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【摘 要】随着近年来人们生活水平的提高，空调的需求量也在不断的上升。空调用电负荷占我国电力负荷的较大比重。在首都北京，2007年夏季用电高峰负荷约为380万千瓦，约占整个北京用电量的40%。空调的能耗成了人们不可忽视的问题之一，所以对空调系统的节能和降低运行费用对国民经济的可持续发展有着重要的意义。
【关键词】空调 能耗 可持续发展
空调制冷技术的诞生是建筑技术史一项重大进步，它标志着人类从被动适应宏观自然气候发展到主动控制建筑微气候，在改造和征服自然的过程的又迈出了坚实的一步。但是对空调的依赖也逐渐成为建筑能耗增长的最主要的原因。制冷空调系统的出现为人们创造了舒适的空调环境，但20世纪70年代的全球能源危机，使制冷空调系统这一能源消耗大户面临严重考验，节能降耗成为空调系统设计的关键环节。据统计，我国建筑能耗约占全国总能能耗的35%，空调能耗又约占建筑能耗的50%～60%左右。由此可见，暖通空调能耗占总能耗的比例可高达22.75%。因此，建筑中的空调系统节能已成为节能领域中的一个重点和热点。于是降低空调能耗也被纳于建筑节能的任务中，如何更好的利用现在的空调技术服务人类同时又能满足建筑能耗的要求，是现阶段专业技术人员的工作要点。而空调设计方案的好坏直接影响着建筑环境的质量和节能状况。如何对空调设计方案进行科学的比较和优选，是空调设计人员在实际设计工作中经常遇到的一个重要技术难题。
1空调系统的结构
1.1空调系统的结构
图 1-1 中的 H1、T1、H2、T2、H3、T3 分别表示新风湿度传感器、新风温度传感器、送风湿度传感器、送风温度传感器、回风湿度传感器、回风温度传感器。由图 1-1 可以看到空调系统是由回风机、送风机、过滤器、盘管、加热器、加湿器、送风阀、回风阀、风道组成。盘管中夏天流动的是冷水、冬天流动的是热水，整个空气处理单元中只有一个盘管，每个盘管有一个进水管一个出水管，共两根，所以为两管制定风量空调系统。这种空调夏天主要的功能是降温、除湿，冬天的主要功能是升温、加湿。
以上的系统是定风量变露点的中央空调系统，定风量中央空调系统的特点是系统的送风量不变，通过改变送风的温度和湿度来满足空调房间的负荷要求。调房间内所需要的冷量（或热量）Q为： ，式中的、、、C、分别表示房间的温度、空调的送风温度、空气的密度、空气的比热容、送风量。
1.2空调系统的功能
（1）室内温度和相对湿度的控制
夏季时，由室内的湿度传感器控制盘管阀门的开度保证室内的湿度为 40%～80%，由室内的温度传感器控制盘管阀门的开度、加热器保证室内温度为 22℃～28℃；冬季时，由室内的湿度传感器控制蒸汽加湿阀的阀门，保证室内的相对湿度为 30%～60%，由室内的温度传感器控制盘管阀门的开度，保证室内温度为 16℃～24℃。对于定风量空调，它的节能都是以回风（或者室内）的温度或者湿度作为被调参量，根据测量值与给定值所产生的偏差，按照预定的调节规律，进行调节控制，保证温度和相对湿度能够保持在设定的范围之内。
（2）空气质量控制
在空调房间内安装空气质量传感器，用来保证空调区域的空气质量，当房间内的CO2和CO等气体的浓度升高时，相应的传感器就会发出信号，控制新风风门开度，用来增加进入空调房间的新风量；新风阀的最小开度的控制：对于新风阀的开度的控制主要是根据补偿新风以及房间内人员所需的新风量和保持室内正压所需风量两项中的最大值作为判断依据，从而保证进入房间的最小新风量，或者为了使室内空气的CO2浓度保持在设定范围，使新风阀保持最小开度。
（3）新风阀、回风阀、排风阀门控制
夏季工况时如果室外的焓值大于室内的焓值同时室外的干球温度也大于室内的干球温度，新风阀门的开度开到最小，按照最小新风量进行运行；冬季工况时如果室外的焓值小于室内的焓值，同时室外的干球温度也小于室内的干球温度，此时新风阀门也开到最小，按照最小新风量进行工作。一般是通过控制新风阀门和回风阀门的开度，保持室内温度在设定值，使系统在最佳的新风比下运行，从而达到节能目的。
（4）连锁功能：空调机组的启动连锁控制为
送风机、回风机、排风机、先启动然后开启新风阀、回风阀、排风阀；空调机组的停机连锁控制为：送风机、回风机、排风机停机然后关闭新风阀、回风阀、排风阀。对电动两通阀门和风机进行连锁控制，在风机不运行的情况下，电动的两通阀门应该处于关闭状态。当系统发生火灾是，应该同时关闭系统的新风机和回风机。
由以上的功能分析可得，空调系统的主要功能是调节房间的温度和相对湿度的功能，对于这两个变量的调节在无论在夏季还是在冬季在改变系统的温度的同时，由于空气的饱和含湿量与温度相关，在绝对湿度不变的情况下，系统的相对湿度改变了，同时在改变相对湿度的同时也会改变系统的温度。
1.3定风量空调温湿度控制系统的数学模型
1.3.1 感温元件的微分方程式
当空调房间中的湿度传感器检测到室内的相对湿度改变时，就会引起系统的加湿（或者减湿）的动作，其最终的结果也会引起室内的温度发生波动；当空调房间的温度传感器检测到房间内的温度发生变化时，室内空气中的水蒸气的饱和压力就会发生变化，在绝对湿度不变的情况下就会间接的改变房间的相对湿度，这样就会出现温度和湿度控制元件之间交替作用，使得系统房间的温度和湿度出现持续震荡情况，使得执行器持续不断的动作，影响执行器的使用寿命，同时耗费大量的能量。由此可以知道空调系统的温度和相对湿度控制回路之间存在着强烈的耦合关系，他们之间相互干扰、相互影响，因此仅仅考虑温度单变量的控制回路，忽略回路之间的耦合关系是远远不够的，解决空调系统温度和相对湿度之间的耦合关系并设计出相应的控制器对于空调系统的节能具有很重要的意义。
2.4节能指标
在实际的工程实践中，定风量空调系统夏季的降温除湿的工况下，空调浪费的主要的能量主要表现在为了使空调房间达到所设定的温度和相对湿度值所消耗的冷量和电加热器所消耗的热能，由前两节的分析可知，传统的定风量空调系统在夏季的降温除湿的工况下，系统极易发生震荡，这样就大大的浪费了冷量和电加热器所消耗的电能，从而浪费了大量的能量。因此，我们可以选用空调所耗的冷量和电加热器消耗的电能的多少作为系统的节能指标。
对于空调消耗的冷量和进出盘管的温差，以及流过盘管的冷水量有关，由于盘管进出口的温差相对固定，因此空调消耗的冷量就和流经盘管的冷水量有关，现在工程上所使用的盘管的阀门为直通调节阀，它具有等百分比流量特性，但是为了计算时简便运算，可以将它等效为直线流量特性，这样流经盘管的冷水量就和它的阀门开度成正比，又由于阀门的开度和控制器的输出电压成正比，因此就可以将空调消耗的冷量转换为控制器的电压输出和一个特定常数M的乘积，其中，C为冷水的比热容，为进出水的温差。
对于空调消耗的电能，主要是电加热器工作时候消耗的能量，因此可以将电加热器工作时消耗的总能量和空调消耗的总冷量作为系统的节能指标Q： （2.4）
3 结语
空调耗能是当前智能建筑总耗能的一个重要的组成部分，为了保证空调房间的温度和相对湿度能够被控制在一定的精度以内，暖通工程师采用单变量回路控制的方法，这种方法在单个回路运行时会很好的运行，但是多个回路同时工作时，就会出现能量大量浪费的情况，因此对空调系统控制过程进行分析，降低系统的能耗，对空调系统的节能具有重大的意义。
参考文献：
[1]李春旺.建筑设备自动化.华中科技出版社，2010.
[2]余志强.智能建筑环境设备自动化.北方交通大学出版社，2007.
[3]胡寿松.自动控制原理（第5版）.科学出版社，2007.
[4]杭和平.单片机原理与应用.机械工业出版社.2008.
[5]兰吉昌，51单片机应用设计百例，化学工业出版社，2009.
【关键词】空调 能耗 可持续发展
空调制冷技术的诞生是建筑技术史一项重大进步，它标志着人类从被动适应宏观自然气候发展到主动控制建筑微气候，在改造和征服自然的过程的又迈出了坚实的一步。但是对空调的依赖也逐渐成为建筑能耗增长的最主要的原因。制冷空调系统的出现为人们创造了舒适的空调环境，但20世纪70年代的全球能源危机，使制冷空调系统这一能源消耗大户面临严重考验，节能降耗成为空调系统设计的关键环节。据统计，我国建筑能耗约占全国总能能耗的35%，空调能耗又约占建筑能耗的50%～60%左右。由此可见，暖通空调能耗占总能耗的比例可高达22.75%。因此，建筑中的空调系统节能已成为节能领域中的一个重点和热点。于是降低空调能耗也被纳于建筑节能的任务中，如何更好的利用现在的空调技术服务人类同时又能满足建筑能耗的要求，是现阶段专业技术人员的工作要点。而空调设计方案的好坏直接影响着建筑环境的质量和节能状况。如何对空调设计方案进行科学的比较和优选，是空调设计人员在实际设计工作中经常遇到的一个重要技术难题。
1空调系统的结构
1.1空调系统的结构
图 1-1 中的 H1、T1、H2、T2、H3、T3 分别表示新风湿度传感器、新风温度传感器、送风湿度传感器、送风温度传感器、回风湿度传感器、回风温度传感器。由图 1-1 可以看到空调系统是由回风机、送风机、过滤器、盘管、加热器、加湿器、送风阀、回风阀、风道组成。盘管中夏天流动的是冷水、冬天流动的是热水，整个空气处理单元中只有一个盘管，每个盘管有一个进水管一个出水管，共两根，所以为两管制定风量空调系统。这种空调夏天主要的功能是降温、除湿，冬天的主要功能是升温、加湿。
以上的系统是定风量变露点的中央空调系统，定风量中央空调系统的特点是系统的送风量不变，通过改变送风的温度和湿度来满足空调房间的负荷要求。调房间内所需要的冷量（或热量）Q为： ，式中的、、、C、分别表示房间的温度、空调的送风温度、空气的密度、空气的比热容、送风量。
1.2空调系统的功能
（1）室内温度和相对湿度的控制
夏季时，由室内的湿度传感器控制盘管阀门的开度保证室内的湿度为 40%～80%，由室内的温度传感器控制盘管阀门的开度、加热器保证室内温度为 22℃～28℃；冬季时，由室内的湿度传感器控制蒸汽加湿阀的阀门，保证室内的相对湿度为 30%～60%，由室内的温度传感器控制盘管阀门的开度，保证室内温度为 16℃～24℃。对于定风量空调，它的节能都是以回风（或者室内）的温度或者湿度作为被调参量，根据测量值与给定值所产生的偏差，按照预定的调节规律，进行调节控制，保证温度和相对湿度能够保持在设定的范围之内。
（2）空气质量控制
在空调房间内安装空气质量传感器，用来保证空调区域的空气质量，当房间内的CO2和CO等气体的浓度升高时，相应的传感器就会发出信号，控制新风风门开度，用来增加进入空调房间的新风量；新风阀的最小开度的控制：对于新风阀的开度的控制主要是根据补偿新风以及房间内人员所需的新风量和保持室内正压所需风量两项中的最大值作为判断依据，从而保证进入房间的最小新风量，或者为了使室内空气的CO2浓度保持在设定范围，使新风阀保持最小开度。
（3）新风阀、回风阀、排风阀门控制
夏季工况时如果室外的焓值大于室内的焓值同时室外的干球温度也大于室内的干球温度，新风阀门的开度开到最小，按照最小新风量进行运行；冬季工况时如果室外的焓值小于室内的焓值，同时室外的干球温度也小于室内的干球温度，此时新风阀门也开到最小，按照最小新风量进行工作。一般是通过控制新风阀门和回风阀门的开度，保持室内温度在设定值，使系统在最佳的新风比下运行，从而达到节能目的。
（4）连锁功能：空调机组的启动连锁控制为
送风机、回风机、排风机、先启动然后开启新风阀、回风阀、排风阀；空调机组的停机连锁控制为：送风机、回风机、排风机停机然后关闭新风阀、回风阀、排风阀。对电动两通阀门和风机进行连锁控制，在风机不运行的情况下，电动的两通阀门应该处于关闭状态。当系统发生火灾是，应该同时关闭系统的新风机和回风机。
由以上的功能分析可得，空调系统的主要功能是调节房间的温度和相对湿度的功能，对于这两个变量的调节在无论在夏季还是在冬季在改变系统的温度的同时，由于空气的饱和含湿量与温度相关，在绝对湿度不变的情况下，系统的相对湿度改变了，同时在改变相对湿度的同时也会改变系统的温度。
1.3定风量空调温湿度控制系统的数学模型
1.3.1 感温元件的微分方程式
当空调房间中的湿度传感器检测到室内的相对湿度改变时，就会引起系统的加湿（或者减湿）的动作，其最终的结果也会引起室内的温度发生波动；当空调房间的温度传感器检测到房间内的温度发生变化时，室内空气中的水蒸气的饱和压力就会发生变化，在绝对湿度不变的情况下就会间接的改变房间的相对湿度，这样就会出现温度和湿度控制元件之间交替作用，使得系统房间的温度和湿度出现持续震荡情况，使得执行器持续不断的动作，影响执行器的使用寿命，同时耗费大量的能量。由此可以知道空调系统的温度和相对湿度控制回路之间存在着强烈的耦合关系，他们之间相互干扰、相互影响，因此仅仅考虑温度单变量的控制回路，忽略回路之间的耦合关系是远远不够的，解决空调系统温度和相对湿度之间的耦合关系并设计出相应的控制器对于空调系统的节能具有很重要的意义。
2.4节能指标
在实际的工程实践中，定风量空调系统夏季的降温除湿的工况下，空调浪费的主要的能量主要表现在为了使空调房间达到所设定的温度和相对湿度值所消耗的冷量和电加热器所消耗的热能，由前两节的分析可知，传统的定风量空调系统在夏季的降温除湿的工况下，系统极易发生震荡，这样就大大的浪费了冷量和电加热器所消耗的电能，从而浪费了大量的能量。因此，我们可以选用空调所耗的冷量和电加热器消耗的电能的多少作为系统的节能指标。
对于空调消耗的冷量和进出盘管的温差，以及流过盘管的冷水量有关，由于盘管进出口的温差相对固定，因此空调消耗的冷量就和流经盘管的冷水量有关，现在工程上所使用的盘管的阀门为直通调节阀，它具有等百分比流量特性，但是为了计算时简便运算，可以将它等效为直线流量特性，这样流经盘管的冷水量就和它的阀门开度成正比，又由于阀门的开度和控制器的输出电压成正比，因此就可以将空调消耗的冷量转换为控制器的电压输出和一个特定常数M的乘积，其中，C为冷水的比热容，为进出水的温差。
对于空调消耗的电能，主要是电加热器工作时候消耗的能量，因此可以将电加热器工作时消耗的总能量和空调消耗的总冷量作为系统的节能指标Q： （2.4）
3 结语
空调耗能是当前智能建筑总耗能的一个重要的组成部分，为了保证空调房间的温度和相对湿度能够被控制在一定的精度以内，暖通工程师采用单变量回路控制的方法，这种方法在单个回路运行时会很好的运行，但是多个回路同时工作时，就会出现能量大量浪费的情况，因此对空调系统控制过程进行分析，降低系统的能耗，对空调系统的节能具有重大的意义。
参考文献：
[1]李春旺.建筑设备自动化.华中科技出版社，2010.
[2]余志强.智能建筑环境设备自动化.北方交通大学出版社，2007.
[3]胡寿松.自动控制原理（第5版）.科学出版社，2007.
[4]杭和平.单片机原理与应用.机械工业出版社.2008.
[5]兰吉昌，51单片机应用设计百例，化学工业出版社，2009.