加熱，通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)使用傳感器來調(diào)節(jié)機電設(shè)備的運行。運行該設(shè)備通常以代表每月電費很大一部分的速率消耗能量。當(dāng)外部溫度降至室溫以下時，加熱負(fù)荷增加。相反，當(dāng)外部溫度升高到室溫以上時，冷卻負(fù)荷增加。

僅使用干球溫度測量值來確定控制決策的系統(tǒng)已過時，應(yīng)基于傳感器測量值的組合由控制系統(tǒng)代替，以實現(xiàn)最佳的乘員舒適度并降低加熱或冷卻結(jié)構(gòu)的成本。在這些設(shè)計中，在溫度和濕度感測組件中使用最新技術(shù)產(chǎn)品可以幫助提高性能。本文的目的是提供這些傳感器在HVAC系統(tǒng)中的位置，使用方式以及它們對系統(tǒng)性能的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性的影響的高級視圖。

在HVAC系統(tǒng)中，有多個傳感器（圖1）。它們位于送風(fēng)管道，外部和回風(fēng)管道以及恒溫器控制單元中。這些傳感器（模擬或數(shù)字）提供原始數(shù)據(jù)，控制器可根據(jù)這些原始數(shù)據(jù)計算和管理系統(tǒng)的整體性能。

圖1這是基本的HVAC系統(tǒng)的布局。資料來源：德州儀器（Texas Instruments）

HVAC系統(tǒng)的整體效率取決于傳感器的固有準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。通過確保HVAC系統(tǒng)的機械運行（風(fēng)扇，減震器和加濕器）在準(zhǔn)確的時間和最少的時間內(nèi)運行，從而顯著提高性能，從而減少了系統(tǒng)的總體功耗，從而降低了能源成本。

圖1所示的原始技術(shù)包括無源器件，例如負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻和電阻溫度檢測器（RTD）。兩種設(shè)備在老化時都易于漂移。盡管RTD的線性度很高，但NTC熱敏電阻不是線性的，并且需要進行斜率和失調(diào)校正才能達(dá)到任何實際精度。這使得NTC熱敏電阻難以制造。

與基于硅的正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻傳感器相比，RTD隨著時間的流逝變得非常不可靠，后者可以由與RTD相同或相似的單個激勵電流源驅(qū)動。這些PTC傳感器也可以像NTC熱敏電阻一樣進行電壓偏置。PTC設(shè)備具有與RTD相同的線性度，但是如果不隨時間進行校正，則不會出現(xiàn)相同的重復(fù)和累積漂移。在這里，提高的傳感器精度和可靠性可以為干球測量用例增加價值。

單經(jīng)濟型和雙經(jīng)濟型HVAC

如圖1所示，使用僅在外部具有溫度傳感器，回風(fēng)和混合空氣的系統(tǒng)時，存在一個缺點。例如，在陰雨天，外部空氣的濕度會被帶入。為了使空氣除濕，這將需要額外的冷卻能力。但是因為溫度傳感器無法檢測到這種情況，所以控制器沒有意識到，將相對濕度檢測添加到與溫度傳感器相同的位置可以解決此問題。

因此，HVAC可以安排為單或雙焓節(jié)能器系統(tǒng)，分別如圖2和圖3所示。從％RH傳感器到主控制器的附加輸入使其可以在完成環(huán)境控制的同時更好地管理能耗。

圖2單經(jīng)濟型HVAC系統(tǒng)使用了一個結(jié)合了焓的傳感器模塊，可以接觸到室外空氣。資料來源：德州儀器（Texas Instruments）

圖3雙節(jié)能器HVAC系統(tǒng)在回風(fēng)路徑中增加了第二個節(jié)能節(jié)能器傳感器。資料來源：德州儀器（Texas Instruments）

焓是熱力學(xué)性質(zhì)，不能直接測量。它是根據(jù)溫度和濕度的測量值計算得出的。因此，使用準(zhǔn)確且可重復(fù)的溫度和相對濕度傳感器非常重要。計算誤差是各個傳感器精度和公差的組合，應(yīng)盡可能小。

單經(jīng)濟型HVAC系統(tǒng)使用組合式焓傳感器模塊，可接觸室外空氣。省煤器的目的是在可能的情況下使用室外空氣進行冷卻，以減少壓縮機的運行。它報告干球溫度和濕度，使?jié)穸容^低時可以在較高溫度下使用室外空氣，以對空氣進行免費冷卻。

當(dāng)用戶調(diào)整恒溫器設(shè)定點時，HVAC控制器將混合空氣控制回路從室外切換為以預(yù)設(shè)的室外風(fēng)干球溫度返回空氣。在單個焓值節(jié)省器系統(tǒng)中，HVAC控制器模塊將根據(jù)溫度和濕度數(shù)據(jù)計算出的焓值與預(yù)選的設(shè)定點曲線進行比較，從而比僅使用溫度傳感器的解決方案更有效地完成任務(wù)。

在大多數(shù)氣候條件下，使用單節(jié)能器HVAC系統(tǒng)將焓值替代干球溫度，可以降低制冷成本。并且，盡管這些系統(tǒng)有效并且相對于僅溫度系統(tǒng)提供了改進，但在系統(tǒng)中使用第二個組合傳感器模塊會增加數(shù)據(jù)的另一個測量位置，從而有機會提高系統(tǒng)效率。

雙節(jié)能器HVAC系統(tǒng)在回風(fēng)路徑中增加了第二個節(jié)能節(jié)能器傳感器。當(dāng)用戶調(diào)整恒溫器設(shè)定點時，或者當(dāng)混合空氣溫度超過預(yù)設(shè)范圍或設(shè)定點時，具有較低焓值的空氣（來自室外或回風(fēng)）將被帶入空氣調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)部分。

這是一種控制室外空氣使用量的非常有效的方法，因為回風(fēng)和室外空氣的比較是連續(xù)不斷的，并且全年自動進行。此外，它消除了用戶記住或知道如何進行所需設(shè)定值更改的需要，從而消除了操作員的錯誤。在比回風(fēng)更高的溫度下冷卻室外空氣可能看起來很浪費，但是這種節(jié)省是可以證實的，因為對空氣進行除濕所需的機械冷卻量通常超過降低干球溫度所需的量。

在大量產(chǎn)生濕氣的建筑物中，例如廚房或淋浴間，與僅使用干燈泡上限的方法相比，這種控制順序可以節(jié)省大量成本。使用焓模塊意義重大，因為在顯熱溫度開始降低之前，空調(diào)系統(tǒng)約50％的制冷能力用于通過去除潛熱來對空調(diào)空氣進行除濕。

焓計算

在HVAC應(yīng)用程序中，焓源自：

使用模擬或數(shù)字傳感器直接測量的環(huán)境溫度

混合比X，以每千克千焦耳或每磅英制熱量單位（BTU）為單位

大氣常數(shù)

相對濕度測量

通過使用單個數(shù)字溫度和濕度傳感器的數(shù)據(jù)，可以直接在微控制器（MCU）上計算焓（h）。

對于HVAC應(yīng)用通常運行的溫度范圍，表1列出了在公式6中使用的推薦常數(shù)A（壓力），m（質(zhì)量）和Tn（溫度）。

表1計算P ws的常數(shù)一個米n最大誤差溫度范圍

6.1164417.591386240.72630.083％-20°C至+ 50°C

單個焓計算示例從使用從傳感器收集的溫度和濕度數(shù)據(jù)開始。在下面列出的示例計算集中，從傳感器組合返回的測得溫度為25°C，相對濕度為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，轉(zhuǎn)換為BTU / lb，h1 = 22.1327738 BTU / lb

此數(shù)學(xué)運算發(fā)生在本地MCU內(nèi)部。MCU確定室外空氣是高于還是低于選定的設(shè)定點，然后向4-20上的邏輯模塊發(fā)送4-mA信號（不節(jié)能）或20-mA信號（節(jié)能）。 mA電流環(huán)路，返回主控制器。

當(dāng)從控制器或商用恒溫器發(fā)出冷卻指令時，節(jié)能器邏輯模塊會將上面計算的值（h1，室外焓）與預(yù)先選擇的設(shè)定點控制曲線進行比較，如表2所示。安裝人員根據(jù)地理氣候選擇控制曲線；安裝的冷卻設(shè)備類型；乘員舒適度；并控制濕度，這將防止高濕度引起的室內(nèi)空氣質(zhì)量問題。

表2控制曲線設(shè)定點

控制曲線控制點

（大約溫度@ 50％RH）

一個73°華氏度/ 23°C

乙70°F / 21°C

C67°華氏度/ 19°C

d63°華氏度/ 17°C

單經(jīng)濟型HVAC系統(tǒng)確實需要建筑居住者或維修技術(shù)人員知道季節(jié)性的要求，以便進行設(shè)置更改或記住要根據(jù)季節(jié)條件對控制曲線設(shè)置進行實際更改。

雙重焓計算

雙重焓計算通過添加位于回風(fēng)中的第二組傳感器來構(gòu)建單節(jié)油器示例，如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置為冷卻或混合空氣溫度高于高混合空氣溫度時， -空氣溫度傳感器的范圍或設(shè)定點，將具有較低焓（室外或回風(fēng)）的空氣引入空氣調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)部分。

如前所述，這是控制室外空氣使用量的一種增強方法，因為回風(fēng)和室外空氣比較是實現(xiàn)最高性能的途徑。從每小時千瓦時的消耗和使用成本的角度來看，使用兩個焓傳感器子系統(tǒng)可以消除或避免正確安裝后的操作員錯誤。隨著季節(jié)的變化，系統(tǒng)可以根據(jù)需要進行調(diào)整，從而可以節(jié)省更多成本。

如果h1 = 22.1327738 BTU / lb，則根據(jù)暴露在外界空氣中的測得傳感器的溫度和濕度，為用戶設(shè)定點計算焓。如果將這些計算與HVAC系統(tǒng)的總熱量以及每分鐘立方英尺（CFM）一起應(yīng)用在公式中，請將其轉(zhuǎn)換為千瓦時，然后將全國平均電費應(yīng)用于該值。另外，確定解決溫度設(shè)定點的時間以及系統(tǒng)進入空閑模式的時間，這將產(chǎn)生每個事件，一天或一個月操作系統(tǒng)的成本。

在此示例中，如果用戶將恒溫器設(shè)置為21°C并僅保留％RH，則焓將為17.914 BTU / lb。公式7表示總熱量的公式：

假設(shè)CFM = 400，則每次用戶降低溫度時，在理想情況下，HVAC系統(tǒng)處理該請求大約需要2.23 kWh和大約7.6分鐘。根據(jù)美國全國平均水平$ 0.139 / kWh，此請求的費用約為$ 0.04。乍一看聽起來似乎不算是大筆費用，但它的確增加了成本。如果HVAC系統(tǒng)在外部氣溫和設(shè)定值較低的情況之間不斷循環(huán)，那么一天可能會發(fā)生60次以上。

以每天$ 2.50美元計算，一個月內(nèi)的費用總計為$ 75.14。插入不同的濕度設(shè)定點（在這種情況下，是較高的％RH）可以進一步降低成本。這就是設(shè)計完整的焓傳感器的全部價值帶給HVAC設(shè)計和系統(tǒng)的原因，因為板載還將有一個濕度傳感器。

現(xiàn)在想象一下，溫度傳感器在任一方向上僅關(guān)閉了1°C。這樣的不準(zhǔn)確性將導(dǎo)致該系統(tǒng)的能源消耗“泄漏”近7％，這使每月的賬單增加了5美元。如果％RH的偏差大于5％RH，則在％RH傳感器側(cè)也存在相同的成本泄漏。因此，至關(guān)重要的是為HVAC系統(tǒng)設(shè)計并提供傳感器，使其在所需的水平上準(zhǔn)確且可重復(fù)，以確保系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)的性能均可靠。

具有RTD線性度的熱敏電阻

TI的TMP61線性熱敏電阻等器件可以由與RTD相同或相似的單個激勵電流源驅(qū)動，也可以像NTC熱敏電阻一樣通過電壓偏置來驅(qū)動。這些器件還具有與RTD相同的線性度，但是如果不隨時間進行校正，則不會出現(xiàn)相同的重復(fù)和累積漂移，因為這些線性熱敏電阻是基于硅的器件，相比之下它們根本不會移動。

TMP61熱敏電阻的準(zhǔn)確性，可靠性，低成本和一般靈活性為干球測量用例增加了價值。在設(shè)計或指定用于節(jié)能機的組件時，請考慮數(shù)字溫度和相對濕度傳感器（HDC1010，HDC1080，HDC2010，HDC2080，HDC2021，HDC2022），僅通過一個組合的傳感器組件即可滿足或超過大多數(shù)系統(tǒng)對焓的設(shè)計要求。

使用能夠提供所需精度，精確度和可重復(fù)性的傳感器非常重要，因為它們可以通過直接節(jié)省電費來為消費者增加實際價值，并通過可靠且一致的計算和決策來支持已安裝的HVAC系統(tǒng)。

Josh Wyatt管理著德州儀器（TI）的溫度和濕度感應(yīng)應(yīng)用團隊。

編輯：hfy