博物馆传统温湿度控制系统优化设计PDF

　　博物馆传统温湿度控制系统的优化设计 1 传统空调和恒温恒湿系统系统的问题 中国是一个拥有五千年文明的古国，创造了灿烂的华夏文明，也给我们留下 了无数珍贵的文化遗产。这些宝贵的遗产无一不是古人先贤智慧的结晶，其中某 些类别的文物，如书画、青铜器、丝绸等等，对于保存环境的温度、相对湿度、 光照强度、有害气体的浓度等都有着非常严格的要求。陈元生等建议博物馆的文 物保存环境参数应该控制温度在 19.0～24.0 ±1.0℃。相对湿度控制在 35.0%～ 65.0%，对于纸质、金属类的文物，相对湿度控制在40.0%～50.0% 比较合适。因 此如何安全、妥善、经济地保存这些文物成了一个非常重要而又棘手的问题。 作为控制空气温湿度的重要手段，恒温恒湿空调系统是现代文物库房管理的 必备设备之一。恒温恒湿空调是指对温度、相对湿度、洁净度以及空气流速都有 严格要求的专用空调系统，现已广泛社会多个行业。与传统的空调系统相比，恒 温恒湿空调系统具有如下几个特点： 为了保证控制参数的精确，恒温恒湿空调系统的换气次数比普通空调系统要 高，一般推荐恒温恒湿库房的换气次数为8～10 次小时；而应用于展柜的环境控 制系统的换气次数为12～15 次小时。 某些恒温恒湿空调系统，例如博物馆库房和展柜系统、高精度制造加工车间 恒温恒湿空调系统往往需要常年运行，这导致其系统能耗比普通空调系统高得 多。 常规恒温恒湿空调系统的表冷器采用恒定流量的的冷冻水对被处理空气进 行降温除湿，表冷器常年工作在最大设计负荷下，这样导致了巨大的热湿补偿， 造成了大量的能量浪费。 有研究表明，对于常年运行的空调系统，如果采用适当的节能设计措施与合 理的运行策略，该类型空调系统有的 20.0～50.0%节能空间。目前我国正在积极 倡导节能减排，而暖通空调本身就是能耗大户，因此也势必承当起节能减排的更 多责任与义务，越来越多针对暖通空调系统节能的研究已经展开。 为了达到精确控制环境温湿度的目的，恒温恒湿空调系统一般包括：冷热源、 风系统、水系统、空气处理机组、空气净化系统以及其他配套控制系统几个部分。 1 冷源一般由室外冷水机组提供，大致可以分为风冷式和水冷式两种，一般的恒温 恒湿空调系统中采用风冷式冷水机组较多；热源主要是对空气进行再热，其中电 加热形式最为常见。 空气处理机组是整个恒温恒湿空调系统空气处理的主要部件，其主要包括： 表冷器、加热器、加湿器、风机、初效、中高效以及化学过滤段。以夏季空气处 理过程为例，由回风和新风混合而成的待处理空气被风机吸入空气处理机组，经 过初效过滤段、中效过滤段、化学过滤段后，进入表冷段。表冷器先对的混合空 气降温使其达到露点温度，然后被继续冷却、除湿；接着经过电加热器加热，空 气温度升高而含湿量保持不变，相对湿度降低；最后经过加湿器加湿，空气含湿 量升高但温度几乎不变。处理过程最后即为送风状态点，再经过均流段和亚高效 过滤段后送至被调空间。 传统恒温恒湿空调系统除湿方法可以分为机械除湿和化学除湿。机械除湿原 理是空气在表冷器里被冷却的露点温度之下，空气中的一部分水蒸汽得到冷凝， 从而降低空气的湿度。化学除湿主要利用一些吸湿材料，包括固体吸湿材料和液 体吸湿材料。传统恒温恒湿空调系统一般采用机械除湿的方法，表冷器处理之后 采用加热器和加湿器进行补偿，达到目标温湿度。这就导致了恒温恒湿空调系统 空气处理过程存在非常大的热湿补偿损失。 传统恒温恒湿空调系统表冷器统一采用7℃冷冻水供水，造成能源品位上浪 费。并且传统系统冷冻水流量一般固定不变，从而造成表冷器出口空气过冷，需 要加热器再热补偿，加湿器加湿补偿，消耗大量能量。 传统恒温恒湿空调系统设计容量以最大负荷为基准，且固定不变，全年运行 造成很大的能量浪费。 传统恒温恒湿空调系统一般采用定风量，大部分时间造成风量过余，产生很 大的能量浪费。 2 温湿度控制系统的优化设计方案 2.1 采用步进控制 采用多级温度步进控制，多台室外压缩机根据回水温度自动开启或关闭。这 种控制方式有利于提高系统控制参数的稳定性，同时也具备明显的节能效果。该 2 图书馆库房恒温恒湿空调系统一共有八台冷机，以冷冻水箱的设为目标温度7℃ 为例，开启和关闭规律如表2.1 所示，采用LabVIEW 和PLC 编程实现冷机自动 控制。值得指出的是，在实际的工作当中，为了避免某一台冷机频繁的开停，需 要在自动控制软件中设置算法，使每一台压缩机的工作时间均衡。 表2.1 冷机步进控制（⊗：代表关闭；⊙：代表开启） 温度 降温过程（自上而下） 冷机1 冷机2 冷机3 冷机4 冷机5 冷机6 冷机7 冷机8 T=6℃ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ 6T=6.5℃ ⊙ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ 6.5T=7℃ ⊙ ⊙ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ 7T=7.5℃ ⊙ ⊙ ⊙ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ 7.5T=8℃ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ 8T=8.5℃ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊗ ⊗ ⊗ 8.5T=9℃ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊗ ⊗ 9T=9.5℃ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊗ T9.5℃ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 2.2 采用分工况控制技术节能 恒温恒湿空调系统无外乎处理以下四种典型工况：高温高湿、高温低湿、低 温低湿、低温高湿。对于高温高湿（夏季）工况，在冷冻水温度不变的情况下， 冷冻水流量应该最大使得表冷器同时具有冷却和除湿功能，再由加热器和加湿器 进行热湿补偿。 对于高温低湿（秋季）和低温高湿（春季）工况，若根据文物保护中湿度优 先控制的原则，调整冷冻水流量适中使得湿度优先符合要求，此时加热器工作， 但加湿器不工作。因此在春秋过渡季节，控制系统使得机组进入节能模式，通过 PID 调节冷冻水回路中的流量调节阀开度以控制冷冻水流量一方面可以达到合 适的温湿度，另一方面实现了节能。 对于低温低湿（冬季）工况，表冷器一般不再需要工作，即冷冻水流量为零， 加热器和加湿器工作。 基于上述分析，本系统温湿度控制仪表，有三种控制模式组合： 表2.2 三种节能控制模式 3 TR1 TR2 TR3 说明 控制模式1 ⊙ ⊙ ⊗ 温度TR1 加热 湿度TR2 加湿 控制模式2 ⊗ ⊙ ⊙ 温度TR3 三通阀调节降温(S4 断开) 湿度TR2 加湿 控制模式3 ⊙ ⊗ ⊙ 温度TR1 加热 湿度TR3 三通阀调节除湿（S4 接通） 当系统刚开启时，测控软件使用第一种控制方案，即采用TR1 和TR2 分别 控制环境温度和湿度的方案，调节空间达到设定工况范围内（即温度达到设定温 度±1 ℃，湿度同时达到设定湿度±5%RH ）。 到达指定工况后，空气处理机组将停止运行（加热器、加湿器和风机均不工 作），冷水机组压缩机及水泵自动卸载。利用空间本身的隔热隔湿性能在一段时 间内维持温度湿度在控制要求内。 软件在运行过程中持续采集空间内的温度和湿度实际数据，并与工艺要求做 对比，调节空间一旦偏离设定工况要求，风机首先启动，计算机将对回风状态参 数与设定温湿度进行比较判断，可分为四种工况，高温高湿、高温低湿、低温低 湿、低温高湿，并采用下列不同控制模式进行控制。 （1）高温高湿（夏季）工况：在冷冻水温度不变的情况下，冷冻水流量应该最 大使得表冷器同时具有冷却和除湿功能，采用控制模式1，由加热器和加湿器进 行热湿补偿。 （2 ）高温低湿（秋季）工况：采用控制模式 2 ，调整冷冻水流量适中使得温度 优先达到要求，此时加热器不工作，加湿器工作。 （3 ）低温高湿（春季）工况：采用控制模式 3，调整冷冻水流量适中使得湿度 优先达到要求，此时加热器工作，加湿器不工作。 （4 ）低温低湿（冬季）工况：表冷器不在工作，即冷冻水流量为零，冷水机组 压缩机及水泵自动卸载，采用控制模式1，加热器和加湿器工作。 2.3 表冷器热湿独立控制技术节能 应用热湿独立控制装置的恒温恒湿空调系统(后称热湿独立控制型系统)如 图 1.1 所示，相比传统恒温恒湿空调系统(后称传统型系统，如图 2.2 所示) ，热 湿独立控制型系统增加了热湿独立控制装置，热湿独立控制装置如图2.3 所示。 4 热湿独立控制装置在表冷器前后分别设置电动可控三通阀 1#和2# ，其中可控三 通阀1# (CTV1#)动态控制冷冻水流量，通过控制冷冻水流量控制表冷器换热量， 从而单独控制温度：可控三通阀 2#(CTV2#)返回一定量表冷器回水与冷冻水混 合，根据实际需要的除湿量不断调整进入表冷器冷冻水和回水的比例，在维持表 冷器冷水流量不变的情况下，通过改变冷水温度改变表冷器的除湿量，实现动态 露点温度控制，从而单独控制湿度。 由图2.3 可知，流量 由水泵决定，温度 由恒温水箱决定，所以可认为 q T w , m w 、 不变，流量平衡满足 。 和 比 q T q q +q q +q q q m w w m ,w m ,w,1 m ,w,2 m ,w,3 m ,w,4 m ,w ，1 m ,w ，2 , 例由CTV2#决定，qm ,w ，3 与q 4 比例由CTV1#决定。 , ， m w ( • + • ) / T ,1 T q , ,1 T ,2 q , ,2 q w w m w w m w m ,w 由公式可知，温度T 由q 和q 的比例决定，即由CTV2#控制。通过 w,1 m ,w ，1 m ,w ，2 表冷器冷冻水流量qm ,w ，3 由CTV1#控制。 图2.1 传统型恒温恒湿空调系统示意图 5 图2.2 热湿独立控制型恒温恒湿空调系统示意图 图2.3 热湿独立控制装置示意图 （1:三通阀I#； 2:水泵；3: 电动可控三通阀I#；4:三通阀2#；5: 电动可控三通阀2#) 2.4 PID 信号分程控制 对 PID 调节器的输出信号进行了分程控制，以实现四季工况下空调系统工 作模式的自动选择，根据被调空间负荷的不同决定空调系统中表冷器，加热器和 加湿器的工作状况。 PID 信号处理过程如图2.4 和图2.5 所示，其中图2.4 为T PID 调节器输出信 号处理图，当PID 输出信号值在0.0-0.5 的范围内，其信号作用于可控三通阀1#， 控制通过表冷器的冷冻水流量，随着 PID 信号值的增大，通过表冷器的冷冻水 流量减小，使得表冷器出口空气温度升高；当PID 信号值在0.5-1.0 的范围内， 6 其信号作用于加热器，随着 PID 信号值的增大加热量增大，而此时作用于可控 三通阀1#的信号值恒定为0.2，保证有一定的冷冻水通过表冷器。因此总体上， 当被调空间温度过低时，PID 输出信号值增大，使得温度升高。图2.5 为RH-PID 调节器输出信号的处理图，当PID 信号值在0.0-0.5 的范围内，其信号作用于可 控三通阀2# ，控制通过表冷器冷冻水温度，当PID 信号值增大时，表冷器出水 回水量增大，冷冻水温度升高，除湿量减小，使得表冷器出口空气含湿量升高： 当PID 信号值在0.5-1.0 的范围内，控制信号作用于加湿器，随着PID 信号值的 增大加湿量增加，而此时作用于可控三通阀2# 的信号值恒定为0.8，保证并非全 部表冷器出水返回成为冷冻水。因此总体上，当被调空间相对湿度过低时，PID 输出信号值增大，使得含湿量升高。 图2.4 控制温度的PID 输出信号处理过程 图2.5 控制相对湿度的PID 输出信号处理过程 7 3 系统组建与设备组成 a.风冷式冷水机组及冷却水回路 如图2.6 所示，主要部件包括：蒸发器、气液分离器、压缩机、单向阀、风 冷式冷凝器、储液罐、干燥过滤器、热力膨胀阀、高压表、低压表及高低压继电 器。库房恒温恒湿空调系统采用额定制冷量为250.0 kW 的冷水机组，压缩机品 牌为丹佛斯，调节量14.0-100.0%、调节精度为±0.5 ℃。 冷却水循环回路指冷水机组蒸发器所在循环回路，回路中的水泵采用离心式 水泵，称冷却水泵，型号为 GD65-30 ，额定流量为 25.0 m3 h ，额定转速为 2900.0rpm ，扬程为 30.0m，并配置两台同型号水泵以保证一备一用；水管按设 计要求选型，管道外表面保温材料采用防火型橡塑海绵。冷却水循环回路把冷水 机组冷量带入恒温水箱，保证水箱水温满足要求。 系统共配置六台风冷式冷水机组，采用并联的形式布置，由恒温水箱水温步 进控制六台机组开停状态，同时保证在非满负荷工况下随机开停机组，防止某一 台冷机频繁起停。 图2.6 风冷式冷水机组系统流程 b.空气处理机组 空气处理机组采用功能段组合而成组合式空调机组，主要包括混合段、综合 过滤段、空段、表冷器段、电加热段、加湿段、送风风机段、出风段。根据系统 8 设计要求采用Carrier 产品型号为3961015 的空气处理机组。 机组表面采用铝合金框架结构、双层面板( 内表面为镀锌钢板，外表面为彩 钢板，保温层为PU 发泡材料) 。表冷器采用管翅式换热器，其主要参数如表2.3 所示。 表2.3 表冷器参数 序号 参数 数值 1 盘管长 1269.5 mm 2 盘管宽 250.0 mm 3 盘管高 825.5 mm 4 排数 8 5 管数 26 6 管子外径 12.7 mm 7 管子内径 12.02 mm 8 管中心距 31.75 mm 9 翅片数 500 10 翅片间距 2.54 mm 11 翅片厚度 0.115 mm 12 管子材料 铜 13 翅片材料 铝 14 夏季额定水量（进水温度为7℃） 8.75 m3 / h 加热器采用不锈钢翅片管式电加热器，共设置两组加热丝，每组额定加热功 率为17.5 kW，共35.0 kW 。通常工况下，仅一组加热丝工作，而当加热量不够 时，两组加热丝同时工作。 加湿器采用电加热型双层不锈钢板保温结构浅槽式蒸汽加湿器，电加热功率 为 18.0 kW。送风风机采用离心式内转子电机低噪音风机，额定转速为 2600.0 rpm ，额定风量为10000.0m3 h ，风机电机额定功率为7.5 kW 。 c.送风回风系统 风管按照净化空调标准执行，管体采用0.8 mm 镀锌钢板制成，保温材料采 用防火型橡塑海绵。风管漏风作严格控制。送风、回风主管道沿天花上部吊装， 安装结构牢固。库房送风采用孔板吊顶的方式，吊顶上方形成静压，风通过孔板 小孔均匀送入库房内；库房侧墙布置回风口，并作铝合金表面处理。 d.空气净化系统 9 空气净化系统由初效过滤器、中效过滤器、化学过滤器和亚高效过滤器构成。 其中初效过滤器采用无纺布过滤器，中效过滤器采用板式过滤器，化学过滤器采 用活性炭，亚高

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