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恒温恒湿空调的原理及应用

陌肖 2024-02-19 00:00 来源：浏览量：8312

随着建筑功能性的增多，越来越多的项目需要维持室内环境的温湿度恒定。

1.恒温恒湿空调系统原理：

下图是恒温恒湿机组两种典型的焓湿图过程分析：

全回风工况：

N-O为表冷器的工作过程，这是个降温除湿的过程；

O-O’为电加热的工作过程，等湿升温；

O’-S为加湿器的工作过程，等温加湿（电极加湿，干蒸汽加湿）；

S-N为吸收室内的余热余湿的过程。

一次回风工况：

其过程基本与全回风工况一样，只是多了一个新回风的混合。

从焓湿图上来分析：当室内温湿度设定为23℃/50%和18℃/68%时，其对应的露点温度为12℃（满足＞11.8℃机组的最低出风温度所对应的露点温度），这两点是机组的一个极限点，这样从焓湿图上得到一条线即d1这条等含湿量线。当室内温湿度设定为25℃/65%时，其对应的露点温度为18℃，我们通过这一点再作一条等含湿量线d2，这样由含湿量线d1、含湿量线d2、50%相对湿度线、70%相对湿度线、18℃等温线、25℃等温线划分出一个区域，即图中阴影部分，这个区域就是我们的机组所能达到的一个范围。从图中可以看出机组的露点温度在12-19℃之间。可以简单概括一下，一种情况温度要求较低时湿度就必须高，另一种情况湿度要求低时，那温度就必须高。

合理的温湿度设定值推荐如下：

2.恒温恒湿机组与机房空调的区别：

1）显热比：

机房空调显热比≥0.9；

恒温恒湿机组显热比≈0.7。

2）系统：

机房空调设计采用大风量小焓差，蒸发温度为8-10℃，出风温度在室内露点温度左右一点。

恒温恒湿机组设计为常规风量，蒸发温度为5-6℃出风温度必须达到室内露点温度以下。

3）送回风方式：

机房空调一般为下送风，顶回风；

恒温恒湿机组一般为上送风，下侧回风或后回风，不可以下送风，顶回风。

4）应用场合：

机房空调主要应用于电信、移动、联通、网通、铁通、邮政、银行、网站等网络数据中心以及医院核磁共振室等以发热为主的场合。

恒温恒湿机组主要应用于电子、医疗、电厂、库房等有温湿度要求的场合。

3.不同温湿度要求的常规空气处理方案：

根据空调区温湿度精度要求设计不同的空气处理方案：

对于精度要求不高时，夏季空气处理过程可只用表冷器进行降温除湿，按使用要求确定温度或湿度信号优先控制冷冻水电动二通阀开度以调节温湿度。

对于精度要求较高时则应对温湿度分别进行调节，即温湿度需要独立控制。

简述如下：

3.1.空调房间温湿度精度要求的考量因素

3.1.1较低要求恒温恒湿系统

当室内温度基数为23℃～28℃，精度为±2℃；室内相对湿度基数为50%～60%RH，精度为±10%RH时，可采用集中式全空气系统。空气处理原理图如图1：

夏季：室内温湿度通过控制冷冻水电动二通阀来实现。室内温、湿度信号与设定值比较后，按温湿度优先顺序或偏差值大小优先顺序控制表冷器出水电动二通阀开度，使新风，回风混合后经表冷器降温去湿后达到设计所要求的机器露点，送入空调房间，使室内空气温、湿度保持在规定的范围内。

冬季：新风与回风混合后，经加热加湿后送入室内，室内温度信号与设定值比较后，以偏差值控制加热器的电动二通阀的开度，调节加热量，使室内空气温度达到规定范围内；室内湿度信号与设定值比较后，以偏差值控制加湿器的电动阀开度，调节加湿量，使室内相对湿度达到规定范围内。

3.1.2较高要求恒温恒湿系统

当室内温度基数为23～26℃，精度为±1℃；室内相对湿度基数为50～60%RH，精度为±5%RH时，由于室内温、湿度要求的精度范围较小，夏季单靠控制冷冻水电动二通阀开度很难同时达到温湿度精度范围。因此室内温、湿度必须分开控制。空气处理原理图如图2：

夏季室内温度通过调节电加热器的加热量来实现，室内湿度通过调节冷冻水电动二通阀来实现。这里增加一个二次回风过程，可避免过多的热冷能量抵消，节约一部分能量。

通过以上两个例子可以看到由于空调房间温、湿度精度要求不同，应该采用不同的空气处理方案。

3.2.空调房间温湿度基数要求的考量因素

由于空调房间温、湿度基数不同，也应采用不同的空气处理方案。调节室温用换热器就可实现，调节室内相对湿度却因室内露点温度不同而应采用不同的降湿、加湿设备。

3.2.1空气的除湿

新、回风混合后，经冷却去湿后机器露点的绝对含湿量须低于室内空气露点所对应的绝对含湿量，才有可能负担室内湿负荷。常规冷冻水供水温度为7℃，而经过表冷器冷却去湿后的空气出口干球温度比冷冻水供水温度高出约3.5~4℃。表冷器所提供的冷量要大于或等于空气处理过程所需冷量的同时，表冷器的干球温度效率及接触系数必须大于等于空气处理过程的干球温度效率及接触系数。还须考虑析湿系数的影响。因此采用常规7℃冷冻水供水的表冷器，冷却除湿的空气处理方案不适用于室内露点温度低于11℃的空调系统。室内露点温度在4℃～12℃之间，除湿设备可采用冷冻除湿机；当室内露点温度低于4℃时，采用冷冻除湿机除湿效率下降，机组除霜时间过长。这时可采用低露点空气干燥机，综合运用冷冻除湿和氯化锂转轮除湿技术：新风经初、中效两级过滤后，用蒸发器降温除湿到露点温度为6℃～8℃，再经过氯化锂转轮除湿机除湿，将空气露点降至-10℃。对于需要更低露点的空气，再经过二级表冷器和氯化锂转轮除湿机除湿，可将空气露点温度降至-20℃。氯化锂转轮除湿机可通过设旁路控制，即控制通过转轮除湿风量的大小或控制再生温度的高低来调节机组除湿量的大小。

空气除湿装置的性能比较：

空气除湿装置的性能比较见上表，适用于恒温恒湿空调系统的是冷冻法和转轮吸附法。因为这两种方法的除湿量调节精度比较高，用转轮吸附法时必须与冷冻法联合除湿。由于转轮吸附法能耗较大，应减少通过转轮除湿机的风量。其空气处理原理图如图3：

室内相对温度通过控制转轮除湿机的除湿量来现实，室内温度通过控制连接后表冷器的冷冻水电动两通阀来现实。

3.2.2空气的加湿

空气加湿器有干蒸气加湿器、电加湿器(电热式、电极式)、PTC蒸汽发生器、加压喷雾式加湿器、离心式加湿器、超声波式加湿器、湿面蒸发式加湿器等，进行设计选型时要注意加湿过程在焓湿图上的变化过程，是近似等焓过程还是近似等温过程，当新风比例较大时，等焓加湿所需的加热量要占很大比例。

4.恒温恒湿空调机组：

GB/T17758《单元式空气调节机》要求：

机组的名义工况规定如下：

室内侧进风干湿球温度：23/17 ℃；

风冷型室外干湿球温度：35/24 ℃；

水冷型冷凝器进出水温度：30/35 ℃。

风冷分体式机组适用于水源缺乏或者不宜于安装冷却塔的场所；

水冷恒温恒湿机组适用于水源充足、具备安装冷却塔条件的地区。

5.恒温恒湿机组的控制：

监测对象：房间温度，房间湿度，水位、水流、送风；

控制设备：压缩机，电加热器，电加湿器，风机。

启停控制：

启动顺序：风机→冷凝侧风机（或冷却水系统） →压缩机 →判断风速→加热器→判断水箱液位→加湿器。

停止顺序：加热器→加湿器→压缩机→冷凝侧风机（或冷却水系统） →风机。

房间参数控制调节：

根据实测值与设定值决定压缩机、加热器、加湿器、风机的启停；

控制精度：温度±0.1℃，湿度±3%；

避免同时升降温、加除湿，避免冷热抵消。

自动运行、安全保护：

压缩机：冷凝压力过高、油压过低、冷却水流速过低、油温过低；

电加热器：风速过低时断电；

电加湿器：水位过低时断电；

空气过滤器阻力过大时报警。

人机界面：

输入温湿度设定值；显示设备运行状态；单台设备的操作命令。

5.1.传感器：

需监测的参数：空气的温度、湿度；冷凝压力；空气过滤阻力；冷却水流；送风气流；加湿器水位；各设备的运行状况。

传感器的平均无故障时间MTBF（Mean Time Between Failure）：

传感器准确测量的实现：

正确感知物理量的变化：不能影响被测物理量。

电信号的可靠传输：传输线路长度，沿途磁场干扰，接收端的高精度转换。

电压、电流模拟信号：脉冲信号，数字信号。

温度传感器的类型：热敏电阻型，金属电阻。

金属电阻：灵敏度：0.1%/K，线性；

热敏电阻：灵敏度：3%~5%/K，非线性。

热敏电阻型注意事项：

电阻的温升不能影响被测对象的温度；

90mm铂电阻通过5mA电流测水温时温升0.01K，测空气温度温升0.1K。

解决温升误差的办法：

只在测量时供电，不测量时断电，时间比法测热敏电阻的电阻值。

热敏电压型：

热电偶：温差电势百毫伏级；

半导体PN结：电压大，但一致性难保证。

集成芯片（IC型）：电流型，测温范围为- 55℃~+150℃；电源电压范围为4～30 V；精度高，在- 55℃~+-150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

数字通信型集成芯片（智能传感器）：

湿度传感器的类型：

电容式：湿度变化引起电容变化，转换为电流变化；

氯化锂电阻式：湿度变化引起电阻变化；

氯化锂露点温度：加热氯化锂敏感元件，使其表面水蒸汽分压力等于空气水蒸汽分压力，测出氯化锂温度得到对应的水蒸汽分压力。

测量信号的变送：4～20mA标准电流，脉冲输出，数字通信（智能传感器）。

开关型输出的传感器：

制冷循环的压力报警 → 压力开关；

流速过低报警 → 流速开关；

水位过高、过低报警 → 水位开关；

空气过滤器压差报警→ 微压差开关。

5.2.执行器

电加热器、加湿器的通断：

触点开关：交流接触器：单片机控制；光电隔离控制。

电加热器、加湿器的通断：

电子开关：电子开关，可控硅调压。

风机、压缩机电机的控制：

⑴直接启停控制：

⑵降压启动：

⑶变频控制：

⑷电动水阀的控制：

电磁阀→通断，断电后状态：常开/常闭。

电动阀 → 连续调节开度，断电后阀位不变；

电热阀 →通过感温元件的热胀冷缩实现开关阀；

缓开缓关，会产生水锤，无转动部件，使用寿命长，无噪音。

5.3.控制器

基于计算机的控制器：

1）单片机

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU），在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路的单芯片微型计算机。例如：8051系列是一种应用广泛的典型单片机。

单片机输入输出的实现：

数据输入DI：监测管脚的电压变化，超过阈值读“1”；

数据输出DO：指定管脚的电压，接通电路；

外围电路与单片机的隔离。

模拟输入AI：测出管脚的电压，计算出相应被测物理量的值；

模拟输出AO：指定管脚电压，驱动外电路工作在需要的状态；

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

控制器外电路：

控制器软件：

风机的开、停；加湿器补水阀；压缩机、加热器、加湿器启停；冷却水电磁阀开关。

5.4.控制调节算法：

占空比控制：

占空比(Duty Ratio)：在一串理想的脉冲周期序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。

控制对象：温度，湿度；

调节设备：

冷机：降温除湿，不能频繁启停；

加热器：升温，惯性小，调节性能好；

加湿器：加湿，惯性大，迟滞大。

设备控制要求：

启停控制：

加热器、加湿器：可较高频率启停，~1min；

冷机：运行、停止时间＞5min。

5.4控制策略：

虚线框外：粗调→快速；

设备全功率输出：I区：加热器；II区：加湿器；III区：冷机；IV区：冷机、加热器；V区：冷机、加湿器；VI区：加热器、加湿器。

虚线框内：细调→稳定。

高精度恒温：

温度→控加热器：

III、IV、V区进入：根据湿度→控冷机；

I、II、VI区进入：根据湿度→控加湿器。

高精度恒湿：

湿度→控加热器：

III、IV、V区进入：根据温度→控冷机；

I、II、VI区进入：根据温度→控加湿器。

控制策略的制定原则：

温湿度控制解耦；利用惯性小、调节特性好的电加热器控制精度要求高的被控参数。

准稳定区的划分：

T_set±0.5℃时：准稳定区振荡；

T_set±5℃时：达到稳定时间长。

准稳定区的边界：

避免设备频繁启停：边界是一条带。

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