment experiment chamber was lower than the demand in technical environment. If the heating mode of split air conditioner was adopted to control temperatures in chamber in winter conditions, the fluctuation scale of the temperatures in the chamber was too large, which affected the accuracy of data recording. A new method was proposed to stabilize temperatures in artificial environment experiment chamber in winter conditions combing cooling mode of the split air conditioner with an electric heater. In the background experiment, the new method and the control method of heating mode of traditional air conditioning were compared and the results showed that the new method could greatly improve the temperatures stability in the artificial environment experiment chamber. A series of additional experiments were implemented to further study the relationship between the temperature setting of air conditioner in cooling mode and the power of heater. The experimental results showed that there was a matching relation among the cooling capacity of air conditionerQ1, heating load of the testing roomQ2, power of electric heaterQ3, and the power of other equipment in the testing roomQ4. The air temperature fluctuation in artificial environment experiment chamber was more stable and smaller, when the absolute value ofQ1+Q2-Q3-Q4was lower under the same setting temperature of air conditioner in cooling mode.

temperature control; cooling mode of air conditioning; heater; match; winter conditions

2016-05-27

國家自然科學(xué)基金(51578221)

王喜良(1991-)，男，主要從事太陽能光伏建筑一體化研究，(E-mail)wangxiliang111@126.com。

張泠(通信作者)，女，教授,博士生導(dǎo)師，(E-mail)lingzhang@hnu.edu.cn。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No. 51578221)

TU831.3

A

1674-4764(2016)04-0033-06

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.04.006

Received:2016-05-27

Author brief：Wang Xiliang (1991-), main research interests:building integrated solar photovoltaics, (E-mail) wangxiliang111@126.com.

Zhang Ling(corresponding author), professor, doctoral supervisor, (E-mail) lingzhang@hnu.edu.cn.