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恒溫恒濕空調(diào)的原理及應用

陌肖 2024-02-19 00:00 來源：瀏覽量：15195

隨著建筑功能性的增多，越來越多的項目需要維持室內(nèi)環(huán)境的溫濕度恒定。

1.恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)原理：

下圖是恒溫恒濕機組兩種典型的焓濕圖過程分析：

全回風工況：

N-O為表冷器的工作過程，這是個降溫除濕的過程；

O-O’為電加熱的工作過程，等濕升溫；

O’-S為加濕器的工作過程，等溫加濕（電極加濕，干蒸汽加濕）；

S-N為吸收室內(nèi)的余熱余濕的過程。

一次回風工況：

其過程基本與全回風工況一樣，只是多了一個新回風的混合。

從焓濕圖上來分析：當室內(nèi)溫濕度設(shè)定為23℃/50%和18℃/68%時，其對應的露點溫度為12℃（滿足＞11.8℃機組的最低出風溫度所對應的露點溫度），這兩點是機組的一個極限點，這樣從焓濕圖上得到一條線即d1這條等含濕量線。當室內(nèi)溫濕度設(shè)定為25℃/65%時，其對應的露點溫度為18℃，我們通過這一點再作一條等含濕量線d2，這樣由含濕量線d1、含濕量線d2、50%相對濕度線、70%相對濕度線、18℃等溫線、25℃等溫線劃分出一個區(qū)域，即圖中陰影部分，這個區(qū)域就是我們的機組所能達到的一個范圍。從圖中可以看出機組的露點溫度在12-19℃之間。可以簡單概括一下，一種情況溫度要求較低時濕度就必須高，另一種情況濕度要求低時，那溫度就必須高。

合理的溫濕度設(shè)定值推薦如下：

2.恒溫恒濕機組與機房空調(diào)的區(qū)別：

1）顯熱比：

機房空調(diào)顯熱比≥0.9；

恒溫恒濕機組顯熱比≈0.7。

2）系統(tǒng)：

機房空調(diào)設(shè)計采用大風量小焓差，蒸發(fā)溫度為8-10℃，出風溫度在室內(nèi)露點溫度左右一點。

恒溫恒濕機組設(shè)計為常規(guī)風量，蒸發(fā)溫度為5-6℃出風溫度必須達到室內(nèi)露點溫度以下。

3）送回風方式：

機房空調(diào)一般為下送風，頂回風；

恒溫恒濕機組一般為上送風，下側(cè)回風或后回風，不可以下送風，頂回風。

4）應用場合：

機房空調(diào)主要應用于電信、移動、聯(lián)通、網(wǎng)通、鐵通、郵政、銀行、網(wǎng)站等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心以及醫(yī)院核磁共振室等以發(fā)熱為主的場合。

恒溫恒濕機組主要應用于電子、醫(yī)療、電廠、庫房等有溫濕度要求的場合。

3.不同溫濕度要求的常規(guī)空氣處理方案：

根據(jù)空調(diào)區(qū)溫濕度精度要求設(shè)計不同的空氣處理方案：

對于精度要求不高時，夏季空氣處理過程可只用表冷器進行降溫除濕，按使用要求確定溫度或濕度信號優(yōu)先控制冷凍水電動二通閥開度以調(diào)節(jié)溫濕度。

對于精度要求較高時則應對溫濕度分別進行調(diào)節(jié)，即溫濕度需要獨立控制。

簡述如下：

3.1.空調(diào)房間溫濕度精度要求的考量因素

3.1.1較低要求恒溫恒濕系統(tǒng)

當室內(nèi)溫度基數(shù)為23℃～28℃，精度為±2℃；室內(nèi)相對濕度基數(shù)為50%～60%RH，精度為±10%RH時，可采用集中式全空氣系統(tǒng)。空氣處理原理圖如圖1：

夏季：室內(nèi)溫濕度通過控制冷凍水電動二通閥來實現(xiàn)。室內(nèi)溫、濕度信號與設(shè)定值比較后，按溫濕度優(yōu)先順序或偏差值大小優(yōu)先順序控制表冷器出水電動二通閥開度，使新風，回風混合后經(jīng)表冷器降溫去濕后達到設(shè)計所要求的機器露點，送入空調(diào)房間，使室內(nèi)空氣溫、濕度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。

冬季：新風與回風混合后，經(jīng)加熱加濕后送入室內(nèi)，室內(nèi)溫度信號與設(shè)定值比較后，以偏差值控制加熱器的電動二通閥的開度，調(diào)節(jié)加熱量，使室內(nèi)空氣溫度達到規(guī)定范圍內(nèi)；室內(nèi)濕度信號與設(shè)定值比較后，以偏差值控制加濕器的電動閥開度，調(diào)節(jié)加濕量，使室內(nèi)相對濕度達到規(guī)定范圍內(nèi)。

3.1.2較高要求恒溫恒濕系統(tǒng)

當室內(nèi)溫度基數(shù)為23～26℃，精度為±1℃；室內(nèi)相對濕度基數(shù)為50～60%RH，精度為±5%RH時，由于室內(nèi)溫、濕度要求的精度范圍較小，夏季單靠控制冷凍水電動二通閥開度很難同時達到溫濕度精度范圍。因此室內(nèi)溫、濕度必須分開控制。空氣處理原理圖如圖2：

夏季室內(nèi)溫度通過調(diào)節(jié)電加熱器的加熱量來實現(xiàn)，室內(nèi)濕度通過調(diào)節(jié)冷凍水電動二通閥來實現(xiàn)。這里增加一個二次回風過程，可避免過多的熱冷能量抵消，節(jié)約一部分能量。

通過以上兩個例子可以看到由于空調(diào)房間溫、濕度精度要求不同，應該采用不同的空氣處理方案。

3.2.空調(diào)房間溫濕度基數(shù)要求的考量因素

由于空調(diào)房間溫、濕度基數(shù)不同，也應采用不同的空氣處理方案。調(diào)節(jié)室溫用換熱器就可實現(xiàn)，調(diào)節(jié)室內(nèi)相對濕度卻因室內(nèi)露點溫度不同而應采用不同的降濕、加濕設(shè)備。

3.2.1空氣的除濕

新、回風混合后，經(jīng)冷卻去濕后機器露點的絕對含濕量須低于室內(nèi)空氣露點所對應的絕對含濕量，才有可能負擔室內(nèi)濕負荷。常規(guī)冷凍水供水溫度為7℃，而經(jīng)過表冷器冷卻去濕后的空氣出口干球溫度比冷凍水供水溫度高出約3.5~4℃。表冷器所提供的冷量要大于或等于空氣處理過程所需冷量的同時，表冷器的干球溫度效率及接觸系數(shù)必須大于等于空氣處理過程的干球溫度效率及接觸系數(shù)。還須考慮析濕系數(shù)的影響。因此采用常規(guī)7℃冷凍水供水的表冷器，冷卻除濕的空氣處理方案不適用于室內(nèi)露點溫度低于11℃的空調(diào)系統(tǒng)。室內(nèi)露點溫度在4℃～12℃之間，除濕設(shè)備可采用冷凍除濕機；當室內(nèi)露點溫度低于4℃時，采用冷凍除濕機除濕效率下降，機組除霜時間過長。這時可采用低露點空氣干燥機，綜合運用冷凍除濕和氯化鋰轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)：新風經(jīng)初、中效兩級過濾后，用蒸發(fā)器降溫除濕到露點溫度為6℃～8℃，再經(jīng)過氯化鋰轉(zhuǎn)輪除濕機除濕，將空氣露點降至-10℃。對于需要更低露點的空氣，再經(jīng)過二級表冷器和氯化鋰轉(zhuǎn)輪除濕機除濕，可將空氣露點溫度降至-20℃。氯化鋰轉(zhuǎn)輪除濕機可通過設(shè)旁路控制，即控制通過轉(zhuǎn)輪除濕風量的大小或控制再生溫度的高低來調(diào)節(jié)機組除濕量的大小。

空氣除濕裝置的性能比較：

空氣除濕裝置的性能比較見上表，適用于恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的是冷凍法和轉(zhuǎn)輪吸附法。因為這兩種方法的除濕量調(diào)節(jié)精度比較高，用轉(zhuǎn)輪吸附法時必須與冷凍法聯(lián)合除濕。由于轉(zhuǎn)輪吸附法能耗較大，應減少通過轉(zhuǎn)輪除濕機的風量。其空氣處理原理圖如圖3：

室內(nèi)相對溫度通過控制轉(zhuǎn)輪除濕機的除濕量來現(xiàn)實，室內(nèi)溫度通過控制連接后表冷器的冷凍水電動兩通閥來現(xiàn)實。

3.2.2空氣的加濕

空氣加濕器有干蒸氣加濕器、電加濕器(電熱式、電極式)、PTC蒸汽發(fā)生器、加壓噴霧式加濕器、離心式加濕器、超聲波式加濕器、濕面蒸發(fā)式加濕器等，進行設(shè)計選型時要注意加濕過程在焓濕圖上的變化過程，是近似等焓過程還是近似等溫過程，當新風比例較大時，等焓加濕所需的加熱量要占很大比例。

4.恒溫恒濕空調(diào)機組：

GB/T17758《單元式空氣調(diào)節(jié)機》要求：

機組的名義工況規(guī)定如下：

室內(nèi)側(cè)進風干濕球溫度：23/17 ℃；

風冷型室外干濕球溫度：35/24 ℃；

水冷型冷凝器進出水溫度：30/35 ℃。

風冷分體式機組適用于水源缺乏或者不宜于安裝冷卻塔的場所；

水冷恒溫恒濕機組適用于水源充足、具備安裝冷卻塔條件的地區(qū)。

5.恒溫恒濕機組的控制：

監(jiān)測對象：房間溫度，房間濕度，水位、水流、送風；

控制設(shè)備：壓縮機，電加熱器，電加濕器，風機。

啟停控制：

啟動順序：風機→冷凝側(cè)風機（或冷卻水系統(tǒng)） →壓縮機 →判斷風速→加熱器→判斷水箱液位→加濕器。

停止順序：加熱器→加濕器→壓縮機→冷凝側(cè)風機（或冷卻水系統(tǒng)） →風機。

房間參數(shù)控制調(diào)節(jié)：

根據(jù)實測值與設(shè)定值決定壓縮機、加熱器、加濕器、風機的啟停；

控制精度：溫度±0.1℃，濕度±3%；

避免同時升降溫、加除濕，避免冷熱抵消。

自動運行、安全保護：

壓縮機：冷凝壓力過高、油壓過低、冷卻水流速過低、油溫過低；

電加熱器：風速過低時斷電；

電加濕器：水位過低時斷電；

空氣過濾器阻力過大時報警。

人機界面：

輸入溫濕度設(shè)定值；顯示設(shè)備運行狀態(tài)；單臺設(shè)備的操作命令。

5.1.傳感器：

需監(jiān)測的參數(shù)：空氣的溫度、濕度；冷凝壓力；空氣過濾阻力；冷卻水流；送風氣流；加濕器水位；各設(shè)備的運行狀況。

傳感器的平均無故障時間MTBF（Mean Time Between Failure）：

傳感器準確測量的實現(xiàn)：

正確感知物理量的變化：不能影響被測物理量。

電信號的可靠傳輸：傳輸線路長度，沿途磁場干擾，接收端的高精度轉(zhuǎn)換。

電壓、電流模擬信號：脈沖信號，數(shù)字信號。

溫度傳感器的類型：熱敏電阻型，金屬電阻。

金屬電阻：靈敏度：0.1%/K，線性；

熱敏電阻：靈敏度：3%~5%/K，非線性。

熱敏電阻型注意事項：

電阻的溫升不能影響被測對象的溫度；

90mm鉑電阻通過5mA電流測水溫時溫升0.01K，測空氣溫度溫升0.1K。

解決溫升誤差的辦法：

只在測量時供電，不測量時斷電，時間比法測熱敏電阻的電阻值。

熱敏電壓型：

熱電偶：溫差電勢百毫伏級；

半導體PN結(jié)：電壓大，但一致性難保證。

集成芯片（IC型）：電流型，測溫范圍為- 55℃~+150℃；電源電壓范圍為4～30 V；精度高，在- 55℃~+-150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。

數(shù)字通信型集成芯片（智能傳感器）：

濕度傳感器的類型：

電容式：濕度變化引起電容變化，轉(zhuǎn)換為電流變化；

氯化鋰電阻式：濕度變化引起電阻變化；

氯化鋰露點溫度：加熱氯化鋰敏感元件，使其表面水蒸汽分壓力等于空氣水蒸汽分壓力，測出氯化鋰溫度得到對應的水蒸汽分壓力。

測量信號的變送：4～20mA標準電流，脈沖輸出，數(shù)字通信（智能傳感器）。

開關(guān)型輸出的傳感器：

制冷循環(huán)的壓力報警 → 壓力開關(guān)；

流速過低報警 → 流速開關(guān)；

水位過高、過低報警 → 水位開關(guān)；

空氣過濾器壓差報警→ 微壓差開關(guān)。

5.2.執(zhí)行器

電加熱器、加濕器的通斷：

觸點開關(guān)：交流接觸器：單片機控制；光電隔離控制。

電加熱器、加濕器的通斷：

電子開關(guān)：電子開關(guān)，可控硅調(diào)壓。

風機、壓縮機電機的控制：

⑴直接啟停控制：

⑵降壓啟動：

⑶變頻控制：

⑷電動水閥的控制：

電磁閥→通斷，斷電后狀態(tài)：常開/常閉。

電動閥 → 連續(xù)調(diào)節(jié)開度，斷電后閥位不變；

電熱閥 →通過感溫元件的熱脹冷縮實現(xiàn)開關(guān)閥；

緩開緩關(guān)，會產(chǎn)生水錘，無轉(zhuǎn)動部件，使用壽命長，無噪音。

5.3.控制器

基于計算機的控制器：

1）單片機

單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU），在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲器、I/O接口電路的單芯片微型計算機。例如：8051系列是一種應用廣泛的典型單片機。

單片機輸入輸出的實現(xiàn)：

數(shù)據(jù)輸入DI：監(jiān)測管腳的電壓變化，超過閾值讀“1”；

數(shù)據(jù)輸出DO：指定管腳的電壓，接通電路；

外圍電路與單片機的隔離。

模擬輸入AI：測出管腳的電壓，計算出相應被測物理量的值；

模擬輸出AO：指定管腳電壓，驅(qū)動外電路工作在需要的狀態(tài)；

串行通信UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）。

控制器外電路：

控制器軟件：

風機的開、停；加濕器補水閥；壓縮機、加熱器、加濕器啟停；冷卻水電磁閥開關(guān)。

5.4.控制調(diào)節(jié)算法：

占空比控制：

占空比(Duty Ratio)：在一串理想的脈沖周期序列中（如方波），正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值。

控制對象：溫度，濕度；

調(diào)節(jié)設(shè)備：

冷機：降溫除濕，不能頻繁啟停；

加熱器：升溫，慣性小，調(diào)節(jié)性能好；

加濕器：加濕，慣性大，遲滯大。

設(shè)備控制要求：

啟停控制：

加熱器、加濕器：可較高頻率啟停，~1min；

冷機：運行、停止時間＞5min。

5.4控制策略：

虛線框外：粗調(diào)→快速；

設(shè)備全功率輸出：I區(qū)：加熱器；II區(qū)：加濕器；III區(qū)：冷機；IV區(qū)：冷機、加熱器；V區(qū)：冷機、加濕器；VI區(qū)：加熱器、加濕器。

虛線框內(nèi)：細調(diào)→穩(wěn)定。

高精度恒溫：

溫度→控加熱器：

III、IV、V區(qū)進入：根據(jù)濕度→控冷機；

I、II、VI區(qū)進入：根據(jù)濕度→控加濕器。

高精度恒濕：

濕度→控加熱器：

III、IV、V區(qū)進入：根據(jù)溫度→控冷機；

I、II、VI區(qū)進入：根據(jù)溫度→控加濕器。

控制策略的制定原則：

溫濕度控制解耦；利用慣性小、調(diào)節(jié)特性好的電加熱器控制精度要求高的被控參數(shù)。

準穩(wěn)定區(qū)的劃分：

T_set±0.5℃時：準穩(wěn)定區(qū)振蕩；

T_set±5℃時：達到穩(wěn)定時間長。

準穩(wěn)定區(qū)的邊界：

避免設(shè)備頻繁啟停：邊界是一條帶。

恒溫恒濕空調(diào)

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