地下室變風(fēng)量恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組的研制與性能

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093)

近年來，地下室的建造數(shù)量越來越多，其室內(nèi)熱濕環(huán)境的控制成為能否利用的限制條件[1-3]。通常采用除濕機(jī)對(duì)地下室的濕度進(jìn)行有效控制，但其功能單一而無法對(duì)室內(nèi)溫濕度同時(shí)進(jìn)行處理。因此，對(duì)地下室恒溫恒濕空調(diào)的研究尤為重要[4]。F. Ascione等[5]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)，相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能效果。Zhu Weifeng等[6]研究了在熱泵驅(qū)動(dòng)下的液體除濕系統(tǒng)。Xiong Z. Q. 等[7]為了提高溶液除濕系統(tǒng)的效率，提出了二級(jí)液體干燥除濕系統(tǒng)。Liang C. H.等[8]建立了采用全熱回收的獨(dú)立新風(fēng)除濕系統(tǒng)。李申等[9]采用熱濕獨(dú)立控制裝置和PID分程控制方法，研制了一套恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)。

目前市場(chǎng)上大多數(shù)的恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組都屬于常規(guī)機(jī)組，能耗較高，真正能實(shí)現(xiàn)既節(jié)能又變熱濕比的恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組很少，尤其在熱濕獨(dú)立處理能力方面還有不足[10-11],因此變風(fēng)量恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組的研發(fā)也能夠填補(bǔ)這一市場(chǎng)空白。

1 變風(fēng)量變頻恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組

1.1 機(jī)組工作原理

本文研究的新型變風(fēng)量恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組采用傳統(tǒng)的逆卡諾循環(huán)原理，循環(huán)風(fēng)機(jī)采用變風(fēng)量風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)采用直流變頻壓縮機(jī)，同時(shí)利用冷凝熱回收，設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

1壓縮機(jī)；2四通換向閥；3風(fēng)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(chǔ)液器。圖1 變風(fēng)量恒溫恒濕機(jī)組Fig.1 Variable air volume constant temperature and humidity unit

變風(fēng)量機(jī)組制冷循環(huán)工作過程為：制冷劑被直流變頻壓縮機(jī)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(jīng)冷凝后變?yōu)榈蛪阂后w，然后通過主、副電子膨脹閥節(jié)流，匯合后流入蒸發(fā)器，經(jīng)沸騰吸熱，轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱蒸氣，被吸入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，如此往復(fù)循環(huán)。采用DC變速風(fēng)機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)三速風(fēng)機(jī)，可連續(xù)調(diào)節(jié)室內(nèi)循環(huán)風(fēng)量，采用再熱器結(jié)合副電子膨脹閥替代傳統(tǒng)電加熱，實(shí)現(xiàn)冷凝熱回收。壓縮機(jī)采用直流變頻壓縮機(jī)，相對(duì)于傳統(tǒng)的交流變頻，調(diào)控性能更加穩(wěn)定與節(jié)能。

室內(nèi)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。室內(nèi)機(jī)空氣循環(huán)時(shí)的熱濕處理過程為：夏季工況，調(diào)節(jié)過程為室內(nèi)空氣先通過蒸發(fā)器進(jìn)行降溫除濕，再通過過冷器對(duì)制冷劑進(jìn)行過冷，然后通過再熱器進(jìn)行再熱，改變副電子膨脹閥開度，調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度，達(dá)到調(diào)節(jié)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)；冬季工況，調(diào)節(jié)過程為空氣經(jīng)過冷凝器進(jìn)行加熱，通過再熱器進(jìn)行再熱，此時(shí)關(guān)閉電磁閥短路過冷器，通過改變加濕器調(diào)節(jié)送風(fēng)濕度，達(dá)到調(diào)節(jié)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)；同時(shí)變速風(fēng)機(jī)可以調(diào)節(jié)送風(fēng)風(fēng)量，改變熱濕負(fù)荷處理性能，也是調(diào)節(jié)的必要方法。

1.2 機(jī)組控制原理

在此研究中，恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組的控制采用串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖3所示。

由圖3可知，串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路為房間溫濕度調(diào)節(jié)回路，副回路為機(jī)組送風(fēng)潛熱與顯熱調(diào)節(jié)回路。對(duì)于變風(fēng)量恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組，溫度設(shè)定值與室溫實(shí)測(cè)值的差值作為主回路溫度調(diào)節(jié)器的輸入，其輸出作為機(jī)組出風(fēng)顯熱處理能力副回路的輸入，從而精確控制室內(nèi)溫度在設(shè)定值范圍內(nèi)。同理可知濕度控制原理。

機(jī)組運(yùn)行過程中為了避免壓縮機(jī)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(nèi)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Indoor unit structure

H(R)房間相對(duì)濕度；Ql出風(fēng)潛熱；T(R)房間溫度；QS出風(fēng)顯熱；D(S)相對(duì)濕度和溫度的變化值。圖3 串級(jí)控制系統(tǒng)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(jī)過熱度的設(shè)定值T(s)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的壓縮機(jī)進(jìn)出口過熱度T的差值經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)后，作為主電子膨脹閥的輸入值，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)其開度，控制過熱度在設(shè)定值范圍內(nèi)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試機(jī)組的熱濕處理性能，在焓差室通過焓差法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。焓差法是一種測(cè)試空調(diào)制冷、制熱性能的實(shí)驗(yàn)方法，主要對(duì)空調(diào)器的送風(fēng)參數(shù)、進(jìn)風(fēng)參數(shù)、循環(huán)風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量，用測(cè)出的風(fēng)量與送風(fēng)、回風(fēng)焓差的乘積確定空調(diào)機(jī)組的熱濕處理能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在焓差室里進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室采用拼裝庫板結(jié)構(gòu)型式，由隔墻將其分為室內(nèi)機(jī)測(cè)試房間和室外機(jī)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)由數(shù)字功率表、數(shù)據(jù)采集儀及相關(guān)一次儀表組成，采用美國(guó)惠普HP34 970 A數(shù)據(jù)采集儀采集相關(guān)溫度、濕度、壓力及熱電偶信號(hào)。所有測(cè)量控制儀表通過通訊方式與計(jì)算機(jī)相連，控制參數(shù)可由計(jì)算機(jī)設(shè)定，也可以通過儀表面板設(shè)定。在數(shù)據(jù)采集中：采用溫濕度控制面板對(duì)室內(nèi)空氣干球溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行測(cè)量；采用E+E溫濕度傳感器對(duì)空調(diào)機(jī)組出口處空氣干球溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行測(cè)量；采用Pt100鉑電阻對(duì)壓縮機(jī)吸排氣溫度、內(nèi)盤溫度、外盤溫度等進(jìn)行測(cè)量；通過轉(zhuǎn)接線RS485將數(shù)據(jù)采集裝置與電腦相連，通過Labview程序?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與采集，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，數(shù)據(jù)的采集時(shí)間間隔可自行設(shè)定。

2.3 實(shí)驗(yàn)工況

本文主要進(jìn)行了機(jī)組熱濕負(fù)荷獨(dú)立處理性能實(shí)驗(yàn)和房間溫濕度控制實(shí)驗(yàn)。機(jī)組熱濕負(fù)荷獨(dú)立處理能力是本樣機(jī)設(shè)計(jì)的突出特點(diǎn)，通過編寫相應(yīng)控制程序，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組在不同進(jìn)出風(fēng)情況下，機(jī)組對(duì)顯熱和潛熱分別獨(dú)立處理的能力。機(jī)組顯熱與潛熱處理能力設(shè)定值如表1所示。

表1機(jī)組顯熱與潛熱處理能力設(shè)定值

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

房間溫濕度控制實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試機(jī)組在模擬熱負(fù)荷與濕負(fù)荷的條件下室內(nèi)溫濕度是否能穩(wěn)定在房間設(shè)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(fēng)量恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 機(jī)組熱濕負(fù)荷獨(dú)立處理能力分析

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試機(jī)組是否能達(dá)到所設(shè)定的顯熱與潛熱處理能力。根據(jù)地下室高濕特點(diǎn)，在高濕進(jìn)風(fēng)狀態(tài)(干球溫度為27 ℃，濕球溫度為22 ℃)下測(cè)試機(jī)組對(duì)潛熱與顯熱的處理能力。如表1所示，設(shè)定3種工況下的潛熱及顯熱處理能力，機(jī)組運(yùn)行測(cè)試情況如圖6所示。

圖6 不同工況下機(jī)組熱濕處理能力隨時(shí)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(dāng)進(jìn)風(fēng)干球溫度為27 ℃，濕球溫度為22 ℃時(shí)，在機(jī)組運(yùn)行30 min后，穩(wěn)定在機(jī)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(shè)定值相比誤差在5%左右。由此可見，機(jī)組對(duì)熱濕負(fù)荷的處理能力效果明顯。

由圖6(b)可知，機(jī)組運(yùn)行30 min后，最終穩(wěn)定在潛熱處理能力(1 400±60)W，顯熱處理能力(800±40)W。可見機(jī)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(jī)組的熱濕處理能力在運(yùn)行時(shí)間約30 min后趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)，且波動(dòng)不大，潛熱波動(dòng)范圍為±60 W，顯熱波動(dòng)范圍為±40 W。

綜上所述，機(jī)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(shí)稍有波動(dòng)，30 min后基本趨于平穩(wěn)，都能達(dá)到設(shè)定的顯熱與潛熱。說明機(jī)組處理效果顯著，控制能力良好。

3.2 房間溫濕度控制實(shí)驗(yàn)分析

圖7所示為當(dāng)室內(nèi)熱濕環(huán)境為熱負(fù)荷1 200 W，設(shè)定干球溫度為23 ℃，相對(duì)濕度為55%，濕負(fù)荷分別為1 600 W和1 400W時(shí)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 室內(nèi)干球溫度和相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation of indoor dry bulb temperature and relative humidity with time

由圖7(a)可知，機(jī)組運(yùn)行30 min后基本達(dá)到穩(wěn)定，干球溫度穩(wěn)定在(23±0.2)℃，相對(duì)濕度穩(wěn)定在(55±3)%。所以，機(jī)組在熱濕模擬環(huán)境中對(duì)房間的溫濕度控制情況良好。

由圖7(b)可知，機(jī)組運(yùn)行30 min后基本達(dá)到穩(wěn)定，干球溫度穩(wěn)定在(23±0.2)℃，相對(duì)濕度穩(wěn)定在(55±3)%。所以，機(jī)組在熱濕模擬環(huán)境中對(duì)房間溫濕度控制情況良好，運(yùn)行穩(wěn)定。

綜上所述，機(jī)組在地下室熱濕環(huán)境中能很好的控制房間的熱濕環(huán)境，機(jī)組控制的溫度誤差在0.2 ℃左右，相對(duì)濕度誤差在3%左右。

4 結(jié)論

本文在實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件下，模擬地下室熱濕環(huán)境(干球溫度為23 ℃，相對(duì)濕度為55%),采用焓差法測(cè)試原理進(jìn)行了變風(fēng)量恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組的相關(guān)性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)組對(duì)房間的控制效果良好，房間干球溫度波動(dòng)范圍為±0.2 ℃，相對(duì)濕度波動(dòng)范圍為±3%。本研究為該類型機(jī)組的后續(xù)研發(fā)過程提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但是若要實(shí)現(xiàn)機(jī)組從研發(fā)到實(shí)際應(yīng)用，使機(jī)組具備穩(wěn)定、持續(xù)、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，還需進(jìn)一步深入的研究。

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