CN113757933A - 空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了空调系统包括：氧浓度传感器，设于室内机模块中，用于采集室外初始氧浓度φout；红外传感器，设于室内机模块中，用于获取室内人数N；控制模块，其内设有室内体积V；其与所述氧浓度传感器和所述红外传感器通信连接，用于接收所述室内初始氧浓度和所述室内人数N；其中，所述控制模块还用于采用下列公式一计算实时房间氧浓度φ(n)；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；φox为供氧管出口氧浓度；Q为空调室内机的风量；k1、k2、k3和k4为修正系数；t为时间步长；L为供氧管出口排量；P为用户单位时间内的耗氧量。本发明依靠数学模型进行富氧房的氧浓度预测，节省了昂贵的氧浓度传感器成本。此外，不会像氧浓度传感器那样因为使用时长的增加而产生数据漂移。

Description

空调系统
技术领域
本发明涉及空调技术领域，具体涉及空调系统。
背景技术
空调行业中，室内氧浓度是评价室内舒适性的重要标准之一，同时也是富氧空调以及新风空调产品控制逻辑中的一项重要参数。
目前，对于室内氧浓度的数据采集主要还是依靠氧气浓度传感器来完成。而市面上的氧浓度传感器的成本普遍偏高，常用的氧化锆传感器成本高达400元，相对于空调内机的成本来讲性价比极低；且寿命不足，约20000个小时，远低于空调10年的使用寿命；此外，由于检测原理的原因，长时间使用后会出现数据偏移，且偏移量无法预测。
综上，现需要设计一种空调系统能够解决上述技术问题。
发明内容
为解决上述现有技术中问题，本发明提供了空调系统，依靠数学模型进行富氧房的氧浓度预测，节省了昂贵的氧浓度传感器成本。此外，不会像氧浓度传感器那样因为使用时长的增加而产生数据漂移。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
空调系统，包括：
氧浓度传感器，设于室内机模块中，用于采集室外初始氧浓度
Figure RE-GDA0003324309780000012
红外传感器，设于室内机模块中，用于获取室内人数N；
控制模块，其内设有室内体积V；其与所述氧浓度传感器和所述红外传感器通信连接，用于接收所述室内初始氧浓度和所述室内人数N；
其中，所述控制模块还用于采用下列公式一计算实时房间氧浓度
Figure RE-GDA0003324309780000013
Figure RE-GDA0003324309780000011
Figure RE-GDA0003324309780000021
为供氧管出口氧浓度；Q为空调室内机的风量；k1、k2、k3和k4为修正系数；t为时间步长；L为供氧管出口排量。
在本发明的一些实施例中，所述修正系数k1为对流项的修正系数，所述修正系数k2为扩散项的修正系数，所述修正系数k3为供氧量的修正系数，所述修正系数k4为源项的修正系数。
在本发明的一些实施例中，所述控制模块还用于将公式一与实测数据进行拟合后求得所述修正系数。
在本发明的一些实施例中，所述修正系数k1为0.00195；所述修正系数k2 为0.125；所述修正系数k3为0.408；所述修正系数k4为0.019。
在本发明的一些实施例中，所述风量Q为实验室测试值，包括三类风档值：高风档的风量Q为540m3/h、中风档的风量Q为450m3/h、低风档的风量Q为 330m3/h。
在本发明的一些实施例中，所述控制模块用于将组分运输方程对时间和室内体积进行积分后得到公式二：
Figure RE-GDA0003324309780000022
其中，控制模块将瞬态项
Figure RE-GDA0003324309780000023
转化为公式三：
Figure RE-GDA0003324309780000024
在本发明的一些实施例中，所述控制模块用于设置比重f表征相邻的时间步长对氧浓度变化量的影响程度，得到公式四：
Figure RE-GDA0003324309780000025
其中，
Figure RE-GDA0003324309780000026
代表上一时间步长的室内氧浓度；
Figure RE-GDA0003324309780000027
代表下一时间步长的室内氧浓度。
在本发明的一些实施例中，所述比重f的取值范围是：0≤f≤1；当f＝0时, 所述控制模块使用上一时间步长的室内氧浓度进行时间积分；当f＝1时，所述控制模块使用当前时间步长的室内氧浓度进行时间积分。
本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
本发明依靠数学模型进行富氧房的氧浓度预测，节省了昂贵的氧浓度传感器成本。此外，不会像氧浓度传感器那样因为使用时长的增加而产生数据漂移。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本申请中空气调节器通过使用压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器来执行空调器的制冷循环。制冷循环包括一系列过程，涉及压缩、冷凝、膨胀和蒸发，并向已被调节和热交换的空气供应制冷剂。
压缩机压缩处于高温高压状态的制冷剂气体并排出压缩后的制冷剂气体。所排出的制冷剂气体流入冷凝器。冷凝器将压缩后的制冷剂冷凝成液相，并且热量通过冷凝过程释放到周围环境。
膨胀阀使在冷凝器中冷凝的高温高压状态的液相制冷剂膨胀为低压的液相制冷剂。蒸发器蒸发在膨胀阀中膨胀的制冷剂，并使处于低温低压状态的制冷剂气体返回到压缩机。蒸发器可以通过利用制冷剂的蒸发的潜热与待冷却的材料进行热交换来实现制冷效果。在整个循环中，空调器可以调节室内空间的温度。
空调器的室外单元是指制冷循环的包括压缩机和室外热交换器的部分，空调器的室内单元包括室内热交换器，并且膨胀阀可以提供在室内单元或室外单元中。
室内热交换器和室外热交换器用作冷凝器或蒸发器。当室内热交换器用作冷凝器时，空调器用作制热模式的加热器，当室内热交换器用作蒸发器时，空调器用作制冷模式的冷却器。
空调系统，包括：
氧浓度传感器，设于室外机模块中，用于采集室外初始氧浓度
Figure RE-GDA0003324309780000041
红外传感器，设于室内机模块中，用于获取室内人数N；
控制模块，其内设有室内体积V；其与所述氧浓度传感器和所述红外传感器通信连接，用于接收室外初始氧浓度
Figure RE-GDA0003324309780000042
和所述室内人数N；
其中，所述控制模块还用于采用下列公式一计算实时房间氧浓度
Figure RE-GDA0003324309780000043
Figure RE-GDA0003324309780000044
Figure RE-GDA0003324309780000045
为供氧管出口氧浓度；Q为空调室内机的风量；k1、k2、k3和k4为修正系数；t为时间步长；L为供氧管出口排量。
本发明中的控制模块设计的数学计算方法本质上是一种通过总结氧浓度在室内变化的物理规律，从而拟合出的以影响氧浓度变化的因素为变量，以当前时间步的氧浓度为输出的一种数学模型，该模型能够通过计算来完成室内实时氧浓度的预测。本发明的主要作用是服务于控制逻辑中氧浓度判定分支的数据提供。
本发明中设计的数学模型，以影响氧浓度的各项因素为输入，通过该数学模型计算得出实时的氧浓度。
通过实验测试可知：室内的氧气浓度的变化主要与氧气含量以及房间体积有关，其中房间内氧气含量的变化又与4个变量有关：
变量1、房间内的人数及呼吸耗氧，为第一耗氧源；
变量2、制氧模块的供氧量，为供氧源；
变量3、室内高浓度氧分子向室外低浓度分子的扩散现象，为第二耗氧源；
变量4、房间缝隙处的空气对流。
本发明中用于制氧空调的室内氧浓度预测的数学模型的目的就是：以上述4 个变量为输入值，通过数学计算得到输出值，即该时段的氧浓度值。
在本发明的一些实施例中，公式一是以组分运输理论为基础，组分运输方程见下列公式：
Figure RE-GDA0003324309780000051
其中，
Figure RE-GDA0003324309780000052
为体积浓度，ρ为密度，U为矢量速度，Γ＝ρDs，DS为扩散系数，取值为定值，S为系统内部单位时间内单位体积产生的组分质量。
将上述组分运输方程对时间以及室内体积进行积分，得下列公式：
Figure RE-GDA0003324309780000053
修改后得公式二：
Figure RE-GDA0003324309780000061
其中：
Figure RE-GDA0003324309780000062
为瞬态项；
Figure RE-GDA0003324309780000063
为对流项；
Figure RE-GDA0003324309780000064
为扩散项；
Figure RE-GDA0003324309780000065
为源项。
上述的其中的瞬态项可转化为公式三
Figure RE-GDA0003324309780000066
为了计算公式二中对流项、扩散项、源项的时间积分项，控制模块对公式二中变量
Figure RE-GDA0003324309780000067
如何随时间而变化的情况作以下假设：上一时间步长对氧浓度变化量的影响程度和下一时间步长对氧浓度对氧浓度变化量的影响程度不同，设置比重f 表征相邻的时间步长对氧浓度变化量的影响程度，得公式四：
Figure RE-GDA0003324309780000068
其中，
Figure RE-GDA0003324309780000069
代表上一时间步长的室内氧浓度；
Figure RE-GDA00033243097800000610
代表下一时间步长的室内氧浓度；
比重f是0与1之间的加权因子，即比重f的取值范围是：0≤f≤1。当f＝0 时，意味着使用上一时间步房间氧浓度进行时间积分；而当f＝1时，意味着使用当前时间步房间氧浓度进行时间积分；如果f＝1/2，意味着上一时间步与当前时间步的权重一样。
考虑到空调芯片计算能力，隐式求解计算量过大，因此对修改前的公式二采用显示求解，即f＝0。为了简化计算，以一维模型进行分析，可得下列公式：
Figure RE-GDA0003324309780000071
换项后得下列公式：
Figure RE-GDA0003324309780000072
从上式量纲得，对流项是Q的一次函数，扩散项是浓度梯度的一次函数，根据各项物理意义，将其简化得公式一：
Figure RE-GDA0003324309780000073
式中：
Figure RE-GDA0003324309780000074
代表瞬态项；
Figure RE-GDA0003324309780000075
代表对流项；
Figure RE-GDA0003324309780000076
代表扩散项；
Figure RE-GDA0003324309780000077
代表源项，其中
Figure RE-GDA0003324309780000078
Figure RE-GDA0003324309780000079
为常数源项，
Figure RE-GDA00033243097800000710
为可变源项。
其中：
Figure RE-GDA00033243097800000711
为当前时间步的氧浓度，其中n代表时间步，n＝0、1、2……。
Figure RE-GDA00033243097800000712
为上一时间步的氧浓度；
L为制氧机出口排量；
Figure RE-GDA00033243097800000713
为供氧管出口氧浓度；
V为室内体积；
k1为对流项的修正系数；
k2为扩散项的修正系数；
k3为供氧量的修正系数；当单开时k3＝1，当同开时k3＝0.4；
k4为源项的修正系数；
P为用户单位时间内的耗氧量，15L/h。
Figure RE-GDA0003324309780000081
为供氧房间室外氧浓度；
t为时间步长，在其他一些实施例中，t＝15min；
Q为室内机风量采用实验室测试值，包括三类风档值：高风档的风量Q为 540m3/h、中风档的风量Q为450m3/h、低风档的风量Q为330m3/h；停机时Q 取0。
在本发明的一些实施例中，将公式一与实测数据进行拟合，可得各项影响因素在整体浓度变化中所占的权重比k，即公式中的k1＝0.00195；k2＝0.125； k3＝0.408；k4＝0.019。
考虑到室内机风量的实验室测试值与用户实际使用环境中的数值是不同的，而由于用户实际使用环境中存在格栅等障碍物，风量的数值一般低于实验室测试值。从公式一可知，当风量Q越大时，氧气的对流耗散越快，因此一般用户家中氧气的实际对流耗散量较公式一中所计算的耗散量更少，从而浓度上升更快。
综上所述，所得到的公式一中的输入量分别为用户房间面积、房间人数、供氧量。其中房间面积和房间人数可依据用户室内的空调匹数来确定，供氧量恒定为机器标称供氧量。输出量为房间当前时间步的氧浓度
Figure RE-GDA0003324309780000082
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.空调系统，其特征在于，包括：
氧浓度传感器，设于室内机模块中，用于采集室外初始氧浓度φout；
红外传感器，设于室内机模块中，用于获取室内人数N；
控制模块，其内设有室内体积V；其与所述氧浓度传感器和所述红外传感器通信连接，用于接收所述室内初始氧浓度和所述室内人数N；
其中，所述控制模块还用于采用下列公式一计算实时房间氧浓度φ(n)；
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
φox为供氧管出口氧浓度；Q为空调室内机的风量；k1、k2、k3和k4为修正系数；t为时间步长；L为供氧管出口排量；P为用户单位时间内的耗氧量。
2.根据权利要求1所述的空调系统，其特征在于，所述修正系数k1为对流项的修正系数，所述修正系数k2为扩散项的修正系数，所述修正系数k3为供氧量的修正系数，所述修正系数k4为源项的修正系数。
3.根据权利要求1所述的空调系统，其特征在于，所述控制模块还用于将公式一与实测数据进行拟合后求得所述修正系数。
4.根据权利要求2所述的空调系统，其特征在于，所述修正系数k1为0.00195；所述修正系数k2为0.125；所述修正系数k3为0.408；所述修正系数k4为0.019。
5.根据权利要求1所述的空调系统，其特征在于，所述风量Q为实验室测试值，包括三类风档值：高风档的风量Q为540m3/h、中风档的风量Q为450m3/h、低风档的风量Q为330m3/h。
6.根据权利要求1所述的空调系统，其特征在于，所述控制模块用于将组分运输方程对时间和室内体积进行积分后得到公式二：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，控制模块将瞬态项
Figure 359550DEST_PATH_IMAGE004
转化为公式三：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
7.根据权利要求6所述的空调系统，其特征在于，所述控制模块用于设置比重f表征相邻的时间步长对氧浓度变化量的影响程度，得到公式四：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 320684DEST_PATH_IMAGE008
代表上一时间步长的室内氧浓度；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
代表下一时间步长的室内氧浓度。
8.根据权利要求7所述的空调系统，其特征在于，所述比重f的取值范围是：0≤f≤1；当f=0时,所述控制模块使用上一时间步长的室内氧浓度进行时间积分；当f=1时，所述控制模块使用当前时间步长的室内氧浓度进行时间积分。
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