传感器有助于提高HVAC设计的性能万博投注网址
文章：Josh Wyatt
温度和湿度传感器有助于提高HVAC设计的性能。万博投注网址
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的大部分的速度消耗能量。随着温度外部的温度低于室温，加热负荷增加。相反，当外部温度升高到室温超过室温时，冷却负荷增加。
仅使用干球温度测量来确定控制决策的系统已经过时了，应该用基于传感器测量的组合控制来取代，这既可以达到最佳乘员舒适度，也可以降低加热或冷却结构的成本。在这些设计中，在温度和湿度传感组件中使用最新的技术可以帮助提高未来几年的性能。万博投注网址本文的目的是提供这些传感器在HVAC系统中的位置、它们如何使用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，有几个传感器（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。这些传感器，无论是模拟的还是数字的，提供了控制器计算和管理系统的整体性能的原始数据。
图1这是基本HVAC系统的布局。来源：德州仪器公司
暖通空调系统的整体效率取决于传感器的固有精度和可重复性。通过确保暖通空调系统的机械操作——风扇、阻尼器和加湿器——在精确的时间和最短的时间内运行，可以显著提高性能，从而降低整个系统的电力消耗，从而降低能源成本。
如图1所示的原始技术包括诸如负温度系数（NTC）热敏电池和电阻温度检测器（RTD）的被动装置。两种设备都易于随着年龄的增长而漂移。虽然RTDS非常线性，但NTC热敏电阻不是并且需要斜率和偏移校正以实现任何实际精度。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，RTDS随着时间的推移可以变得非常不可靠，其可以从与RTD的相同或相似的单激励电流源驱动。这些PTC传感器也可以像NTC热敏电阻一样电压偏置。PTC设备与RTDS看到的相同的线性度，但如果没有时间随着时间的推移，则没有相同的重复和累积漂移。这里，改善的传感器精度和可靠性可以为干灯泡测量用例增加值。
单节能和双康及器HVAC
当使用一个只有温度传感器在外部，返回和混合空气的系统时，有一个缺点，如图1所示。例如，在凉爽的雨天，来自外部空气的湿度会被带入。这将需要额外的冷却能力，以除湿空气。但由于温度传感器不能检测到这种情况，控制器是不知道的，添加相对湿度传感器到一些相同的位置，作为温度传感器解决了这个问题。
因此，HVAC可以被布置为单焓或双焓估计系统，如图所示图2和图3.， 分别。从％RH传感器到主控制器的附加输入允许它在完成环境控制的同时进行更好的管理能耗。
图2单节电化器HVAC系统使用组合的焓传感器模块，可以访问室外空气。资料来源：德州仪器
图3.双省煤器HVAC系统在回风路径上增加了第二个焓省煤器传感器。资料来源：德州仪器
焓是热力学性质，不能直接测量。它根据温度和湿度的测量计算。因此，使用精确和可重复的温度和相对湿度传感器是非常重要的;计算误差是各个传感器精度和公差的组合，应尽可能低。
单节电化器HVAC系统使用组合的焓传感器模块，可以访问室外空气。节能器的目的是在尽可能减少压缩机操作时使用室外空气进行冷却。它报告了干灯泡温度和湿度，使得在湿度低时，可以在较高温度下使用室外空气来自由冷却空气。
当用户调整温控器设定点时，HVAC控制器将混合空气控制回路从室外切换到在预设的室外风干球温度下回风。在单个焓省器系统中，HVAC控制器模块将从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。
使用焓而不是干燥的灯泡温度，通过单节能器HVAC系统降低了大多数气候的冷却成本。虽然这些系统是有效的并且在仅限温度系统提供改进的情况下，使用系统中的第二组合传感器模块增加了数据的另一个测量位置，从而增加了提高系统效率的机会。
双省煤器HVAC系统在回风路径上增加了第二个焓省煤器传感器。当用户调整恒温器设定点或当混合空气温度超过预设范围或设定点时，从室外或回风的低焓空气被带入空气处理程序的调节部分。
这是一种非常有效的控制室外空气使用的方法，因为回风和室外空气的比较是连续的和自动的全年。此外，它消除了操作错误，用户无需记住或知道如何进行所需的设定值更改。用比回风更高的温度冷却室外空气可能看起来很浪费，但节省是可以证实的，因为除湿空气所需的机械冷却量经常超过降低干球温度所需的量。
在具有大量水分产生活性的建筑物中，与厨房或淋浴一样，与单独使用干灯泡高极限的方法相比，这种类型的控制序列可能会显着节省。使用焓模块很大，由于在明智的热温度开始之前去除潜热，空调系统的约50％的冷却能力用于除湿条件空气。
焓计算
在HVAC应用中，焓值的计算公式为:
- 直接用模拟或数字传感器测量的环境温度
- 混合比，X，单位是千焦每千克或英国热量单位(BTUs)每磅
- 大气的常量
- A相对湿度测量
焓（H）可以通过使用来自单个数字温度和湿度传感器的数据直接在微控制器（MCU）上计算。
T是摄氏温度，X用公式2计算:
B = 621.9907 g/kg(对空气有效)，如式3所示:
M（H.2O)是水的分子质量，M(气体)是空气的分子质量。
如等式4所示，混合比例x为每千克或每磅BTU，如公式4所示：
环境蒸气压（pW.）在HPA中，由水蒸气饱和压力计算（PWS.)，也是百帕。
P.WS.也可以从温度和一些常数计算，并可以首先计算，使用温度传感器的测量。
对于HVAC应用程序通常运行的温度范围，表格1列出了公式6中使用的推荐常数A(压力)，m(质量)和Tn(温度)。
表格1计算P的常数WS.
| 一种 | m | TN. | 最大的错误 | 温度范围 |
| 6.116441 | 7.591386 | 240.7263 | 0.083% | -20°C至+ 50°C |
单个焓计算示例使用从传感器收集的温度和湿度数据开始。在下面列出的示例集中，从传感器组合返回的测量温度为25°C和52％RH的相对湿度。
- 解决P.WS.= 31.67450264 hPa
- 解决P.W.= 16.47074137 hPa
- 解出X = 10.28032832 g/kg
- 求解焓h1 = 51.43657 kj/kg，转化为BTU/lb, h1 = 22.1327738 BTU/lb
这个数学运算发生在本地MCU中。MCU确定室外空气是否高于或低于所选的设定点，并发送一个4-mA信号(不OK节约)或20-mA信号(OK节约)到4-20 mA电流回路上的逻辑模块，返回到主控制器。
当从控制器或商业恒温器命令冷却时，节约器逻辑模块将上面计算的值(h1，室外焓)与预先选定的设定点控制曲线进行比较，如图所示表2.。安装程序根据地理环境选择控制曲线;安装的冷却设备类型;乘客舒适;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) |
| 一种 | 73°F / 23°C |
| B. | 70°F / 21°C |
| C | 67°F / 19°C |
| D. | 63°F / 17°C |
单一省电暖通空调系统确实要求建筑使用者或维护技术人员了解季节性需要进行设置更改，或记住实际根据季节性条件对控制曲线设置进行更改。
双重焓的计算
双焓计算通过添加位于返回空气中的第二组传感器来构建单节能器示例，如图3所示。当系统设置为冷却或者混合空气温度远高于高混合时- 空气温度传感器范围或设定点，带有较低的焓 - 户外或返回的空气进入空气处理器的调节部分。
如前所述，它是控制室外空气使用的增强方法，因为返回和外部空气比较是朝向最高性能的路径。从每小时消耗和使用率的支架来看，使用两个焓传感器子系统可以在正确安装后消除或避免操作员错误。随着季节的变化，系统可以根据需要进行调整，这将导致更戏剧性的成本节省。
如果h1 = 22.1327738 BTU/lb，则焓值是根据暴露在外界空气中的测量传感器的温度和湿度的用户设定点计算的。如果你将这些计算应用到总热量的公式中，以及HVAC系统的立方英尺每分钟(CFM)，将其转换为千瓦时，并将全国平均电价应用到这个值。此外，确定正在解析的温度设定点和系统进入空闲模式的时间，这将产生每个事件、每天或每月操作系统的成本。
在该示例中，如果用户单独将恒温器设置为21°C并留下％RH，则焓将是17.914 BTU / LB。等式7表示总热的公式：
假设CFM = 400，每次用户降低温度时，在理想的情况下，HVAC系统将需要大约2.23千瓦时，大约为7.6分钟处理请求。根据美国国家平均价格0.139美元/千瓦时，该请求将花费约0.04美元。这可能不会一目了然地听起来很大的成本，但它确实会加起来。如果HVAC系统在外部空气温度和较低的设定点情景之间持续循环，则可能每天超过60次。
按每天2.50美元计算，一个月下来就是75.14美元。插入一个不同的湿度设置点——在这种情况下，更高的rh -可以降低更多的成本。这就是设计一个完整的焓传感器给暖通空调设计和系统带来的全部价值，因为车上还会有一个湿度传感器。万博投注网址
现在想象，温度传感器在任一方向上仅为1°C。这种不准确性会导致系统能耗中近7％的“泄漏”，该系统为账单增加了额外的5美元。如果它是OFF的％RH传感器侧，则存在相同的成本泄漏。这就是为什么它对设计并向HVAC系统提供传感器，为什么在所需的水平和重复的水平上准确，使系统在其寿命上的性能是可靠的。
具有RTD线性的热敏电阻
像Ti的设备TMP61线性热敏电阻可以从与RTD相同或相似的单个激励电流源驱动，或者像NTC热敏电阻一样电压偏置。这些设备也与RTDS共享相同的线性，但如果没有相同的重复和累积的漂移，如果没有时间随着时间的推移，因为这些线性热敏电阻是基于硅的设备，其通过比较不会换档。
TMP61热敏电阻的准确性，可靠性，低成本和普遍灵活性为干灯泡测量用例增加了价值。在设计或指定焓恢复器的组件时，考虑数字温度和相对湿度传感器（HDC1010那HDC1080那HDC2010那HDC2080.那HDC2021.那HDC2022)，它可以满足或超过大多数系统设计要求的焓仅从一个组合传感器组件。
使用具有精确度和可重复性的所需精度的传感器很重要，因为它们通过直接节省电费为消费者添加了实际价值，通过制定可靠和一致的计算和决定来支持安装的HVAC系统。
本文最初发布经济日报。
乔什·怀亚特在德克萨斯乐器管理温度和湿度传感应用团队。
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