地下室变风量恒温恒湿空调机组的研制与性能

(上海理工大学环境与建筑学院 上海 200093)

近年来，地下室的建造数量越来越多，其室内热湿环境的控制成为能否利用的限制条件[1-3]。通常采用除湿机对地下室的湿度进行有效控制，但其功能单一而无法对室内温湿度同时进行处理。因此，对地下室恒温恒湿空调的研究尤为重要[4]。F. Ascione等[5]利用除湿转轮搭建了用于博物馆的恒温恒湿空调系统，相较于传统系统具有明显的节能效果。Zhu Weifeng等[6]研究了在热泵驱动下的液体除湿系统。Xiong Z. Q. 等[7]为了提高溶液除湿系统的效率，提出了二级液体干燥除湿系统。Liang C. H.等[8]建立了采用全热回收的独立新风除湿系统。李申等[9]采用热湿独立控制装置和PID分程控制方法，研制了一套恒温恒湿空调系统。

目前市场上大多数的恒温恒湿空调机组都属于常规机组，能耗较高，真正能实现既节能又变热湿比的恒温恒湿空调机组很少，尤其在热湿独立处理能力方面还有不足[10-11],因此变风量恒温恒湿空调机组的研发也能够填补这一市场空白。

1 变风量变频恒温恒湿空调机组

1.1 机组工作原理

本文研究的新型变风量恒温恒湿空调机组采用传统的逆卡诺循环原理，循环风机采用变风量风机，压缩机采用直流变频压缩机，同时利用冷凝热回收，设计原理如图1所示。

1压缩机；2四通换向阀；3风冷冷凝器；4过冷器；5再热冷凝器；6蒸气阀；7副电子膨胀阀；8主电子膨胀阀；9视液镜；10干燥过滤器；11储液器。图1 变风量恒温恒湿机组Fig.1 Variable air volume constant temperature and humidity unit

变风量机组制冷循环工作过程为：制冷剂被直流变频压缩机压缩为高温高压气体，一路通过室外冷凝器，一路通过再热器，高温高压制冷剂经冷凝后变为低压液体，然后通过主、副电子膨胀阀节流，汇合后流入蒸发器，经沸腾吸热，转变为过热蒸气，被吸入压缩机进行压缩，如此往复循环。采用DC变速风机代替传统三速风机，可连续调节室内循环风量，采用再热器结合副电子膨胀阀替代传统电加热，实现冷凝热回收。压缩机采用直流变频压缩机，相对于传统的交流变频，调控性能更加稳定与节能。

室内机结构如图2所示。室内机空气循环时的热湿处理过程为：夏季工况，调节过程为室内空气先通过蒸发器进行降温除湿，再通过过冷器对制冷剂进行过冷，然后通过再热器进行再热，改变副电子膨胀阀开度，调节送风温度，达到调节送风状态点；冬季工况，调节过程为空气经过冷凝器进行加热，通过再热器进行再热，此时关闭电磁阀短路过冷器，通过改变加湿器调节送风湿度，达到调节送风状态点；同时变速风机可以调节送风风量，改变热湿负荷处理性能，也是调节的必要方法。

1.2 机组控制原理

在此研究中，恒温恒湿空调机组的控制采用串级控制系统，如图3所示。

由图3可知，串级控制系统的主回路为房间温湿度调节回路，副回路为机组送风潜热与显热调节回路。对于变风量恒温恒湿空调机组，温度设定值与室温实测值的差值作为主回路温度调节器的输入，其输出作为机组出风显热处理能力副回路的输入，从而精确控制室内温度在设定值范围内。同理可知湿度控制原理。

机组运行过程中为了避免压缩机湿压缩，采用PID单回路控制过热度，控制原理如图4所示。

图2 室内机结构Fig.2 Indoor unit structure

H(R)房间相对湿度；Ql出风潜热；T(R)房间温度；QS出风显热；D(S)相对湿度和温度的变化值。图3 串级控制系统原理Fig.3 Principle of cascade control system

图4 过热度控制原理Fig.4 Superheat control principle

压缩机过热度的设定值T(s)与实时监测的压缩机进出口过热度T的差值经PID控制器调节后，作为主电子膨胀阀的输入值，实时调节其开度，控制过热度在设定值范围内。

2 实验

2.1 实验内容

实验主要测试机组的热湿处理性能，在焓差室通过焓差法进行实验。焓差法是一种测试空调制冷、制热性能的实验方法，主要对空调器的送风参数、进风参数、循环风量进行测量，用测出的风量与送风、回风焓差的乘积确定空调机组的热湿处理能力。

2.2 实验装置

实验在焓差室里进行，实验室采用拼装库板结构型式，由隔墙将其分为室内机测试房间和室外机测试房间两部分。焓差室平面布置如图5所示。

图5 焓差室Fig.5 Enthalpy difference chamber

焓差室的控制测量系统由数字功率表、数据采集仪及相关一次仪表组成，采用美国惠普HP34 970 A数据采集仪采集相关温度、湿度、压力及热电偶信号。所有测量控制仪表通过通讯方式与计算机相连，控制参数可由计算机设定，也可以通过仪表面板设定。在数据采集中：采用温湿度控制面板对室内空气干球温度和相对湿度进行测量；采用E+E温湿度传感器对空调机组出口处空气干球温度和相对湿度进行测量；采用Pt100铂电阻对压缩机吸排气温度、内盘温度、外盘温度等进行测量；通过转接线RS485将数据采集装置与电脑相连，通过Labview程序对实验数据进行实时监控与采集，并将实验数据导出，数据的采集时间间隔可自行设定。

2.3 实验工况

本文主要进行了机组热湿负荷独立处理性能实验和房间温湿度控制实验。机组热湿负荷独立处理能力是本样机设计的突出特点，通过编写相应控制程序，可以实现机组在不同进出风情况下，机组对显热和潜热分别独立处理的能力。机组显热与潜热处理能力设定值如表1所示。

表1机组显热与潜热处理能力设定值

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

房间温湿度控制实验主要测试机组在模拟热负荷与湿负荷的条件下室内温湿度是否能稳定在房间设定值(名义工况干球温度为23 ℃，湿球温度为17 ℃)，模拟工况如表2所示。

表2 模拟工况Tab.2 Simulation conditions

3 变风量恒温恒湿空调机组的实验结果与分析

3.1 机组热湿负荷独立处理能力分析

实验室测试机组是否能达到所设定的显热与潜热处理能力。根据地下室高湿特点，在高湿进风状态(干球温度为27 ℃，湿球温度为22 ℃)下测试机组对潜热与显热的处理能力。如表1所示，设定3种工况下的潜热及显热处理能力，机组运行测试情况如图6所示。

图6 不同工况下机组热湿处理能力随时间的变化Fig.6 Variation of the unit heat and humidity treatment capacity with time under different conditions

由图6(a)可以看出，当进风干球温度为27 ℃，湿球温度为22 ℃时，在机组运行30 min后，稳定在机组所能提供的潜热处理能力(1 200±60)W和显热处理能力(800±40)W附近，与设定值相比误差在5%左右。由此可见，机组对热湿负荷的处理能力效果明显。

由图6(b)可知，机组运行30 min后，最终稳定在潜热处理能力(1 400±60)W，显热处理能力(800±40)W。可见机组的潜热与显热处理能力效果显著，且控制效果良好。

由图6(c)可以看出，机组的热湿处理能力在运行时间约30 min后趋于稳定，最终稳定在设定值范围内，且波动不大，潜热波动范围为±60 W，显热波动范围为±40 W。

综上所述，机组的显热与潜热处理能力先逐渐变大，12 min后稍微减小，12～26 min时稍有波动，30 min后基本趋于平稳，都能达到设定的显热与潜热。说明机组处理效果显著，控制能力良好。

3.2 房间温湿度控制实验分析

图7所示为当室内热湿环境为热负荷1 200 W，设定干球温度为23 ℃，相对湿度为55%，湿负荷分别为1 600 W和1 400W时机组的运行状态。

图7 室内干球温度和相对湿度随时间的变化Fig.7 Variation of indoor dry bulb temperature and relative humidity with time

由图7(a)可知，机组运行30 min后基本达到稳定，干球温度稳定在(23±0.2)℃，相对湿度稳定在(55±3)%。所以，机组在热湿模拟环境中对房间的温湿度控制情况良好。

由图7(b)可知，机组运行30 min后基本达到稳定，干球温度稳定在(23±0.2)℃，相对湿度稳定在(55±3)%。所以，机组在热湿模拟环境中对房间温湿度控制情况良好，运行稳定。

综上所述，机组在地下室热湿环境中能很好的控制房间的热湿环境，机组控制的温度误差在0.2 ℃左右，相对湿度误差在3%左右。

4 结论

本文在实验室的现有条件下，模拟地下室热湿环境(干球温度为23 ℃，相对湿度为55%),采用焓差法测试原理进行了变风量恒温恒湿空调机组的相关性能实验，实验结果表明机组对房间的控制效果良好，房间干球温度波动范围为±0.2 ℃，相对湿度波动范围为±3%。本研究为该类型机组的后续研发过程提供稳定的数据基础，但是若要实现机组从研发到实际应用，使机组具备稳定、持续、适应性强的特点，还需进一步深入的研究。

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