淺談恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　淺談恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　孫宗宇、李驥

　　摘要結(jié)合近年來(lái)典型工程實(shí)踐,對(duì)高精度恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題進(jìn)行分析,總結(jié)恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必要的技術(shù)措施和體會(huì),以供設(shè)計(jì)參考。

　　恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的任務(wù),是將室內(nèi)的溫濕度及潔凈度控制在一定的波動(dòng)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[1]。近年來(lái),隨著我國(guó)生產(chǎn)力的發(fā)展和科技水平的不斷提高,恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越多,溫濕度要求也不斷提高。在電子、醫(yī)藥、計(jì)量、紡織、光學(xué)儀器和農(nóng)業(yè)育種等領(lǐng)域,恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的精度和可靠性直接關(guān)系著產(chǎn)品的品質(zhì)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在系統(tǒng)的冷熱源配置、空氣熱濕處理、氣流組織和系統(tǒng)控制等方面均與舒適性空調(diào)系統(tǒng)存在較大差異。筆者結(jié)合近年來(lái)典型工程實(shí)踐,討論恒溫恒濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要注意的若干問(wèn)題。

　　1、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的確定

　　恒溫恒濕間室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的確定取決于產(chǎn)品、實(shí)驗(yàn)對(duì)像或?qū)嶒?yàn)設(shè)備的要求。不同的精度和可靠性等要求,往往使恒溫恒濕系統(tǒng)的復(fù)雜性大不相同,也極大地關(guān)系到系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用。盲目地提高精度要求,往往會(huì)導(dǎo)致初投資和運(yùn)行費(fèi)用成倍增加;相反,如果精度要求過(guò)低,可能直接導(dǎo)致生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的失敗。因此,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前,需要暖通專業(yè)人員與使用方根據(jù)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)對(duì)像的要求,準(zhǔn)確地提出室內(nèi)環(huán)境的要求。

　　主要包括:

　　1)控制區(qū)域。在某些生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,需要對(duì)整個(gè)房間的溫濕度進(jìn)行控制。但更多的情況是只須對(duì)特定的生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格控制。

　　2)基準(zhǔn)溫濕度。很多生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)要求基準(zhǔn)溫濕度為固定不變的值,例如很多計(jì)量實(shí)驗(yàn)要求的基準(zhǔn)溫度為22℃,一些紡織類的生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)要求基準(zhǔn)相對(duì)濕度為65%。還有一些特殊的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和氣候室,要求室內(nèi)的基準(zhǔn)溫濕度可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整,此時(shí)需要確認(rèn)其變化范圍和變化時(shí)間。

　　3)溫濕度精度。溫濕度精度一般包括2方面的要求,即單一控制點(diǎn)的時(shí)間變化率和均勻度。在參數(shù)確認(rèn)階段,必須明確精度要求的涵義。均勻度要求一般針對(duì)溫度精度,可以用垂直方向和水平方向的溫度梯度要求的方式提出。

　　4)新風(fēng)要求。新風(fēng)要求一般根據(jù)室內(nèi)工作人員數(shù)量提出。新風(fēng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境擾動(dòng)極大,因此新風(fēng)量的確定應(yīng)該盡可能合理、準(zhǔn)確。由于一般恒溫恒濕環(huán)境所需要的換氣次數(shù)較多,因此不能采用最小新風(fēng)比的方法確定。

　　5)可靠性要求。某些實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)或重要的場(chǎng)合,對(duì)恒溫恒濕環(huán)境的可靠性有明確要求,如要求系統(tǒng)可連續(xù)不間斷運(yùn)行若干時(shí)間。此時(shí)需要在設(shè)備的備用方面加以考慮。

　　6)其他。某些電子醫(yī)藥類實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)凈化級(jí)別有嚴(yán)格的要求。有一些實(shí)驗(yàn)需要嚴(yán)格控制噪聲和振動(dòng),還有可能要求室內(nèi)保持一定正壓或負(fù)壓。

　　2、冷熱負(fù)荷和環(huán)境擾動(dòng)因素

　　影響恒溫恒濕間熱濕環(huán)境的主要擾動(dòng)因素包括:圍護(hù)結(jié)構(gòu)、新風(fēng)、人員、燈光和設(shè)備等。在恒溫恒濕環(huán)境的設(shè)計(jì)中,應(yīng)根據(jù)要求采取不同措施減少或消除這些因素對(duì)熱濕環(huán)境的影響。

　　主要措施包括:

　　1)采用內(nèi)保溫等措施優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能,提高門窗的密閉性。

　　2)合理設(shè)置房間建筑布局,較高精度要求的恒溫恒濕間一般不應(yīng)設(shè)在有外窗的房間;在必要時(shí),在高精度恒溫恒濕間外應(yīng)設(shè)置套間,并將套間的溫度控制在合理范圍內(nèi)！

　　3)提高生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化水平,盡量減少室內(nèi)人員數(shù)量;根據(jù)實(shí)驗(yàn)人數(shù)和衛(wèi)生要求確定新風(fēng)量,減少不必要的新風(fēng)量要求;在一些場(chǎng)合需要對(duì)新風(fēng)進(jìn)行單獨(dú)處理后再與回風(fēng)混合。

　　4)采用發(fā)熱量小的節(jié)能燈具;

　　5)減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的散熱量,對(duì)于必需的發(fā)熱設(shè)備應(yīng)遠(yuǎn)離溫濕度控制區(qū)域,或采取局部冷卻措施。

　　3、空氣處理過(guò)程

　　與舒適性空調(diào)不同,恒溫恒濕環(huán)境的冷熱源容量很大程度上取決于采用什么樣的空氣處理過(guò)程和換氣次數(shù),而不一定取決于空調(diào)負(fù)荷的大小。總體而言,恒溫恒濕系統(tǒng)一般采用先冷卻、除濕,再加熱、加濕的空氣處理過(guò)程,用控制加熱量和加濕量的方法控制室內(nèi)溫濕度的精度。

　　3.1定露點(diǎn)控制的一次回風(fēng)系統(tǒng)一般恒溫恒濕系統(tǒng)均采用一次回風(fēng)系統(tǒng),如圖1所示。

　　以夏季處理過(guò)程為例,回風(fēng)(N)與新風(fēng)(W)混合后(C),經(jīng)表冷器冷卻除濕至機(jī)器露點(diǎn)(L),經(jīng)一級(jí)加熱到達(dá)O點(diǎn),再經(jīng)等焓加濕(O—O′)和二級(jí)加熱(O′—O′)到達(dá)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O′,送入恒溫恒濕房間,空氣處理過(guò)程如圖2(a)所示。根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷與擾動(dòng)的變化,送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)可以在圖2(b)所示的范圍內(nèi),采用PID控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　其中等焓加濕過(guò)程一般采用電極加濕、電熱加濕或直接進(jìn)行蒸汽加濕,當(dāng)精度要求不高時(shí),也可采用濕膜加濕。二級(jí)加熱一般采用電加熱,以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱量的控制。設(shè)計(jì)送風(fēng)溫差可根據(jù)不同的末端方式和精度選取,精度較高的系統(tǒng)一般不應(yīng)大于2～3℃.

　　采用定露點(diǎn)控制的優(yōu)點(diǎn)是:系統(tǒng)比較穩(wěn)定、抗干擾,缺點(diǎn)是能耗大,適用于面積較小、精度要求高的場(chǎng)合。

　　3.2新風(fēng)單獨(dú)除濕

　　定露點(diǎn)控制的一次回風(fēng)系統(tǒng)由于需要將混風(fēng)處理到機(jī)器露點(diǎn),往往能耗較高。因此,當(dāng)面積較大,且換氣次數(shù)較多時(shí),可以考慮采用新風(fēng)承擔(dān)主要濕負(fù)荷的系統(tǒng),此時(shí)可以適當(dāng)減小循環(huán)風(fēng)冷卻段和加熱段的容量,減少冷熱抵消。該系統(tǒng)采用表冷和轉(zhuǎn)輪除濕對(duì)新風(fēng)進(jìn)行處理,如圖3所示。

　　以夏季處理過(guò)程為例,新風(fēng)(W)經(jīng)表冷器處理至機(jī)器露點(diǎn)L后,再由除濕器以近似等焓減濕過(guò)程處理至X點(diǎn),再與回風(fēng)混合(C),經(jīng)表冷器等濕冷卻至O點(diǎn),再經(jīng)等焓加濕(O—O′)和加熱(O′—O′)到達(dá)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O′,送入恒溫恒濕房間,空氣處理過(guò)程如圖4所示。

　　由于完全由新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷,這種系統(tǒng)對(duì)新風(fēng)除濕的要求較高,需要達(dá)到較低的含濕量。

　　4、冷熱源的選擇

　　恒溫恒濕系統(tǒng)的冷源設(shè)備可以根據(jù)實(shí)際需求采用各種不同的型式。采用直接蒸發(fā)式機(jī)組可以在同一設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷源與空氣處理功能,包括風(fēng)冷直接蒸發(fā)式機(jī)組和水冷直接蒸發(fā)式機(jī)組。目前的柜式恒溫恒濕機(jī)組大部分均采用這2種方式,在精度和控制要求不高的場(chǎng)合(如±0.5℃),可以直接采用這種機(jī)組。

　　采用直接蒸發(fā)式機(jī)組時(shí),由于風(fēng)系統(tǒng)的隋性小,機(jī)組啟停時(shí)系統(tǒng)溫濕度變化非常劇烈,這就對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)試提出了更高的要求。因此當(dāng)系統(tǒng)較大、精度要求較高時(shí),一般推薦采用風(fēng)冷冷水機(jī)組或水冷冷水機(jī)組制備冷水作為冷源,并單獨(dú)設(shè)置空氣處理機(jī)組。

　　需要注意的一點(diǎn)是,無(wú)論選擇哪種型式的冷源,一般都需要其在全年具有制冷能力,包括過(guò)渡季和冬季。當(dāng)采用風(fēng)冷型機(jī)組時(shí),需要考慮當(dāng)?shù)氐亩臼彝鉁囟?尤其是北方地區(qū),保證冷凝壓力在合理范圍內(nèi)。對(duì)可靠性要求較高的場(chǎng)合,還應(yīng)考慮冷源的備用問(wèn)題。

　　恒溫恒濕系統(tǒng)的熱源根據(jù)需要可以選擇熱水、蒸汽或電加熱等型式,根據(jù)控制要求可采用一級(jí)或多級(jí)加熱。對(duì)于精調(diào)加熱器,應(yīng)選擇調(diào)節(jié)性能較好的電加熱器。

　　5、風(fēng)系統(tǒng)和氣流組織的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)不同的精度要求,風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)采用不同的換氣次數(shù)。在系統(tǒng)劃分時(shí),不同基準(zhǔn)溫度要求的房間的風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)分開(kāi)獨(dú)立設(shè)置。相同基準(zhǔn)溫度、不同精度要求的房間可劃分為同一系統(tǒng),但應(yīng)采用不同的換氣次數(shù),并設(shè)置調(diào)節(jié)閥門,也可以在各送風(fēng)支管上設(shè)置精調(diào)加熱器。

　　末端氣流組織形式一般采用上送下回方式。應(yīng)確保溫濕度控制區(qū)域的風(fēng)速衰減至正常范圍,并使送風(fēng)與室內(nèi)空氣充分混合后進(jìn)入工作區(qū)。回風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在室內(nèi)散熱設(shè)備位置或人員活動(dòng)區(qū)。當(dāng)均勻度要求較高時(shí),應(yīng)采用孔板送風(fēng)方式.

　　6、結(jié)束語(yǔ)

　　由于恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性,設(shè)計(jì)人員一方面需要充分了解使用方的要求,考慮各種情況,使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)符合全年各種工況要求;另一方面需要與施工和調(diào)試人員緊密配合,確保系統(tǒng)的順利實(shí)施。

　　參考文獻(xiàn)

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