浅谈恒温恒湿空调系统设计
孙宗宇、李骥
摘要结合近年来典型工程实践,对高精度恒温恒湿空调系统设计中的一些问题进行分析,总结恒温恒湿空调系统设计中必要的技术措施和体会,以供设计参考。
恒温恒湿空调系统的任务,是将室内的温湿度及洁净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[1]。近年来,随着我国生产力的发展和科技水平的不断提高,恒温恒湿空调系统的应用场合越来越多,温湿度要求也不断提高。在电子、医药、计量、纺织、光学仪器和农业育种等领域,恒温恒湿空调系统的精度和可靠性直接关系着产品的品质以及实验结果的准确性。在系统的冷热源配置、空气热湿处理、气流组织和系统控制等方面均与舒适性空调系统存在较大差异。笔者结合近年来典型工程实践,讨论恒温恒湿系统设计中需要注意的若干问题。
1、室内环境参数的确定
恒温恒湿间室内环境参数的确定取决于产品、实验对像或实验设备的要求。不同的精度和可靠性等要求,往往使恒温恒湿系统的复杂性大不相同,也极大地关系到系统的初投资和运行费用。盲目地提高精度要求,往往会导致初投资和运行费用成倍增加;相反,如果精度要求过低,可能直接导致生产、实验活动的失败。因此,在系统设计之前,需要暖通专业人员与使用方根据生产和实验对像的要求,准确地提出室内环境的要求。
主要包括:
1)控制区域。在某些生产、实验过程中,需要对整个房间的温湿度进行控制。但更多的情况是只须对特定的生产、实验区域进行严格控制。
2)基准温湿度。很多生产、实验要求基准温湿度为固定不变的值,例如很多计量实验要求的基准温度为22℃,一些纺织类的生产、实验要求基准相对湿度为65%。还有一些特殊的实验过程和气候室,要求室内的基准温湿度可以根据实验要求在较大范围内进行调整,此时需要确认其变化范围和变化时间。
3)温湿度精度。温湿度精度一般包括2方面的要求,即单一控制点的时间变化率和均匀度。在参数确认阶段,必须明确精度要求的涵义。均匀度要求一般针对温度精度,可以用垂直方向和水平方向的温度梯度要求的方式提出。
4)新风要求。新风要求一般根据室内工作人员数量提出。新风对室内环境扰动极大,因此新风量的确定应该尽可能合理、准确。由于一般恒温恒湿环境所需要的换气次数较多,因此不能采用最小新风比的方法确定。
5)可靠性要求。某些实验周期较长或重要的场合,对恒温恒湿环境的可靠性有明确要求,如要求系统可连续不间断运行若干时间。此时需要在设备的备用方面加以考虑。
6)其他。某些电子医药类实验环境对净化级别有严格的要求。有一些实验需要严格控制噪声和振动,还有可能要求室内保持一定正压或负压。
2、冷热负荷和环境扰动因素
影响恒温恒湿间热湿环境的主要扰动因素包括:围护结构、新风、人员、灯光和设备等。在恒温恒湿环境的设计中,应根据要求采取不同措施减少或消除这些因素对热湿环境的影响。
主要措施包括:
1)采用内保温等措施优化围护结构的隔热性能,提高门窗的密闭性。
2)合理设置房间建筑布局,较高精度要求的恒温恒湿间一般不应设在有外窗的房间;在必要时,在高精度恒温恒湿间外应设置套间,并将套间的温度控制在合理范围内！
3)提高生产、实验的自动化水平,尽量减少室内人员数量;根据实验人数和卫生要求确定新风量,减少不必要的新风量要求;在一些场合需要对新风进行单独处理后再与回风混合。
4)采用发热量小的节能灯具;
5)减少实验设备的散热量,对于必需的发热设备应远离温湿度控制区域,或采取局部冷却措施。
3、空气处理过程
与舒适性空调不同,恒温恒湿环境的冷热源容量很大程度上取决于采用什么样的空气处理过程和换气次数,而不一定取决于空调负荷的大小。总体而言,恒温恒湿系统一般采用先冷却、除湿,再加热、加湿的空气处理过程,用控制加热量和加湿量的方法控制室内温湿度的精度。
3.1定露点控制的一次回风系统一般恒温恒湿系统均采用一次回风系统,如图1所示。
以夏季处理过程为例,回风(N)与新风(W)混合后(C),经表冷器冷却除湿至机器露点(L),经一级加热到达O点,再经等焓加湿(O—O′)和二级加热(O′—O′)到达送风状态点O′,送入恒温恒湿房间,空气处理过程如图2(a)所示。根据室内负荷与扰动的变化,送风状态点可以在图2(b)所示的范围内,采用PID控制进行调节。
其中等焓加湿过程一般采用电极加湿、电热加湿或直接进行蒸汽加湿,当精度要求不高时,也可采用湿膜加湿。二级加热一般采用电加热,以方便实现对加热量的控制。设计送风温差可根据不同的末端方式和精度选取,精度较高的系统一般不应大于2～3℃.
采用定露点控制的优点是:系统比较稳定、抗干扰,缺点是能耗大,适用于面积较小、精度要求高的场合。
3.2新风单独除湿
定露点控制的一次回风系统由于需要将混风处理到机器露点,往往能耗较高。因此,当面积较大,且换气次数较多时,可以考虑采用新风承担主要湿负荷的系统,此时可以适当减小循环风冷却段和加热段的容量,减少冷热抵消。该系统采用表冷和转轮除湿对新风进行处理,如图3所示。
以夏季处理过程为例,新风(W)经表冷器处理至机器露点L后,再由除湿器以近似等焓减湿过程处理至X点,再与回风混合(C),经表冷器等湿冷却至O点,再经等焓加湿(O—O′)和加热(O′—O′)到达送风状态点O′,送入恒温恒湿房间,空气处理过程如图4所示。
由于完全由新风承担室内湿负荷,这种系统对新风除湿的要求较高,需要达到较低的含湿量。
4、冷热源的选择
恒温恒湿系统的冷源设备可以根据实际需求采用各种不同的型式。采用直接蒸发式机组可以在同一设备内实现冷源与空气处理功能,包括风冷直接蒸发式机组和水冷直接蒸发式机组。目前的柜式恒温恒湿机组大部分均采用这2种方式,在精度和控制要求不高的场合(如±0.5℃),可以直接采用这种机组。
采用直接蒸发式机组时,由于风系统的隋性小,机组启停时系统温湿度变化非常剧烈,这就对控制系统的调试提出了更高的要求。因此当系统较大、精度要求较高时,一般推荐采用风冷冷水机组或水冷冷水机组制备冷水作为冷源,并单独设置空气处理机组。
需要注意的一点是,无论选择哪种型式的冷源,一般都需要其在全年具有制冷能力,包括过渡季和冬季。当采用风冷型机组时,需要考虑当地的冬季室外温度,尤其是北方地区,保证冷凝压力在合理范围内。对可靠性要求较高的场合,还应考虑冷源的备用问题。
恒温恒湿系统的热源根据需要可以选择热水、蒸汽或电加热等型式,根据控制要求可采用一级或多级加热。对于精调加热器,应选择调节性能较好的电加热器。
5、风系统和气流组织的设计
根据系统不同的精度要求,风系统应采用不同的换气次数。在系统划分时,不同基准温度要求的房间的风系统应分开独立设置。相同基准温度、不同精度要求的房间可划分为同一系统,但应采用不同的换气次数,并设置调节阀门,也可以在各送风支管上设置精调加热器。
末端气流组织形式一般采用上送下回方式。应确保温湿度控制区域的风速衰减至正常范围,并使送风与室内空气充分混合后进入工作区。回风口应设置在室内散热设备位置或人员活动区。当均匀度要求较高时,应采用孔板送风方式.
6、结束语
由于恒温恒湿空调系统的复杂性,设计人员一方面需要充分了解使用方的要求,考虑各种情况,使设计的系统符合全年各种工况要求;另一方面需要与施工和调试人员紧密配合,确保系统的顺利实施。
参考文献
[1]清华大学,同济大学.空气调节.2版.北京:中国建
筑工业出版社,1986:326.
[2]电子工业部第十设计研究院.空气调节设计手册.2
版.北京:中国建筑工业出版社,1995:49,242,255
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