恒温恒湿空调是一种工艺性空调,主要用于将室内的温度、湿度、洁净度及空气流速控制在高精度范围内,以满足工业生产、科学研究等特殊场合对室内环境的要求。随着社会经济的发展,各行各业科技与生产要求越来越严格, 特别是要求保持恒定的室内温度和湿度，以满足工艺条件下，高精确度的温度和湿度的空调需求增加的。
CRAC广泛应用于严格的控制要求的环境，如计量测试实验室，数据中心，电力控制中心，UPS室，档案室，洁净室，测试和实验室，电子组件生产线[1]。
为了同时控制的温度和湿度的空调系统必须具有加热，加湿，冷却，除湿功能和自动控制系统。要保证达到的控制精度和区域内的温度和湿度均匀，比普通中央空调，换气次数的送风要求和送风温差[2]。恒温，恒湿系统常常是连续运行，能耗高。如何系统的温度，湿度，控制精度高，同时恒定的温度和湿度的空调系统节能优化设计，是广大工程技术人员所面临的问题。
高精度恒温恒湿系统的设计要求和方案
本项目来源于某研究院办公实验大楼的集中空调设计改造工程。此办公楼的实验室用于存放、使用测试计量用基准物件,对实验室内温湿度条件、出风速度、温度场均匀性等参数均有高精度要求。空调总面积1 000m2,实验室20间,全年需保持恒温恒湿。项目要求房间基准温度20e,根据房间功能的不同,温度波动要求在±0.2~±2e不等;房间湿度:50%±10%;房间噪声:<50dB;个别房间风速有特殊要求。
1.1 空气处理方案
采用全空气一次回风系统,根据地理位置的不同和控制精度的差异分3个区控制。
将室内回风(N)排出部分后与新风(W)混合(C),通过空气处理机表冷盘管将空气冷却至露点温度以下(L)降温除湿,通过电加热再热和加湿将空气控制到总送风状态点(O),房间出风末端设置电加热对各个房间送风温度进一步调节。
冬季无须供冷,将表冷盘管通入采暖热水作为主加热使用,原电加热为辅助加热。室内回风与新风混合后(C),通过表冷器热水加热后(C点至1点),经电加热再热和加湿将空气控制到总送风状态点(O)。
1.2 冷(热)源和其他主要设备
空调设计冷负荷为270kW,冬季热负荷130kW。采用多台冷水机组连接开式恒温水箱(以下简称:水箱),保证负荷增减的灵活性和水温的稳定。二次泵系统的水系统，辅助系统采用恒定的流动系统，三个主要的冷却水泵和冷却水泵一个一一对应与冷却器，冷却水泵变频控制，并根据温度变化而改变冷却水流量调节，另外，单位的相应数量的3个冷却塔和球迷的启动和停止控制，以达到节能和降低噪音的目的。系统设置水箱，水箱中的水的温度可以被稳定在设定温度。突变时，侧面或结束时的冷源，水箱中的水的冷源仍然是相对稳定的，从而，以确保稳定的温度在房间的结束，而该系统可根据需要调节室的使用及水箱内的水的温度设定时，在任何的天气条件下。
风系统分为三个区集中送风，送风温差为2度。由于这个项目的特殊要求，在尽头的房间是不能改变原来的插座，和一些房间需要低速风机。出风的设计，不同的形式和风速的要求，使用不同类型的实验室速度场，温度场的CFD模拟。根据仿真结果，鼓风机和鼓风机系统的温度差的量进行适当调整。
系统的控制
基于DDC的系统控制逻辑，系统多级调节,每级独立控制,又可互补,使房间温度和湿度快速稳定在目标设定值。
系统回风排出部分后与新风混合,混合空气的温、湿度由风阀控制,排风阀与新风阀连锁控制,维持系统恒定的正压差。由调节阀调节表冷器的换热量,使得表冷器后送风温、湿度达到目标值,此目标值随混合空气露点温度动态变化,合理调节换热量和分配系统显热和潜热的调节比例。送风降温除湿后经过主电加热段和湿膜加湿段后送出。总送风温、湿度通过连续可调电加热和变频加湿水泵精确调节,这时总送风温、湿度波动分别在0.1e和3%以内。
系统送风至各个房间,由于各房间远近不一,负荷不同,需要对末端温度进一步调节,连续可调的小型电加热配合高精度灵敏的维萨拉QFA系列和西门子HMT系列温湿度传感器,适应了房间负荷的波动,精确控制房间温、湿度。
综上所述,精确控制空气处理过程的每一个环节均是设计高精度恒温恒湿系统的关键,其中最重要的是空气处理机表冷盘管换热量的稳定可调。
工程中的电动二通阀的调节一般是考虑到表中的水冷却盘管的热交换的控制，以达到目的。由于水的量改变与热传递的变化不是线性关系，会导致供给空气温度和湿度波动，也导致在供给空气参数波动。同时冷水机组的加卸载和启停有一定的滞后性,也会引起送风参数的波动。该设计使用了该热交换的合流的三通阀和水箱中的水，以控制冷却线圈表两个突出问题。设计采用合流三通阀和水箱来控制表冷盘管的换热量。带有半封闭隔腔的水箱起到蓄冷恒温和缓冲的作用,不仅可以减少能源消耗带来的频繁启动和停止装卸的冷却器，而且也避免了温度波动的瞬时水的温度波动风。冷冻水系统进入AHU冷盘管处采用合流电动三通,冷冻水与部分表冷器回水混合后进入表冷器,根据实际需要的冷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与混合空气的换热量,从而保证盘管换热量随温度线性变化。
系统的节能运行策略与优化设计
根据不同的季节和室外的温度和湿度，焓变，设置在夏季、冬季、春季和秋季、过渡季，四种工作模式，合理配置了冷却器，锅炉，热水，空气清新器，加湿器，电加热（冷，热）源的供应，同时控制温度，湿度，最大限度地减少不必要的污染负荷，节约能源。最大限度地利用新风，以降低冷却器上的负载。如果室外温度是足够低，可以以室外空气作为冷源，利用温度经济循环控制,调节回风阀、排风阀和新风阀,以保证温度的设定值。在潜热负荷较大时,采用焓值经济循环控制代替温度经济循环控制,将判断室外气温改为判断焓值。在无人工作期间,冷却方式采用全新风冷却。采用动态露点温度控制,随室外温度的变化不断调整表冷器的换热量,尽可能降低冷机负荷,同时避免不必要的再热与加湿。冷水系统中还采用了带有半封闭隔腔的开式水箱减少冷机的频繁启停加卸载带来的能源消耗,使用合流三通阀提高了供水温度,减少不必要的冷却除湿,节约了冷量。冷却水系统采用变频技术,冷却塔风机可开停控制,有效跟踪冷机出力,降低水泵和风机能耗。
表冷器采用四管制,冬季是优先使用接入的院内采暖热水作为热源,节约电加热的能耗,热水管由电动两通阀调节。
系统的运行效果
调试结束后按照GB50243)20025通风与空调工程施工质量验收规范6中洁净室测试方法对上班期间各办公室主要指标进行实际测试。测试结果完全符合设计要求,给出了条件最苛刻的2#房间温度实际测试数据曲线。
从测试数据表和趋势曲线得出,2#房间温度精确平稳,房间各测试点温度控制在18.8~20.1e之间,优于设计要求。
结束语
系统通过多级温湿度调节和高精度自控系统的使用,实现了房间温湿度的快速稳定精确调节。在项目的设计和调试及使用中综合利用多种节能策略与技术,降低了系统运行能耗。目前此系统已运行近一年时间。从用户反映情况来看,系统稳定可靠,运行节能,功能全面,操作方便快捷。房间温湿度控制精度高、稳定性好,系统噪声低,完全符合设计要求。