恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制與性能模擬

李 申 沈 嘉 張學(xué)軍 鄭幼明

(1 浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027；2 浙江省湖州市博物館 湖州 313000；3 浙江省博物館 杭州 310007)

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，作為一種工藝性空調(diào)，恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用和需求領(lǐng)域在逐步擴(kuò)大[1-3]。它將室內(nèi)的溫度、濕度、潔凈度及氣流速度控制在一定范圍內(nèi)，以滿足工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等特殊場(chǎng)合對(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求。因此，恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)必須具備加熱、加濕、冷卻、去濕等功能和完善的自控系統(tǒng)。傳統(tǒng)的恒溫恒濕空調(diào)一般采用定露點(diǎn)方法，保證表冷器處理后的空氣溫度與濕度同時(shí)低于送風(fēng)參數(shù)，之后再利用加熱器、加濕器進(jìn)行熱濕補(bǔ)償，使溫濕度滿足目標(biāo)要求，該處理過(guò)程中存在較大的能量補(bǔ)償損失。研究顯示，若采用適當(dāng)?shù)墓?jié)能技術(shù)，能使恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能20%～40%[4-5]。

熱濕獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)將熱濕負(fù)荷全部或部分分開(kāi)處理，從而避免或減小了熱濕聯(lián)合處理帶來(lái)的損失。當(dāng)前熱濕獨(dú)立處理多使用溶液、轉(zhuǎn)輪等獨(dú)立除濕手段。李震等[6]認(rèn)為溶液除濕是實(shí)現(xiàn)濕度獨(dú)立處理的較為可行的方式，提出應(yīng)用溶液除濕方法去除余濕，采用高溫冷源去除余熱的方法；Ascione等[7]利用除濕轉(zhuǎn)輪搭建了用于博物館的恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)，其相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能效果。Zhu等[8]研究了使用熱泵驅(qū)動(dòng)的液體除濕模塊的獨(dú)立除濕空調(diào)系統(tǒng)。然而，上述方法在不同程度上，存在系統(tǒng)復(fù)雜化和控制精度不高等缺點(diǎn)。為此，使用一種熱濕獨(dú)立控制裝置(THIC device)[9-10]，研制了一套恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，利用TRNSYS 16軟件，對(duì)不同工況下系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及節(jié)能效果進(jìn)行了模擬分析。

1 優(yōu)化控制方法

1.1 熱濕獨(dú)立控制裝置

圖1 傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)Fig.1 Conventional constant temperature and humidity airconditioning system

圖2 獨(dú)立控制的恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)Fig.2 Constant temperature and humidity air-conditioning system employing the THIC device

在恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)中，空氣進(jìn)入空氣處理機(jī)組(AHU)依次經(jīng)過(guò)表冷器、加熱器、加濕器處理后，由風(fēng)機(jī)送入被調(diào)空間。傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示，一定流量的冷凍水從冷源(Water Chilling Unit, WCU)直接進(jìn)入表冷器；使用熱濕獨(dú)立控制裝置的恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)如圖2所示，熱濕獨(dú)立控制裝置布置在冷源與表冷器之間，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。由圖3可知：

式中，冷凍水流量mW由水泵決定；mW1—來(lái)自冷源的冷凍水流量；TW1—來(lái)自冷源的冷凍水溫度；mW2—表冷器回水量；TW2—表冷器回水溫度；mW3—進(jìn)入表冷器的冷凍水流量；mW4—表冷器冷凍水旁通流量。

電動(dòng)三通閥1(MV1)的開(kāi)度控制mW3的大小，電動(dòng)三通閥2(MV2)的開(kāi)度控制來(lái)自冷源的冷凍水流量與表冷器回水量的比例。因此，進(jìn)入表冷器的冷凍水溫度TW可以通過(guò)電動(dòng)三通閥2的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整。利用冷凍水溫度調(diào)整控制表冷器對(duì)空氣的除濕量；利用電動(dòng)三通閥1調(diào)整冷凍水流量從而改變表冷器與空氣的換熱量，控制空氣的溫度。

圖3 熱濕獨(dú)立控制裝置Fig.3 Schematic diagram of the THIC device

1.2 PID分程控制方法

為保證系統(tǒng)根據(jù)工況的變化，實(shí)現(xiàn)熱濕獨(dú)立控制裝置與加熱器、加濕器協(xié)調(diào)工作，對(duì)PID調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)進(jìn)行分程控制，信號(hào)處理如圖4所示。溫度PID調(diào)節(jié)器同時(shí)控制電動(dòng)三通閥1及加熱器，PID信號(hào)值從0到0.5變化時(shí)，電動(dòng)三通閥1的開(kāi)度由1降到0.2，減少進(jìn)入表冷器的冷凍水流量，此時(shí)加熱器輸出一直為0；信號(hào)值從0.5到1變化時(shí)，電動(dòng)三通閥1開(kāi)度保持0.2不變，加熱器輸出由0增大到100%。

圖4 PID分程控制示意Fig.4 Schematic diagram of the PID split-range control

濕度PID調(diào)節(jié)器同時(shí)控制電動(dòng)三通閥2及加濕器。PID信號(hào)值從0到0.5變化時(shí)，電動(dòng)三通閥2的開(kāi)度由1降到0.2，減小來(lái)自冷源的冷凍水比例，提高進(jìn)入表冷器的冷凍水溫度，此時(shí)加濕器輸出一直為0；信號(hào)值從0.5到1變化時(shí)，電動(dòng)三通閥2開(kāi)度保持0.2不變，加濕器輸出由0增大到100%。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述原理為某博物館庫(kù)房(22m×16m×4m)搭建了一套恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫濕度Tab.1 Systematic parameters and environment parameters under experiment

圖5給出了在實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)，庫(kù)房溫濕度及表冷器進(jìn)口水溫的變化情況。庫(kù)房溫濕度值變化范圍分別為21.9～22.1℃，59.3%～61.1%；同時(shí)可以看出，表冷器冷凍水進(jìn)口溫度曲線與室內(nèi)相對(duì)濕度曲線變化趨勢(shì)一致，冷凍水溫度升高，室內(nèi)相對(duì)濕度升高；反之亦然。

圖5 實(shí)驗(yàn)中庫(kù)房溫濕度及表冷器進(jìn)口水溫變化情況Fig.5 The variation of the storeroom’s temperature and humidity and the inlet water temperature of CC under experiment

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)僅表冷器與加熱器運(yùn)行，加濕器輸出為0。圖6為記錄的PID輸出信號(hào)值。溫度PID信號(hào)值(ST,PID)最小為0.61，大于0.5，據(jù)此可知，電動(dòng)三通閥1的開(kāi)度保持在最小值0.2，且加熱器工作；電動(dòng)三通閥2的開(kāi)度調(diào)整控制了表冷器對(duì)空氣的除濕量，使空氣的濕度直接達(dá)到送風(fēng)要求。系統(tǒng)分別在表冷器加熱器上實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣濕度與溫度的控制，消除了加濕補(bǔ)償損失。

圖6 實(shí)驗(yàn)中PID信號(hào)變化情況Fig.6 The variation of PID output signals under experimen

3 TRNSYS模擬分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)工況受室外環(huán)境及季節(jié)等因素限制，為考察獨(dú)立控制系統(tǒng)在其它更多工況下表冷器、加熱器及加濕器的運(yùn)行狀態(tài)，使用TRNSYS 16軟件建立系統(tǒng)模型，在驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變模型中被調(diào)空間的熱濕負(fù)荷等參數(shù)，詳細(xì)研究系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行情況。并對(duì)相同工況下獨(dú)立控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行能耗對(duì)比，分析其節(jié)能效果。

3.1 TRNSYS模型

圖7 獨(dú)立控制的恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)TRNSYS模型Fig.7 The TRNSYS model of the constant temperature and humidity air conditioning system with THIC device

TRNSYS 16軟件及其TESS模塊庫(kù)附帶許多模塊，這里建立的TRNSYS模型中模塊基本來(lái)源于此。建立的模型如圖7所示，由于實(shí)際系統(tǒng)中新風(fēng)負(fù)荷較小，模型中沒(méi)有考慮，同時(shí)忽略管道漏熱、風(fēng)機(jī)發(fā)熱。

表冷器模塊采用矩形翅片表冷器模型Type 52b，輸入?yún)?shù)與實(shí)際系統(tǒng)一致，如表2所示。

表2 表冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of the CC

空氣電加熱器通過(guò)控制加熱量從而控制空氣溫度，選擇Type121b作為模型中的加熱器模塊。

加濕器利用電能使水蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽，通過(guò)將蒸汽噴入處理空氣中實(shí)現(xiàn)加濕。加濕量的大小由輸入的電功率決定。利用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)新的TRNSYS加濕模塊，其質(zhì)量方程和能量方程如下。

式中：?m—加濕器加入空氣的蒸汽量，kg/s；mair,in—空氣進(jìn)口質(zhì)量流量，kg/s；mair,out—空氣出口質(zhì)量流量，kg/s；hair,in—空氣進(jìn)口焓值，kJ/kg；hair,out—空氣出口焓值，kJ/kg；hsteam—蒸汽焓值，kJ/kg；hwater—加濕器入水焓值，kJ/kg；dair,in—加濕器進(jìn)口空氣含濕量，kg/kg(干空氣)；dair,out—加濕器出口空氣含濕量，kg/kg(干空氣)；Qhumidifier—加濕器輸入電功率，kW。由出口空氣焓值、含濕量可計(jì)算得到加濕器出口空氣其他參數(shù)，如干球溫度，相對(duì)濕度等。

選用的其他模塊為：冷凍水泵Type114，循環(huán)風(fēng)機(jī)Type112b，三通閥Type647、Type649，房間模塊Type88，PID模塊Type23。

3.2 TRNSYS模型驗(yàn)證

建立的TRNSYS模型能否反映實(shí)際情況，需要進(jìn)行驗(yàn)證。模型中參數(shù)按表1、表2設(shè)定；同時(shí)為了反映實(shí)驗(yàn)工況，使用數(shù)據(jù)讀取模塊Type9a來(lái)讀取實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)水箱溫度，作為模型中水箱水溫的輸入；模型中庫(kù)房的熱濕負(fù)荷根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)送風(fēng)參數(shù)、室內(nèi)空氣參數(shù)及風(fēng)量，由下列公式計(jì)算得到。

式中：Q—室內(nèi)顯熱負(fù)荷，kW；ma—空氣質(zhì)量流量，kg/s；cp—空氣比定壓熱容，kJ/(kg.k)；Ti—室內(nèi)空氣溫度，℃；Ts—送風(fēng)空氣溫度，℃；W—室內(nèi)濕負(fù)荷，kg/s；di—室內(nèi)空氣含濕量，kg/kg(干空氣)；ds—送風(fēng)空氣含濕量，kg/kg(干空氣)。

圖8為實(shí)驗(yàn)工況下，模擬得到的庫(kù)房溫濕度、送風(fēng)溫濕度與實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比情況。可以看到，二者溫濕度吻合很好，偏差不超過(guò)10%。通過(guò)模擬與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，可以認(rèn)為該模型能真實(shí)反映實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行情況，能夠用來(lái)模擬系統(tǒng)在不同工況下各部件的運(yùn)行狀態(tài)。

圖8 模擬與實(shí)驗(yàn)中送風(fēng)及庫(kù)房溫濕度對(duì)比Fig.8 The comparison of supply air parameters and storeroom air parameters between simulation and experiment

3.3 獨(dú)立控制系統(tǒng)模擬分析

室內(nèi)外環(huán)境及其季節(jié)的變化影響被調(diào)空間的熱濕負(fù)荷，進(jìn)而影響AHU需處理的顯熱負(fù)荷(Qs)、潛熱負(fù)荷(Ql)。根據(jù)AHU處理的顯熱負(fù)荷、潛熱負(fù)荷的不同，可以將工況分為四種：1)高溫高濕：Qs＞0，Ql＞0；2)低溫高濕：Qs＜0，Ql＞0；3)高溫低濕：Qs＞0，Ql＜0；4)低溫低濕：Qs＜0，Ql＜0。為達(dá)到同樣的目標(biāo)溫濕度(22.0℃、60.0%)，取不同工況下相應(yīng)的熱濕負(fù)荷作為被調(diào)空間的輸入量，模擬結(jié)果如表3所示。模擬時(shí)，水箱水溫保持在9.0℃。

表3 不同工況下系統(tǒng)模擬結(jié)果Tab.3 System simulation results under different working conditions

Case 1為高溫高濕工況，由PID信號(hào)可知，系統(tǒng)僅表冷器與加熱器工作。進(jìn)入表冷器的冷凍水流量固定為最小值，調(diào)整冷凍水溫度可控制被處理空氣的除濕量，利用加熱器使空氣溫度達(dá)到要求。該工況顯熱負(fù)荷為10kW，而表冷器冷凍水流量為最小，說(shuō)明表冷器換熱面積此時(shí)足夠大，表冷器與空氣的換熱較為充分。

Case 2為顯熱負(fù)荷(15kW)進(jìn)一步增大時(shí)的情況，PID信號(hào)表明，只有表冷器在工作。這說(shuō)明表冷器與空氣的熱濕交換量剛好與需處理的顯熱和潛熱負(fù)荷相匹配，此時(shí)完全實(shí)現(xiàn)了在表冷器兩冷凍水回路中的熱濕獨(dú)立控制。

Case 3為低溫高濕工況。此時(shí)，表冷器出口空氣溫度須低于進(jìn)口空氣露點(diǎn)溫度，因此加熱器工作，加濕器不工作。相對(duì)于Case 1，Case 3盡管潛熱負(fù)荷不變，但顯熱負(fù)荷降低，導(dǎo)致ST,PID增加。二者工作狀態(tài)相似，加濕器輸出都為零。

Case 4、Case 5、Case 6均為高溫低濕工況，由SRH,PID可知，電動(dòng)三通閥2的開(kāi)度最小，表冷器回水比例最大。在Case 4中，調(diào)整表冷器冷凍水流量以控制空氣溫度，此時(shí)加熱器輸出為零，利用加濕器控制空氣濕度。而在Case 5中，所需處理的顯熱負(fù)荷小于Case 4，因此冷凍水流量將減小，但即使減至最小，表冷器與空氣換熱量仍大于需要處理的顯熱負(fù)荷，所以表冷器、加熱器、加濕器三者同時(shí)工作。此時(shí)，如果調(diào)整進(jìn)入表冷器的冷凍水最小流量值也可以消除加熱補(bǔ)償，模擬發(fā)現(xiàn)，將電動(dòng)三通閥1的最小開(kāi)度設(shè)為0.1時(shí)，模型穩(wěn)定后ST,PID、SRH,PID分別為0.49、0.51，系統(tǒng)加熱輸出為零。在Case 6中，所需處理的顯熱負(fù)荷大于上述兩種情形，ST,PID為0，表明進(jìn)入表冷器的冷凍水流量達(dá)到最大值。若顯熱負(fù)荷進(jìn)一步增大，表冷器將無(wú)法提供所需的換熱量，此時(shí)可調(diào)大電動(dòng)三通閥2的最小開(kāi)度，增大來(lái)自冷源的冷凍水最小比例，從而降低進(jìn)入表冷器的冷凍水溫度，保證所需的換熱量；或在設(shè)計(jì)此類(lèi)表冷器時(shí)，換熱面積應(yīng)該以一個(gè)較高的冷凍水進(jìn)口溫度(如12℃而不是通常的7℃)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

Case 7為低溫低濕工況，由于空氣不需要降溫除濕，表冷器處于流量最小、回水比例最大的“準(zhǔn)”不工作狀態(tài)，空氣溫濕度分別由加熱器、加濕器控制。

由以上可知，在空氣需要降溫、除濕處理時(shí)，熱濕獨(dú)立控制裝置與PID分程控制相結(jié)合能夠保證表冷器直接控制空氣溫濕度中的一個(gè)，而另一個(gè)由加熱器或加濕器控制；如果調(diào)整表冷器與空氣的熱濕交換量剛好與需處理的顯熱和潛熱負(fù)荷相匹配時(shí)，可實(shí)現(xiàn)只有表冷器一個(gè)部件對(duì)空氣溫濕度實(shí)施控制。在低溫低濕工況下，空氣溫濕度直接由加熱器、加濕器控制。相較于傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)最多只需要表冷器、加熱器、加濕器中的兩個(gè)部件工作，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的精確控制，從而減小了空氣處理過(guò)程中的熱濕補(bǔ)償損失。

3.4 獨(dú)立控制系統(tǒng)能耗分析

為考察獨(dú)立控制系統(tǒng)節(jié)能效果，在相同工況下，對(duì)該系統(tǒng)與傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗進(jìn)行模擬比較。模擬時(shí)認(rèn)為水箱水溫保持為9.0℃，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)表冷器冷凍水流量固定為20000kg/h。水箱水溫保持不變，則表冷器換熱量等于冷水機(jī)組制冷量，系統(tǒng)能耗可由式(9)計(jì)算得出。

式中:Q—系統(tǒng)總能耗功率，kW；QCC—表冷器換熱量，kW；Qheater—加熱器輸出功率，kW；Qhumidifier—加濕器輸出功率，kW；Qfan—風(fēng)機(jī)功率，kW；Qpump—水泵功率，kW。

圖9給出了不同負(fù)荷下，獨(dú)立控制的恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)能率的大小。低溫高濕工況下，節(jié)能率最小，但也在30%以上；在部分高溫低濕工況(如Qs=12～14kW)下，節(jié)能率最高，在50%左右。主要原因是，在模擬工況下，傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)中的表冷器、加熱器、加濕器始終都在工作。

在同一潛熱負(fù)荷下，隨著顯熱負(fù)荷的增大，節(jié)能率不斷增大，當(dāng)顯熱負(fù)荷增大到一定值時(shí)，節(jié)能率有所下降。傳統(tǒng)系統(tǒng)隨顯熱負(fù)荷的增大，加熱補(bǔ)償不斷減小，系統(tǒng)能耗不斷降低；獨(dú)立控制系統(tǒng)隨顯熱負(fù)荷的增大，先是加熱量不斷減小，直至為零，而后表冷器與空氣換熱量增大，因此系統(tǒng)能耗先不斷減小，而后增大。節(jié)能率呈現(xiàn)先上升后有所下降的趨勢(shì)。

在同一顯熱負(fù)荷下，潛熱負(fù)荷為負(fù)時(shí)，節(jié)能率隨著潛熱負(fù)荷的增大略微上升，潛熱負(fù)荷為正時(shí)，節(jié)能率隨潛熱負(fù)荷的增大而有所下降。傳統(tǒng)系統(tǒng)隨潛熱負(fù)荷的增大，加濕補(bǔ)償不斷減小，系統(tǒng)能耗不斷降低；潛熱負(fù)荷為負(fù)時(shí)，獨(dú)立控制系統(tǒng)隨潛熱負(fù)荷增大，加濕量不斷減小，兩種系統(tǒng)能耗差值保持不變，而傳統(tǒng)系統(tǒng)能耗降低，所以節(jié)能率略增大；潛熱負(fù)荷為正時(shí)，隨潛熱負(fù)荷增大，獨(dú)立控制系統(tǒng)表冷器水溫降低，在保證除濕量增大的同時(shí)，降低了出口空氣的溫度，因此加熱補(bǔ)償增大，節(jié)能率下降。

圖9 不同工況下獨(dú)立控制系統(tǒng)相較傳統(tǒng)系統(tǒng)的節(jié)能情況Fig.9 Energy saving rates of the THIC system compared with the conventional system under different working conditions

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬分析，研制出的獨(dú)立控制恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)在不同工況下，能自動(dòng)調(diào)節(jié)表冷器冷凍水流量與溫度，以及加熱器或加濕器的投入量，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣溫濕度的獨(dú)立控制，使目標(biāo)溫濕度達(dá)到要求。在設(shè)計(jì)此類(lèi)表冷器時(shí)，換熱面積應(yīng)該以一個(gè)較高的冷凍水進(jìn)口溫度(如12℃而不是通常的7℃)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。該系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，在低溫高濕工況下，比傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)能30%以上；在高溫低濕工況下，節(jié)能50%左右。

本文受2008年浙江省第三批省級(jí)文物保護(hù)專項(xiàng)補(bǔ)助經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(614841)資助。(The project was supported by the third batch subsidies of the Zhejiang provincial cultural relic protection in 2008 (No.614841).)

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