CN102279067B - 一种集中空调***风机盘管末端冷热量计量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种风机盘管冷热量计量方法及装置，其是基于风机盘管实际工况下制冷制热量与名义工况下制冷制热量的修正关系。计量时，只需检测风机盘管的风速状态、风机盘管的进水温度和进风温湿度，便可得到实际工况下风机盘管的制冷量。即通过易测数据的直接检测，间接实现冷热量的准确计量。本发明结合了水侧双温、风侧换热以及时间计量三者的优点，避免了对水流量的测量，从而大大降低了计量装置的成本，提高了数据的稳定性和装置的使用寿命；以进风断面取代出风断面的空气状态测量，使得参数测量更简便与易测，提高了计量的工程应用可操作性。同时，考虑和计入了风机盘管水侧和风侧参数对冷热量的影响，大大提高了计量的准确性。
Description
技术领域
本发明属于能量计量与计费技术领域，尤其涉及一种集中空调***风机盘管末端的冷热量计量技术。
背景技术
空调***冷热量的准确计量与合理计费不但有利于建筑节能，而且有利于物业管理。风机盘管是中央空调***最常见的末端形式。目前对风机盘管空调***的冷量计量方法主要有：计时法、水侧双温流量计量法和风侧换热计量法。
计时法是对风机盘管的运行时间进行累计，仅考虑不同风速下的风机功率，没有考虑风机盘管冷冻水流量和冷冻水温度的变化，计量准确度低，误差较大，不利于空调的合理收费。
水侧双温流量计量法对于每个末端都需要一个流量计和两个温度计，这种方法是理论上最准确的计量方法，保证其计量精度的关键是流量计。常用的流量仪表有机械式、涡轮式、电磁式和超声波式，测量精度和稳定性差别较大。其中，精度较高的电磁式和超声波式则价格较高。因此，虽然计量精度较高，但初投资大，安装复杂，维护困难。
风侧换热计量方法通过测量风机盘管出口风量以及进出口空气焓值，进行风机盘管换热量的计算。虽然避免了水量测量的高投资，但是要找到一个能代表空气平均状态的测点位置需要通过实验进行确定，不利于工程应用。
发明内容
为了克服现有集中空调***风机盘管末端冷量计量方法存在的缺陷，本发明提供一种集中空调风机盘管末端能量计量的方法及装置，不仅能准确计量并且经济简便。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是依据以下分析：
夏季制冷工况时，根据热平衡，风机盘管水侧及风侧换热量为：
式中：——风机盘管换热量，kW；
——冷冻水出水温度，℃；
——空气出口焓值，kJ/kg。
全冷量焓效率是衡量风机盘管换热的重要指标，其定义是：湿冷工况下流经盘管的风量和水量为确定值时，盘管前后空气的实际焓差值与标准工况下的空气焓差值之比。即：
式中：
——全冷量焓效率；
将公式（2）代入（1）中，可得风机盘管制冷量Q为：
(3)
通过上面的公式可知，空气流量、全冷量焓效率、以及进风空气焓值和相同进水温度下的空气焓值是影响风机盘管全冷量大小的主要因素。在一定档位下的风量以及确定的水流量时，全冷量焓效率值为一确定值。此时，风机盘管制冷量与进风口空气焓值和同进水温度的饱和空气焓值的差成线性比例关系。因此，实际工况下风机盘管的制冷量可表示为：
式中：
——实际工况下，风机盘管制冷量，kW；
——标准工况下，进口空气焓值，kJ/kg；
上述分析表明，通过对风机盘管标准工况下的制冷量进行修正，可以得到实际工况下风机盘管的制冷量。其关键在于掌握进风空气焓值以及同进水温度的饱和空气焓值。湿空气的焓计算式为：
式中：
——空气温度，℃；
式中：B——大气压力，常取为101325Pa；
由此可见，对风机盘管实际工况下的制冷量计量可以通过实测进风空气温度、相对湿度以及进水温度，然后按照上述公式计算，得以实现。
冬季制热工况时，分析方法类似。
基于以上分析，本发明提出一种基于风机盘管换热原理和实际冷热量修正的风机盘管冷热量计量方法，其通过易测数据的直接检测，间接实现冷热量的准确计量，具体计量步骤如下：
首先，风机开启，若水阀也开启时，查询用户是否已缴费，如未缴费，控制器通过并行输出接口发出关闭水阀命令，同时监控程序退出。如用户已缴费，控制器采集风机盘管风机高、中、低三个速度档位状态信号，同时计时器记录风机盘管各档位的有效运行时间TH、TM、TL；
然后，将所测得的风机盘管进风干球温度、相对湿度和进水温度输入计算程序模块，按照上述公式计算，获得实际工况下的风机盘管换热量；
最后，各档位的有效运行时间TH、TM、TL分别乘以实际换热量，再累加计算即获得末端用户的冷热量。
由上述步骤可见，计量时，只需检测风机盘管的风速状态、风机盘管的进水温度和进风温湿度，便可实现冷量的准确计量。其原理即为前述风机盘管实际工况下制冷制热量与名义工况下制冷制热量的修正关系。通过对风机盘管对应档位风速下的制冷量进行修正，可以得到实际工况下风机盘管的制冷量。其关键在于掌握进风空气焓值以及同进水温度的饱和空气焓值。常温常压下，空气可作为理想气体进行处理，根据理想气体状态方程式，可通过任意两个相互独立的空气参数确定所研究的空气的所有状态量。风机盘管进风口处的空气流属于汇流，相对于出口而言，其气流均匀性较好。因此，测点无需通过实验确定。而且，测量空气干球温度以及相对湿度的仪器相对丰富且经济。盘管表面饱和空气焓值则通过测量进入盘管的冷冻水温度即可确定。常温下的水温传感器，也同样应用广泛且价格经济。可见，本发明提出的计量方法结合了水侧双温、风侧换热以及时间计量三者的优点，避免了：1）对水流量的测量。从而大大降低了计量装置的成本，提高了数据的稳定性和装置的使用寿命；2）对出口断面空气状态的测量。从而使参数测量更简便与易测，提高了计量的工程应用可操作性。同时，与时间型相比，计算了风机盘管水侧和风侧参数对冷热量的影响，大大提高了计量的准确性。
实现上述方法是采用中央空调***风机盘管末端计量装置，它是一个具有数据采集、处理、存储、显示及通信功能的末端控制器。该末端控制器由具有计时、数据处理、运算和存储功能的单片机MCU、显示终端、电源模块和通信模块等组成，如图1所示。MCU含有微处理器MPU、串/并行输入输出接口、程序存储器Flash、数据存储器、EEPROM、定时器/计数器、看门狗等部件。MCU对计算结果进行存储，通过显示模块显示用户消耗的冷量，并通过通信网络与上位管理计算机通信，将相关数据传至管理计算机，采用数据库进行统一的存储和管理，便于查询、打印。从而组成具有采集、处理、控制及管理功能的中央空调***风机盘管末端计费***。该末端计费***的接线原理如图2所示。如该末端控制器不配置通信模块，则构成简单末端控制器。简单末端控制器可单独使用，具有适用、经济、安装方便等特点。
计量装置所测参数包括：风机盘管进风干球温度
、相对湿度
和进水温度
；风机盘管三档风速信号KH、KM、KL；各档位的有效运行时间TH、TM、TL。
计量装置预存于芯片的内容包括：标准工况下不同风机盘管型号对应的高、中、低三档位下的换热量Q（参见国标《风机盘管机组GB/T19232-2003》）；不同空气温度对应的饱和水蒸气分压力；计量程序中计算所需的相关公式。
本发明的计量装置利用直接安装在中央空调***末端风机盘管的末端控制器，同时采集进风参数（干球温度、相对湿度）、风机盘管进水温度，并记录风机盘管在三档风速下的运行时间，并根据风机盘管实际换热量修正原理，通过内部积算仪进行计算并显示风机盘管实际空调冷量。
空调计费时，只需记录计量装置的显示冷量，与上次抄表数据相减，即为该计费周期的用冷量，以此乘以单位冷量的收费单价标准就可得出相应的费用。从而实现如电表、水表类似的计量和收费方式。用户也可以自己读取用量，并计算每月空调费用，保证计量与计费的透明与公平。
附图说明
图1中央空调***风机盘管末端计量装置的结构框图；
图2中央空调***风机盘管末端计量装置的接线原理图；
图3中央空调***风机盘管末端计量监控主程序框图；
图4 末端控制器电路原理图；
图5 模拟量输入电路原理图 。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
本发明的电路实现方案：中央空调***风机盘管末端计费装置，是一个具有数据采集、处理、存储、显示及通信功能的末端控制器。该末端控制器由具有计时、数据处理、运算和存储功能的单片机MCU、显示终端、电源模块和通信模块等组成，如图1所示。MCU含有微处理器MPU、串/并行输入输出接口、程序存储器Flash、数据存储器、EEPROM、定时器/计数器、看门狗等部件。如该末端控制器不配置通信模块，则构成简单末端控制器。简单末端控制器可单独使用，具有适用、经济、安装方便等特点。
末端控制器监控程序存储于Flash存储器中，由风机开启信号启动运行。控制器通过并行输入接口采集水阀状态信号，当用户水阀关闭时，监控程序退出；当水阀开启时，查询用户是否已缴费，如未缴费，控制器通过并行输出接口发出关闭水阀命令，同时监控程序退出。如用户已缴费，控制器采集风机盘管风机高、中、低三个速度档位状态信号，计时器记录风机盘管各档位的有效运行时间TH、TM、TL；采集风机盘管进风干球温度、相对湿度和进水温度
等输入计算程序模块，按照所述计算公式，即获得实际工况下的风机盘管换热量
，其计算公式如下：
式中：
——实际工况下，风机盘管制冷量，kW；
——标准工况下，进口空气焓值，kJ/kg；
其中，进口空气焓值、同进水温度的盘管表面饱和空气焓值采用如下湿空气的焓计算式计算：
kJ/kg干空气 (5)
式中：
——空气温度，℃；
式中：B——大气压力，常取为101325Pa；
空调计费时，只需记录计量装置的显示冷量，与上次抄表数据相减，即为该计费周期的用冷量，以此乘以单位冷量的收费单价标准就可得出相应的费用。从而实现如电表、水表类似的计量和收费方式。用户可以自己读取用量，并计算每月空调费用，保证计量与计费的透明与公平。
该末端计费***的接线原理如图2所示，单片机MCU对计算结果进行存储，通过显示模块显示用户消耗的冷量，并通过通信网络与上位管理计算机通信，将相关数据传至管理计算机，采用数据库进行统一的存储和管理，便于查询、打印，从而组成具有采集、处理、控制及管理功能的中央空调***风机盘管末端计费***。
形式记载在具体实施方式本发明的中央空调***风机盘管末端计费装置监控程序框图如图3所示。当用户打开任一风速开关时，末端控制器开始执行监控程序。程序首先启动控制器中的定时器（当定时器计满时，中断调用计时程序，更新定时器时间），然后采集三档风速开关状态信号，并作判断：风速开关是否置为低速档？是则启动定时器1，否则判断风速开关是否置为中速档，是则启动定时器2，否则启动定时器3；接着控制器采集水阀状态，如水阀关闭，则退出监控程序；如水阀开启，则执行如下操作：向上位机查询该用户是否按时交费，如未交费，末端控制器发出关闭水阀命令，如已按时交费，则当3分钟时间到，进行一次冷量计算、显示、存储，并上传至上位管理机等操作。本实施例中MCU采用ATMEL公司的AT89S52单片机，通信模块采用MAX487E，液晶显示模块采用SG12864，电源模块采用开关电源。通过必需的软硬件设计，实现风机盘管能耗计量、显示及与管理计算机（PC机）通信的功能。
图4是本发明的电路图，AT89S52单片机共有4个8位准双向I/O接口P0、P1、P2、P3，每个接口的每一位都有输出锁存器、输出驱动器、输入缓存器。对每个接口可进行字节输入、输出操作，也可进行位操作。AT89S52单片机的第18、19引脚接晶振，第40引脚接电源模块的Vcc端，第20引脚接电源模块的GND端。
X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM 三种功能于一体的可编程控制电路。其中看门狗对***提供保护功能。当***发生故障而超过设置时间时，看门狗通过RESET信号向CPU 作出反应。电压监控功能可以保护***免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时，***将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045与AT89S52单片机采用SPI总线接口方式，该接口电路为AT89C52 单片机扩展了4 kB的串行EEPROM，即使***在掉电后仍可维持数据不变，因此在本实施例中用于存储风机各档风速定时器数据。X5045的EEPROM 内部数据最小保存期为100 年，可擦写100 万次以上。如图所示，X5045芯片共有8个引脚，其中第3、8引脚接+5V电源，第4引脚接地；片选输入端CS、串行数据输出端SO、串行时钟输入端SCK、串行数据输入端SI分别与AT89S52单片机P2口的21、22、23、24引脚相连；复位输出端RESET与单片机的第9引脚相连。
如图4所示，R1~R3为限流电阻，D1~D3为整流二极管，D4~D6为反向保护二极管。风机盘管三档风速检测信号经光耦TLP521-1输入AT89S52单片机的P1口第1、2、3引脚。当风机盘管高、中、低三档风速开关任一档接通，其相应回路限流电阻和二极管导通，对应的单片机引脚为低电平（0），而其余两档风速检测引脚为高电平（1）。风机盘管水阀控制信号引自AT89S52单片机P1口的第5引脚，经光电隔离后通过继电器J1实现阀门的开、关控制。如图所示，当第5引脚置高时，光耦导通，继电器J1线圈通过电流，关水阀电气回路接通，水阀关闭；当第5引脚置低时，光耦截止，水阀电气回路关断。水阀状态检测信号经光耦TLP521-1输入AT89S52单片机P1口的第4引脚。
如图５所示，模数转换器ADC0809CCN的输入端IN0-IN2引脚分别与风机盘管进风干球温度、相对湿度
和进水温度
传感器相连，经模数转换器转换为数字量后，输出到与D0-D7引脚相连的移位寄存器74HC165的A-H引脚端，再通过74HC165的Q引脚输出，并经光电隔离后接AT89S52单片机的P1口的第6引脚，将信号送入单片机中。ADC0809CCN的通道选择端ADD A、ADD B引脚通过光电隔离后接单片机P1口的7、8引脚，ADC0809CCN的地址锁存端ALE引脚和起动转换端START引脚通过光电隔离后都接到单片机P1口的12引脚，74HC165的时钟端CLK引脚、控制端SH/LD引脚通过光电隔离后分别接单片机P3口的14引脚、15引脚。
本发明采用液晶显示模块SG12864，图中SG12864与AT89S52单片机的连接采用直接访问方式，即将液晶显示模块当作存储器或I/O设备，单片机以访问存储器或I/O设备的方式操作液晶显示模块。如图4所示，显示模块的8位数据线DB0~DB7与AT89S52单片机P0口的第32~39引脚相连；指令/数据选择线D/I、读/写选择线R/W及片选信号线CS1、CS2分别与单片机P2口的第25、26、27、28引脚相连；E为使能信号线，与单片机P3口得16、17引脚信号的与非输出相连。
本发明采用MAXIM公司生产的MAX487E通信模块与上位机进行通信。MAX487E是一种差分平衡型收发器芯片，是用于TTL 协议与485 协议转换的小功率收发器，它含有一个驱动器和一个接收器，采用半双工通信方式，节点数128个，具有抗雷击、抗静电冲击、限斜率驱动和故障保护等功能。接收器输出端RO与AT89S52单片机P3口的第10引脚相连，驱动器输入端DI与单片机P3口的第11引脚相连，驱动器输出使能端与单片机P3口的第13引脚相连，接收器输出使能端接GND。
电源模块采用开关电源，输入AC220V，输出DC±5V，DC±12V。
Claims (3)
1.一种中央空调***风机盘管末端冷热量计量方法，具体计量步骤如下：
第一步：风机开启，若水阀也开启时，查询用户是否已缴费，如未缴费，控制器通过并行输出接口发出关闭水阀命令，同时监控程序退出；如用户已缴费，控制器采集风机盘管风机高、中、低三个速度档位状态信号，同时计时器记录风机盘管各档位的有效运行时间TH、TM、TL；
第二步：将所测得的风机盘管进风干球温度、相对湿度和进水温度输入计算程序模块，获得实际工况下的风机盘管换热量Qs，其计算公式如下：
式中：Qs——实际工况下，风机盘管换热量，kW；
i1——标准工况下，进口空气焓值，kJ/kg；
iw——标准工况下，同进水温度的盘管表面饱和空气焓值，kJ/kg；
Q——风机盘管标准工况下的换热量，kW；
其中，进口空气焓值、同进水温度的盘管表面饱和空气焓值采用如下湿空气的焓计算式计算：
i=1.01t+d(2500+1.84t)kJ/kg干空气 (5)
式中：t——空气温度，℃；
d——空气含湿量，kg/kg干空气；其计算式为：
式中：B——大气压力，常取为101325Pa；
Pq·b——空气的饱和水蒸气分压力，Pa；
第三步：用各档位的有效运行时间TH、TM、TL分别乘以实际换热量，再累加计算即获得末端用户的冷热量。
2.一种实现权利要求1所述方法的中央空调***风机盘管末端冷热量计量装置，其是一个具有数据采集、处理、存储、显示及通信功能的控制器；其特征在于：所述计量装置包括具有计时、数据处理、运算和存储功能的单片机MCU、显示终端、电源模块和通信模块；所述MCU对计算结果进行存储，通过显示终端显示用户消耗的冷量，并通过通信模块与上位管理计算机通信，将相关数据传至上位管理计算机，采用数据库进行统一的存储和管理。
3.根据权利要求2所述的中央空调***风机盘管末端冷热量计量装置，其特征在于：所述MCU含有微处理器MPU、串/并行输入输出接口、程序存储器Flash、数据存储器、EEPROM、定时器/计数器、看门狗部件；所述程序存储器Flash中预存有标准工况下不同风机盘管型号对应的高、中、低三档位下的换热量Q，不同空气温度对应的饱和水蒸气分压力，计量程序中有计算所需的相关公式。
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- 2011-04-01 CN CN 201110082310 patent/CN102279067B/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN102279067A (zh) | 2011-12-14 |
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