恒温恒湿空调三种工况下自动控制研究

制冷技术RefrigerationCryo.&Supercond.Vo.l37󰀁No.6

恒温恒湿空调三种工况下自动控制研究

盛健,周志钢,吴兆林,贾楠

(上海理工大学制冷技术研究所,上海200093)

摘要:针对恒温恒湿空调在夏季、冬季和过渡季节三种典型工况下的自动控制,详细分析了三种工况下空气处理过程,对温度和湿度的控制进行了分解、给出了实现框图并分析了控制系统本身造成的控制精度问题,为恒温恒湿空调的控制改进提供参考。

关键词:恒温恒湿空调;自动控制;精度;节能

Researchonauto-controlofconstanttemperatureandconstanthumidity

air-conditionerinthreedifferentconditions

ShengJian,ZhouZhigang,WuZhaolin,JiaNan

(InstituteofRefrigerationTechnologyandEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,

Shanghai200093,China)

Abstract:Thispaperdiscussedtheauto-controlsystemofconstanttemperatureandconstanthumidityair-conditionerinthreedifferentconditions.Andcontrolmethodsoftemperatureandhumiditywerealsoanalysed,andthispapershowedtheframepicturesofthecontrolsystem,andindicatedtheprecisionproblemofitsel.fThispapercanprovidethereferencetotheimprove󰀁mentofthecontrolsystemofthemachine.

Keywords:constanttemperatureandconstanthumidityair-conditioner;auto-contro;lprecision;conserveenergy

1󰀁引言

恒温恒湿空调用于将室内的温度、湿度、洁净度及气流速度控制在一定的波动范围内,以满足

工业生产、科学研究等特殊场合对室内环境的要求。恒温恒湿空调系统的设计和运行必须考虑在室外气象条件和室内热湿负荷变化时,系统如何控制才能在全年里既能满足室内温湿度要求,又

能达到经济运行的目的。这就需要空调自动控制系统来实现。空调自控系统是建立在暖通工艺与自控理论相结合的基础上的,因此实现空调自控系统的前提是遵从暖通工艺。本文对常用的蒸汽加湿、一次回风恒温恒湿空调机组在夏季、冬季和过渡季节三种工况下的空气处理过程进行了详细的分析,对温度和湿度参数的控制进行了控制分解,并给出了控制实现框图

[1~4]

。

图1󰀁蒸汽加湿、一次回风恒温恒湿空调系统图

Fig.1󰀁StreamhumidifyandprimaryreturnairconstantreturntemperatureandconstanthumidityAC

收稿日期:2009-04-28

基金项目:上海市重点学科建设项目(S30503)资助。

作者简介:盛健(1985-),男,硕士研究生在读,主要研究方向为恒温恒湿空调的节能研究。

󰀁58󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

制冷技术󰀁󰀁Refrigeration󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第6期

理;加湿器4用于在冬季和夏季工况下对混合风

2󰀁恒温恒湿空调简介

2.1󰀁恒温恒湿空调结构

󰀁󰀁常用的具有新风预热器、蒸汽加湿的一次回风空调系统,其结构见图1。此系统为四管制恒温恒湿空调系统,其中加热器1用于在冬季空气处理过程中新风空气的预热;表冷器2用于在夏季工况下对混合风的降温除湿处理以除去混合风中的湿量;加热器3用于在冬季工况下对混合风进行加热处理和夏季工况下对混合风进行再热处

进行加湿处理。

2.2󰀁恒温恒湿空调的自动控制

恒温恒湿空调系统的控制原理图见图2,其中DDC为直接数字控制系统,PLC为可编程逻辑系统,AI为模拟输入量,DI为数字输入量,AO为模拟输出量,DO为数字输出量。输入量由测量仪器获得;输出量要显示出来、以便于随时跟踪观测空调系统的运行状态,有些输出量要传递给执行机构去调节被控对象。

[5~8]

图2󰀁蒸汽加湿、一次回风恒温恒湿空调控制系统图

Fig.2󰀁ControlsystemofstreamhumidifyandprimaryairconstanttemperatureandconstanthumidityAC

󰀁󰀁空调系统的主要工艺环节有加热、降温、加湿、除湿、过滤、循环风机和风门等,其中降温除湿器的冷媒、加热器和加湿器的蒸汽都可通过调节

阀连续控制。风门对于没有室内压力要求的系统,通常在调试过程中手动控制并固定开度。在空气经过空调机组的唯一冷却工艺装置时,降温与除湿过程同时进行。所以传统的空调控制中,分别使用一个温度分程调节回路和一个湿度分程调节回路。温度回路的分程输出控制加热蒸汽调节阀开度指令;湿度回路的分程输出分别控制加湿调节阀开度和除湿用冷冻水调节阀指令。按照夏季、冬季和过渡季节三种不同的工况,应采用三种不同的控制模式,分述如下。

统。在设计时,负荷计算、送风温差、送风量的确定及表冷器的容量选择均以满足除湿条件为前提,然后再考虑温度条件。当表冷器处理空气温

湿度出现矛盾时,只能是一种情况即温度满足而除湿不够。为解决这个矛盾,只有再次降温除湿,直至除湿满足条件。然后利用再热方式对温度进行补偿。对于除湿满足条件而温降不够的情况是暖通工艺不允许发生的,因为再次降温后,虽能满足降温需要,但空气的机器露点温度会下降、导致除湿过大,而湿度补偿的代价远远大于温度补偿。

3󰀁恒温恒湿空调夏季工况的自动控制

3.1󰀁夏季工况空气处理过程

夏季工况空气处理过程在h-d图上的过程

见图3,可知空调必须以除湿优先来设计空调系图3󰀁夏季空气处理过程h-d图

Fig.3󰀁Thecurveofh-dofair-conditionatsummer

第6期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

制冷技术󰀁󰀁Refrigeration󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

󰀁59󰀁

图4󰀁夏季室内湿度控制系统图Fig.4󰀁Chartofhumiditycontrolatsummer

󰀁󰀁从图3还可以看出,图上td为该时刻所需处理到的露点温度,当风量一定时,露点温度td只与󰀁d有关。定风量时,对于室内余湿W不大的

干环境空调房间,W=󰀁d󰀁G/1000,由于󰀁d较小,故相对湿度要求不是很严格的空调系统,可以忽略󰀁d的变化,进行定露点调节控制,因此定露点调节控制本身就隐含着不精确的问题。对于室内余湿量W较大的湿环境空调房间,W=󰀁d󰀁G/1000,󰀁d较大,因而对于相对湿度要求很严格的空调系统,󰀁d不能忽略,必须进行变露点调节控制。3.2󰀁夏季工况自动控制3.2.1室内湿度的自动控制

用表冷器降温除湿来实现混合风定露点温度的控制,从而维持室内相对湿度在要求的范围内。反馈控制系统框图见图4,由露点温度传感器K2传入的露点温度󰀁dc与温度给定值󰀁dg所得的差值作为调节器的输入;输出值为混合风表冷器的阀门开度,以控制混合风处理后的露点温度为一恒定值,经过干加热过程后送入房间,控制室内空气相对湿度。沿框图方向第一部分干扰来自从室外引进的新风湿负荷,该负荷随室外气候变化而变化,产生扰量。第二部分干扰来自于室内湿源和维护结构传湿而引起的湿负荷的扰动产生的扰量。

从框图可知,前半部分为露点温度控制过程,

属于单回路闭环控制系统,具有自动修正被控量偏离给定值的能力,控制精度高。而整个框图为室内相对湿度控制过程,属于单回路开环控制系统。从自动控制角度来说,开环控制系统控制精度低、抗干扰能力差,说明定露点调节法的不足。3.2.2室内温度的自动控制

󰀁󰀁用再热器补偿表冷器因控制露点温度而产生的过冷量,实现对室温的控制,使室内温度维持在要求的范围内。由于表冷器除湿,使送风温度低于室内温度控制所需要的送风温度,如果不进行温度补偿,会导致室内温度过低。此时用二次加热器对送风进行加热,补偿其冷量。反馈控制系统框图见图5,由干球温度传感器K2󰀁测得的室内温度󰀁c与温度给定值󰀁g所得的差值作为调节器的输入;输出值为混合风加热器的阀门开度,使混合风处理后到送风状态点,以控制室内空气温度。

图5󰀁夏季室内温度控制图

Fig.5󰀁Chartoftemperaturecontrolatsummer

图6󰀁夏季室内温度综合分析图

Fig.6󰀁Chartoftemperaturecontrolatsummerforcombineanalysis

3.2.3室内温度控制综合分析通过对整个恒温恒湿空调系统的分析,可以󰀁60󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

制冷技术󰀁󰀁Refrigeration󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第6期

当室外干球温度低于5󰀁时,开启预热器阀门给新风预热,使预热后的新风温度保持在5󰀁;当室外干球温度高于5󰀁时,关闭预热器阀门。反馈控制系统框图见图8,空气预热温度控制系统为单回路闭环控制系统,当室外温度低于5󰀁,启动该控制系统,使预热后空气温度保持在5󰀁。其中的干扰来自于室外新风负荷,该负荷受到室外气候的影响产生扰动。4.2.1.2二次加热控制

由干球温度传感器K2󰀁测得的室内温度󰀁c与给定温度值󰀁g所得的差值作为调节器的输入;输出值为混合风加热器的阀门开度,使混合风处理后达到送风状态点所对应的温度值,以控制室内空气温度。其反馈控制系统框图见图9。

得到温度控制的综合分析框图(见图6),在控制混合风露点温度过程中,也就是维持室内相对湿度过程,附带产生了温度扰量,这是不可避免的。

通过对恒温恒湿空调系统的综合分析,整个温度控制系统主要有两种扰量:(1)新风进出空调系统,与室内焓值之差产生新风冷负荷(该负荷随室外天气状况变化而变化)的产生扰量和在控制露点温度过程中,由于表冷器处理空气过冷附带产生的温度扰量合称为󰀁干扰1󰀁;(2)室外热量通过围护结构传给室内产生冷负荷(该负荷受室外天气的变化而变化)产生的波动扰量和室内热源直接将热量(由于室内人员的变动、照明、机电设备的开停等所产生的余热变化,也直接影响室温)散出形成的冷负荷扰量合称为󰀁干扰2󰀁。

从整个框图上看,温度控制仍然是一个单回路的闭环系统。无论造成偏差的原因是外来扰量,还是内部扰量,控制作用均能反映,且总是使系统偏差趋于零。因此,具有自动修正被控量偏离给定值的能力、控制精度高。

4󰀁恒温恒湿机冬季工况

4.1󰀁冬季工况空气处理过程

冬季工况空气处理过程在h-d图上的过程如图7所示。当室外空气温度低于5󰀁时,预热器电动调节阀动作,将新风加热到5󰀁;当室外温度高于5󰀁时,则预热器电动调节阀关闭。预热器可以起到防止霜冻作用,在非寒冷地区可以不用,因此,冬季工况较夏季工况多了预热器的控制环节。

图8󰀁冬季预热温度控制图

Fig.8󰀁Chartofpreheatingtemperaturecontrolatwinter

图9󰀁冬季室温控制图

Fig.9󰀁Chartoftemperaturecontrolatwinter

4.2.1.3室内温度控制综合分析

控制框图见图10,室内温度控制系统为单回路闭环控制系统,主要有2种扰量:󰀁新风进出空调系统,与室内焓值之差产生新风热负荷,该负荷随外界天气状况变化而变化、产生扰量。当室外温度低于5󰀁时,空气预热温度控制系统补偿了一部分热量,降低了新风扰量,该扰量称为󰀁干扰

图7󰀁冬季空气处理过程h-d图

Fig.7󰀁Thecurveofh-dofair-conditionatwinter

1󰀁;󰀁室内热量通过围护结构传给室外产生热负荷(受室外天气的变化而变化)而产生波动扰量和室内热源直接将热量散出减少了室内热负荷形

成扰量(室内人员的变动、照明、机电设备的开停等产生的余热变化)合称为󰀁干扰2󰀁。

4.2󰀁冬季工况自动控制4.2.1室内温度的自动控制4.2.1.1预热控制第6期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

制冷技术󰀁󰀁Refrigeration󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

󰀁61󰀁

图10󰀁冬季室温控制综合分析图

Fig.10󰀁Chartoftemperaturecontrolatwinterforcombineanalysis

󰀁󰀁从整个框图上看,温度控制仍然是一个单回路的闭环系统。无论造成偏差的原因是外来扰

量,还是内部扰量,控制作用均能反映且总是使系统偏差趋于下降。因此,具有自动修正被控量偏离给定值的能力、控制精度高。

4.2.2室内湿度的自动控制

由K2测得的露点温度󰀁dc与露点温度给定值󰀁dg所得的差值作为调节器的输入,输出值为混合风蒸汽加湿器的阀门开度,以控制混合风处理后的露点温度为一恒定值,达到送风状态点,将混合风送入房间,控制室内空气相对湿度。反馈控制

系统图见图11,可见前半部分为露点温度控制过程,属于单回路闭环控制系统,具有自动修正被控量偏离给定值的能力、控制精度高。而整个控制系统属于单回路开环控制系统。从自动控制角度来说,开环控制系统控制精度低、抗干扰能力差,说明了定露点调节法的不足。

5󰀁恒温恒湿机过渡季节工况

5.1󰀁过渡季节空气处理过程

图11󰀁冬季室内湿度控制图Fig.11󰀁Chartofhumiditycontrolatwinter

󰀁󰀁在过渡季节,当天气参数变化到夏季时,按夏季工况进行自动控制;当天气参数变化到冬季时,按冬季工况进行自动控制;这两种工况的自动控制前面已阐述。下面分析第三种工况的自动控制实现形式。

5.2.1室内温度的自动控制

图12󰀁过渡季节空气处理h-d图

Fig.12󰀁Thecurveofh-dofair-conditionattransition

season

由于温度传感器K2测得的露点温度󰀁c与温

度给定值󰀁g所得的差值作为调节器的输入,输出值为混合风表冷器的阀门开度,使混合风处理后达到送风状态点所对应的温度值,以控制室内空气温度。反馈控制系统框图见图13,干扰包括新风冷负荷产生扰量和室外热量通过围护结构传给室内产生冷负荷的波动扰量以及室内热源直接将热量散出形成󰀁冷负荷扰量󰀁。5.2.2室内湿度的自动控制过渡季节工况复杂、雨雪天气使室外温湿度变化较大,空气处理过程也要随之变化,既可能会出现需要按照冬季工况进行空气处理,也可能会出

现需要按照夏季工况进行空气处理,另外就是如图12所示的工况,称为󰀁过渡季节的第三种工况󰀁。5.2󰀁过渡季节自动控制󰀁62󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

制冷技术󰀁󰀁Refrigeration󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第6期

图13󰀁过渡季节室温控制图

Fig.13󰀁Chartoftemperaturecontrolattransitionseason

图14󰀁过渡季节室内湿度控制图

Fig.14󰀁Chartofhumiditycontrolattransitionseason

󰀁󰀁由露点温度传感器K2测得的露点温度󰀁dc与露点温度给定值󰀁dg所得的差值作为调节器的输

入;输出值为混合风蒸汽加湿器的阀门开度,以控制混合风处理后的露点温度为一恒定值,达到送风状态点,控制室内空气相对湿度。反馈控制系统框图见图14,其中第一部分干扰来自从室外引进的新风湿负荷,该负荷随室外气候变化而变化产生扰量;第二部分干扰来自于室内湿源和围护结构传湿而引起的湿负荷的扰动产生的扰量。

度参数的控制进行了控制分解,并给出了控制实现框图,可以作为恒温恒湿空调控制系统提高控制精度和加快调节过程的参考。参考文献

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6󰀁总结

由于恒温恒湿空调控制系统具有多变量、非

线性、大时滞等特点,在许多工程案例中,每个回路单独运行都较正常,但是所有回路同时工作,整个系统就会不稳定。这是由于空调系统的各控制回路之间相互耦合、影响、干扰。普通的恒温恒湿机组因为要既兼顾温度精度又要兼顾相对湿度精度,往往在控制上会出现顾此失彼的现象。本文对常用的蒸汽加湿、一次回风的恒温恒湿空调机组在夏季、冬季和过渡季节三种工况下的空气处理过程进行了详细的分析,对温度和湿