CN103727627B - 适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制方法与装置 - Google Patents

适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明系一种适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制方法，主要系依据室内温度、室外温度、设定温度与日照强度计算空调系统所需移除或增加的热负载估测值，以及与该热负载估测值对应所需的冷/暖房功率，并依据该热负载估测值调整空调系统的运转，以满足所需的冷/暖房功率，再测量实际的冷/暖房功率与所需的冷/暖房功率的差异，重复调整空调系统的运转，以符合恒温控制，藉此提高空调系统的电力运用效率，解决现有空调系统反复启动运转造成电力系统负担以及效率不佳的问题。

Description

适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制方法与装置
技术领域
本发明系一种空调系统的恒温控制装置，尤指一种利用热负载估测比对实际所需冷/暖房功率而可自动维持空调系统温度的智能型恒温控制装置。
背景技术
现有的空调系统包含有依序串接的一压缩机、一冷凝器、一膨胀阀与一蒸发器，该冷凝器设有一冷凝器风扇，该蒸发器设有一鼓风机，冷媒经压缩机推动依序经过冷凝器、膨胀阀与蒸发器，再回到压缩机完成吸热与排热的过程，以达到调节室内空气温度的目的，藉由通过蒸发器的冷媒吸收室内热量，再由冷凝器风扇将通过冷凝器的冷媒的热量排放至室外，使室内可以得到较室外低的温度；而当空调系统是使用于车辆时，由于其压缩机是由引擎带动运转，会因车辆行驶的道路环境或是路况而影响行车速度，造成引擎转速高低不同的状况，使压缩机所能提供的冷房效果易受车速高低影响而产生变化，意即，车速低时冷媒流动较慢而使车内不够冷，但车速高时冷媒流动较快而使车内太冷，造成车内温差过大而有冷房效果不佳的问题。
因此现有技术是将车辆空调系统的压缩机由原本引擎带动改由车辆本身电力驱动的电动压缩机，藉此提供电动压缩机稳定的电力使其转速维持稳定，解决现有引擎带动的压缩机易受引擎转速高低而影响冷房效果的问题，不过现有车辆空调系统控制电动压缩机的开启或关闭仍是使用传统的开/关（ON-OFF）控制，意即，欲对车内进行恒温的冷房控制时，电动压缩机会依空调系统设定的温度而频频运转或停止，使得电动压缩机的启动电流与消耗的电能过大，造成车辆电力系统负担以及有恒温控制与节能效果不佳的问题。
发明内容
如前揭所述，于车辆上使用电动压缩机可解决现有压缩机易受引擎转速高低而影响冷房效果的问题，不过电动压缩机依空调系统设定的温度而时转时停，会有启动电流与耗电过大而造成车辆电力系统负担的问题，因此本发明主要目的在提供一适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制方法与装置，主要是通过热负载估测调整电动压缩机所需转速，提供适当冷/暖房功率以达恒温控制，并降低耗能与车辆电力系统负担的问题。
为达成前述目的所采取的主要技术手段系令前述适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制方法，包含有：
依据室内温度、室外温度、设定温度与日照强度计算所需移除或增加的热负载估测值，以及与热负载估测值对应的冷/暖房功率；
依据该热负载估测值调整空调系统的运转，提供所需的冷/暖房功率；
测量实际的冷/暖房功率与计算的冷/暖房功率的差异，再次调整空调系统的运转，以符合恒温控制。
为达成前述目的采取的又一主要技术手段系提供一适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制装置，包含有：
一恒温控制器，其包含有一热负载估测模块、一计算模块与一控制模块，该热负载估测模块接收外部信号以计算所需的热负载估测值及其对应的冷/暖房功率，该计算模块接收外部的信号以计算实际的冷/暖房功率，该控制模块接收并比对热负载估测模块计算的所需冷/暖房功率与计算模块计算的实际冷/暖房功率的差异值，再送出控制空调系统的控制信号；
一感测器群组，其与恒温控制器电连接，该感测器群组包含有一日照强度感测器、复数个温度感测器与复数个压力感测器，以分别侦测日照强度以及空调系统的温度与压力，提供热负载估测模块与计算模块所需的信号；
一设定单元，其与恒温控制器电连接，用以设定所需温度并传送设定的温度信号至恒温控制器。
利用前述元件组成的适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制装置，由设定单元将室内所需温度的温度信号送至恒温控制器，恒温控制器的热负载估测模块依据温度感测器实际侦测的室内温度与室外温度，以及日照强度感测器取得的日照强度信号计算室内所需的热负载估测值及对应该热负载估测值的所需冷/暖房功率，计算模块分别接收空调系统的电动压缩机、冷凝器与蒸发器的温度与压力信号，以得到室内实际的冷/暖房功率，由控制模块分别接收并比对所需冷/暖房功率与实际冷/暖房功率的差异值，再送出控制空调系统的控制信号，分别调整电动压缩机、冷凝器风扇与鼓风机的转速，藉此提高空调系统的电力运用效率，解决现有空调系统耗能且造成车辆电力系统负担的问题。
附图说明
图1：系本发明较佳实施例的冷气空调系统的系统架构图（一）。
图2：系本发明较佳实施例的冷/暖空调系统的系统架构图（二）。
图3：系本发明较佳实施例的恒温控制装置的电路方块图。
图4：系本发明较佳实施例的恒温控制装置的控制信号连接图。
图5：系本发明较佳实施例的恒温控制装置的流程图。
图6：系本发明较佳实施例的基本热交换曲线图。
图7：系本发明较佳实施例的实际冷/暖房功率大于热负载估测值时对应的冷/暖房功率调整前后的热交换曲线图（一）。
图8：系本发明较佳实施例的实际冷/暖房功率大于热负载估测值时对应的冷/暖房功率调整前后的热交换曲线图（二）。
图9：系本发明较佳实施例的实际冷/暖房功率小于热负载估测值时对应的冷/暖房功率调整前后的热交换曲线图。
主要元件符号说明：
11压缩机 12冷凝器
13膨胀阀 14蒸发器
15冷凝器风扇 16鼓风机
17四通换向阀
20恒温控制器 21热负载估测模块
22计算模块 23控制模块
231电动压缩机转速控制单元
232过冷度控制单元 233过热度控制单元
30感测器群组
311环境温度感测器 312车室温度感测器
313电动压缩机出口温度感测器
314电动压缩机入口温度感测器
315冷凝器出口温度感测器
316冷凝器入口温度感测器
317蒸发器出口温度感测器
318蒸发器入口温度感测器
321电动压缩机入口压力感测器
322电动压缩机出口压力感测器
33日照强度感测器
34电动压缩机输入电流感测器
35电动压缩机输入电压感测器
40设定单元
具体实施方式
关于本发明的较佳实施例，请参阅图1、2所示，其分别为单纯冷气的空调系统以及同时具有冷气与暖气的冷/暖空调系统的基本架构，如图1所示，该单纯冷气空调系统包含有依序串接的一压缩机11、一冷凝器12、一膨胀阀13与一蒸发器14，冷凝器12外设有一冷凝器风扇15，蒸发器13外设有一鼓风机16，空调系统中的冷媒经压缩机11推动依序经过冷凝器12、膨胀阀13与蒸发器14再回到压缩机11，由冷凝器风扇15将通过冷凝器12的冷媒的热量排放至室外，再由通过蒸发器14的冷媒吸收室内热量，使室内的温度可以较室外低；请参阅图2所示，系一冷/暖空调系统，其与图1的空调系统大致相同，不同的是压缩机11与冷凝器12及蒸发器14之间连接有一四通换向阀17，该四通换向阀17可依控制信号将压缩机11推动的冷媒分别导向冷凝器12或蒸发器14，藉由改变冷媒的流向达到同一空调系统分别具有冷/暖气的功能。
请参阅图3所示，本较佳实施例系以汽车为例，该智能型恒温控制装置包含有一恒温控制器20、一感测器群组30与一设定单元40，该恒温控制器20是分别与感测器群组30以及设定单元40电连接，恒温控制器20依据感测器群组30以及设定单元40的该等信号进行整合运算，以分别输出控制信号给前述冷/暖空调系统的电动压缩机11、冷凝器风扇15与鼓风机16。
请配合参阅图4所示，该恒温控制器20包含有一热负载估测模块21、一计算模块22与一控制模块23，该热负载估测模块21是接收感测器群组30与设定单元40的信号，并依据已知车室空间大小、环境温度（车外温度）、车室温度（车内温度）、设定温度与车辆所受的日照强度计算车内当下的热负载估测值，以及冷/暖空调系统对应该热负载估测值所需提供的冷/暖房功率，由于车室温度会受到日照强度的大小而改变，故计算热负载估测值需加入日照强度的影响。
该计算模块22是接收电动压缩机11、冷凝器12与蒸发器14的温度与压力的回授信号以计算车内实际的冷/暖房功率，该控制模块23分别接收热负载估测模块21计算的车内所需冷/暖房功率与计算模块22计算的实际冷/暖房功率，再经比对两功率之间的差异值，决定空调系统的过热度或过冷度及所需调整的冷/暖房功率，控制模块23再分别送出控制信号给电动压缩机11、冷凝器风扇15与鼓风机16以调整并维持车内温度在所设温度的范围内。
该控制模块23包含有一电动压缩机转速控制单元231、一过冷度控制单元232与一过热度控制单元233，该电动压缩机转速控制单元231是与电动压缩机11电连接，以送出电动压缩机11的转速控制信号，过冷度控制单元232是与冷凝器风扇15电连接以送出冷凝器风扇15的控制信号，过热度控制单元233是与鼓风机16电连接以送出鼓风机16的控制信号。
该感测器群组30包含有复数个温度感测器与复数个压力感测器，该感测器群组30用来分别侦测冷/暖空调系统中的电动压缩机11、冷凝器12与蒸发器14的温度与压力，以提供热负载估测模块21与计算模块22所需的回授信号；如图3所示，于本较佳实施例中，该等温度感测器分别为一环境温度感测器（Ten）311、一车室温度感测器（Tcarin）312、一电动压缩机出口温度感测器（Tout）313、一电动压缩机入口温度感测器（Tin）314、一冷凝器出口温度感测器（Tcond-out）315、一冷凝器入口温度感测器（Tcond-in）316、一蒸发器出口温度感测器（Teva-out）317、一蒸发器入口温度感测器（Teva-in）318，该环境温度感测器（Ten）311用以侦测车外环境的温度值，该车室温度感测器（Tcarin）312用以侦测车内实际的温度值，该电动压缩机出口温度感测器（Tout）313用以侦测电动压缩机11出口处的温度值，该电动压缩机入口温度感测器（Tin）314用以侦测电动压缩机11入口处的温度值，该冷凝器出口温度感测器（Tcond-out）315用以侦测冷凝器12的出口处的温度值，该冷凝器入口温度感测器（Tcond-in）316用以侦测冷凝器12的入口处的温度值，该蒸发器出口温度感测器（Teva-out）317用以侦测蒸发器14的出口处的温度值，该蒸发器入口温度感测器（Teva-in）318用以侦测蒸发器14的入口处的温度值；该等压力感测器分别为一电动压缩机入口压力感测器（Pin）321与一电动压缩机出口压力感测器（Pout）322，该电动压缩机入口压力感测器（Pin）321用以侦测电动压缩机11入口处的压力值，该电动压缩机出口压力感测器（Pout）322用以侦测电动压缩机11出口处的压力值；该感测器群组30并包含有一日照强度感测器（Ssun）33，该日照强度感测器（Ssun）33用以侦测车辆所受日光照射的日照强度，由于日光会通过车辆四周的车窗影响车室内温度，故热负载估测模块21计算车室内热负载估测值时需加入车辆所受日照强度的影响。
该设定单元（Tset）40是供使用者设定所需的车内温度，并将温度信号传送至恒温控制器20。
该恒温控制器20并连接一电动压缩机输入电流感测器（Imotor）34与一电动压缩机输入电压感测器（Vmotor）35，该电动压缩机输入电流感测器（Imotor）34与电动压缩机输入电压感测器（Vmotor）35用以分别侦测电动压缩机11消耗的电压值与电流值。
设定单元40将使用者设定的温度信号（Tset）送至恒温控制器20，恒温控制器20的热负载估测模块21依据环境温度感测器（Ten）311、车室温度感测器（Tcarin）312与日照强度感测器（Ssun）33的信号计算车内的热负载估测值及对应该热负载估测值所需的冷/暖房功率，并产生一冷/暖房功率信号，计算模块22分别接收设于电动压缩机11、冷凝器12与蒸发器13上的各个温度与压力感测器的温度与压力信号，以计算车内实际的冷/暖房功率，并产生一实际冷/暖房功率信号，由控制模块23分别接收所需冷/暖房功率信号与实际冷/暖房功率信号，并比对所需冷/暖房功率信号与实际冷/暖房功率信号之间功率的差异值，令控制模块23依据差异值让电动压缩机转速控制单元231送出电动压缩机11的转速控制信号，过冷度控制单元232送出冷凝器风扇15的转速控制信号，过热度控制单元233送出鼓风机16的转速控制信号，使控制模块23可以分别调整电动压缩机11、冷凝器风扇15与鼓风机16的转速，令实际冷/暖房功率趋近热负载估测模块21计算的冷/暖房功率。
请参阅图5所示，系为恒温控制器20的判断流程，首先由热负载估测模块21取得使用者设定的温度值以及感测器群组30取得的车外的环境温度、车内的车室温度与日照强度（101），由热负载估测模块21计算车内的热负载估测值以及与该热负载估测值对应的冷/暖房功率（102），电动压缩机转速控制单元231输出电动压缩机11的转速控制信号，使电动压缩机11达到目标转速（103），计算模块22通过温度与压力感测器回传的信号计算实际冷/暖房功率（104），判断实际冷/暖房功率是否大于热负载估测值对应的冷/暖房功率（105），若实际冷/暖房功率大于热负载估测值对应的冷/暖房功率，代表车内过冷/过热，降低鼓风机16与冷凝器风扇15的转速（106），若实际冷/暖房功率小于热负载估测值对应的冷/暖房功率，代表车内过热/过冷，提高电动压缩机11的转速（107）。
请参阅图6所示，为该热负载估测模块21计算车内的热负载估测值以及与热负载估测值对应的冷/暖房功率的热交换曲线，如图所示的曲线，可知冷房性能系数 COPL = Q L W in = h 4 - h 3 h 1 - h 4 , 暖房性能系数 COPH = Q H W in = h 1 - h 2 h 1 - h 4 , Win=I motor×V motor，其中，Win为电动压缩机的输入功率，QH为暖房功率，QL为冷房功率，COP为性能系数（Coefficient of Performance），h为焓值（enthalpy），TS为过热度，TC为过冷度；空调系统中的冷媒经过压缩、冷凝、膨胀与蒸发后，完成吸热与散热的循环。
请参阅图7所示，当实际冷/暖房功率大于热负载估测值对应的冷/暖房功率时，代表温度过冷/过热，此时恒温控制器20应降低冷凝器风扇15的转速，以调整过热度与过冷度，令热交换曲线（虚线）会如图所示朝向右上方移动，造成QL'＜QL，QH'＜QH，使实际冷/暖房功率下降，进而使实际冷/暖房功率与热负载估测值的冷/暖房功率一致。
请参阅图8所示，当实际冷/暖房功率大于热负载估测值对应的冷/暖房功率时，代表温度过冷/过热，此时恒温控制器20应降低鼓风机16的转速，以调整过热度与过冷度，令热交换曲线（虚线）会如图所示朝向左上方移动，造成QL'＜QL，QH'＜QH，使实际冷/暖房功率下降，进而使实际冷/暖房功率与热负载估测值的冷/暖房功率一致。
请参阅图9所示，当实际冷/暖房功率小于热负载估测值对应的冷/暖房功率时，代表温度过热/过冷，此时恒温控制器20应提高电动压缩机11的转速，以调整冷/暖空调系统提供的冷/暖房功率，令热交换曲线（虚线）会如图所示向四周外移，造成QL'>QL，QH'>QH，使实际冷/暖房功率上升，进而使实际冷/暖房功率与热负载估测值的冷/暖房功率一致。
综上所述，由恒温控制器20计算车内热负载估测值可得所需的冷/暖房功率，再与实际的冷/暖房功率比较其差异值，并送出对应空调系统的各元件的控制信号，藉此提高空调系统的电力运用效率，解决现有空调系统具有耗能与造成电力系统负担的问题。

Claims (10)

1.一种适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制方法，其特征在于，所述的方法包含有：
依据室内温度、室外温度、设定温度与日照强度计算所需移除或增加的热负载估测值，以及与热负载估测值对应的冷/暖房功率；
依据所述的热负载估测值调整空调系统的运转，提供所需的冷/暖房功率；
测量实际的冷/暖房功率与计算的冷/暖房功率的差异，再次调整空调系统的运转，以符合恒温控制。
2.如权利要求1所述的适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制方法，其特征在于，
所述测量实际的冷/暖房功率与计算的冷/暖房功率的差异，再次调整空调系统的运转，以符合恒温控制，包括：
判断实际冷/暖房功率是否大于热负载估测值对应的冷/暖房功率，若实际冷/暖房功率大于热负载估测值对应的冷/暖房功率，代表室内过冷/过热，应降低实际冷/暖房功率。
3.如权利要求1或2所述的适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制方法，其特征在于，所述测量实际的冷/暖房功率与计算的冷/暖房功率的差异，再次调整空调系统的运转，以符合恒温控制，包括：
判断实际冷/暖房功率是否大于热负载估测值对应的冷/暖房功率，若实际冷/暖房功率小于热负载估测值对应的冷/暖房功率，代表室内过热/过冷，应提高实际冷/暖房功率。
4.一种适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制装置，其特征在于，所述的装置包括：
一恒温控制器，其包含有一热负载估测模块、一计算模块与一控制模块，所述的热负载估测模块接收外部信号以计算所需的热负载估测值及其对应的冷/暖房功率，所述的计算模块接收外部的信号以计算实际的冷/暖房功率，所述的控制模块接收并比对热负载估测模块计算的所需冷/暖房功率与计算模块计算的实际冷/暖房功率的差异值，再送出控制空调系统的控制信号；
一感测器群组，其与恒温控制器电连接，所述的感测器群组包含有一日照强度感测器、复数个温度感测器与复数个压力感测器，以分别侦测日照强度以及空调系统的温度与压力，提供热负载估测模块与计算模块所需的信号；
一设定单元，其与恒温控制器电连接，用以设定所需温度并传送设定的温度信号至恒温控制器。
5.如权利要求4所述的适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制装置，其特征在于，所述的温度感测器系一环境温度感测器、一车室温度感测器、一电动压缩机出口温度感测器、一电动压缩机入口温度感测器、一冷凝器出口温度感测器、一冷凝器入口温度感测器、一蒸发器出口温度感测器与一蒸发器入口温度感测器，所述的环境温度感测器用以侦测环境的温度值，所述的车室温度感测器用以侦测车内实际的温度值，所述的电动压缩机出口温度感测器用以侦测电动压缩机出口处的温度值，所述的电动压缩机入口温度感测器用以侦测电动压缩机入口处的温度值，所述的冷凝器出口温度感测器用以侦测冷凝器的出口处的温度值，所述的冷凝器入口温度感测器用以侦测冷凝器的入口处的温度值，所述的蒸发器出口温度感测器用以侦测蒸发器的出口处的温度值，所述的蒸发器入口温度感测器用以侦测蒸发器的入口处的温度值。
6.如权利要求4或5所述的适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制装置，其特征在于，所述的压力感测器分别为一电动压缩机入口压力感测器与一电动压缩机出口压力感测器，所述的电动压缩机入口压力感测器用以侦测电动压缩机入口处的压力值，所述的电动压缩机出口压力感测器用以侦测电动压缩机出口处的压力值。
7.如权利要求4或5所述的适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制装置，其特征在于，所述的恒温控制器连接有一电动压缩机输入电流感测器与一电动压缩机输入电压感测器，所述的电动压缩机输入电流感测器与电动压缩机输入电压感测器用以分别侦测电动压缩机消耗的电压与电流值。
8.如权利要求6所述的适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制装置，其特征在于，所述的恒温控制器连接有一电动压缩机输入电流感测器与一电动压缩机输入电压感测器，所述的电动压缩机输入电流感测器与电动压缩机输入电压感测器用以分别侦测电动压缩机消耗的电压与电流值。
9.如权利要求4或5所述的适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制装置，其特征在于，所述的控制模块包含有一电动压缩机转速控制单元、一过冷度控制单元与一过热度控制单元，所述的电动压缩机转速控制单元是与电动压缩机电连接以送出电动压缩机的转速控制信号，过冷度控制单元是与冷凝器风扇电连接以送出冷凝器风扇的控制信号，过热度控制单元是与鼓风机电连接以送出鼓风机的控制信号。
10.如权利要求6所述的适用于冷/暖空调系统的智能型恒温控制装置，其特征在于，所述的控制模块包含有一电动压缩机转速控制单元、一过冷度控制单元与一过热度控制单元，所述的电动压缩机转速控制单元是与电动压缩机电连接以送出电动压缩机的转速控制信号，过冷度控制单元是与冷凝器风扇电连接以送出冷凝器风扇的控制信号，过热度控制单元是与鼓风机电连接以送出鼓风机的控制信号。
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