上海光源空調(diào)系統(tǒng)濕度控制問題的分析與改進

俞 毅 吳 立 張 青 陸 佼 李文靜

(中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800)

在上海光源運行過程中發(fā)現(xiàn)，6–10月實驗大廳、儲存環(huán)電源廳等設備機房區(qū)域相對濕度普遍較高，超出設計指標要求的控制范圍。我們進行了大量調(diào)查工作，包括現(xiàn)場溫、濕度采集，實地調(diào)查和試驗，數(shù)據(jù)分析和整理，相關區(qū)域負荷量的估算對比等，發(fā)現(xiàn)了引起相對濕度偏高的主要原因。

目前，同時具備恒溫恒濕功能的空調(diào)系統(tǒng)普遍應用于工藝性空調(diào)系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)需同時控制溫度和相對濕度，兩者間的控制回路會產(chǎn)生耦合作用[1]，從而影響它們的穩(wěn)定度和精度控制。為不影響光源的正常運行，我們充分考慮溫度和相對濕度控制間的耦合影響，重新評估現(xiàn)有各空調(diào)系統(tǒng)，在制造商參與下完成了空調(diào)系統(tǒng)改造的設計方案，目前，空調(diào)系統(tǒng)改造已全部完成。

1 相對濕度偏高的主要原因

1.1 實際負荷遠小于設計負荷

空調(diào)系統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)是帶走空調(diào)區(qū)域內(nèi)一定量的負荷(即熱濕)，并通過預熱、冷凝、再熱、加濕、過濾等使空調(diào)區(qū)域內(nèi)空氣的溫度、相對濕度和潔凈度達到設計要求?？照{(diào)箱的選型以帶走的熱濕負荷為主要依據(jù)，因此，空調(diào)負荷確定后，冷、熱盤管的大小及加熱或冷凝的能力亦確定了。若實際運行負荷(空調(diào)區(qū)域內(nèi)的實際發(fā)熱量)與設計負荷相差過大，會出現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)無法將空氣處理到設計要求的情況。上海光源部分設備機房由于實際負荷遠小于設計負荷，使空調(diào)送回風溫差減小，導致冷凝除濕效果大大降低。

上海光源空調(diào)系統(tǒng)設計依據(jù)主要基于各工藝部門設計階段給出的設備負荷量，加上維護結構負荷、室外新風負荷，乘以一定的安全系數(shù)得到總熱濕負荷，最終確定各區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)的制冷(熱)及除濕能力。理論計算表明，若各區(qū)域工藝設備按匯總的發(fā)熱量運行，通過空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和處理，即可將室內(nèi)相對濕度控制在70%以下。

我們對濕度偏大區(qū)域進行了現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)整理，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域工藝設備的實際運行功率遠小于設計值，如儲存環(huán)磁鐵電源間等，故實際空調(diào)余熱遠小于空調(diào)系統(tǒng)的設計值，大大降低了系統(tǒng)的冷凝除濕能力，故相對濕度在一段時期內(nèi)始終居高不下。

為清楚說明空調(diào)負荷大小與區(qū)域內(nèi)相對濕度高低的關系，本文通過濕空氣焓濕圖說明空調(diào)負荷變化對相對濕度的影響[2](圖1)。左側(cè)縱坐標為溫度，是一組近似水平的直線；右側(cè)縱坐標為相對濕度，是一組拋物線；上方橫坐標為含濕量d(g/kg)，是一組垂直的直線；下方橫坐標是焓H(kJ/kg)，是一組與水平方向呈 45°的直線。焓是濕空氣能量狀態(tài)參數(shù)，物理意義為：某一狀態(tài)下濕空氣具有的總能量，數(shù)值上等于系統(tǒng)的內(nèi)能U加壓強p與體積V的乘積，焓的變化是系統(tǒng)在等壓可逆過程中吸收熱量的度量。在工程計算上，p為一個標準大氣壓(1.013×105Pa)，V為空調(diào)區(qū)域的體積。因此，焓的變化值ΔH僅為區(qū)域內(nèi)空氣從一個狀態(tài)到另一狀態(tài)的內(nèi)能變化，即從空調(diào)區(qū)域內(nèi)帶走的負荷。圖中右下角是熱濕比的比例尺(?H/?d)，當含濕量變化值(?d)一定時，可通過改變熱量變化?H(即帶走負荷)得到改變后的空氣處理過程線，并將其平移至焓濕圖上，得到處理后的空氣狀態(tài)點及其狀態(tài)參數(shù)。

圖1 空氣焓濕圖Fig.1 Air psychrometric chart.

本文以儲存環(huán)電源廳(AHU-20)為例，分析了2011年6月22日14:00空調(diào)系統(tǒng)實際參數(shù)。該時刻回風口溫度顯示23.3oC，相對濕度為82.7%；送風口溫度顯示20.6oC，相對濕度為95%。

如圖2所示，將該處理過程表示于焓濕圖中，得到A–B過程，即將20.6oC和95%的空氣處理至23.3oC和82.7%(處理過程中，空調(diào)新風閥門已關閉，故不包括新風負荷部分)。A–B過程的空調(diào)負荷約為設計負荷量的30%。

圖2 幾種負荷下的空氣處理過程線對比Fig.2 Several load-line comparison of air-handling process.

若過程中帶走的熱負荷增加為設計空調(diào)熱負荷的60%和100%，空調(diào)送風過程顯示為C–D和E–F過程線。

由圖 2，空調(diào)負荷增加至設計負荷的 60%或100%時，空調(diào)系統(tǒng)可將室內(nèi)相對濕度處理至68%或55%；滿足“相對濕度≤70%”的設計要求。

由此可知，當實際空調(diào)負荷遠小于設計負荷時，空調(diào)系統(tǒng)對相對濕度處理能力大大降低，為此，可通過人為增加空調(diào)區(qū)域的余熱來降低相對濕度。

1.2 黃梅雨季的影響

上海光源地處沿海亞熱帶地區(qū)，全年大部分時間濕度偏高，尤其是每年6、7月的黃梅期間，連續(xù)不斷的降雨，導致室外平均濕度通常在80%左右，甚至可達95%以上(圖3)。

室外環(huán)境濕度偏高導致空調(diào)新風和室外滲漏風的含濕量偏大，當室外環(huán)境溫度與室內(nèi)空調(diào)溫度間溫差較小時，空調(diào)無法充分發(fā)揮冷凝除濕作用，大量的熱濕空氣通過空調(diào)新風及室外滲透風(包括主體建筑兩個主要出入口，一樓辦公室的外窗，地下電纜溝槽等(圖4)，直接進入大廳及各設備機房，使部分區(qū)域的相對濕度始終居高不下。

1.3 停機維護導致負荷下降

每年7–8月份為停機檢修期，大部分設備處于停機維護狀態(tài)，基本沒有發(fā)熱量，空調(diào)系統(tǒng)的去濕效果明顯下降。盡管室外相對濕度并不很高，但空氣的含濕量仍非常大，當室內(nèi)溫度較低時，相對濕度就會增高。

1.4 系統(tǒng)配置的不足

上海光源空調(diào)系統(tǒng)設計初期預估運行負荷相當大，認為足以達到相對濕度≤70%的要求，而文獻[3]規(guī)定“確保不把能源消耗于使室內(nèi)空氣相對濕度低于 60%”，考慮利用設備本身的余熱作為濕度調(diào)節(jié)的手段，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。故在空調(diào)箱設計選型時僅考慮了冬季設備的防凍需求，將冷盤管前設置了預熱盤管，以期得到一定的預熱效果，而未在冷盤管后加裝再熱盤管，因此缺少了增加余熱的手段，限制了空調(diào)箱的降濕效果；當工藝設備運行負荷較大程度低于設計負荷時，導致相對濕度居高不下。

圖3 相對濕度氣象歷史曲線Fig.3 Curve of relative humidity meteorological history.

圖4 部分區(qū)域的室外滲透風Fig.4 Some areas of the outdoor air infiltration.

2 解決和改善措施

針對上述問題，我們采取的措施有：

(1) 盡可能填堵直接與室外連通的孔洞，以防室外熱濕空氣滲漏進空調(diào)區(qū)域內(nèi)，效果明顯但達不到要求。

(2) 調(diào)節(jié)部分空調(diào)箱的風量，由于溫度和相對濕度間的耦合影響，效果不夠理想。

(3) 在空氣含濕量一定情況下，增加空調(diào)區(qū)域內(nèi)熱負荷來降低該區(qū)域的相對濕度，達到了預期效果。

對于增加空調(diào)區(qū)域內(nèi)熱負荷以改善相對濕度偏高的方法，我們作了兩種試驗。一種是在末端加裝電加熱裝置增加熱負荷，試驗階段采用直接在空調(diào)區(qū)域內(nèi)放置電加熱器方式暫為替代；另一種是改裝現(xiàn)有空調(diào)箱的冷、熱盤管，將鍋爐熱水作為熱源來增加熱負荷。

2.1 用電加熱器加熱

儲存環(huán)磁鐵電源廳在2011年8月下旬加速器等設備停機情況下，使用外置電加熱器對區(qū)域內(nèi)直接加熱，人為制造空氣余熱。加熱前，儲存環(huán)磁鐵電源間內(nèi)的室內(nèi)空氣干球溫度設定為24oC，實際回風溫度為24.2oC，相對濕度為83%，空調(diào)系統(tǒng)(AHU-20)按常規(guī)運行。隨后，我們在儲存環(huán)磁鐵電源間內(nèi)，放置并開啟四臺電熱風機，總熱功率為11.3 kW。加熱1 h，在干球溫度保持不變情況下，相對濕度逐漸降至70%以下。

2.2 采用鍋爐熱水作為熱源

2011年9月，選擇儲存環(huán)磁鐵電源廳采用鍋爐熱水增加空調(diào)區(qū)域內(nèi)的熱負荷。

(1) 查閱空調(diào)箱相關技術指標，確認熱盤管的功率大小，從而確定增加的熱負荷量；與技術人員討論空調(diào)箱冷、熱盤管移動和拆裝的實際操作性，并作出改造實施方案。

(2) 將空調(diào)箱內(nèi)用于防凍的熱盤管拆裝到冷盤管后，原熱水口封堵，防止空調(diào)箱因盤管改動產(chǎn)生漏風和冷橋。

由于上海光源空調(diào)系統(tǒng)全年24 h連續(xù)運行，室內(nèi)溫度均控制在20oC以上，而上海地區(qū)冬季極端最低溫度不會低于–15oC，且新風所占的通風比<20%，因此，室內(nèi)外混合風即使在冬季也不會低于0oC，不會造成盤管凍結，所以，將冷、熱盤管移裝不會對空調(diào)系統(tǒng)本身的溫度控制產(chǎn)生影響。

(3) 9月27日進行鍋爐加熱試驗，上午8:40，AHU-20空調(diào)系統(tǒng)的送風干球溫度 21.8oC，送風相對濕度95%，回風干球溫度24.2oC，回風相對濕度76%，風機頻率40 Hz；室外環(huán)境溫度25.5oC，相對濕度75%。

試驗過程為：上午9:28，鍋爐點火，設置鍋爐送水溫度 55oC，隨后供水管網(wǎng)的送水溫度不斷升高；中午12:39，將空調(diào)箱風機頻率改為45 Hz；下午 13:07，將鍋爐送水溫度設為 60oC，使鍋爐維持小火狀態(tài)，避免頻繁啟、停。隨后，熱水系統(tǒng)末端供水溫度逐漸達到53.5oC并維持此溫度，從14:33起回風相對濕度降到70%以下，在16:55達到最低值68.19%，此后，相對濕度值基本保持在該狀態(tài)，并處于相對穩(wěn)定的情況。

3 結語

(1) 上海光源部分區(qū)域相對濕度偏高的主要原因為工藝設備的實際運行發(fā)熱量遠小于設計值，在夏季高溫停機維護期間工藝設備基本無發(fā)熱量，余熱過小。

(2) 上海地區(qū)梅雨期間大量熱濕空氣通過空調(diào)新風和室外滲透風直接進入部分空調(diào)區(qū)域內(nèi)也是造成濕度過高的因素。

(3) 由空氣焓濕圖驗證，當實際空調(diào)負荷遠小于設計負荷時，空調(diào)系統(tǒng)對相關區(qū)域內(nèi)的相對濕度處理能力大大下降，可通過人為增加空調(diào)區(qū)域內(nèi)熱量降低相對濕度。

(4) 用末端加裝電加熱器對空調(diào)區(qū)域內(nèi)加熱和改裝現(xiàn)有空調(diào)箱的冷、熱盤管，利用鍋爐熱源增加空調(diào)區(qū)域內(nèi)負荷方式增加空調(diào)系統(tǒng)余熱，對解決相對濕度偏高問題是切實有效的。

(5) 使用鍋爐熱源能集中管理，安全可靠，我們選擇空調(diào)箱改造作為改善和解決相對濕度問題的首選方案。

1 李 超, 張偉平, 粱永輝. 恒溫恒濕空調(diào)房間的解耦控制方案[J]. 制冷與空調(diào), 2006(4): 47–52 LI Chao, ZHANG Weiping, LIANG Yonghui. The decoupling control of constant temperature and humidity air-conditioning system[J]. Refrig Air-Cond, 2006(4):47–52

2 薛殿華. 空氣調(diào)節(jié)[M]. 北京: 清華大學出版社, 1991:11–14 XUE Dianhua. Air conditioning[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1991: 11–14

3 ASHRAK ASHRAE/IES 90.1—1989 energy efficient design of new buildings except low-rise residential buildings[S]. Ministry of Housing Ontario, Buildings Branch, 1993