恒温恒湿空调系统设计与应用

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。

稳定区内的调节策略：

利用占空比控制近似实现连续调节：

启停周期：由设备运行的启停时间及控制精度决定；

启停比：根据末端负荷需求决定。

确定模糊控制表，根据测得的室内参数确定加/除热量、湿量。

模糊表控制：

⑴加/除热量：

⑵用占空比实现需求的加/除热量：

案例：烟厂恒温恒湿空调的自控系统设计 ^[1]

[1] ：来源于互联网，作者：李梅，孔颖萍，沈丁洋，谢辉，杨建昆。

0 引言

烟草行业中，生产车间对空气参数的要求较高，一般要求恒温恒湿空调。高品质的空调一方面满足了生产工艺的要求，但另一方面也造成了较高的能耗，根据相关资料可知，和相同空调面积的民用建筑相比，烟厂空调系统的换气次数是民用建筑的2.0-2.5倍。大容量的空调系统导致了高运行成本的消耗，据不完全统计，每年烟厂因空调系统的运行消耗掉的能源（电能、锅炉燃料）约占全厂公用动力能耗的1/3。在目前的工程设计中，一般采用自动控制系统对空调进行管理，如何在保证烟厂空气要求的基础上最大程度的减少空调系统的能耗，就成为了自控设计的重点，因此，本文以昆明烟厂为例，对自控系统的设计进行了分析。

1 工程简介

昆明卷烟厂是中国卷烟工业四大重点骨干企业之一，其空调系统装机容量大，能耗高，整个厂房的自动化控制系统主要包括中央空调、制冷、空负压设备等。由于烟厂车间工艺设备产热量大，空调系统全年基本上都要送冷风以便对车间进行降温。其空气处理示意图如图1。

冷水由溴化锂机组产生，送往卷包间、箱装、制丝、辅料等车间，冷却侧采用冷却塔进，空气通过冷热盘管、微雾加湿及蒸汽加湿的处理后达到不同厂房的温湿度要求。

2 自控设计内容及设计参数

本项目空调系统部分共计有44 台组合式空调机组和9 台排烟排风机组，本次空调自控部分的核心内容是如何利用先进的硬件平台和可靠的测量控制元件，提供一套技术先进、满足高精度恒温恒湿要求、具有完善的安全处理能力、可靠、节约能源的一体化解决方案。

不同车间的空气参数要求见表1，每个车间中，在保证下表的基本温湿度要求的同时实现恒温恒湿控制，控制精度目标：温度±1.5℃，相对湿度±4%。同时由于烟厂生产工艺的特殊性，自控系统应保证365 天/24小时连续正常运行。

表1 不同车间工艺要求

Table 1 Requirements of differentdepartments

3 空调系统的高精度恒温恒湿策略

空调自控系统首要的指标就是能连续不间断地满足生产过程中的高精度恒温恒湿要求，能快速有效地克服各种外界干扰，因此，本次设计主要采用以下几种控制算法。

3.1 变参数智能PID 调节

作为一个反馈控制系统，空调温湿度控制核心总体上还是来源于经典的PID 闭环控制算法，但传统的PID控制算法效果严重依赖P/I/D参数匹配情况，众所周知，空调系统一年四季的工作状况是不断变化的，显然，不同季节的环境下由于车间动态的热物理物性和变化的室外气象条件，温湿度控制回路的比例带（P）和积分常数（I）也应随之动态适应，以防较大的超调和无限振荡现象发生；另一方面，空调系统刚开始运行时，由于目标值和实际值差异很大，需要更灵敏更快速的对空调进行PID调节，而在系统进入稳定后，空调系统为了维持系统稳定性，要求系统PID 调节不要过于灵敏以防止不必要的扰动。因此本设计采用变参数的PID调节方法，通过让空调系统在不同工况下采用不同的PID 控制参数，达到既满足空调系统的快速响应，又能保证很高的控制精度。其中标准的PID 调节过程和变参数的PID 调节过程见图2。

3.2 串级调节策略

卷烟环境中，由于被控区域往往空间较大，而空气的温湿度特别是温度是一个缓慢变化的过程。然而，根据传统的反馈控制理论，只有在被控对象发生偏差也就是温湿度偏离设定值后才逐步开始进行纠正，外界干扰刚开始进入时还没有明显体现出来，等被控区域的温湿度出现偏离后执行机构（如表冷、加热、加湿阀）输出才开始变化，但这种事后的调节要在车间温湿度传感器感应出来，往往存在较大的滞后时间，从而导致温湿度超调现象，也就是人们常说的“系统反应慢”的感觉。

为防止因滞后时间导致的温湿度超调现象，设计中采用以送风温湿度参数为中间变量进行串级控制，控制原理如图3（以相对湿度控制回路为例）。

3.3 变积分抗饱和优化控制

影响控制精度和稳定性的另一个重要问题在于控制器用两个PID控制回路分别控制温度及湿度。常常出现在刚开机时温、湿度误差较大而引起积分量过大，导致超调过多，系统长时间无法稳定的问题。针对这一问题，设计方案在控制程序中从采用了变积分参数和积分分离带的算法来避免此问题，大大地提高了系统响应时间和稳定性。

4 空调系统的安全控制策略

4.1 精细的防凝水串级调节控制

根据送风露点计算模型以及送风湿度变化趋势，控制器判断送风接近凝水的程度，当送风接近凝水区域时，控制器开始进行凝水程度偏差计算，然后根据此偏差对加湿阀进行串级调节来保证在不凝水的情况下最大地发挥加湿器的加湿能力，相对于很多公司采用的传统送风湿度过高就简单地开始关闭加湿阀，这种连续式的串级调节比简单地限制加湿量来防止凝水的效果好得多，对车间的湿度精度影响也更小。

4.2 空调机的联动保护控制

只有空调的送风风机运行后，控制系统才根据温湿度状况进行冷热控制，反之空调机程序停机时，控制器将先关掉加湿器、加热器、表冷器和喷淋循环系统，然后保持风机继续运行3-5 分钟（可以通过集中管理层设定）再停机，以达到吹干风道水分及降温的目的。

4.3 空调送风高温保护策略

空调自控系统均内置了送风温度高温保护策略，当送风温度高于预设的保护设定值时，控制器会自动开始抑制加热量，以确保送风温度不会继续上升，从而达到保护送风机电机的目的。当空调电机意外停机时，自控系统会立即自动关闭加热及加湿电动阀以保护空调机。

4.4 空调低温保护策略

空调自控系统均内置了预、加热器后温度低温保护策略，当预、加热器后温度低于预设的保护设定值时，控制器会自动开始微开预、加热量，以确保预、加热盘管温度不会继续下降，从而达到保护换热器的目的。

4.5 采用防水击、防喷水控制

此次空调系统都采用蒸汽加热和加湿，由于蒸汽管的水击作用，使加热盘管早期损坏，在加湿的初期，蒸汽管内的水也会喷到机箱内，我公司针对上述情况，结合蒸汽测温器，采用疏水加凝水判断控制，只有当蒸汽进管中的凝水排除完以后，才打开加热和蒸汽加湿阀，其控制过程见图4。

5 空调系统的节能控制策略

5.1 全年动态分区多工况恒温恒湿控制节能技术

全年动态分区多工况控制模型以烟厂的空调特点为基础，实现全年多工况节能运行方式，根据车间温湿度要求及最小新风量要求，自动将全年分成为若干个工况区域，每个工况区域内制定出一个最合理、最节能的温湿度控制模型，计算各区温湿度控制回路的输出值，保证全年各时刻的温湿度控制精度，寻求空调系统的最优控制精度和最佳节能运行方案。

本算法建立在空调理论基础之上，控制器根据检测到的新回风温、湿度计算新回风的焓值，根据被控区（车间）的温、湿度算出车间的焓值，然后结合送风状况，综合判断焓值是否有利用价值来判断新风是否可利用，对新风进行比例调节。

空气处理过程见图5，根据此图，综合判断的分区依据为：

（1）除湿与加湿分区边界：

当新回风混和状态点（C）的绝对含湿量dc≥do时，此季节工况应对空气进行除湿处理，否则应对空气进行加湿处理。

（2）加热与冷却分区边界：

当新回风混和状态点（C）的温度tc≥to 时，此季节工况应对空气进行冷却处理，否则应对空气进行加热处理。

（3）新回风比节能控制原则：

除湿季节工况（dc≥do）时，若iW≥iN，采用最小新风，若iW＜iN，采用最大新风。

5.2 风机变风量调节

由于烟厂车间工艺设备产热量大，空调系统全年基本上都要送冷风以便对车间进行降温。烟厂冷冻空调系统的各参数容量（如空调箱风量、冷冻机制冷量、空调加热、加湿量等）是按当地夏季最热的室外气象条件下进行的选型计算，全年室外气象参数在变化过程中，处于夏季最热的天气总是很少时间，如果总是按最大容量将冷冻空调系统投入运行，势必存在能源浪费问题，部分季节还存在冷热抵消现象。因此，通过对空调系统的容量进行调节可以大量节省空调系统的能耗。

本项目中空调的风机电机配置了变频器，本设计方案在控制系统中集成了变频节能控制逻辑。其中心思路就是通过检测送风焓与室内焓之差的测量值与设定值的偏差控制变频器调节风机转速，控制变频器调节风机转速，实现部分负荷时节省运行费用。

烟厂空调的额定风量应按夏季最热的室外气象条件进行设计，风量F的计算见式（1）：

其中：C _p 为空气比热，kJ/(kg·℃)；Δt为送风温差，℃；Q _S 为厂房设备负荷，kW；Q _W 为围护结构负荷，kW。根据风机风量F与电机功率N的关系，可得：

因此可知，当空气送风量改变时，风机功率是按其变化的立方进行变化，当F ₁ =0.8F ₀ 时，N ₁ =0.512N ₀ ，即当风量减小到80%时，风机的功率减少了一半，据有关文献分析，烟厂80%的时间，空调系统可在80%的负荷下运行，因此，空调的变风量调节的节能效果非常明显。

5.3 对立工况节能技术

在除湿加热工况会出现对立运行（又制冷又加热），除采用常规的二次回风调节外，本设计中采用了另外二种技术：

（1）根据空调的焓湿图曲线，通过控制程序预先判断空调处理后的结果，可大大节省能源，控制程序中考虑到能源成本的因素，即制冷成本大于加热成本，矛盾的情况下最大程度的节约制冷成本，这样做考虑到新风利用节能和能源成本双重因素。

（2）电控旁通节能技术：对表冷器盘管进行改造的前提下，表冷器盘管为主盘管和副盘管分别加装冷水电动调节阀，当出现对立工况时可减小副盘管冷水电动阀开度以增加通过副盘管的送风温度，利用温度较高的副盘管出风来加热通过主盘管的冷风以节能。

6 结论

通过对昆明烟厂自控系统设计的分析，提出了相应的控制策略，包括空调系统的高精度恒温恒湿控制策略、空调系统的安全控制策略及节能控制策略，通过对后期的运行监测可知，采用此自控设计方案可达到工艺要求并减小了电量的消耗。