高精度恒溫恒濕空調智能控制策略研究

宋俊峰，李猛，陳忠，車霞

（依米康科技集團股份有限公司）

1 傳統恒溫恒濕空調控制現狀

傳統恒溫恒濕空調通常由以下器件組成：定頻壓縮機、多級電加熱、電極式加濕器、除濕電磁閥、熱力膨脹閥、AC風機和低精度溫濕度傳感器，器件均采用啟停控制的方式，其控制的溫濕度波動較大，通常溫度控制精度為±2℃，濕度控制精度為±5%，其控制策略如下：

1）制冷

當室內環境溫度高于設定溫度時，開啟定頻壓縮機制冷對環境進行降溫；當室內環境溫度達到設定溫度時，壓縮機關閉。

2）加熱

當室內環境溫度低于設定溫度時，開啟電加熱制熱；當室內環境溫度達到設定溫度時，電加熱關閉。電加熱采用分級控制的方式，電加熱匹配量為制冷量的60%。

3）除濕

當室內環境濕度高于設定濕度時，壓縮機運行，并開啟除濕電磁閥除濕；當室內環境濕度達到設定濕度時，除濕電磁閥關閉。當室內環境濕度高于設定濕度，且室內環境溫度低于設定溫度時，壓縮機持續運行對環境進行制冷除濕，同時電加熱分級投入，保證環境溫度不會降至太低。

4）加濕

當室內環境濕度低于設定濕度時，開啟電極式加濕器加濕；當室內環境濕度達到設定濕度時，電極式加濕器關閉。加濕器采用啟停控制，濕度控制參數采用相對濕度控制。

2 傳統恒溫恒濕空調控制的缺點

1）壓縮機、電加熱和加濕器均采用啟停控制，導致控制精度低。對于所有啟停控制的器件，在開啟和停止時，其輸出均具有滯后的慣性。例如，給定一個持續散熱的環境，空調設定溫度為24℃，當環境溫度為25℃時，壓縮機開啟到系統運行穩定需要5～10min，在壓縮機開啟過程中，環境溫度持續升高至26℃左右，此時，制冷系統輸出最大制冷量，環境溫度開始持續降低[1]。當環境溫度達到23℃時，壓縮機關閉，由于制冷系統的冷量慣性，環境溫度持續降低，最小低至22℃，溫度控制精度為±2℃。不能通過降低開啟溫度和提高停止溫度來達到提高空調設備的控制精度是因為頻繁啟停會嚴重影響壓縮機壽命，一般要求壓縮機最小運行時間為3min，最小停機時間為5min，因此，空調的啟停溫差控制在2℃已經是極限。同樣的問題出現在電加熱和加濕器啟停控制上，加熱器和加濕器從關閉到開啟狀態需要預熱；加熱器和加濕器關閉后，會慣性輸出一定的熱量和濕量，而通過縮短啟停時間來實現控制精度的提高，將導致器件壽命嚴重縮短。因此，在啟停控制策略下，環境溫濕度波動較大，通常溫度控制精度為±2℃，濕度控制精度為±5%。

2）對于無熱源的低溫高濕環境，傳統恒溫恒濕空調穩定周期更長且除濕效果差。傳統恒溫恒濕空調在無熱源的環境中將面臨更大的挑戰，例如，在無熱源的低溫高濕環境下（江南地區梅雨季節氣候條件下），環境溫濕度為20℃、RH70%，設定溫濕度為24℃、RH50%，要達到設定溫濕度，空調機組需要制冷除濕，并利用輔助電加熱給環境補償熱。而傳統恒溫恒濕空調的電加熱匹配量為壓縮機制冷量的60%，低溫壓縮機停止溫度為18℃，在實際運行過程中，空調的運行狀態為電加熱開啟，壓縮機運行，并進行除濕加熱。由于電加熱量小于制冷量，環境溫度會迅速降低至壓縮機停止溫度點。此時，壓縮機停止運行，電加熱補償熱量。當環境溫度升高至20℃時，壓縮機再次開啟。如此反復循環，直至濕度達到設定要求后，再由電加熱補償到設定溫度點。環境溫濕度穩定的周期非常長，且溫濕度精度比常規環境更差。

3）濕度控制參數采用相對濕度控制，導致耗能。對于密閉的環境，隨著溫度的變化，相對濕度將不斷變化，但空氣中水蒸氣的含量不變，即空氣含濕量不變。例如，環境溫濕度為23℃、RH45%，其絕對含濕量為10.47g/kg，設定溫濕度為24℃、RH50%，其絕對含濕量為9.41g/kg。若采用相對濕度控制，則控制邏輯應為制熱加濕；若采用絕對濕度控制，則控制邏輯應為制熱除濕。這種情況下，采用相對濕度控制將會導致過度加濕。

3 高精度恒溫恒濕空調智能控制策略

針對傳統恒溫恒濕空調控制的缺點，提出一種新型的高精度恒溫恒濕空調智能控制策略，其主要器件組成如下：直流變頻壓縮機、SCR電加熱、SCR加濕器、除濕電磁閥、電子膨脹閥、EC風機和高精度溫濕度傳感器[2]。溫濕度的控制不再單純采用偏差算法，而是采用精確的百分比需求和PID控制相結合的算法，其控制的溫濕度范圍波動非常小，通常溫度控制精度可達±0.2℃，濕度控制精度可達±2%，控制策略如下：

1） 溫濕度目標需求算法

需求＝[(檢測值-設定值)/精度]×100%。

2）帶限值的PID算法

利用溫濕度檢測值與設定值偏差的比例積分微分進行反饋控制，通過P（比例）算法控制溫濕度偏差，I（積分）算法控制溫濕度變化時間長度，D（微分）算法控制溫濕度變化的速率，表達式如下：

式中，u(k)為第k次采樣時刻的溫度（濕度）控制輸出（帶限值）；uP(k)為第k次采樣時刻的P作用（帶限值）；uI(k)為第k次采樣時刻的I作用（帶限值）；uD(k)為第k次采樣時刻的D作用（帶限值）；e(k)為第k次采樣時刻的溫度（濕度）偏差；T為采樣周期；Ti為溫度（濕度）積分參數；e(j)為第1次到第k次采樣時刻的溫度（濕度）偏差；TD為溫度（濕度）微分參數；e(k-1)為第k-1次采樣時刻的溫度（濕度）偏差。

3）變容量制冷

為解決壓縮機啟停帶來的溫濕度慣性，壓縮機初始以20%的頻率運行，當室內環境制冷量需求變化時，根據目標需求和PID控制算法，壓縮機升頻或降頻至計算頻率，同時改變EC風機轉速，線性調節風量，壓縮機和風機配合輸出精確的冷量。

4）無級調節加熱

為解決電加熱啟停帶來的溫濕度慣性，SCR電加熱初始以30%的熱量輸出。當室內環境制熱量需求變化時，根據PID控制算法，SCR可控硅電加熱無級調節輸出精確的加熱量。

5）無級調節加濕

為解決加濕器啟停帶來的溫濕度慣性，加濕器保持預熱狀態。當室內環境濕度需求變化時，根據PID控制算法，SCR可控硅加濕器無級調節輸出精確的加熱量。

6） Fuzzy-PID 除濕

除濕控制采用Fuzzy-PID復合控制算法，即將模糊控制與PID控制算法相結合，在濕度偏差較大時采用模糊控制算法，即室內環境濕度遠高于設定濕度時，壓縮機保持當前頻率運行，開啟除濕電磁閥除濕；在濕度偏差較小時采用PID控制算法，通過電子膨脹閥調節蒸發溫度，進而調節除濕量。

7）濕度控制

濕度控制參數采用絕對含濕量控制。高精度恒溫恒濕空調智能控制策略耦合關系如圖1所示。

圖1 高精度恒溫恒濕空調智能控制策略耦合關系

4 高精度恒溫恒濕空調智能控制方式的優勢

1） 變頻壓縮機和無級調節的電加熱、加濕器可有效消除溫濕度控制的慣性。例如，給定一個持續散熱的環境，空調設定溫度為24℃，環境溫度為25℃，此時，變頻壓縮機以50Hz的頻率運行對環境進行降溫，當環境溫度變為24.5℃時，壓縮機頻率降低為35Hz，當環境溫度變為24.0℃時，壓縮機頻率降至最低頻率20Hz。此時，SCR電加熱輸出30%，SCR電加熱量與制冷量基本持平，環境維持在恒定的24.0℃。若熱負荷變大，則壓縮機升頻，從而輸出更大的制冷量，配合SCR電加熱，環境溫度可長期維持在恒定的24.0℃。若熱負荷變小，則壓縮機維持20Hz頻率，SCR電加熱加大熱量的輸出，環境溫度也可長期維持在恒定的24.0℃。當溫度變化0.1℃時，變頻壓縮機頻率隨即發生變化，其響應速度及精度遠高于定頻壓縮機。通常溫度控制精度可達±0.2℃，同理，對于濕度控制，SCR加濕器配合除濕電磁閥工作，濕度變化0.5%時，加濕器輸出量和除濕電磁閥隨即發生動作，可把濕度精度穩定地控制在±2%。

2）在無熱源的低溫高濕環境，除濕迅速。除濕和加熱同時運行可大大縮短環境穩定的時間。例如，在無熱源的低溫高濕環境下（江南地區梅雨季節），環境溫濕度為20℃、RH70%，設定溫濕度為24℃、RH50%，為達到設定的溫濕度，變頻壓縮機按照除濕頻率恒定輸出60Hz，同時除濕電磁閥打開，電加熱輸出70%，電加熱輸出熱量大于60Hz壓縮機運行時的制冷量。在除濕的同時，室內溫度穩步上升，達到設定值[3]。

3）濕度控制參數采用絕對含濕量控制，避免了過度加濕和除濕。溫濕度控制對比曲線如圖2所示。

圖2 溫濕度控制對比曲線

5 應用實例

浙江某精密儀器實驗室使用普通恒溫恒濕空調，室內溫度始終偏低，濕度始終過高，無法達到設定的需求，在引入高精度恒溫恒濕智能空調系統后，通過調整PID算法參數和溫濕度偏差閾值等，即使室外為陰雨連綿的天氣，室內濕度也可控制在±2%，溫度控制在±0.3℃，建設了長期以來所期望的理想實驗室環境。

6 結語

高精度恒溫恒濕智能空調系統的主要器件有直流變頻壓縮機、SCR電加熱、SCR加濕器、除濕電磁閥、電子膨脹閥、EC風機和高精度溫濕度傳感器。高精度恒溫恒濕空調智能控制策略有目標需求算法和PID計算制冷量輸出、PID計算加熱量輸出、PID計算加濕量輸出、Fuzzy-PID計算除濕量以及濕度參數采用絕對含濕量控制。