带冷凝热回收变容量恒温恒湿系统的控制策略及性能研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 6.08MB 77 页 15积分
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目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 研究课题的背景和意义 ....................................................................................1
§1.2 国内外研究现状及发展前景 ............................................................................2
§1.2.1 关于恒温恒湿技术在国内外的研究现状 .................................................2
§1.2.2 关于变容量技术在国内外的发展现状 .....................................................4
§1.2.3 关于空调冷凝热回收在国内外的研究现状 .............................................5
§1.2.4 带冷凝热回收的变容量恒温恒湿空调的发展前景 .................................7
§1.3 本文主要研究内容 ............................................................................................8
第二章 变容量恒温恒湿系统原理分析 .........................................................................9
§2.1 带冷凝热回收变容量恒温恒湿系统的原理 ....................................................9
§2.1.1 制冷系统原理分析 .....................................................................................9
§2.1.2 空气处理过程理论分析 ...........................................................................13
§2.2 恒温恒湿空调的相关标准 ..............................................................................14
§2.3 节能性分析 ......................................................................................................15
§2.4 本章小结 ..........................................................................................................15
第三章 恒温恒湿系统的设计及选型计算 ...................................................................15
§3.1 设计理念 ..........................................................................................................16
§3.2 结构设计 ..........................................................................................................16
§3.2.1 室内空气处理箱结构设计 .......................................................................16
§3.2.2 风冷冷凝器的结构设计 ...........................................................................17
§3.2.3 主体及电气箱的结构设计 .......................................................................17
§3.3 系统组件的设计及选型计算 ..........................................................................17
§3.3.1 制冷系统热力计算 ...................................................................................18
§3.3.2 压缩机的选型计算 ...................................................................................19
§3.3.3 风冷冷凝器的设计计算 ...........................................................................20
§3.3.4 蒸发器的设计计算 ...................................................................................23
§3.3.5 其它组件的设计及选型计算 ....................................................................26
§3.3.6 制冷系统配置清单 ...................................................................................27
§3.4 本章小结 ..........................................................................................................28
第四章 恒温恒湿机组显热及潜热量理论计算 ...........................................................29
§4.1 进风温度为 27℃工况 .....................................................................................30
§4.2 进风温度为 24℃工况 .....................................................................................32
§4.3 进风温度为 21℃工况 .....................................................................................33
§4.4 本章小结 ..........................................................................................................35
第五章 电气原理及自动控制策略 ...............................................................................36
§5.1 电气设计及控制逻辑分析 ..............................................................................36
§5.1.1 电气及控制原理图 ...................................................................................36
§5.1.2 电气及控制元件 .......................................................................................38
§5.1.3 控制逻辑分析 ...........................................................................................39
§5.2 PLC 及触摸屏控制原理 ............................................................................... 39
§5.2.1 PLC 控制原理介绍 ................................................................................... 39
§5.2.2 触摸屏原理介绍 .......................................................................................41
§5.3 变频压缩机的控制 ..........................................................................................42
§5.3.1 变频器的原理及功能介绍 .......................................................................42
§5.3.2 PID 算法简介 ............................................................................................ 43
§5.3.3 压缩机的 PID 控制 .................................................................................. 44
§5.4 电子膨胀阀的控制 ..........................................................................................44
§5.5 再热盘管水量调节阀的控制 ..........................................................................46
§5.6 本章小结 ..........................................................................................................46
第六章 恒温恒湿系统的实验分析 .............................................................................47
§6.1 实验目的、内容与方法 ..................................................................................47
§6.1.1 实验目的 ...................................................................................................47
§6.1.2 实验内容 ...................................................................................................47
§6.1.3 实验方法 ...................................................................................................48
§6.2 实验室的介绍 ..................................................................................................48
§6.2.1 实验室的构造 ...........................................................................................48
§6.2.2 实验室工况的调节 ...................................................................................49
§6.2.3 实验参数控制、测量与记录 ...................................................................49
§6.2.4 实验室的测控系统 ...................................................................................50
§6.3 实验数据分析 ..................................................................................................51
§6.3.1 显热量、潜热量及再热能力分析 ............................................................51
§6.3.2 温湿度控制范围及精度实验分析 ...........................................................58
§6.3.3 温湿度控制稳定性分析 ...........................................................................59
§6.3.4 恒温恒湿机组的优化 ...............................................................................67
§6.4 本章小结 ..........................................................................................................68
第七章 结论与展望 .......................................................................................................69
§7.1 主要工作和结论 ..............................................................................................69
§7.2 今后的研究方向 ..............................................................................................69
§7.3 展望 ..................................................................................................................70
符号表 .............................................................................................................................71
参考文献 .........................................................................................................................73
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................75
致 谢 .............................................................................................................................76
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 研究课题的背景和意义
随着我国经济不断发展，各行业对室内空气的温度、湿度等提出特定的要求，
以满足生活和生产工艺等方面的需要。如今各行各业对恒温恒湿空调的应用很普
遍，且对温湿度控制的范围以及精度要求各不相同。例如：(1)胶片生产车间一般
要求干球温度为20±2℃,相对湿度为60±5%；(2)精密计量测试室要求干球温度为
20±0.2℃,相对湿度为60±5%，如计量室、三坐标测量室、高等级长度计量室；(3)
精密加工要求干球温度为20±0.1℃,相对湿度为40～65%，如坐标镜床、螺纹磨床、
线纹尺和光栅刻线等高精度光栅刻线机。此外，还有一些场合要求低温低湿的环
境[1]，比如:(1)炸药及弹药库要求温度12℃，相对湿度30～40%,(2)制药厂制粉及包
装车间要求温度12℃，相对湿度20～30%。因此，恒温恒湿技术具有极其重要的意
义，恒温恒湿空调也越来越受社会各行业的欢迎。随着经济的飞速发展，对恒温
恒湿技术的要求越来越高，对恒温恒湿空调的需要也会越来越大。
温湿度控制是恒温恒湿机组的重点研究内容，包括温度控制范围、湿度控制
范围、温度控制的精度、湿度控制的精度研究等。为了控制室内相对湿度，传统
方法是将新风和回风混合后的空气冷却至足够低的露点温度，再通过二次加热、
加湿等手段分别处理温度和湿度[2]。这种方法控制简单，但明显存在同时冷却、加
热、加湿的现象。这种再热形成的冷热抵消现象所引起的能耗是很大的。在恒温
恒湿类空调工程中改用合理的空气处理方式，减少冷热抵消的节能效果是巨大的。
对恒温恒湿空调系统进行节能研究，遂成为一个十分重要的课题。
如果恒温恒湿空调系统不作相应的控制调节，则在室外空气参数和室内负荷
不断变化的情况下，将会使室内空气参数发生相应的变化或波动，这样就不能满
足设计要求，而且也会浪费空调冷量和热量。因此，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，系统如何进行调节，才能在全年内，
既能满足室内温湿度要求，又能达到经济运行的目的。提高空调设备的调节质量，
主要靠自动控制设备来实现。实际上，有许多手段可以影响房间的温度和湿度，
但影响的程度是不一样的。比如二次加热方法对房间的温度影响很强，而对湿度
的影响较小，反之，蒸汽加湿对房间的湿度影响很大，而对房间温度的影响较小。
对于这种两个基本上独立的控制回路，只需采用简单的单回路控制方法就可获得
理想的控制效果[3]。而另外一些手段，如系统风量、系统压缩机频率的调节、蒸发
温度的调节，同时会对温度、湿度产生影响。
本文研究的带冷凝热回收变容量恒温恒湿机组期望尽量扩大温湿度控制范
带冷凝热回收变容量恒温恒湿系统的控制策略及性能研究
2
围，提高温湿度控制精度和稳定性，并且保证机组能效比和节能性能为较高的水
平。
§1.2 国内外研究现状及发展前景
几十年来，在我国工业上的恒温恒湿类空调工程以及凡是对湿度有控制要求
的空调工程中，为了控制相对湿度，传统做法都是先把大量空气(新风和回风)的温
度一直降低到必要的露点温度以下，以除去其中的水分，然后再行加热升温，才
能保持室内一定的温湿度。可是这种再热形成的冷热抵消现象所引起的能耗是很
大的。鉴于这种情况，近年来关于恒温恒湿空调系统的节能问题逐渐成为大家研
究的重点，人们希望可以找到一种合理的空气再热处理方式，从而达到节能的目
的。
§1.2.1 关于恒温恒湿技术在国内外的研究现状
为了达到温湿度的控制要求，多年来一贯采用的恒温恒湿技术大概有喷淋室、
水冷表冷器、直接蒸发式恒温恒湿机组三种方式。其中喷淋室主要用于纺织、造
纸等大型恒温恒湿场合[4]，水冷表冷器主要用于中型恒温恒湿系统，直接蒸发式恒
温恒湿机组主要用于小型系统。
喷淋室是我国50～70年代在大型恒温恒湿空调工程中采用的比较多的一种
空气处理方式。该系统是一种典型的固定露点温度控制法，运行时为了达到室内
所要求的温度和相对湿度，送风空气经喷淋室喷淋降温去湿处理到恒定的露点温
度后，还需再行加热至送风状态点[5]。
水冷表冷器空气处理分为固定露点温度和无露点温度两种控制方式。所谓固
定露点温度控制方式是指在夏季工况时，新风和回风混合后经表冷处理到设计的
固定机器露点，经再热后送至室内，由表冷器后的露点温度信号控制表冷器的冷
却量，使空气经表冷器处理后的状态恒定在设计机器露点上，由室内的温度信号
控制再热量[6]。而无露点温度控制方式是指在夏季工况中，机器露点并不是固定值，
而由室内的温度和相对湿度信号直接控制系统的冷却量和加热量。其固定露点温
度控制方式及空气处理过程与上述喷淋室相类似，主要的不同在于水冷表冷器是
通过传热面的间接冷却，在相同的供冷温度条件下所能处理达到的机器露点温度
显然高于喷淋室。而80年代后开始比较流行无露点温度的空气处理方式。为了有
效地控制室内的干球温度和相对湿度于所要求的控制精度范围内，室内装有干球
温度传感器和电容式相对湿度传感器。由于加热器和加湿器的功能单一，只是分
第一章 绪 论
3
别与温度和湿度相关，故可分别单独由温度显示调节器和湿度显示调节器进行控
制。但是由于表冷器兼具降温和去湿两种功能，其运行既关系到室内的干球温度，
又牵涉到室内的相对湿度，所以，需同时由两种信号控制，通过选择器比较，从
两种信号中选取其中之大者，作为有效信号来控制表冷器的运行。这无异表明，
如此控制的结果，干球温度和相对湿度两种的控制要求都将得到满足。显然，无
露点温度控制方式进步得多，其控制的精度、可靠性也高得多。在相对湿度控制
方面由于采用无露点控制，不必不问青红皂白地一律把送风空气处理到露点温度，
因而所需的再热量和冷热抵消量在某些情况下可能会相对小些，但却不可能完全
避免。其实，只要稍微深入一些分析，即可看到选择器在绝大多数情况下总会选
择湿度控制信号的，因为送风空气通过表冷器处理进入房间后，室内温度总不会
过高，除非室内显热负荷较大。所以，其实际结果，冷热抵消现象在多数情况下
不会比定露点温度控制方式好多少。
对于各类产业中的小型恒温恒湿空调工程，历来人们都是习惯采用直接蒸发
式恒温恒湿机组。一般而言，直接蒸发式恒温恒湿机组在室内设置干球温度传感
器和湿球温度传感器。冬季运行时，由干球温度传感器控制电加热器的加热量，
由湿球温度传感器控制电极加湿器内电加热器的输出，以达到加湿的目的。夏季
运行时，开启制冷系统，回风和新风先混合后通过蒸发器去湿降温，大致达到所
需的机器露点温度后，再根据干球温度传感器所表现出来的室内实时负荷来控制
再加热量[7]。
早在1999年，天津大学的贾俊瑆[8]以一个实际的高精度恒温恒湿洁净室为例,
采用了一套合理的控制方法,在满足洁净室所需高级别洁净度的同时,使洁净室的
温湿度也分别达到了±0.1 ℃、±5 %的设计要求,并大幅度降低了制冷机组的成本和
运行费用。2004年，同济大学沈晋明、陈浩等人对恒温恒湿车间空调设计进行了
理论研究和实际工程分析。2007年，西安交通大学曹锋对回收利用冷凝热的恒温
恒湿空调机组进行了实验研究，对采用电加热、并联式及串联式回收冷凝热3种再
热方式的温湿度控制精度和再热耗功率进行了研究。2008年，大连冰山集团设计
研究院王恕清结合制热、传热、流体力学等基本原理，详细介绍了机房专用恒温
恒湿机的制冷、气流、控制系统的关键部件的计算、选型及设计方案。2008年，
上海信业计算机网络工程有限公司的李辉申请了利用冷凝器对恒温恒湿机组空气
加热的装置的专利，其特点是串联一个辅助冷凝器作为再热用，节省外部再热热
源。2008年，南京建贸制冷空调设备有限公司周荣辉等人申请了一种冷凝热回收
式恒温恒湿机组的专利。其特点是设有聚热器、热水加热器、水泵，聚热器回收
冷凝热，通过水泵将热水送到热水加热器，热水加热器是该专利的再热方式。
带冷凝热回收变容量恒温恒湿系统的控制策略及性能研究
4
另外，有人从空调设备方面提出恒温恒湿制冷空调节能优化方案，制冷压缩
机采用变频压缩机，同时再热段的热负荷由制冷机组的部分冷凝负荷承担。也有
一些学者提出在排风管道旁设置热回收装置，用排风的能量来预处理新风，这样
可以减少引进新风所需的能耗。
§1.2.2 关于变容量技术在国内外的发展现状
变容量技术[9]是指通过对制冷工质流量的有效控制，来实现制冷机组和系统容
量输出与冷热负荷相匹配，通常称为VRV（VARIED REFRIGERANT VOLUME）
技术，并且广泛应用于空调系统。传统的定容量空调系统是依靠不断的启停来调
整室内温度。然而，在启停之间容易造成一种忽冷忽热的现象，并且消耗较多的
电能。变容量空调系统是通过改变制冷剂的流量，从而使得制冷（热）量与冷热
负荷相匹配。理论上，变容量空调可以使得制冷（热）量与冷热负荷保持一致，
使室温稳定在设定值而几乎没有波动。因而变容量空调系统既可以节能，又可以
提高了室内的舒适度。
变容量技术有很多种，常见的几种为变频技术、数码涡旋技术、高温气体旁
通技术等。目前，市场上主导变容量技术是变频技术和数码涡旋技术。
1、变频技术
变频技术起源于日本，是电机控制的一种较新技术，发明于20世纪70年代，
最早由大金率先使用，日本走了20多年变频技术的路，一直在进步。变频应用在
空调系统中就是通过改变压缩机电动机的转速来调节压缩机的吸排气量，进而改
变空调的容量。当室内负荷要求提高时，压缩机电动机的频率随之增大，使转速
更快，容量更高。同样地，当室内负荷要求随之降低时，压缩机的频率或电压减
小，转速降低，容量减少。
变频技术一般分为交流变频和直流变速两种类型，其变速的原理有所不同。
交流变频技术采用交流电动机，交流电动机的转速为
p
f
sn )1(60
。
式中：n为电机的转速；f为电源频率；p为电机磁极对数；s为电机的转差率。
从式中可以看出，当电动机的结构确定后，要改变电动机转速，必须改变电
源频率。交流变频的工作原理是先把交流电变成直流电，然后再把直流电逆变成
其他频率的交流电，来驱动电动机，这样电动机的转速就发生了变化。
直流变速压缩机是采用无刷直流电机作为电动机。直流变速的工作原理是先
将电源整定成直流电，通过调压来改变直流电动机转速。无刷直流电机与普通交
第一章 绪 论
5
流电机或有刷直流电机的最大区别在于其转子是由含稀土材料的永久磁钢组成，
定子采用整机集中绕组。这样就可以省掉普通直流电机所必须的电刷，调速性能
与普通的直流电动机相似。无刷直流电机既克服了传统的直流电机的一些缺陷，
如：电磁干扰、噪声、火花、可靠性差、寿命短等，又具有交流电机所不具有的
一些优点，如：运行效率高、调速性能好、无涡流损失。所以，直流变速空调相
对于交流变频空调而言，具有更大的节能优势。但是，直流变速空调的成本要高
于交流变频空调。直流变速空调除了具备交流变频空调系统提高舒适性和节能的
特点外，还有启动电压较小，可在低电压和低温度条件下启动。这对某些地区由
于电压不稳或冬天室内温度较低而空调难以启动的情况有一定的改善作用。
2、数码涡旋技术
数码涡旋技术[10]为当今空调上使用的较新尖端技术。目前已经在家用中央空
调、商用多联机等系统中得到广泛应用。柔性变容量数码涡旋压缩机的容量是通
过涡旋盘的周期性啮合与脱开来改变的。即压缩机有一对相错180度的涡盘，下面
的叫动盘，上面的叫静盘。静盘有能上下移动的约1毫米的间隙，上方有一个中间
气室，中间气室有被电磁阀控制开闭的连通管与压缩机吸气管相通，当电磁阀关
闭时，中间气室瞬间充满高压，静盘下落，与动盘密切配合，此时的压缩为有效
压缩，压缩机的能力可100％发挥出来。当中间气室连通管的电磁阀打开时，中间
气室与吸气管相通，变成低压腔，当涡盘相互作用时，压缩气体将静盘顶开一定
间隙，涡盘的压缩腔相互串气，此时的压缩为无效压缩。通过调节一个“周期时间”
内电磁阀的开关时间的比率，可调节压缩机能力的输出，进而调节空调的制冷量，
电磁阀的开关控制被称为数码控制。一个“周期时间”包括：“负载状态”时间和“卸
载状态”时间。这两个时间阶段的组合决定了压缩机的容量调节。例如：在20秒周
期时间内，若负载状态时间为10秒，卸载状态时间为10秒，则压缩机的调节量为
50％。若在相同的周期时间内负载状态时间为15秒而卸载状态时间为5秒，则调节
量为75％。不同的厂家，运行周期和加载时间的设置并不一样，可根据各自的系
统状况在控制器的芯片内设置。压缩机的输出容量可在10％到100％的范围内任意
改变。
§1.2.3 关于空调冷凝热回收在国内外的研究现状
国外在大型空调系统的冷凝热回收方面的研究比较早，目前在世界上已经有
较为成熟的热回收冷水机组[11]。早在 1951 年，西德莱茵威斯特代利亚电力股份公
司和舒尔特·林德公司一起研制一台具有蓄热装置的中央热水机组，每日可将 300
升的水从 10℃加热到 50℃[12]。在 1980 年，美国 Carrier 公司就有冷凝热回收系统
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论...................................................................................................................1§1.1研究课题的背景和意义....................................................................................1§1.2国内外研究现状及发展前景.....................................................

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