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摘要：建筑节能的关键在于减少围护结构的热交换，窗户是建筑物外围护结构中热交换、热传导最活跃部位。基于静止气体导热系数远低于固体的这一特性，本文提出了一个空调房间节能的气流组织策略，通过控制空调送风的强度，形成静止的空气间隙，减少经由窗户的热交换，在此基础上，设计了一个空调房间模糊气流控制系统，实验结果表明了该方案的有效性。
关键词：空调房间;节能;气流组织策略;模糊控制
1引言
建筑外围护结构中，窗户的保温隔热能力较差，是建筑物热交换、热传导最活跃的部位。随着窗墙比增大(窗户面积与窗户面积加上外墙面积之比)，空调的负荷会急剧增加，窗墙比值每增大0.15，负荷要增加16.8%。窗墙比达到0.9(相当全玻璃幕墙结构)时，窗户负荷占去外围护结构(墙与窗户)负荷的96.7%，与窗墙比为0.45相比，负荷增加了50.3%；由此可见，窗墙比过大或采用玻璃幕墙作为外围护结构，具有采光充足等优点，但是带来的空调能耗问题却不容忽视。目前单层玻璃窗较为常用，单层玻璃窗的传热系数较大，不利于隔热节能，针对性的节能措施大多是对玻璃材料隔热性能的改进。本文从室内空气气流流型和速度场对空调房间能耗的影响进行研究。基于上述思想，搭建一套室内多点气温测量与空调控制的计算机控制系统，控制空调工作状态，在保证环境舒适的同时，实现空调的节能。
2气流组织策略研究
经空调系统处理的空气从送风口进入房间，与室内空气进行热交换后从回风口排出，这一过程引起室内空气的流动，从而形成气流流型和速度场。侧面送风能满足房间对射流扩散、温度衰减、速度衰减的要求，是空调工程中最常见的一种空调房间的气流组织形式。
采用空气诱导器的侧面送风方式，侧面送风时在室内形成大回旋涡流，从空调送风口吹出的冷气随着风速的提高，强制对流作用增大，若风力过大，冷气流直接接触窗户，将加快热交换速度，造成能量的迅速流失，加重空调的负荷。控制空调室内气流强度(包括温度和速度)，送风射流在到达窗户前就形成回流，使窗户与空调工作区之间形成不参与工作区气流流动的空气间隙，空气间隙内的动量与热量交换缓慢，因而热阻增加，在空间上形成传热缓冲带，减缓能量流失速度。
3空调气流强度控制系统设计
通过对室内热环境分析可知，气流强度及气流的温度的变化对空气间隙的温度变化影响很大，气流强度增加，气流的温度较低，则温度下降，反之温度上升。为了使空调房间的玻璃窗前形成一个空气流动缓慢的气隙，传热缓冲带和空调工作区的交界处和空调工作区分别放置温度传感器，控制系统根据检测到的温度值来调整空调吹出气流的强度。
空调是本系统的最终执行机构，计算机通过控制继电器动作来切换空调的几个状态:风速的高低、制冷压缩机的开启与关闭、风扇导向扇的开关以及电源的闭合与切断。
3.1控制系统的硬件设计
系统总体结构主要由四部分组成:工控机，多个智能温度检测及信号调理电路，空调继电器控制电路，RS-485数据通信网络。本系统有多个温度采集点，分布在室内的不同地点，将温度检测电路定期采样的温度值，经由RS-485网络传输给计算机。
3.2控制器设计
空调空间的气流基本上都是湍流流动，由于湍流方程组无精确解，且湍流的三种数值计算方法(直接模拟、大涡模拟及Reynold方程)给出的计算公式也不是完全可靠，因此基于数学模型对温度场边界因传热引起的气流状态进行控制有很大的局限性。模糊控制作为一种处理在不确定性环境中不易建立数学模型的系统控制方法，只需了解掌握过程的机理，并结合操作经验便能对此类过程进行很好的定量控制，应用于空调控制中具有优越性。
选用二维输人、单输出结构模式的模糊控制器。模糊控制器的输入变量分别为温度偏差E和偏差变化率EC,E的基本论域为[-8,8],EC的基本论域为[-4,4]，两者的离散域为[-6，-5，-4，-3,-2，-1,0,1,2,3,4,5,6]，量化因子分别为=6/8,=6/4，两者的语言值分别取为{下限NCE,负大NBE、负小NSE、零IE、正小PSE、正大PBE、上限PCE}“负”表示温度低于预设值，“正”表示温度高于预设值；{负大NBS、负中NMS、负小NSS、零ISS,正小PSS、正中PMS、正大PBS}，“负”表示温度下降，“正”表示温度上升。输出量为控制变量u，其基本论域为[-6,6]离散域为[-8，-7，-6，-5，-4,-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8]，输出控制量的比例因子=6/8，语言值为{强冷CY、弱冷BY、强风MY、弱风SY,零IY}，隶属函数采用三角形对称隶属函数，均匀分布在整个论域上，重合度为30%。
当空调工作区采样的温度值高于或低于温度设定值3℃时，空调相应工作在强冷或零状态;当温差E在3℃以内时，为确保形成隔热缓冲区，防止超调，减少室内温度波动，以弱冷或关掉压缩机，通过风扇的强、弱风将室内热交换器中的余冷吹出继续进行热交换。此阶段系统以空调工作区内采样的温度平均值与温度设定值的偏差来进行控制。
4实验研究
实验环境是一个带有玻璃幕墙结构的房间，朝南方向有一单层玻璃铝合金窗，窗墙比为0.75，其余三面为砖墙结构，房间顶为钢筋混凝土结构，测试用空调的制冷量为3600W。在空调器的室内热交换器位置放置温度传感器，为防止温度过低出现结霜，同时又要避免频繁启动压缩机，因此当室内热交换器处的温度低于-8℃时，压缩机停止工作，温度高于2℃压缩机开始工作。并且考虑到制冷压缩机停机3分钟内再次启动会影响其使用寿命，所以程序强化了对这一情况的监控和处理，在数据文件中存储了前一次的关机时间，在每次开动压缩机前进行时间判断，如果未到3分钟，则根据当时情况进行其他控制处理。
考虑房间舒适性要求，不能单纯以温度为唯一调节目的，所以必须限制使用强风和强冷这类使人体感觉不适的控制量。由此进行调试得到的温度特性曲线如下，试验时间为10:30，设定调节温度为27℃，如图1所示
图1实时温度控制曲线
从图中看到，房间在强冷作用下，很快进人预定温度范围，从30℃到达27℃使用了约为5分钟，进人预定温度范围后，长时间运行都保持在稳定状态。系统稳定后，A、C点的温度比较接近，基本上以27℃为中心波动，波动范围为1.7-2.O℃，即正向最大误差为0.7℃，负向最大误差1.0℃；B点温度与它们也仅相差0.7-1.O℃，基本上以27.7℃波动，波动范围仅为1.1-1.4℃。并且整个调温过程中，强风和强冷的出现次数极少。
5结论
在本文所设计系统的控制下，空调运行稳定，房间在强冷作用下，很快进人预定温度范围，从30℃到达27℃使用了约5分钟，进人预定温度范围后，长时间运行都保持在稳定状态，并形成了预设定的气流缓慢的空气间隙，节电效果明显，验证了本文所提方案的有效性。此外，在系统受到外界干扰时，模糊控制器能以较快的速度使系统达到稳定状态，实验结果表明，模糊控制算法有较强的适应性，能够使系统很快地达到稳定状态，并以较小的能耗保持室内温度稳定。
参考文献
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