溫濕度高精度控制的潔凈空調(diào)方式研究

李振洪

廣州澳企實(shí)驗(yàn)室技術(shù)股份有限公司 廣東 廣州 510000

現(xiàn)階段，醫(yī)療行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)以及食品行業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境都離不開對溫度和濕度的控制，在潔凈空調(diào)方面需求日益增多。傳統(tǒng)潔凈空調(diào)由于能耗高、操作復(fù)雜等不足日益明顯。現(xiàn)階段，溫度控制模型存在一定滯后性問題，控制系統(tǒng)借助對控制系統(tǒng)中電加熱電阻或是蒸汽調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)加熱控制，特別在實(shí)踐方面，一個項(xiàng)目中的系統(tǒng)較多，無法針對所有系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)建模，需要調(diào)整潔凈空調(diào)的溫濕度空調(diào)控制方法[1]。

1 理論指導(dǎo)

1.1 新風(fēng)深度除濕技術(shù)

該技術(shù)主要是將低溫冷源設(shè)置到新風(fēng)機(jī)組中，一般選擇直接蒸發(fā)方法達(dá)到深度除濕冷卻目的，即對新風(fēng)機(jī)組進(jìn)行雙冷源設(shè)置，可以進(jìn)行兩級冷卻處理。第一級冷源是機(jī)組自帶冷源，即冷卻水盤。第二級冷源是機(jī)組中新增變頻室外機(jī)與蒸發(fā)器。在機(jī)組內(nèi)部安裝蒸發(fā)器，處于冷水盤管道下風(fēng)側(cè)部位。

在潔凈空調(diào)設(shè)計(jì)中，可以選擇雙冷源機(jī)組，主要優(yōu)點(diǎn)就是，在高濕時段中，新風(fēng)機(jī)組可以充分開展室內(nèi)濕負(fù)荷以及一些冷負(fù)荷處理工作，確保循環(huán)機(jī)組始終保持在干工況情況下工作，防止冷凝水造成細(xì)菌滋生現(xiàn)象。另外，雙冷源冷卻能夠分別借助變頻室外機(jī)與電動調(diào)節(jié)閥展開調(diào)節(jié)，充分提升機(jī)組冷卻除濕范圍與能力，保證室內(nèi)溫度與濕度處于設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)[2]。

1.2 冷凝再熱技術(shù)

該技術(shù)主要指借助空調(diào)冷源進(jìn)行冷凝熱，對現(xiàn)有電加熱方式進(jìn)行優(yōu)化或是取代，能夠充分實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，還可以促進(jìn)潔凈空調(diào)能效。

（1）基于雙冷源的冷凝再熱技術(shù)。若是選擇雙冷源機(jī)組，冷凝再熱主要指基于原有冷源進(jìn)行冷凝器設(shè)置，同時在機(jī)組內(nèi)部進(jìn)行安裝，位于電加熱上風(fēng)側(cè)部位，同時借助外機(jī)和制冷劑管道實(shí)現(xiàn)連接。

（2）基于直接蒸發(fā)方法的冷凝再熱技術(shù)。對于選擇直接蒸發(fā)方法的機(jī)組，冷凝再熱技術(shù)主要指將冷凝器設(shè)置到風(fēng)冷機(jī)組中，同時在機(jī)組內(nèi)部進(jìn)行安裝，安裝部位選擇電加熱上風(fēng)側(cè)位置，同時借助風(fēng)冷機(jī)組外機(jī)和制冷劑管道進(jìn)行連接。對于南方地區(qū)，若是選擇基于直接蒸發(fā)方法的機(jī)組，應(yīng)該在設(shè)計(jì)配置過程中，對雨季、“回南天”以及其他高濕時段在新風(fēng)除濕方面要求加以考慮，以保證此類時段除濕要求得到充分滿足[3]。

1.3 溫濕度獨(dú)立控制技術(shù)

該技術(shù)主要是，通過新風(fēng)機(jī)組完成所有濕負(fù)荷控制工作，借助新風(fēng)機(jī)組絕對控制濕度，循環(huán)機(jī)組主要負(fù)責(zé)部分冷負(fù)荷，進(jìn)而有效控制送風(fēng)溫度。

控制系統(tǒng)的控制效果有效性、準(zhǔn)確性以及及時性，不僅受到控制邏輯影響，同樣受到調(diào)節(jié)閥、傳感器的精度與安裝部位影響。在新風(fēng)機(jī)組中，應(yīng)該設(shè)置濕度傳感器與溫度傳感器，以對送風(fēng)溫度濕度以及機(jī)器露點(diǎn)的溫度進(jìn)行控制，同時設(shè)置調(diào)節(jié)閥，按照監(jiān)測結(jié)果對機(jī)組再熱量、冷卻除濕量進(jìn)行合理調(diào)整。設(shè)置調(diào)節(jié)閥，按照監(jiān)測數(shù)據(jù)對循環(huán)機(jī)組制冷量進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)。

2 方案簡介

某高精度試驗(yàn)項(xiàng)目，建筑面積為150㎡，實(shí)驗(yàn)核心區(qū)為54㎡。核心區(qū)要求濕度保持在45%—65%范圍內(nèi)，要求溫度保持在19.9℃—20.1℃范圍內(nèi)，潔凈級別采用FS-209EM5.5標(biāo)準(zhǔn)，核心區(qū)的熱源功率均值是3kW，熱源瞬間的峰值功率是5kW。

按照工藝技術(shù)要求，設(shè)計(jì)精度溫濕度高精度控制的潔凈空調(diào)，熱（冷）源選擇風(fēng)冷熱冷水機(jī)組，對于空調(diào)末端選擇組合式空氣機(jī)組，夏季送冷風(fēng)、冬季送熱風(fēng)，保證核心區(qū)域濕度要求與溫度要求得到有效控制

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 送風(fēng)量設(shè)計(jì)

對于核心區(qū)域送風(fēng)量，主要按照室內(nèi)溫度精度、熱濕負(fù)荷與潔凈度等級進(jìn)行確定。

首先，基于空氣潔凈度要求進(jìn)行送風(fēng)量設(shè)計(jì)，根據(jù)FS-209EM5.5標(biāo)準(zhǔn)要求，室內(nèi)換氣頻率需要保持在15—25次/h左右。核心區(qū)高度是4m，是54㎡，按照25次/h的頻率，則送風(fēng)量確定為5400㎡/h。

其次，基于溫度精度與熱濕負(fù)荷設(shè)計(jì)送風(fēng)量。按照GB50736-2012等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在溫度變化處于±0.1℃—±0.2℃范圍時，送風(fēng)溫差需要保持在2℃—3℃范圍內(nèi)，對于±0.1℃，應(yīng)該取1℃。核心區(qū)室內(nèi)的總冷負(fù)荷是3270W，進(jìn)行計(jì)算最終將送風(fēng)量確定為9800m3/h。見下式：L=Qs/（0.28C△t）。

其中，△t代表送風(fēng)溫差，單位為℃。C代表空氣容重，取值1.2kg/m3。Qs代表總冷負(fù)荷，單位為W。L代表送風(fēng)量，單位為m3/h。

對于核心區(qū)域的送風(fēng)量，采用兩種計(jì)算結(jié)果最大值，即9800m3/h。

3.2 確定氣流的組織形式

空調(diào)房間氣流組織一般采用條縫形式、噴口形式、散流器形式、孔板形式、側(cè)送形式等。其中孔板形式的射流混合、擴(kuò)散效果較為突出，射流可以快速混合，風(fēng)速與溫差快速衰減，所以工作區(qū)域濕度、溫度等因素可以均勻分布。所以，若是空調(diào)房間對于室溫波動范圍要求嚴(yán)格、單位面積內(nèi)的風(fēng)量大以及風(fēng)速要求高，可以選擇孔板方式。需要采用上送下回方式進(jìn)行氣流組織，風(fēng)流需要通過高效過濾器，之后向吊頂上部靜壓箱傳送，經(jīng)過孔板向室內(nèi)進(jìn)行輸送，下部選擇地板格柵進(jìn)行灰縫處理。進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，孔板孔徑是5mm，開孔面積達(dá)到1.39㎡。為了保證氣流入口位置能夠有效擴(kuò)散，需要將穩(wěn)壓層高度設(shè)計(jì)在0.2m以上。

開展設(shè)計(jì)工作時還需要注意，在送熱風(fēng)與冷風(fēng)過程中，應(yīng)該在穩(wěn)壓層頂部與側(cè)面設(shè)置相應(yīng)保溫措施。同時，保證穩(wěn)壓層氣密性良好，要想保證氣流組織充分滿足實(shí)驗(yàn)室要求，孔板模式回風(fēng)口應(yīng)該在房間下部進(jìn)行設(shè)置[4]。

3.3 基準(zhǔn)間的濕度與溫度干擾因素管控措施設(shè)計(jì)

（1）維護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。因?yàn)楹诵膮^(qū)域的基準(zhǔn)間在精度與濕度等方面具有較高要求，所以需要高精度控制該區(qū)域附近的濕度與溫度。針對基準(zhǔn)間，在其附近設(shè)計(jì)溫度調(diào)控區(qū)（15℃—25℃），因?yàn)樵搮^(qū)域地面采用架空地板，所以不會產(chǎn)生干擾，另外在吊頂部位進(jìn)行送回風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以有效控制該部位溫度，始終低于25℃，充分保證附近環(huán)境因素不會干擾核心區(qū)域溫度。

（2）照明、設(shè)備與人員進(jìn)出影響。上述因素會在一定程度上影響室內(nèi)濕度與溫度，針對甲方的運(yùn)行管理制定一些要求。因?yàn)楹诵膮^(qū)中的設(shè)備儀器熱源的瞬間峰值功率可以達(dá)到5kW，所以進(jìn)行精密配件加工制造前，應(yīng)該將空調(diào)設(shè)備啟動，在設(shè)備達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后，即熱源功率保持在3kW之后進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)，開展試驗(yàn)活動前，工作人員需要進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)域，禁止試驗(yàn)過程中現(xiàn)場人員隨意進(jìn)出。開展試驗(yàn)活動前，應(yīng)該讓照明設(shè)備保持穩(wěn)定狀態(tài)，在照明設(shè)備可以保持穩(wěn)定之后，才允許進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動。

（3）新風(fēng)影響。按照房間新風(fēng)量、人員、正壓度等方面要求，該房間核心區(qū)域的新風(fēng)量控制380m3/h左右，雖然新風(fēng)量較小，然而對于室內(nèi)的干擾卻較為嚴(yán)重。對于本項(xiàng)目，要求工作人員預(yù)處理新風(fēng)，即獨(dú)立設(shè)計(jì)新風(fēng)組，提供給調(diào)控區(qū)、核心區(qū)空調(diào)機(jī)組，將新風(fēng)中多余濕量全部去除，進(jìn)而對濕度進(jìn)行高精度控制。

因?yàn)樾嘛L(fēng)機(jī)組運(yùn)行以及正常輸入新風(fēng)量過程中，可以有效建立室內(nèi)正壓度，充分控制室內(nèi)濕度與溫度，有效促進(jìn)室內(nèi)潔凈度水平。

3.4 核心區(qū)域的溫濕度控制

（1）夏季濕度與溫度優(yōu)化設(shè)計(jì)?；鶞?zhǔn)間空調(diào)選擇KJ1-1型號，附近二次調(diào)控區(qū)選擇KJ1-2型號，KJ1-1與KJ1-2系統(tǒng)共用新風(fēng)機(jī)組。在基準(zhǔn)間溫度增加過程中，將KJ1-1中表冷器ML2（電動兩通閥）打開。在溫度處于波動狀態(tài)下，對機(jī)組中DRI（電加熱器）進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證溫度始終保持20℃左右。在新風(fēng)的出風(fēng)溫度增加情況下，將機(jī)組內(nèi)ML1（電動兩通閥）打開，保證出風(fēng)口新風(fēng)和室內(nèi)保持相同含濕量，出風(fēng)溫度保持在11℃左右。

（2）冬季濕度與溫度優(yōu)化設(shè)計(jì)。因?yàn)楹诵膮^(qū)域位于建筑中心，同時設(shè)備運(yùn)行過程中散發(fā)熱量，因此在冬季，調(diào)控區(qū)、核心區(qū)均需要借助制冷對溫度進(jìn)行有效控制。對KJ1-1中表冷器的ML2開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證回風(fēng)溫度保持在20℃左右。對KJ1-1中的MS（加濕兩通閥）開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對回風(fēng)濕度進(jìn)行高精度控制。對新風(fēng)機(jī)組中DRI進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證新風(fēng)溫度處于10℃左右。對調(diào)控區(qū)中DRI進(jìn)行微調(diào)，對核心區(qū)域的DRI進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對送風(fēng)濕度、溫度進(jìn)行高精度控制。

3.5 除濕再熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

對于新風(fēng)機(jī)，可能除濕能力不足，無法滿足設(shè)計(jì)要求，并且基于雨季以及其他特殊條件影響，可以對新風(fēng)機(jī)組進(jìn)行獨(dú)立除濕再熱優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇冷凝再熱與深度冷卻除濕方法，同時與專業(yè)設(shè)備生產(chǎn)商進(jìn)行定制。所有新風(fēng)機(jī)組均單獨(dú)進(jìn)行除濕再熱設(shè)計(jì)，涵蓋輔助部件、冷凝器、蒸發(fā)器、外機(jī)以及制冷劑管道等構(gòu)件。冷凝器安裝于新風(fēng)機(jī)組的內(nèi)部，與過濾器風(fēng)側(cè)部位貼近，對新風(fēng)展開冷凝再熱處理，若是熱量不足，則可以通過電加熱輔助調(diào)整。蒸發(fā)器位于機(jī)組內(nèi)部冷水盤管的下風(fēng)側(cè)部位，可以對新風(fēng)展開深度除濕處理。外機(jī)安裝于機(jī)組外部周邊通風(fēng)良好部位[5]。

新風(fēng)機(jī)組能夠充分承擔(dān)空調(diào)系統(tǒng)所有濕負(fù)荷以及一些冷負(fù)荷。新風(fēng)機(jī)組把新風(fēng)除濕冷卻至L1點(diǎn)，之后再次加熱到L’1點(diǎn)（L’1點(diǎn)數(shù)值大于L1點(diǎn)數(shù)值），新風(fēng)經(jīng)過處理之后相對濕度在75%以內(nèi)，之后室內(nèi)回風(fēng)和新風(fēng)混合到C點(diǎn)（C點(diǎn)數(shù)值大于L’1點(diǎn)數(shù)值），在通過機(jī)組冷卻到O點(diǎn)（O點(diǎn)數(shù)值處于L’1點(diǎn)數(shù)值與C點(diǎn)數(shù)值）之間，最后向室內(nèi)輸送。在室內(nèi)的熱濕負(fù)荷與室外溫濕度變化過程中，隨著空氣處理時，如果O點(diǎn)和C點(diǎn)出現(xiàn)重合，那么機(jī)組不需要對混合風(fēng)進(jìn)行處理，向室內(nèi)直接輸送即可。若是C點(diǎn)比O點(diǎn)低，那么機(jī)組對混合風(fēng)進(jìn)行加熱處理，之后向室內(nèi)輸送。

3.6 冷凍水的出水溫度優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了充分控制組合式空氣機(jī)組出風(fēng)溫度，還需要對冷水機(jī)組實(shí)際出水溫度進(jìn)行有效控制，核心區(qū)域的室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度是11℃，所以需要盤管中氟利昂溫度始終保持在4—6℃范圍內(nèi)。所以挑選設(shè)備過程中，工作人員可以將出水參數(shù)遞交到主機(jī)廠家手中，保證熱水機(jī)組實(shí)際出水溫度保持在11.5℃—5.5℃范圍內(nèi)。要想充分提升出水精度，將常壓密閉水箱設(shè)置在冷水機(jī)組總供水管中，有效提高空調(diào)系統(tǒng)燒水容量，進(jìn)而有效控制出水溫度，使其保持穩(wěn)定狀態(tài)。

借助上述技術(shù)手段，能夠?qū)诵膮^(qū)濕度、溫度進(jìn)行高精度控制，有效促進(jìn)試驗(yàn)活動順利開展。

4 效果分析

4.1 風(fēng)量測試

對核心區(qū)域新風(fēng)機(jī)組進(jìn)行3次重復(fù)測試，實(shí)際風(fēng)量分別為381m3/h、379m3/h、382m3/h，和設(shè)計(jì)風(fēng)量之間偏差分別為0.26%、-0.26%、0.53%。雖然將冷凝器與蒸發(fā)器安裝到新風(fēng)機(jī)組中，導(dǎo)致新風(fēng)機(jī)組阻力增加，然而借助對新風(fēng)機(jī)組過濾器進(jìn)行清洗、對風(fēng)機(jī)皮帶進(jìn)行更換，均可以保證新風(fēng)量滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 空氣溫度檢測

主要測試潔凈空調(diào)的送風(fēng)、機(jī)器露點(diǎn)與進(jìn)風(fēng)三種因素的溫度。由于溫度傳感器布置部位存在差異，所以實(shí)際測試結(jié)果略有差異，然而基本上可以保持一致。在對進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行測試過程中，發(fā)現(xiàn)溫度數(shù)值呈現(xiàn)出先升后降趨勢，可以保持在10℃—12℃范圍內(nèi)。第一次測試，機(jī)器露點(diǎn)溫度處于11.8℃—13.3℃范圍內(nèi)，送風(fēng)溫度保持在10.6℃—11.8℃范圍內(nèi)。第二次測試結(jié)果，機(jī)器露點(diǎn)的溫度保持在10.5℃—11.3℃范圍內(nèi)，送風(fēng)溫度在10.7℃11.9℃范圍內(nèi)。第三次測試，機(jī)器露點(diǎn)的溫度處于10.9℃11.7℃范圍內(nèi)，送風(fēng)溫度處于10.4℃—11.3℃范圍內(nèi)。通過對空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度與露點(diǎn)溫度進(jìn)行充分測試與對比，能夠發(fā)現(xiàn)數(shù)值處于溫度狀態(tài)，同時符合設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而充分保證機(jī)組送風(fēng)的相對濕度處于75%以內(nèi)，除濕效果較為突出，可以為機(jī)組過濾器提供良好保護(hù)，并且可以創(chuàng)造良好干燥運(yùn)行環(huán)境，充分滿足潔凈度要求[6]。

4.3 室內(nèi)溫濕度檢測

在關(guān)閉潔凈空調(diào)時，室溫處于19.99℃—20.09℃范圍內(nèi)，基本上滿足本項(xiàng)目要求，然而室內(nèi)相對濕度較高，處于79%—86%范圍內(nèi)，并不符合設(shè)計(jì)要求。將潔凈空調(diào)打開后，室內(nèi)溫度處于19.9℃—20.1℃范圍內(nèi)，相對濕度處于55%—60%范圍內(nèi)，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求與設(shè)計(jì)要求。所以，能夠表明本文設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對潔凈空調(diào)溫濕度的高精度控制。

5 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段在實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域中，對于空氣環(huán)境具有嚴(yán)格要求，雖然引入潔凈空調(diào)，然而在具體設(shè)計(jì)以及運(yùn)轉(zhuǎn)過程還是存在一定不足，所以，需要采用合理方式對潔凈空調(diào)進(jìn)行有效優(yōu)化，可以充分促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域穩(wěn)定發(fā)展。具體可以通過送風(fēng)量設(shè)計(jì)、確定氣流的組織形式、基準(zhǔn)間的濕度與溫度干擾因素管控措施設(shè)計(jì)、核心區(qū)域的溫濕度控制、除濕再熱優(yōu)化設(shè)計(jì)等方式實(shí)現(xiàn)濕度與溫度高精度控制目標(biāo)。通過測試發(fā)現(xiàn)該方法可以讓新風(fēng)機(jī)組實(shí)際風(fēng)量和設(shè)計(jì)風(fēng)量之間偏差保持在-0.26%—0.53%范圍內(nèi)，保證送風(fēng)的相對濕度處于75%以內(nèi)，保證室內(nèi)溫度處于19.9℃—20.1℃范圍內(nèi)，相對濕度處于55%—60%范圍內(nèi)。