淺談恒溫恒濕空調系統設計

　　淺談恒溫恒濕空調系統設計

　　孫宗宇、李驥

　　摘要結合近年來典型工程實踐,對高精度恒溫恒濕空調系統設計中的一些問題進行分析,總結恒溫恒濕空調系統設計中必要的技術措施和體會,以供設計參考。

　　恒溫恒濕空調系統的任務,是將室內的溫濕度及潔凈度控制在一定的波動范圍內,以滿足工業生產、科學研究等特殊場合對室內環境的要求[1]。近年來,隨著我國生產力的發展和科技水平的不斷提高,恒溫恒濕空調系統的應用場合越來越多,溫濕度要求也不斷提高。在電子、醫藥、計量、紡織、光學儀器和農業育種等領域,恒溫恒濕空調系統的精度和可靠性直接關系著產品的品質以及實驗結果的準確性。在系統的冷熱源配置、空氣熱濕處理、氣流組織和系統控制等方面均與舒適性空調系統存在較大差異。筆者結合近年來典型工程實踐,討論恒溫恒濕系統設計中需要注意的若干問題。

　　1、室內環境參數的確定

　　恒溫恒濕間室內環境參數的確定取決于產品、實驗對像或實驗設備的要求。不同的精度和可靠性等要求,往往使恒溫恒濕系統的復雜性大不相同,也極大地關系到系統的初投資和運行費用。盲目地提高精度要求,往往會導致初投資和運行費用成倍增加;相反,如果精度要求過低,可能直接導致生產、實驗活動的失敗。因此,在系統設計之前,需要暖通專業人員與使用方根據生產和實驗對像的要求,準確地提出室內環境的要求。

　　主要包括:

　　1)控制區域。在某些生產、實驗過程中,需要對整個房間的溫濕度進行控制。但更多的情況是只須對特定的生產、實驗區域進行嚴格控制。

　　2)基準溫濕度。很多生產、實驗要求基準溫濕度為固定不變的值,例如很多計量實驗要求的基準溫度為22℃,一些紡織類的生產、實驗要求基準相對濕度為65%。還有一些特殊的實驗過程和氣候室,要求室內的基準溫濕度可以根據實驗要求在較大范圍內進行調整,此時需要確認其變化范圍和變化時間。

　　3)溫濕度精度。溫濕度精度一般包括2方面的要求,即單一控制點的時間變化率和均勻度。在參數確認階段,必須明確精度要求的涵義。均勻度要求一般針對溫度精度,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)新風要求。新風要求一般根據室內工作人員數量提出。新風對室內環境擾動極大,因此新風量的確定應該盡可能合理、準確。由于一般恒溫恒濕環境所需要的換氣次數較多,因此不能采用最小新風比的方法確定。

　　5)可靠性要求。某些實驗周期較長或重要的場合,對恒溫恒濕環境的可靠性有明確要求,如要求系統可連續不間斷運行若干時間。此時需要在設備的備用方面加以考慮。

　　6)其他。某些電子醫藥類實驗環境對凈化級別有嚴格的要求。有一些實驗需要嚴格控制噪聲和振動,還有可能要求室內保持一定正壓或負壓。

　　2、冷熱負荷和環境擾動因素

　　影響恒溫恒濕間熱濕環境的主要擾動因素包括:圍護結構、新風、人員、燈光和設備等。在恒溫恒濕環境的設計中,應根據要求采取不同措施減少或消除這些因素對熱濕環境的影響。

　　主要措施包括:

　　1)采用內保溫等措施優化圍護結構的隔熱性能,提高門窗的密閉性。

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

　　3)提高生產、實驗的自動化水平,盡量減少室內人員數量;根據實驗人數和衛生要求確定新風量,減少不必要的新風量要求;在一些場合需要對新風進行單獨處理后再與回風混合。

　　4)采用發熱量小的節能燈具;

　　5)減少實驗設備的散熱量,對于必需的發熱設備應遠離溫濕度控制區域,或采取局部冷卻措施。

　　3、空氣處理過程

　　與舒適性空調不同,恒溫恒濕環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程和換氣次數,而不一定取決于空調負荷的大小。總體而言,恒溫恒濕系統一般采用先冷卻、除濕,再加熱、加濕的空氣處理過程,用控制加熱量和加濕量的方法控制室內溫濕度的精度。

　　3.1定露點控制的一次回風系統一般恒溫恒濕系統均采用一次回風系統,如圖1所示。

　　以夏季處理過程為例,回風(N)與新風(W)混合后(C),經表冷器冷卻除濕至機器露點(L),經一級加熱到達O點,再經等焓加濕(O—O′)和二級加熱(O′—O′)到達送風狀態點O′,送入恒溫恒濕房間,空氣處理過程如圖2(a)所示。根據室內負荷與擾動的變化,送風狀態點可以在圖2(b)所示的范圍內,采用PID控制進行調節。

　　其中等焓加濕過程一般采用電極加濕、電熱加濕或直接進行蒸汽加濕,當精度要求不高時,也可采用濕膜加濕。二級加熱一般采用電加熱,以方便實現對加熱量的控制。設計送風溫差可根據不同的末端方式和精度選取,精度較高的系統一般不應大于2～3℃.

　　采用定露點控制的優點是:系統比較穩定、抗干擾,缺點是能耗大,適用于面積較小、精度要求高的場合。

　　3.2新風單獨除濕

　　定露點控制的一次回風系統由于需要將混風處理到機器露點,往往能耗較高。因此,當面積較大,且換氣次數較多時,可以考慮采用新風承擔主要濕負荷的系統,此時可以適當減小循環風冷卻段和加熱段的容量,減少冷熱抵消。該系統采用表冷和轉輪除濕對新風進行處理,如圖3所示。

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

　　由于完全由新風承擔室內濕負荷,這種系統對新風除濕的要求較高,需要達到較低的含濕量。

　　4、冷熱源的選擇

　　恒溫恒濕系統的冷源設備可以根據實際需求采用各種不同的型式。采用直接蒸發式機組可以在同一設備內實現冷源與空氣處理功能,包括風冷直接蒸發式機組和水冷直接蒸發式機組。目前的柜式恒溫恒濕機組大部分均采用這2種方式,在精度和控制要求不高的場合(如±0.5℃),可以直接采用這種機組。

　　采用直接蒸發式機組時,由于風系統的隋性小,機組啟停時系統溫濕度變化非常劇烈,這就對控制系統的調試提出了更高的要求。因此當系統較大、精度要求較高時,一般推薦采用風冷冷水機組或水冷冷水機組制備冷水作為冷源,并單獨設置空氣處理機組。

　　需要注意的一點是,無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,包括過渡季和冬季。當采用風冷型機組時,需要考慮當地的冬季室外溫度,尤其是北方地區,保證冷凝壓力在合理范圍內。對可靠性要求較高的場合,還應考慮冷源的備用問題。

　　恒溫恒濕系統的熱源根據需要可以選擇熱水、蒸汽或電加熱等型式,根據控制要求可采用一級或多級加熱。對于精調加熱器,應選擇調節性能較好的電加熱器。

　　5、風系統和氣流組織的設計

　　根據系統不同的精度要求,風系統應采用不同的換氣次數。在系統劃分時,不同基準溫度要求的房間的風系統應分開獨立設置。相同基準溫度、不同精度要求的房間可劃分為同一系統,但應采用不同的換氣次數,并設置調節閥門,也可以在各送風支管上設置精調加熱器。

　　末端氣流組織形式一般采用上送下回方式。應確保溫濕度控制區域的風速衰減至正常范圍,并使送風與室內空氣充分混合后進入工作區。回風口應設置在室內散熱設備位置或人員活動區。當均勻度要求較高時,應采用孔板送風方式.

　　6、結束語

　　由于恒溫恒濕空調系統的復雜性,設計人員一方面需要充分了解使用方的要求,考慮各種情況,使設計的系統符合全年各種工況要求;另一方面需要與施工和調試人員緊密配合,確保系統的順利實施。

　　參考文獻

　　[1]清華大學,同濟大學.空氣調節.2版.北京:中國建

　　筑工業出版社,1986:326.

　　[2]電子工業部第十設計研究院.空氣調節設計手冊.2

　　版.北京:中國建筑工業出版社,1995:49,242,255