恒温恒湿实验室的节能管理

恒温恒湿空调系统又称为精密空调系统,具有精密恒温恒湿及空气过滤等特性。它的控制系统采用高智能化的微处理控制装置,反应速度快,精度高,可靠性好。主要功能是将室内的温度、湿度控制在一定的波动范围内(一般来说,温度精度可控制在±1℃之内,相对湿度控制在±2%),以满足科学研究、工业生产等特殊场合对环境的要求。但是这种空调系统通常是连续运行,能耗居高不下。随着世界能源形势的日益紧张,“节能减排”已经成为我们面前的一大现实问题。

恒温恒湿空调系统不同于其他的空调系统,它对于室内的温度和湿度的稳定性要求特别高,而且温度和湿度也不只受外界和室内条件的影响,它们之间也会相互影响。比如在20℃时,温度波动1℃,会导致湿度波动约3%。

恒温恒湿空调系统与其他空调系统有个不同的地方,就是为了设计和营造一个高精度的恒温恒湿室,往往都采用全空气系统,全空气系统在空气处理上存在冷热两抵消的现象,会导致运行能耗大大增加。所以随着对温湿度要求的日益提高,空调系统的能耗也会大大增加,对恒温恒湿实验室能耗控制势在必行。

恒温恒湿实验室相关概述

  1. 我所恒温恒湿实验室概况。由于纺织品服装类测试对温湿度环境要求较高,纺织品的一些物理性能(如强力、伸长率等)都会受大气中温湿度变化的影响,所以恒温恒湿实验室的温湿度控制准确与否会直接影响纺织检测结果的准确性。GB/T 6529—2008《纺织品调湿和试验用标准大气》对大气温湿度要求如下:标准大气应是温度20.0℃,相对湿度为65.0%,温度容差范围为±2.0℃,相对湿度的容差为±4.0%。我所的纺织品恒温恒湿实验室都是建立在这一标准规定的基础之上。

布局的合理性对送回风的效果会有直接影响,对温湿度的控制也会有很大的影响。我所纺织品恒温恒湿实验室一共4 间,各由两台恒温恒湿空调系统来控制。在空调机组的布局上,使机组靠近试验区域,机房与控制区距离接近,使得送、回风管道的气流损耗降到最小,大大提高能源利用率;同时也能使温湿度信号反馈迅速,控制系统启动及时;当然,送、回风管道距离的缩短,也同时降低了噪音、节省了材料。我所空调系统的送、回风管道系统采用了等静压法设计。整个送回、风系统采用了上送风下排风的形式,顶棚采用了“蜂窝”式的出风顶棚,将风速控制在了0.3m/s 以内,同时使得送风均匀,并能有效地降低噪音。

  1. 恒温恒湿实验室能耗分析。目前,高精度恒温恒湿空调系统为了能精确控制室内的湿度和温度,主要采用了将被处理空气冷却至露点后通过再热方式和加湿处理的方法来实现。通常再热的途径是使用电加热器,从而使得冷热抵消现象严重,能耗巨大。通常的恒温恒湿空调系统都为定风量系统,当房间冷负荷减小而制冷量又不能调节的时候,只能通过调节送风温差来维持室内的空气参数,必须加大再热来提高送风温度,这样就会造成更大的能源浪费。

送风温差的大小也决定了能耗的多少,送风温差越大,送风量就越小,相应的空气处理设备和管路也就相应地大或小,系统相对就比较经济,能耗就会减少,冷热量抵消也相对地少一些。但是,风量小会导致室内温湿度分布不均匀、不稳定。所以为了减少能量的消耗,在满足标准条件的前提下,结合最佳的气流组织尽可能地找到最佳的送风温差。

恒温恒湿空调系统的运行必须考虑在室外气候条件异常和室内热湿负荷变化大的情况下,既能满足室内温湿度要求,又能达到经济运行的目的。所以,如何在实际使用和节能减排两个方面取得平衡,是摆在我们面前的一个现实问题。

恒温恒湿空调系统节能控制策略

  1. 内部环境控制。由于恒温恒湿实验室是处于一个封闭的环境中,所以对其内部环境的管理和控制是实现节能控制的重中之重,具体体现在是否能对温湿度进行合理的监控,确保其能在正常安全的范围内。随着恒温恒湿空调机组的使用频率增大,空调老化或者传感器失灵等故障会日益频繁,室内温湿度偏差增大,导致超出控制范围,造成能源的消耗,形成浪费,所以对空调系统的温湿度校准是必不可少的。但是仅仅通过空调系统本身的传感器其实并不能满足需要,大部分空调系统的传感器只在单一的位置(回风口),对于一些面积较大的实验室来说,各个角落的温湿度就很难兼顾,而且往往系统自带的传感器比较普通,精度不高,这也会对温度监控造成一定影响。

所以使用专业的精度高的温湿度仪就可以很好地解决这些问题。对于面积较大的实验室来说,房间各个角落都应该放置一个记录仪。待过一段时间稳定后,将各角落的温湿度仪的数据导出,通过与空调自带的传感器的数值来进行校正,达到精确控制温湿度的目的。同时也能及时纠正空调系统的不正常的工况,恢复正常状态,达到节能的目的。

为了节能需要,还可以充分利用恒温恒湿空调系统的闲时功能,就是在空调运行一段时间之后进入休眠状态,暂停一段时间之后,再重新开启。但是这一功能间隔时间要取决于实验室的隔热保温材料的性能,以最大程度满足节能的需要。

  1. 自动控制。引起恒温恒湿实验室温湿度波动的原因主要是各种扰动,比如,送风的温度波动,内部人员设备发热量的扰动,外围结构不稳定的传热扰动等等。自动控制的任务就是消除各种扰动,保持室温稳定在允许的波动范围内。

对于高精度的恒温恒湿实验室,目前已经有很多相应措施可以采用,如采用隔热罩、引流局部热源等,而这些措施均是对内外扰动的一种预防措施,并不能真正做到万无一失,而自控系统则是保证恒温恒湿的关键所在。目前由于集成电路和计算机的发展,大大提高了自控技术,以PC 为核心的多回路智能化系统DDC 就使得高精度恒温控制变得轻而易举。DDC 系统具有信息处理、数据储存、设定程序等功能,可以对恒温恒湿空调系统各项参数进行程序控制,保证系统可靠经济地运行。

  1. 再热段的优化。虽然现在市场上的纺织品恒温恒湿空调系统基本上都能将温度控制在精度±1℃,相对湿度40%~ 60%,同时也有很多厂家都在不断改进控制方式,以至于对温度和湿度都有了很好的控制,但是再热段的能耗问题还是影响节能成果的一大障碍。在图2 恒温恒湿空调系统空气处理过程中避免冷热抵消过程,对空气处理过程的能耗将是一大优化。

在新风空气进入之前,先对其进行集中专门处理,以除去新风空气中可能带入室内的多余湿量。因为纺织品恒温恒湿实验室产湿量本来就很少,所以影响室内相对湿度的主要因素主要是新风空气中的湿量。只有把干扰室内湿度的新风空气集中处理,那么室内湿度就能保持相对稳定了,而且还能避免再热,从而消除冷热抵消现象,大大节约能源。在下雨天气或者上海的梅雨季,可以有效地防止室内相对湿度受室外空气湿度波动而影响。

在夏季,室外空气温度一般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,所以建议取最小的新风量。在冬季,适当地加大室外新风量,可以充分利用室外的冷源来消除室内的热负荷,降低运行成本。而在过渡季节的时候,当新风焓值低于一次回风焓值的时候,建议把二次回风系统中的一次回风关闭,由空调箱中的各段对新风进行处理,然后将处理后的新风混合至室内温湿度要求,从而降低能耗

综上,恒温恒湿空调系统节能控制的效果是十分可观的,这一模式对于优化资源配置,推进质量创新有着很大的影响。但是恒温恒湿空调系统所具有的多变量、非线性等特点,要付诸实施,还要有很多技术问题亟待解决。本文的节能措施是结合本所实际工作引申出来的看法和设想,可以作为今后设备管理工作的重要发展方向。

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