基于传感器测量实现HVAC系统性能的准确性和可重复性

加热，通风和空调（HVAC）系统使用传感器来调节机电设备的运行。运行该设备通常以代表每月电费很大一部分的速率消耗能量。当外部温度降至室温以下时，加热负荷增加。相反，当外部温度升高到室温以上时，冷却负荷增加。

仅使用干球温度测量值来确定控制决策的系统已过时，应基于传感器测量值的组合由控制系统代替，以实现最佳的乘员舒适度并降低加热或冷却结构的成本。在这些设计中，在温度和湿度感测组件中使用最新技术产品可以帮助提高性能。本文的目的是提供这些传感器在HVAC系统中的位置，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（图1）。它们位于送风管道，外部和回风管道以及恒温器控制单元中。这些传感器（模拟或数字）提供原始数据，控制器可根据这些原始数据计算和管理系统的整体性能。

图1这是基本的HVAC系统的布局。资料来源：德州仪器（Texas Instruments）

HVAC系统的整体效率取决于传感器的固有准确性和可重复性。通过确保HVAC系统的机械运行（风扇，减震器和加湿器）在准确的时间和最少的时间内运行，从而显着提高性能，从而减少了系统的总体功耗，从而降低了能源成本。

图1所示的原始技术包括无源器件，例如负温度系数（NTC）热敏电阻和电阻温度检测器（RTD）。两种设备在老化时都易于漂移。尽管RTD的线性度很高，但NTC热敏电阻不是线性的，并且需要进行斜率和失调校正才能达到任何实际精度。这使得NTC热敏电阻难以制造。

与基于硅的正温度系数（PTC）热敏电阻传感器相比，RTD随着时间的流逝变得非常不可靠，后者可以由与RTD相同或相似的单个激励电流源驱动。这些PTC传感器也可以像NTC热敏电阻一样进行电压偏置。PTC设备具有与RTD相同的线性度，但是如果不随时间进行校正，则不会出现相同的重复和累积漂移。在这里，提高的传感器精度和可靠性可以为干球测量用例增加价值。

单经济型和双经济型HVAC

如图1所示，使用仅在外部具有温度传感器，回风和混合空气的系统时，存在一个缺点。例如，在阴雨天，外部空气的湿度会被带入。为了使空气除湿，这将需要额外的冷却能力。但是因为温度传感器无法检测到这种情况，所以控制器没有意识到，将相对湿度检测添加到与温度传感器相同的位置可以解决此问题。

因此，HVAC可以安排为单或双焓节能器系统，分别如图2和图3所示。从％RH传感器到主控制器的附加输入使其可以在完成环境控制的同时更好地管理能耗。

图2单经济型HVAC系统使用了一个结合了焓的传感器模块，可以接触到室外空气。资料来源：德州仪器（Texas Instruments）

图3双节能器HVAC系统在回风路径中增加了第二个节能节能器传感器。资料来源：德州仪器（Texas Instruments）

焓是热力学性质，不能直接测量。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非常重要。计算误差是各个传感器精度和公差的组合，应尽可能小。

单经济型HVAC系统使用组合式焓传感器模块，可接触室外空气。省煤器的目的是在可能的情况下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，使湿度较低时可以在较高温度下使用室外空气，以对空气进行免费冷却。

当用户调整恒温器设定点时，HVAC控制器将混合空气控制回路从室外切换为以预设的室外风干球温度返回空气。在单个焓值节省器系统中，HVAC控制器模块将根据温度和湿度数据计算出的焓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。

在大多数气候条件下，使用单节能器HVAC系统将焓值替代干球温度，可以降低制冷成本。并且，尽管这些系统有效并且相对于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会增加数据的另一个测量位置，从而有机会提高系统效率。

双节能器HVAC系统在回风路径中增加了第二个节能节能器传感器。当用户调整恒温器设定点时，或者当混合空气温度超过预设范围或设定点时，具有较低焓值的空气（来自室外或回风）将被带入空气调节器的调节部分。

这是一种控制室外空气使用量的非常有效的方法，因为回风和室外空气的比较是连续不断的，并且全年自动进行。此外，它消除了用户记住或知道如何进行所需设定值更改的需要，从而消除了操作员的错误。在比回风更高的温度下冷却室外空气可能看起来很浪费，但是这种节省是可以证实的，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。

在大量产生湿气的建筑物中，例如厨房或淋浴间，与仅使用干灯泡上限的方法相比，这种控制顺序可以节省大量成本。使用焓模块意义重大，因为在显热温度开始降低之前，空调系统约50％的制冷能力用于通过去除潜热来对空调空气进行除湿。

焓计算

在HVAC应用程序中，焓源自：

使用模拟或数字传感器直接测量的环境温度

混合比X，以每千克千焦耳或每磅英制热量单位（BTU）为单位

大气常数

相对湿度测量

通过使用单个数字温度和湿度传感器的数据，可以直接在微控制器（MCU）上计算焓（h）。

对于HVAC应用通常运行的温度范围，表1列出了在公式6中使用的推荐常数A（压力），m（质量）和Tn（温度）。

表1计算P ws的常数一个米n最大误差温度范围

6.1164417.591386240.72630.083％-20°C至+ 50°C

单个焓计算示例从使用从传感器收集的温度和湿度数据开始。在下面列出的示例计算集中，从传感器组合返回的测得温度为25°C，相对湿度为52％RH。

求解P WS = 31.67450264 hPa

求解P W = 16.47074137 hPa

X的求解= 10.28032832 g / kg

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

此数学运算发生在本地MCU内部。MCU确定室外空气是高于还是低于选定的设定点，然后向4-20上的逻辑模块发送4-mA信号（不节能）或20-mA信号（节能）。 mA电流环路，返回主控制器。

当从控制器或商用恒温器发出冷却指令时，节能器逻辑模块会将上面计算的值（h1，室外焓）与预先选择的设定点控制曲线进行比较，如表2所示。安装人员根据地理气候选择控制曲线；安装的冷却设备类型；乘员舒适度；并控制湿度，这将防止高湿度引起的室内空气质量问题。

表2控制曲线设定点

控制曲线控制点

（大约温度@ 50％RH）

一个73°华氏度/ 23°C

乙70°F / 21°C

C67°华氏度/ 19°C

d63°华氏度/ 17°C

单经济型HVAC系统确实需要建筑居住者或维修技术人员知道季节性的要求，以便进行设置更改或记住要根据季节条件对控制曲线设置进行实际更改。

双重焓计算

双重焓计算通过添加位于回风中的第二组传感器来构建单节油器示例，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， -空气温度传感器的范围或设定点，将具有较低焓（室外或回风）的空气引入空气调节器的调节部分。

如前所述，这是控制室外空气使用量的一种增强方法，因为回风和室外空气比较是实现最高性能的途径。从每小时千瓦时的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，从而可以节省更多成本。

如果h1 = 22.1327738 BTU / lb，则根据暴露在外界空气中的测得传感器的温度和湿度，为用户设定点计算焓。如果将这些计算与HVAC系统的总热量以及每分钟立方英尺（CFM）一起应用在公式中，请将其转换为千瓦时，然后将全国平均电费应用于该值。另外，确定解决温度设定点的时间以及系统进入空闲模式的时间，这将产生每个事件，一天或一个月操作系统的成本。

在此示例中，如果用户将恒温器设置为21°C并仅保留％RH，则焓将为17.914 BTU / lb。公式7表示总热量的公式：

假设CFM = 400，则每次用户降低温度时，在理想情况下，HVAC系统处理该请求大约需要2.23 kWh和大约7.6分钟。根据美国全国平均水平$ 0.139 / kWh，此请求的费用约为$ 0.04。乍一看听起来似乎不算是大笔费用，但它的确增加了成本。如果HVAC系统在外部气温和设定值较低的情况之间不断循环，那么一天可能会发生60次以上。

以每天$ 2.50美元计算，一个月内的费用总计为$ 75.14。插入不同的湿度设定点（在这种情况下，是较高的％RH）可以进一步降低成本。这就是设计完整的焓传感器的全部价值带给HVAC设计和系统的原因，因为板载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关闭了1°C。这样的不准确性将导致该系统的能源消耗“泄漏”近7％，这使每月的账单增加了5美元。如果％RH的偏差大于5％RH，则在％RH传感器侧也存在相同的成本泄漏。因此，至关重要的是为HVAC系统设计并提供传感器，使其在所需的水平上准确且可重复，以确保系统在整个生命周期内的性能均可靠。

具有RTD线性度的热敏电阻

TI的TMP61线性热敏电阻等器件可以由与RTD相同或相似的单个激励电流源驱动，也可以像NTC热敏电阻一样通过电压偏置来驱动。这些器件还具有与RTD相同的线性度，但是如果不随时间进行校正，则不会出现相同的重复和累积漂移，因为这些线性热敏电阻是基于硅的器件，相比之下它们根本不会移动。

TMP61热敏电阻的准确性，可靠性，低成本和一般灵活性为干球测量用例增加了价值。在设计或指定用于节能机的组件时，请考虑数字温度和相对湿度传感器（HDC1010，HDC1080，HDC2010，HDC2080，HDC2021，HDC2022），仅通过一个组合的传感器组件即可满足或超过大多数系统对焓的设计要求。

使用能够提供所需精度，精确度和可重复性的传感器非常重要，因为它们可以通过直接节省电费来为消费者增加实际价值，并通过可靠且一致的计算和决策来支持已安装的HVAC系统。

Josh Wyatt管理着德州仪器（TI）的温度和湿度感应应用团队。

编辑：hfy