關于催芽室溫濕度控制的設計及實施方案

周 瑩

（昆明冷聯制冷設備安裝工程有限公司，云南 昆明市 650000）

引言

國內的催芽室及垂直工廠的溫濕度控制都是采用中央空調控溫，存在控制不精準的弊端。催芽室控制系統溫度和濕度存在著強相關性，這個關系表現在升高溫度的同時會帶來濕度的降低，增加相對濕度的同時會帶來溫度的降低，反之亦然。本文將展開對溫濕度控制的一些研究和計算，并且根據實際的應用總結出一些心得體會。

案例：小規模催芽室 4 間，每間尺寸為 70平方米 ，高度為 4.1m。主要用于手動臺車入室催芽，適用于小訂單催芽規模。要求溫度 12℃~25℃，控制精度±1℃；濕度 90%~95%（要求某個時間段可調至 70%-75%），控制精度±3%。項目地點假設為云南玉溪。

1.數值計算

1.1 設計思路

案例中，客戶采用的臺車尺寸 1500x565x2400mm（長x 寬 x 高)，12 層，層間距 20cm。根據多次光照實驗，采用了每個臺車 8 支 18W 全光譜補光燈，每個房間可放置44 個臺車。圍護結構采用聚氨酯彩鋼夾芯板搭建，聚氨酯密度不低于 38kg/m3,厚度為 100mm。因為庫溫不會低于12℃，地面不用做保溫處理。

催芽室溫度要求 12℃-25℃，當補光燈全部開啟時要達到 12℃，這個工況是需要制冷，并且是空調設備風機盤管（最低出風溫度 18 度）所達不到的。因此每間催芽室均配備用冷庫用制冷機組及冷風機（工業型換熱器）。

在本案中，選擇換熱器，需要根據進出風溫差不越過3K 來進行計算，即換熱器的風量m=Q/(Cx dT)。

催芽室對風速的要求比較高，因此需要在庫內安裝導風層，冷/熱風通過夾層及導流板穿過臺車的每一層，確保庫內的溫度、濕度的均勻性。

1.2 理論計算及設備選型

1.2 .1 參數值確認

工作工況一：12℃/95%（查得露點溫度：11.24℃/焓值 33.25kJ/kg/含濕量 8.38g/kg)工作工況二：12℃/75%（查得露點溫度：9.74℃/焓值 28.76kJ/kg/含濕量 6.60g/kg)工作工況二：25℃/95%（查得露點溫度：24.23℃/焓值 74.31kJ/kg/含濕量 19.27g/kg)。

1.2 .2 數值計算

1.2 .2.1 計算空庫的熱損失，包括照明、冷風機及開門的熱損失。

1.2 .2.2 確定入庫穴盤包含基質的數量及熱量。

1.2 .2.3 種子發芽的呼吸熱忽略不計。

根據冷負荷計算的基本公式：Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

Q1——圍護結構熱流量（W）

Q2——貨物熱流量（W）

Q3——通風換氣熱流量（W）

Q4——電動機運轉熱流量（W）

Q5——操作熱流量（W）

基于以上信息，計算得出每個催芽間的制冷量Q=24.4kW，加熱量 Q=20kW

四間總需求制冷量 Q=97.6kW

1.2 .2.4 根據每間長度為 10m，設計每間安裝 2 臺換熱器，單臺換熱器的制冷量 Q=12.2kW。

流量 m=Q/(Cx dT)=4.067kg

換熱器風量 V=mxρx3600=17568m3/hr

由此也可以看得出，風機盤管是不能滿足此項參數。

1.2 .2.5 加濕器根據計算，每間的加濕量為 15kg/hr。

加 濕 量=[8.38g/kg(12℃/95%)-6.6g/kg(12℃/70%)]x4.067kgx2=14.4kg

制冷/加熱系統

催芽室對溫度的波動特別敏感，因此此案例應該選擇冷水系統即間接制冷，而不是氟利昂直接制冷方式。兩種制冷方式的差別在于：

1.2 .2.5.1 氟利昂系統不具備持續性，不制冷或制冷。這就導致庫內的溫度不均勻，曲線呈鋸齒形。冷水系統即間接制冷系統具備持續性，溫度波動較小，可以修正曲線上的峰值趨于平緩。

1.2 .2.5.2 均勻的溫度表示植物在生長過程中沒有暴露在有溫度差別的環境中，也就沒有因溫度差別引起的壓力。

1.2 .2.5.3 當植物感知到溫度差別帶來的應力，會燃燒體內的能量（不宜），并且會產生更多的 CO2。

1.2 .2.5.4 氟利昂系統總是需要一個特定的溫度差值讓壓縮機工作在一個平穩的狀態，這個差值等于氟利昂在換熱器中的蒸發值與庫內溫度之差（一般為 7~8K），這個差值會使得庫內的濕空氣析出更多的冷凝水。從而降低冷庫的濕度，這與催芽室高濕度的要求相違背。

4間庫在冬季催芽中，可能會同時出現其中1間制冷另1間制熱的情況。可以有兩種方案解決同時制冷及加熱的要求。

方案 1：庫內 2 臺工業型換熱器采用雙盤管，即冷熱水水管分別接入。此方案需要配置 2 臺熱泵機組，以美國特靈風冷模塊熱泵機組為例，需要選擇 2 臺名義制冷量為58.7kW 的風冷模塊機。每個房間冷熱水管上安裝一個電磁三通閥，以控制進入房間的水流量，來控制房間的溫度。

表1 ：熱泵機組參數：

說明：制冷能力是在 12℃進水，7℃出水，環境 35℃進風狀態下測量，執行標準 GB/T 18430.1-2001，制熱能力是在 40℃進水，45℃出水，環境干/濕球溫度 7/6℃進風狀態下測量，執行標準 GB/T 18430.1-2001，制冷時實際出水溫度需要調整到 5℃出水。

方案 2：基于單個房間加熱量小于制冷量，選擇 2 臺風冷熱泵及每個房間 2 臺雙盤管的工業型換熱器，投資成本較高。我們設計了第 2 個方案。

庫內仍然選擇 2 臺工業型熱換器，為單盤管，選型時滿足制冷量的要求。

加熱的情況僅會出現于：第一種情況，冬天催芽，當室外環境溫度低于 0 ℃。空庫溫度會降至 15℃左右，如果客戶設定催芽溫度 20℃，相對濕度 70%時；第二種情況，夏季催芽，設定催芽溫度 12℃，前兩天催芽濕度維持在 95%，第三天開始需要降至 70%并維持至催芽結束時。基于這兩種情況，我們認為制熱可由電加熱完成，可以節約到設備的高投資及低利用。

冷水機組選擇常年制冷的冷水機組，以美國特靈風冷模塊冷水機組為例，需要選擇 1 臺名義制冷量為 84.7kW的風冷模塊機。每個房間供水管上安裝一個電磁三通閥，以控制進入房間的水流量，來控制房間的溫度。如表2所示：

?

說明：制冷能力是在 12℃進水，7℃出水，環境 35℃進風狀態下測量，執行標準 GB/T 18430.1-2001，制冷時實際出水溫度需要調整到 5℃出水。

1.2 .3 控制系統的設計

我們在選擇催芽室的溫濕度控制系統時，考慮了兩種方案，第一種是意大利 EVCO 的溫濕度控制器，優勢在于控制器已經是規模成熟產品。

圖1 ：意大利EVCO溫濕度控制器

但經過我們前期一到兩個月的實驗驗證，與此控制器配套的濕度探頭如果長期工作在 95%濕度及以上，會因探頭周圍積水失效，因此，我們放棄了此類產品的使用。

方法 2 也就是現行方案，即自行開發 PLC 控制程序，利用西門子 200smart 系列 PLC 和一系列傳感器，實現自動化控制制冷系統，制熱系統，加濕系統，除濕系統。每個催芽室門口配備了一臺 HIM，可以實時顯示催芽室各設備運行狀態及參數，同時也可以通過 HIM 設置所需要的目標參數。

1.3 結論

兩個方案對比下來，適于選擇方案 2，有以下幾個原因：

1.3 .1 總投資低，設備數量減少，管路減少，控制閥門也減少；方案 2 的投資成本約為方案 1的 65%。

1.3 .2 2 臺熱泵總的制冷量/加熱量高于計算值，但已經是模塊機中最小的型號，如果非標制作成本更高。

1.3 .3 電加熱相比熱泵加熱能耗比要高，但因加熱頻率低，運行成本遠低于投資成本。

1.3 .4 方案 2 的控制點少了，PLC 的控制成本也低于方案 1。

2.參數實現

2.1 催芽室結構

如圖2、圖3所示搭建催芽室，可實現：

圖2 催芽室結構示意圖

圖3 催芽室幼苗培育圖

圖 4 制冷系統示意圖

2.1 .1 導流（孔）板的安裝確保氣流均勻地穿過臺車的每一層，能保證臺車的每層溫度差不超過 2℃。

2.1 .2 在保證同樣的換熱效果同時，導流孔板的目數及孔徑大小確保從換熱器吹出的冷風能低于 1m/s 的流速通過每層穴盤，換熱器吹出時風速高達 3m/s，如果沒有導流板，穴盤上的基質甚至剛發芽的苗會被風吹走。

2.1 .3 催芽期間要求高濕環境，即在 12℃時，要求濕度高達 95%，此時需要加濕器開啟工作。由加濕器噴入小于 10um 的水霧顆粒，進入到庫內的空氣循環當中，到達每層穴盤，起到灌溉及濕潤基質作用。

2.2 制冷系統設置

2.3 PLC 控制

圖5 PLC 控制界面示意圖

經過調試及試運行，4 個催芽室已經開始批量生產種苗。

3.結論及展望

3.1 催芽室的溫濕度控制得以實現，歸納于以下幾點：

3.1 .1 保溫庫體結構的搭建，庫內安裝導流板、導流孔板等，為室內的溫濕度均勻創建良好的硬件環境。

3.1 .2 不同的催芽室規模、光照、濕度、溫度的要求決定了制冷系統及設備的選擇。

3.1 .3 自動化控制滿足催芽室的批量生產。

3.2 完成本項目的設計以及實施，針對將來的產品，提出如下建議：

3.2 .1 控制系統加入遠程實時監控功能。

3.2 .2 選擇工業換熱器電機前置型，方便檢修。

3.2 .3 對于規模大、苗床自動系統的項目，可以深化研究換熱器為雙盤管系統，將加濕及除濕系統更好地納入此系統當中。

3.2 .4 催芽室內安裝監控攝像頭，并入 PLC 控制系統，可以實時監控種子催芽狀態。