恒温恒湿空调系统设计研究述评

　　摘要:恒温恒湿空调主要用于将室内的温度、湿度、洁净度及气流速度控制在一定的波动范围内，以满足工业生产、科学研究等特殊场合对室内环境的要求。恒温恒湿空调系统的设计和运行必须考虑在室外气象条件和室内热湿负荷变化时，既能满足室内温湿度要求，又能达到经济运行的目的。
　　关键词:恒温恒湿；系统设计；调试；问题
　　0楔言
　　本工程为冷藏陈列柜的测试室，房间长4.2m，宽3.6m，高3.6m，房间的围护结构为夹心彩钢板，保温材料为厚7cm的聚苯乙烯。根据陈列柜测试标准EN441-4，房间内的干球温度为25℃±1℃，相对湿度60%±3%，垂直方向上的温度梯度不超过2℃/m，总梯度不超过6℃。在陈列柜不运行时，其前纵平面内水平风速必须保持在0.1m/s～0.2m/s之间。
　　1恒温恒湿空调系统的概念
　　空调系统都具有对房间的温度、湿度有一定的调节性能，但是对于一般的舒适性空调或工艺性空调，它们对温度、湿度变化偏差和区域之间的偏差的调节要求并不严格。只有一些特殊的工艺过程或科学实验，要求温度、湿度变化偏差和区域之间的偏差很小。通常我们把对室内温度、湿度波动和区域偏差控制要求严格的空调称之为恒温恒湿空调，它是工艺性空调的一种。
　　2恒温恒湿空调系统设计
　　2.1热湿负荷的研究
　　1)热负荷的特点。测试室的冷藏陈列柜为整体式，由陈列柜柜体、制冷系统和风循环系统三部分组成。制冷系统的冷凝器放置在陈列柜的底部，陈列柜运行时,制冷系统的冷凝器散发大量的热量，是测试室内较大的热源，且随着冷藏时间的推移，冷凝器的散热量不断变化，即冷凝器的散热量不是恒定值。此外，当制冷系统运行一段时间后，其蒸发器的表面会结霜，为了保证制冷系统的正常运行，必须定期对其进行除霜。此时，控制系统会发出融霜指令，运行加热设备来进行融霜，加热设备产生的热量部分用以融霜，其他部分散失到测试室内，这部分热量不容忽视。另外，BSEN441-4标准要求在离地板1m处测试室内的照度为600lx±100lx,则室内的照明负荷需进行详细计算。
　　2)湿负荷的特点。食品冷藏陈列柜内的设定温度一般为0℃～5℃，温度较低,其制冷系统的蒸发器表面温度低于0℃，陈列柜内空气中的水蒸气易在蒸发器的表面结霜，所以陈列柜在运行时具有减湿功能，减湿量由一个融霜周期内的融化水量进行确定。
　　2.2气流组织设计
　　气流组织对恒温恒湿房间精度的影响较大。文献[1]指出高精度恒温恒湿空调房间的气流组织应遵从以下原则：合理的气流组织流程，应充分发挥送风气流的冷却或加热作用；建立一个稳定均匀的温度场，以保证气流到达工作区时，其平均温度与工作区的温度差不超过允许的温度波动值。为了保证陈列柜前纵平面内的水平风速要求、室内良好的温度场及流场，本设计主要采用全面孔板送风、架空活动地板回风的上送下回式气流组织，另外采用支流风道连接狭长型风口(风口内部要设有整流叶片，保证气流均匀)，来满足水平风速要求。由于水平风速要求为0.1m/s～0.2m/s,所以在设计孔板送风面积时必须使工作区的垂直风速低于0.1m/s，同时，在支流风道上装设插板来控制水平风速。陈列柜底部的冷凝器为集中热源，陈列柜制冷系统运行时，轴流风机将热量传至陈列柜的后部下方。为了有效保证室内良好的温度分布，除了增加陈列柜后上部空调送风孔板的送风面积外，还要增加后部回风口的面积，即增加局部送回风面积。
　　2.3风量的确定
　　送风的风量对恒温恒湿空调房间精度的影响也较大。一般温度精度为±1℃的实验室,换气次数为10次/h～15次/h，温度精度在±0.5℃时，换气次数在15次/h～30次/h之间。根据温度精度要求,本工程换气次数可取13次/h左右。考虑到较高的相对湿度精度要求，换气次数取25次/h。由于陈列柜测试时，室内无工作人员，且测试室门为洁净室专用密封门、没有窗户，为了简化设计、提高温湿度精度,该系统采用全循环风。
　　2.4恒温恒湿机组的选配
　　恒温恒湿空调机组选用国产某品牌恒温恒湿空调机，温度精度可达±0.5℃，相对湿度精度为±3%。制冷量为6.3kW，总加热量7.8kW，加湿量为2.3kg/h，风量为1500m3/h。该机组的压缩机为法国美优乐活塞压缩机，电加热器为三相平衡的翅片管式电加热器，加湿器为电极式加湿器，室内风机为多联独立安装的离心式风机。室外采用变频风机，以防冬季冷凝压力过低，导致系统运行恶化，达不到温湿度精度要求。
　　3系统运行调试存在问题及原因分析和解决措施
　　3.1系统运行调试存在的问题
　　在调试初期，恒温恒湿房间的温湿度均达不到所要求的精度。房间设定温度为23℃±1℃,相对湿度为60%±3%,但房间实际的温度在22.1℃～24.3℃之间波动，相对湿度在50%～69%之间变化。观察测量数据和设备运行情况，发现当温度达到设定要求时，压缩机停止运行，当相对湿度也达到要求时，加湿器关闭。此时，整个空调器系统里只有风机在运行。继续观察相对湿度和温度，却发现温度基本不变，但相对湿度继续上升，当相对湿度上升至67%左右时，压缩机开始启动实行除湿，此时相对湿度还会继续上升，当上升至69%左右时开始下降。随着压缩机的开启，相对湿度及温度都会继续下降，当温度降至22.7℃左右时，加热器开始运行，进行温度补偿。当相对湿度降至58%左右时，加湿器开启，压缩机关闭。此时，相对湿度还会继续下降，当降至50%左右时开始上升。
　　3.2存在问题的原因分析
　　通过数据的整理分析及对设备运行状态的观察，发现导致精度达不到要求的原因主要有以下几点，具体分析如下:
　　1)需要减湿时，制冷系统不运行。查看湿度设定点:加湿60%，减湿61%。查看控制静区:加湿静区3%，减湿静区2%。
　　当相对湿度高于减湿设定点加上减湿静区(即63%)时开始减湿。而实际情况却是相对湿度达到67%左右才开启压缩机。观察压缩机停机与相对湿度达到63%的时间间隔,发现这是由于压缩机的3min延时保护所引起的。
　　2)当只有风机运行时，空气的相对湿度仍然上升。这是因为电极式加湿器关闭后，加湿罐内的水温仍然很高，且加湿器放置在风机的吸入口，导致电极关闭后仍产生部分蒸汽加湿空气。
　　3)当相对湿度低于湿度设定点减去加湿静区(57%)时，加湿器开始启动，但开启后相对湿度仍然下降。这是因为压缩机停机后，余留在蒸发器内的制冷剂继续蒸发减湿，而此时加湿器的加湿量较小，不能满足补偿减湿量及空气的加湿要求。
　　4)当回风温度接近温度要求下限，而需启动压缩机进行减湿时，系统启动加热器进行温度补偿。但由于补偿热量低于所需热量，空气温度仍有小幅度下降，只有当压缩机关闭后，空气温度才开始上升。
　　5)当相对湿度达到要求时，压缩机停止工作，加热器继续加热空气。空气温度的升高导致相对湿度的降低，相对湿度低于57%时，加湿器开始加湿。由于空气温度仍在上升，加湿量相对不足，相对湿度增加较小甚至不增反降。当温度达到要求的上限，但压缩机3min延时保护未满足时，制冷系统不启动，导致空气温度偏离要求值。
　　3.3解决措施
　　由于本空调系统选用的机组为机房专用恒温恒湿空调机组，而计算机房及程控机房的散湿量较小且没有减湿设备，空调负荷基本上为显热负荷。所以在设计空调器时，没有考虑到冷藏陈列柜的减湿功能，导致所选加湿器偏小，更换较大加湿量的加湿器后，房间的湿度下降幅度明显减小。同时，将加湿静区减小至1%后，房间的湿度下限能达到设定要求。改用变频压缩机，通过调节制冷机组出力，来降低制冷系统的冷惰性，并避免了由于压缩机的延时保护而使制冷系统运行不及时。此外，通过将温度和湿度分别控制，以及采用比例积分控制系统，并把温度的加热静区及制冷静区调小至0.5℃等改进措施后,房间的温湿度能够较好地满足精度要求。
　　4结论
　　房间内热负荷的大小、热源的位置、湿负荷的大小、有无减湿设备、照明负荷、工作区域、气流组织等对房间温湿度分布和精度的影响较大，在进行恒温恒湿空调系统设计时要综合考虑这些因素，以及尽量将回风口布置在散热量和散湿量大的设备附近，以便将热量和湿量直接回至恒温恒湿空调机组，以减少其对房间温湿度的影响。此外，设计恒温恒湿空调机组时，要注重湿负荷和热负荷的校核计算，考虑加湿器、加热器、减湿和降温设备的惰性，应根据控制精度进行调整，对精度要求较高的房间，要考虑变频调节、比例积分控制以及温湿度分布控制等。
　　
　　参考文献
　　[1]张和平,毛春玲.某实验楼恒温恒湿空调改造工程设计、安装及调试[J].中国建设信息供热制冷,2005(7):46249.
　　[2]赵荣义.空气调节[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.