恒温恒湿空调系统的节能优化设计

恒温恒湿空调系统的节能优化设计恒温恒湿空调系统的节能优化设计 黎 洪 深圳职业技术学院机电工程学院 广东深圳 518055 摘要摘要 分析了目前采用恒温恒湿空调系统的设计方法 针对该类系统空气处理过程 中通常采 用的再热方式进行优化设计 计算结果表明 采用优化设计的空气处理方式 能明显降低空调系统能耗 同时 对将高效节能的变制冷剂流量空调系统应用于恒温 恒湿领域存在的问题进行了分析 并提出一种在不同分区采用不同系统的方式 关键词关键词 恒温恒湿 空调 节能 设计 0 0 引言引言 恒温恒湿空调机组在许多行业特别是工业领域中广泛应用 用来满足生产工 艺所需的温湿度要求 这种空调机组常常是连续运行 能耗居高不下 随着能源 形势日益紧张 节能减排 已成为当前我 国生产企业面对的首要问题 生产企业 节能工作势在必行 在许多精密仪器生产厂家中 维持室内温湿度的空调机组是 高耗能作业组成之一 因此降低恒温恒湿空调系统的能耗 是降低生产能耗的主 要组成部分 对恒温恒湿空调系统进行节能考虑和设计 是目前广大工程技术人 员需要面对的问题 恒温恒湿中央空调系统不同于其它空调系统 就是它对室内的温度和湿度的 稳定性要求特别高 有的温度波动范围要求控制在 1 以内 即上下浮动 0 5 同时对湿度也有较高要求 温湿度不只是受外界和室内条件的控制 温 湿度之 间也会相互影响 如在 20 时 当温度波动 1 会导致相对湿度大约波动 4 随着机械加工工艺技术的飞速进步 要求温 湿度的波动范围更小 这些都对恒 温恒湿空调系统提出了更高的要求 也将大大增加空调系统的能耗 为了降耗节 能 我们必须对恒温恒湿空调系统进行节能设计 目前 恒温恒湿空调系统与其它空调系统有个特别的地方 就是为设计和营 造一个达到高精度的恒温恒湿室 往往都是采用全空气系统 而对于所采用的全 空气系统 在空气处理上存在冷热量抵消的现象 导致运行能耗大大增加 同时 由于恒温恒湿空调系统方式多采用传统机组 极少应用目前高效的变制冷剂流量 集中空调系统 如果应用变制冷剂流量的多联体分体空调 那么恒温恒湿空调的 冷热源成本亦可得到降低 实现节能 本文对恒温恒湿空调存在冷热抵消现象的问题进行了分析 提出了一种取消 冷热抵消的设计方法 对于采用多联体变制冷剂流量系统 提出一种系统分区方 法 旨在为工程设计人员提供参考 1 1 现有恒温恒湿试验室设计方法及分析现有恒温恒湿试验室设计方法及分析 对于同时控制温度和湿度的空调系统必须具备加热 加湿 冷却 去湿功 能和完善的自控系统 为保证达到控制精度和区域内温湿度均匀 必须符合规范 对送风换气次数及送风温差的规定 因此 恒温恒湿系统通常采用全空气定风量 方式 1 11 1 目前常见的恒温恒湿空调系统的设计方法目前常见的恒温恒湿空调系统的设计方法 在冬季加热加湿工况条件下 各种设计方法控制温湿度的手段是一致的 要 实现湿度控制精度达到 2 也较容易 主要的区别在于夏季冷却去湿工况 选用恒温恒湿空调机 机组有风冷和水冷型两种 配备有多级电加热器和电 极加湿罐及微电脑控制器 在冷却去湿工况条件下 蒸发盘管使空气温度低于露 点温度而去湿 通过加热器的再热控制室内温度保持在设定值 该类机组由于冷 量的调节一般仅二档或三档 机组出口空气的机器露点不易稳定 对室内相对湿 度的控制能力较低 一般宜用于相对湿度控制精度在 5 的试验室 目前大多采 用了该种定型产品 选用风冷柜式空调机 加装电加热器 加湿器以及专用微机温湿度控制器 该类系统为非定型产品 在冷却去湿工况条件下 压缩机持续运行 向气流中投 入相对稳定的冷量 通过闭环自动控制系统调节加热量和加湿量 从而达到设定 的温度和湿度 系统抗干扰能力较强 可以达到相对湿度 2 的精度要求 选用空调箱以冷冻水作冷却介质 配备过滤 表冷或喷淋 加热 加湿等功 能段 在冷却去湿工况条件下 由室内相对湿度信号控制送风的机器露点 通过 室温信号控制加热器的再热量来保持室内的恒温恒湿 可以达到相对湿度 2 的 精度要求 但该类系统必须再配单独的冷 热源设备及自控系统 设备投资大 适用于所需送风量较大的大型试验室或有多个试验室的情况 1 21 2 造成能耗损失的原因分析造成能耗损失的原因分析 这里以某柜式恒温恒湿空调机组为例 简单介绍恒温恒湿空调系统中潜在的能耗 损失 从原理上分析 图 1 所示的控制方式属于固定露点温度控制 一般经过处理 后的空气露点温度总必然会落在如图 2 所示的点 1 与点 2 的区间 t1dp 6 7 t2dp 12 8 正是 基 于这 一原 理 这样的所谓的恒温恒湿机组能应用 于室内要求温度控制精度 1 相对湿度 40 60 的场合 如今国内外 各家公司生产的恒温恒湿机组尽管在控制手 段上可能 比这里图示的改进了很 多 甚至是采用了 计算机控制 以致对温度和湿度的控制精度确有提高 但可 以肯定有一点不会改变 露点温度控制机理和需要再热问题仍然存在 从图 3 的空气处理过程图可以看出 在投入冷量对空气冷却去湿的同时启 用了加热器对空气再热 造成冷热量抵消 这就使得恒温恒湿空调能耗增加 2 2 非再热系统的节能设计非再热系统的节能设计 从前面的论述中可以看出 常规的恒温恒湿空调的设计通常都存在冷热抵 消过程 为了避免这种情况 对空气处理过程进行了优化设计 见图 4 室外空气通过新风机组 被处理到机器露点 L 同室内回风 N 混合至 c 点 进入主空调箱干冷却 达到送风状态 s 点 保证送风温差 At 小于相应的规范 要求 当室内冷负荷减小时 通过改变冷却盘 管的冷冻水流量或进水温度来 调节冷量 并进一步减小送风温差 图 5 a 5 b 分别是优化前和优化后的夏季处理空气过程焓湿图 优化设 计的主要特点是 对新风空气进行集中专门处理 以除去新风空气中可能带人 室内的多余湿量 从绝大多数恒温恒湿房问内产湿量很少 影响和干扰室内相 对湿度的主要因素从新风空气这一角度来看 这样的空气处 理方式从逻辑上说 是合乎情理的 只要把住干扰室内相对湿度的这一关 口 那么室内相对湿度的 保持 便是事半功倍了 新方法的主要优点如下 1 可免除再热之需 从而可消除冷热抵消现象 大大节约能源 2 由于新风机组中的风机是按房问内的 排风量和必要的新 风补给量经计算确定的新风量而选用的 所以 它的运行可起到 计量泵 的作用 可确保系统和房 间得到所需的新风量 3 由于新风机组的运行和必 要新风量的确保 室内的正压可有效地建立 这对防止室外污染空气或潮湿空 气的进入和因室内外水蒸气分压力差引起的渗透起到有效的阻滞作用 4 可有 效地防止室内相对湿 度受到室外空气湿度波动 特别是下雨天气和黄梅期的影 响 当然 值得一提的是 在满足室内卫生要求的情况下 应尽量降低新风负 荷 而不是尽量降低新风量 在夏季 室外空气温度一般都高于空调房间设定 温度 新风量的引入是以增加空调系统冷负荷 为代价的 此时应取最小新风量 在冬季 应适当加大室外新风量 充分利用室外 免费 冷源来消除室内热负 荷 降低运行费用 在过渡季节 当新风焓值低于一次 回风焓值时 应将二 次回风系统中的一次回风关闭 由空调箱各功能段对新风进行处理 处理后的 新风在送风机的负压段与 二次 回 风 混合至室内温湿度要求 从而降低空 调机组的能耗 其他季节 在保证最小新风量的前提下 应根据室内热湿负荷 设定的温湿度及室外空气状况选择合适的新风量及风系统形式 一次回风 二 次回风 全新风 3 3 优化设计与优化前的空调系统能耗比较优化设计与优化前的空调系统能耗比较 为了能从理论上计算出典型的露点温度控制法的能源浪费量 可对照参阅 图 5 a 由该图中可看到 在这里包括回风空气在内的全部空气都需从混合空 气状态点 3 冷却到室内空气的露点温度点 4 一旦把这样低温的空气送 入房 间 室内温度必 然会下降 但与此同时 室内的相对湿度也会增 加 保 持 不 了 50 所以 这 时必须进行再热 使送风达到一定高的温度 比如点 6 的状态才行 这时耗冷量 Q0和再热量 Qr分别为 Q0 G i3 i4 G1 G2 i3 i4 G1 i1 i4 G2 i2 i4 1 取新风混合比为 x 则 Q0 1 x G i1 i4 xG i2 i4 xG i2 i1 G i1 i4 xG i2 i1 G i1 i6 G i6 一 i4 2 Q G i6 i4 3 式中 Q0为耗冷量 Qr为再热量 G 为总送风量 G 1 G2 分别为回风量和新 风量 x 为新风混合比 x G2 G in 为各点空气的比焓 再对照图 5 b 考察新方法在相同外界条件下的耗冷量 Q0 这时所需的耗冷量为 Q0 G2 i2 i4 G i5 i6 G2 i2 i4 G1 i1 i6 G2 i6 i4 xG i2 i6 1 x G i1 i6 xG i2 i1 G i1 i6 4 这里需指出 只要室内的热负荷相同 两系统的送风状态 i 数值上理应 是等同的 比较式 2 和式 4 的能耗 可知 后者的耗冷量可减少 G i6 i4 由此可见 前者的再热量在数值上与多消耗的冷量相等 其作用纯粹在 于抵消多消耗的冷量 另外 随着处理风量 G 的增大 能量的浪费量也越大 而这又正是恒温恒湿类空调 特别是洁净室空调工程为获得良好的气流组织或 一定的洁净度而不得不加大换气次数所必然会带来的后果 4 4 变制冷剂流量空调技术在恒温恒湿空调系统中的应用变制冷剂流量空调技术在恒温恒湿空调系统中的应用 变制冷剂流量空调技术可分为 VAV 空调和数 码涡旋 中央空调 它们均具 备节省建筑空间 布置灵活 高效节能等优点 变频多联体空调更适合负荷变 化范围大的场合 数码涡旋空调则制暖效果好 防电磁干扰能力强 但是 变 频多联集中式空调和数码涡旋集中式空调应用于恒温恒湿空调均将 面对怎样精 确控温的问题 因为这些技术均直接输 送制冷剂至室内 室内制冷剂温度与室 内设计温度温差大 将导致室内实际温度波动大 其次是这类空调的制冷量不 是很大 不能适用于需求量大的领 域 因此它们在恒温恒湿空调领域还未被广 泛使 系统分 区是空调节能优化控制的关键技术之一 好的分区 不仅有利于 节能 也有利于控制 笔者结合恒温恒湿和变制冷剂流量空调系统的特点 从空调分区方面进行优化设计 如果建筑物可分为内区 外区 见 图 6 那么 笔者认为 在内区还是采用全空气系统 AHU 在外区则采用变制冷剂流量和 空气系统 VRF AHU 结合的形式 显然 这样既有利于室内温湿度的稳定 又 能实现冷热源成本的降低 5 5 结束语结束语 空调节能离不开恒温恒湿类空调的节能 而恒 温恒湿空调系统 的节能 首先要采用合理的空气处 理方式 杜绝冷热抵消后的节能效果是巨大的 按 照笔者设计 的空调处理方式 可节省再热系统所产 生的能耗 同时 为了 降低冷源成本 可 以考虑结合采用 变制冷剂流量空调技术 从广义上将建筑 物分为内 外两个区 内区仍然采用全空气系统 外区采用空 气和变制冷剂流 量技术相结合 既可以实现节能 又可便于温湿度控制 参参 考文考文 献献 1 滕 亮 娄邵荣 某高精度恒温恒湿试验室的空调设计 J 暖通空调 2002 32 3 55 56 2 薛志峰 江 亿 变风量空调系统设计中的系