地下室變風量恒溫恒濕空調機組的研制與性能

(上海理工大學環境與建筑學院 上海 200093)

近年來，地下室的建造數量越來越多，其室內熱濕環境的控制成為能否利用的限制條件[1-3]。通常采用除濕機對地下室的濕度進行有效控制，但其功能單一而無法對室內溫濕度同時進行處理。因此，對地下室恒溫恒濕空調的研究尤為重要[4]。F. Ascione等[5]利用除濕轉輪搭建了用于博物館的恒溫恒濕空調系統，相較于傳統系統具有明顯的節能效果。Zhu Weifeng等[6]研究了在熱泵驅動下的液體除濕系統。Xiong Z. Q. 等[7]為了提高溶液除濕系統的效率，提出了二級液體干燥除濕系統。Liang C. H.等[8]建立了采用全熱回收的獨立新風除濕系統。李申等[9]采用熱濕獨立控制裝置和PID分程控制方法，研制了一套恒溫恒濕空調系統。

目前市場上大多數的恒溫恒濕空調機組都屬于常規機組，能耗較高，真正能實現既節能又變熱濕比的恒溫恒濕空調機組很少，尤其在熱濕獨立處理能力方面還有不足[10-11],因此變風量恒溫恒濕空調機組的研發也能夠填補這一市場空白。

1 變風量變頻恒溫恒濕空調機組

1.1 機組工作原理

本文研究的新型變風量恒溫恒濕空調機組采用傳統的逆卡諾循環原理，循環風機采用變風量風機，壓縮機采用直流變頻壓縮機，同時利用冷凝熱回收，設計原理如圖1所示。

1壓縮機；2四通換向閥；3風冷冷凝器；4過冷器；5再熱冷凝器；6蒸氣閥；7副電子膨脹閥；8主電子膨脹閥；9視液鏡；10干燥過濾器；11儲液器。圖1 變風量恒溫恒濕機組Fig.1 Variable air volume constant temperature and humidity unit

變風量機組制冷循環工作過程為：制冷劑被直流變頻壓縮機壓縮為高溫高壓氣體，一路通過室外冷凝器，一路通過再熱器，高溫高壓制冷劑經冷凝后變為低壓液體，然后通過主、副電子膨脹閥節流，匯合后流入蒸發器，經沸騰吸熱，轉變為過熱蒸氣，被吸入壓縮機進行壓縮，如此往復循環。采用DC變速風機代替傳統三速風機，可連續調節室內循環風量，采用再熱器結合副電子膨脹閥替代傳統電加熱，實現冷凝熱回收。壓縮機采用直流變頻壓縮機，相對于傳統的交流變頻，調控性能更加穩定與節能。

室內機結構如圖2所示。室內機空氣循環時的熱濕處理過程為：夏季工況，調節過程為室內空氣先通過蒸發器進行降溫除濕，再通過過冷器對制冷劑進行過冷，然后通過再熱器進行再熱，改變副電子膨脹閥開度，調節送風溫度，達到調節送風狀態點；冬季工況，調節過程為空氣經過冷凝器進行加熱，通過再熱器進行再熱，此時關閉電磁閥短路過冷器，通過改變加濕器調節送風濕度，達到調節送風狀態點；同時變速風機可以調節送風風量，改變熱濕負荷處理性能，也是調節的必要方法。

1.2 機組控制原理

在此研究中，恒溫恒濕空調機組的控制采用串級控制系統，如圖3所示。

由圖3可知，串級控制系統的主回路為房間溫濕度調節回路，副回路為機組送風潛熱與顯熱調節回路。對于變風量恒溫恒濕空調機組，溫度設定值與室溫實測值的差值作為主回路溫度調節器的輸入，其輸出作為機組出風顯熱處理能力副回路的輸入，從而精確控制室內溫度在設定值范圍內。同理可知濕度控制原理。

機組運行過程中為了避免壓縮機濕壓縮，采用PID單回路控制過熱度，控制原理如圖4所示。

圖2 室內機結構Fig.2 Indoor unit structure

H(R)房間相對濕度；Ql出風潛熱；T(R)房間溫度；QS出風顯熱；D(S)相對濕度和溫度的變化值。圖3 串級控制系統原理Fig.3 Principle of cascade control system

圖4 過熱度控制原理Fig.4 Superheat control principle

壓縮機過熱度的設定值T(s)與實時監測的壓縮機進出口過熱度T的差值經PID控制器調節后，作為主電子膨脹閥的輸入值，實時調節其開度，控制過熱度在設定值范圍內。

2 實驗

2.1 實驗內容

實驗主要測試機組的熱濕處理性能，在焓差室通過焓差法進行實驗。焓差法是一種測試空調制冷、制熱性能的實驗方法，主要對空調器的送風參數、進風參數、循環風量進行測量，用測出的風量與送風、回風焓差的乘積確定空調機組的熱濕處理能力。

2.2 實驗裝置

實驗在焓差室里進行，實驗室采用拼裝庫板結構型式，由隔墻將其分為室內機測試房間和室外機測試房間兩部分。焓差室平面布置如圖5所示。

圖5 焓差室Fig.5 Enthalpy difference chamber

焓差室的控制測量系統由數字功率表、數據采集儀及相關一次儀表組成，采用美國惠普HP34 970 A數據采集儀采集相關溫度、濕度、壓力及熱電偶信號。所有測量控制儀表通過通訊方式與計算機相連，控制參數可由計算機設定，也可以通過儀表面板設定。在數據采集中：采用溫濕度控制面板對室內空氣干球溫度和相對濕度進行測量；采用E+E溫濕度傳感器對空調機組出口處空氣干球溫度和相對濕度進行測量；采用Pt100鉑電阻對壓縮機吸排氣溫度、內盤溫度、外盤溫度等進行測量；通過轉接線RS485將數據采集裝置與電腦相連，通過Labview程序對實驗數據進行實時監控與采集，并將實驗數據導出，數據的采集時間間隔可自行設定。

2.3 實驗工況

本文主要進行了機組熱濕負荷獨立處理性能實驗和房間溫濕度控制實驗。機組熱濕負荷獨立處理能力是本樣機設計的突出特點，通過編寫相應控制程序，可以實現機組在不同進出風情況下，機組對顯熱和潛熱分別獨立處理的能力。機組顯熱與潛熱處理能力設定值如表1所示。

表1機組顯熱與潛熱處理能力設定值

Tab.1 Setting values of the unit sensible heat andlatent heat treatment capability

房間溫濕度控制實驗主要測試機組在模擬熱負荷與濕負荷的條件下室內溫濕度是否能穩定在房間設定值(名義工況干球溫度為23 ℃，濕球溫度為17 ℃)，模擬工況如表2所示。

表2 模擬工況Tab.2 Simulation conditions

3 變風量恒溫恒濕空調機組的實驗結果與分析

3.1 機組熱濕負荷獨立處理能力分析

實驗室測試機組是否能達到所設定的顯熱與潛熱處理能力。根據地下室高濕特點，在高濕進風狀態(干球溫度為27 ℃，濕球溫度為22 ℃)下測試機組對潛熱與顯熱的處理能力。如表1所示，設定3種工況下的潛熱及顯熱處理能力，機組運行測試情況如圖6所示。

圖6 不同工況下機組熱濕處理能力隨時間的變化Fig.6 Variation of the unit heat and humidity treatment capacity with time under different conditions

由圖6(a)可以看出，當進風干球溫度為27 ℃，濕球溫度為22 ℃時，在機組運行30 min后，穩定在機組所能提供的潛熱處理能力(1 200±60)W和顯熱處理能力(800±40)W附近，與設定值相比誤差在5%左右。由此可見，機組對熱濕負荷的處理能力效果明顯。

由圖6(b)可知，機組運行30 min后，最終穩定在潛熱處理能力(1 400±60)W，顯熱處理能力(800±40)W。可見機組的潛熱與顯熱處理能力效果顯著，且控制效果良好。

由圖6(c)可以看出，機組的熱濕處理能力在運行時間約30 min后趨于穩定，最終穩定在設定值范圍內，且波動不大，潛熱波動范圍為±60 W，顯熱波動范圍為±40 W。

綜上所述，機組的顯熱與潛熱處理能力先逐漸變大，12 min后稍微減小，12～26 min時稍有波動，30 min后基本趨于平穩，都能達到設定的顯熱與潛熱。說明機組處理效果顯著，控制能力良好。

3.2 房間溫濕度控制實驗分析

圖7所示為當室內熱濕環境為熱負荷1 200 W，設定干球溫度為23 ℃，相對濕度為55%，濕負荷分別為1 600 W和1 400W時機組的運行狀態。

圖7 室內干球溫度和相對濕度隨時間的變化Fig.7 Variation of indoor dry bulb temperature and relative humidity with time

由圖7(a)可知，機組運行30 min后基本達到穩定，干球溫度穩定在(23±0.2)℃，相對濕度穩定在(55±3)%。所以，機組在熱濕模擬環境中對房間的溫濕度控制情況良好。

由圖7(b)可知，機組運行30 min后基本達到穩定，干球溫度穩定在(23±0.2)℃，相對濕度穩定在(55±3)%。所以，機組在熱濕模擬環境中對房間溫濕度控制情況良好，運行穩定。

綜上所述，機組在地下室熱濕環境中能很好的控制房間的熱濕環境，機組控制的溫度誤差在0.2 ℃左右，相對濕度誤差在3%左右。

4 結論

本文在實驗室的現有條件下，模擬地下室熱濕環境(干球溫度為23 ℃，相對濕度為55%),采用焓差法測試原理進行了變風量恒溫恒濕空調機組的相關性能實驗，實驗結果表明機組對房間的控制效果良好，房間干球溫度波動范圍為±0.2 ℃，相對濕度波動范圍為±3%。本研究為該類型機組的后續研發過程提供穩定的數據基礎，但是若要實現機組從研發到實際應用，使機組具備穩定、持續、適應性強的特點，還需進一步深入的研究。

[1] 張鵬飛，羅清海，王衍金.衡陽市地下空間熱濕環境分析[J].環境與衛生工程, 2011, 19(6):1-3. (ZHANG Pengfei, LUO Qinghai, WANG Yanjin. Temperature and humidity in underground space of Hengyang[J]. Environmental Sanitation Engineering, 2011, 19(6):1-3.)

[2] 趙景偉．城市化進程中的人居環境與地下空間利用[J]．隧道建設, 2008, 28(2):154-157. (ZHAO Jingwei. Human settlement environment and underground space utilization in the process of urbanization[J]. Tunnel Construction, 2008, 28(2):154-157.)

[3] 劉紅冰，翁文兵，劉慧君. 節能型恒溫恒濕空調機組的解耦控制研究[J].流體機械, 2013, 41(8):2-5. (LIU Hongbing, WENG Wenbing, LIU Huijun. Study on decoupling control of energy efficient constant temperature and humidity air conditioning unit[J]. Fluid Machinery, 2013, 41(8):2-5.)

[4] 邱育群，邱肇光.高精度恒溫恒濕空調的研發及試驗[J].制冷與空調(北京), 2006, 6(3)：82-83. (QIU Yuqun, QIU Zhaoguang. Research and development and the experiment confirmation of high accuracy constant temperature and humidity air conditioning[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2006, 6(3):82-83.)

[5] ASCIONE F, BELLIA L,CAPOZZOLI A, et al. Energy saving strategies in air-conditioning for museums[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(4):676-686.

[6] ZHU Weifeng, LI Zhongjian, LIU Sheng, et al. In situperformance of independent humidity control air-conditioning system driven by heat pumps[J]. Energy and Building, 2010, 42(10):1747-1752.

[7] XIONG Z Q, DAI Y J, WANG R Z. Development of a novel two-stage liquid desiccant dehumidification system assisted by CaCl2solution using analysis method[J]. Applied Energy, 2010, 87(5):1495-1504.

[8] LIANG C H, ZHANG L Z, PEI L X. Independent air dehumidification with membrane-based tatol heat recovery: Modeling and experimental validation[J]. International Journal of Refrigeration, 2010, 33(2):398-408.

[9] 李申，沈嘉，張學軍，等.恒溫恒濕空調系統的優化控制與性能模擬[J].制冷學報, 2012, 33(1):22-25. (LI Shen, SHEN Jia, ZHANG Xuejun, et al. Optimum control strategy and performance simulation of a constant temperature and humidity air-conditioning system[J]. Journal of Refrigeration, 2012, 33(1):22-25.)

[10] 白建波，張小松，李舒宏，等.基于RS-485總線的高精度恒溫恒濕空調控制系統[J].電氣傳動, 2005, 35(8):44-46. (BAI Jianbo, ZHANG Xiaoxong, LI Shuhong, et al. Control system based on RS-485 bus for constant temperature and humidity air-conditioning with high precision[J]. Electric Drive, 2005, 35(8):44-46.)

[11] 張旭,韓星.戶式熱濕分控空調機組設計與性能實驗研究[J].制冷學報, 2011, 32(2):1-8. (ZHANG Xu, HAN Xing. Design and performance test of household heat and humidity control air conditioning unit[J]. Journal of Refrigeration, 2011, 32(2):1-8.)