高精度恒溫恒濕空調(diào)智能控制策略研究

宋俊峰，李猛，陳忠，車霞

（依米康科技集團(tuán)股份有限公司）

1 傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)控制現(xiàn)狀

傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)通常由以下器件組成：定頻壓縮機、多級電加熱、電極式加濕器、除濕電磁閥、熱力膨脹閥、AC風(fēng)機和低精度溫濕度傳感器，器件均采用啟停控制的方式，其控制的溫濕度波動較大，通常溫度控制精度為±2℃，濕度控制精度為±5%，其控制策略如下：

1）制冷

當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度高于設(shè)定溫度時，開啟定頻壓縮機制冷對環(huán)境進(jìn)行降溫；當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，壓縮機關(guān)閉。

2）加熱

當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度時，開啟電加熱制熱；當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，電加熱關(guān)閉。電加熱采用分級控制的方式，電加熱匹配量為制冷量的60%。

3）除濕

當(dāng)室內(nèi)環(huán)境濕度高于設(shè)定濕度時，壓縮機運行，并開啟除濕電磁閥除濕；當(dāng)室內(nèi)環(huán)境濕度達(dá)到設(shè)定濕度時，除濕電磁閥關(guān)閉。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境濕度高于設(shè)定濕度，且室內(nèi)環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度時，壓縮機持續(xù)運行對環(huán)境進(jìn)行制冷除濕，同時電加熱分級投入，保證環(huán)境溫度不會降至太低。

4）加濕

當(dāng)室內(nèi)環(huán)境濕度低于設(shè)定濕度時，開啟電極式加濕器加濕；當(dāng)室內(nèi)環(huán)境濕度達(dá)到設(shè)定濕度時，電極式加濕器關(guān)閉。加濕器采用啟?？刂?，濕度控制參數(shù)采用相對濕度控制。

2 傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)控制的缺點

1）壓縮機、電加熱和加濕器均采用啟?？刂?，導(dǎo)致控制精度低。對于所有啟?？刂频钠骷陂_啟和停止時，其輸出均具有滯后的慣性。例如，給定一個持續(xù)散熱的環(huán)境，空調(diào)設(shè)定溫度為24℃，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時，壓縮機開啟到系統(tǒng)運行穩(wěn)定需要5～10min，在壓縮機開啟過程中，環(huán)境溫度持續(xù)升高至26℃左右，此時，制冷系統(tǒng)輸出最大制冷量，環(huán)境溫度開始持續(xù)降低[1]。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到23℃時，壓縮機關(guān)閉，由于制冷系統(tǒng)的冷量慣性，環(huán)境溫度持續(xù)降低，最小低至22℃，溫度控制精度為±2℃。不能通過降低開啟溫度和提高停止溫度來達(dá)到提高空調(diào)設(shè)備的控制精度是因為頻繁啟停會嚴(yán)重影響壓縮機壽命，一般要求壓縮機最小運行時間為3min，最小停機時間為5min，因此，空調(diào)的啟停溫差控制在2℃已經(jīng)是極限。同樣的問題出現(xiàn)在電加熱和加濕器啟?？刂粕?，加熱器和加濕器從關(guān)閉到開啟狀態(tài)需要預(yù)熱；加熱器和加濕器關(guān)閉后，會慣性輸出一定的熱量和濕量，而通過縮短啟停時間來實現(xiàn)控制精度的提高，將導(dǎo)致器件壽命嚴(yán)重縮短。因此，在啟?？刂撇呗韵?，環(huán)境溫濕度波動較大，通常溫度控制精度為±2℃，濕度控制精度為±5%。

2）對于無熱源的低溫高濕環(huán)境，傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)穩(wěn)定周期更長且除濕效果差。傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)在無熱源的環(huán)境中將面臨更大的挑戰(zhàn)，例如，在無熱源的低溫高濕環(huán)境下（江南地區(qū)梅雨季節(jié)氣候條件下），環(huán)境溫濕度為20℃、RH70%，設(shè)定溫濕度為24℃、RH50%，要達(dá)到設(shè)定溫濕度，空調(diào)機組需要制冷除濕，并利用輔助電加熱給環(huán)境補償熱。而傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)的電加熱匹配量為壓縮機制冷量的60%，低溫壓縮機停止溫度為18℃，在實際運行過程中，空調(diào)的運行狀態(tài)為電加熱開啟，壓縮機運行，并進(jìn)行除濕加熱。由于電加熱量小于制冷量，環(huán)境溫度會迅速降低至壓縮機停止溫度點。此時，壓縮機停止運行，電加熱補償熱量。當(dāng)環(huán)境溫度升高至20℃時，壓縮機再次開啟。如此反復(fù)循環(huán)，直至濕度達(dá)到設(shè)定要求后，再由電加熱補償?shù)皆O(shè)定溫度點。環(huán)境溫濕度穩(wěn)定的周期非常長，且溫濕度精度比常規(guī)環(huán)境更差。

3）濕度控制參數(shù)采用相對濕度控制，導(dǎo)致耗能。對于密閉的環(huán)境，隨著溫度的變化，相對濕度將不斷變化，但空氣中水蒸氣的含量不變，即空氣含濕量不變。例如，環(huán)境溫濕度為23℃、RH45%，其絕對含濕量為10.47g/kg，設(shè)定溫濕度為24℃、RH50%，其絕對含濕量為9.41g/kg。若采用相對濕度控制，則控制邏輯應(yīng)為制熱加濕；若采用絕對濕度控制，則控制邏輯應(yīng)為制熱除濕。這種情況下，采用相對濕度控制將會導(dǎo)致過度加濕。

3 高精度恒溫恒濕空調(diào)智能控制策略

針對傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)控制的缺點，提出一種新型的高精度恒溫恒濕空調(diào)智能控制策略，其主要器件組成如下：直流變頻壓縮機、SCR電加熱、SCR加濕器、除濕電磁閥、電子膨脹閥、EC風(fēng)機和高精度溫濕度傳感器[2]。溫濕度的控制不再單純采用偏差算法，而是采用精確的百分比需求和PID控制相結(jié)合的算法，其控制的溫濕度范圍波動非常小，通常溫度控制精度可達(dá)±0.2℃，濕度控制精度可達(dá)±2%，控制策略如下：

1） 溫濕度目標(biāo)需求算法

需求＝[(檢測值-設(shè)定值)/精度]×100%。

2）帶限值的PID算法

利用溫濕度檢測值與設(shè)定值偏差的比例積分微分進(jìn)行反饋控制，通過P（比例）算法控制溫濕度偏差，I（積分）算法控制溫濕度變化時間長度，D（微分）算法控制溫濕度變化的速率，表達(dá)式如下：

式中，u(k)為第k次采樣時刻的溫度（濕度）控制輸出（帶限值）；uP(k)為第k次采樣時刻的P作用（帶限值）；uI(k)為第k次采樣時刻的I作用（帶限值）；uD(k)為第k次采樣時刻的D作用（帶限值）；e(k)為第k次采樣時刻的溫度（濕度）偏差；T為采樣周期；Ti為溫度（濕度）積分參數(shù)；e(j)為第1次到第k次采樣時刻的溫度（濕度）偏差；TD為溫度（濕度）微分參數(shù)；e(k-1)為第k-1次采樣時刻的溫度（濕度）偏差。

3）變?nèi)萘恐评?/p>

為解決壓縮機啟停帶來的溫濕度慣性，壓縮機初始以20%的頻率運行，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境制冷量需求變化時，根據(jù)目標(biāo)需求和PID控制算法，壓縮機升頻或降頻至計算頻率，同時改變EC風(fēng)機轉(zhuǎn)速，線性調(diào)節(jié)風(fēng)量，壓縮機和風(fēng)機配合輸出精確的冷量。

4）無級調(diào)節(jié)加熱

為解決電加熱啟停帶來的溫濕度慣性，SCR電加熱初始以30%的熱量輸出。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境制熱量需求變化時，根據(jù)PID控制算法，SCR可控硅電加熱無級調(diào)節(jié)輸出精確的加熱量。

5）無級調(diào)節(jié)加濕

為解決加濕器啟停帶來的溫濕度慣性，加濕器保持預(yù)熱狀態(tài)。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境濕度需求變化時，根據(jù)PID控制算法，SCR可控硅加濕器無級調(diào)節(jié)輸出精確的加熱量。

6） Fuzzy-PID 除濕

除濕控制采用Fuzzy-PID復(fù)合控制算法，即將模糊控制與PID控制算法相結(jié)合，在濕度偏差較大時采用模糊控制算法，即室內(nèi)環(huán)境濕度遠(yuǎn)高于設(shè)定濕度時，壓縮機保持當(dāng)前頻率運行，開啟除濕電磁閥除濕；在濕度偏差較小時采用PID控制算法，通過電子膨脹閥調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度，進(jìn)而調(diào)節(jié)除濕量。

7）濕度控制

濕度控制參數(shù)采用絕對含濕量控制。高精度恒溫恒濕空調(diào)智能控制策略耦合關(guān)系如圖1所示。

圖1 高精度恒溫恒濕空調(diào)智能控制策略耦合關(guān)系

4 高精度恒溫恒濕空調(diào)智能控制方式的優(yōu)勢

1） 變頻壓縮機和無級調(diào)節(jié)的電加熱、加濕器可有效消除溫濕度控制的慣性。例如，給定一個持續(xù)散熱的環(huán)境，空調(diào)設(shè)定溫度為24℃，環(huán)境溫度為25℃，此時，變頻壓縮機以50Hz的頻率運行對環(huán)境進(jìn)行降溫，當(dāng)環(huán)境溫度變?yōu)?4.5℃時，壓縮機頻率降低為35Hz，當(dāng)環(huán)境溫度變?yōu)?4.0℃時，壓縮機頻率降至最低頻率20Hz。此時，SCR電加熱輸出30%，SCR電加熱量與制冷量基本持平，環(huán)境維持在恒定的24.0℃。若熱負(fù)荷變大，則壓縮機升頻，從而輸出更大的制冷量，配合SCR電加熱，環(huán)境溫度可長期維持在恒定的24.0℃。若熱負(fù)荷變小，則壓縮機維持20Hz頻率，SCR電加熱加大熱量的輸出，環(huán)境溫度也可長期維持在恒定的24.0℃。當(dāng)溫度變化0.1℃時，變頻壓縮機頻率隨即發(fā)生變化，其響應(yīng)速度及精度遠(yuǎn)高于定頻壓縮機。通常溫度控制精度可達(dá)±0.2℃，同理，對于濕度控制，SCR加濕器配合除濕電磁閥工作，濕度變化0.5%時，加濕器輸出量和除濕電磁閥隨即發(fā)生動作，可把濕度精度穩(wěn)定地控制在±2%。

2）在無熱源的低溫高濕環(huán)境，除濕迅速。除濕和加熱同時運行可大大縮短環(huán)境穩(wěn)定的時間。例如，在無熱源的低溫高濕環(huán)境下（江南地區(qū)梅雨季節(jié)），環(huán)境溫濕度為20℃、RH70%，設(shè)定溫濕度為24℃、RH50%，為達(dá)到設(shè)定的溫濕度，變頻壓縮機按照除濕頻率恒定輸出60Hz，同時除濕電磁閥打開，電加熱輸出70%，電加熱輸出熱量大于60Hz壓縮機運行時的制冷量。在除濕的同時，室內(nèi)溫度穩(wěn)步上升，達(dá)到設(shè)定值[3]。

3）濕度控制參數(shù)采用絕對含濕量控制，避免了過度加濕和除濕。溫濕度控制對比曲線如圖2所示。

圖2 溫濕度控制對比曲線

5 應(yīng)用實例

浙江某精密儀器實驗室使用普通恒溫恒濕空調(diào)，室內(nèi)溫度始終偏低，濕度始終過高，無法達(dá)到設(shè)定的需求，在引入高精度恒溫恒濕智能空調(diào)系統(tǒng)后，通過調(diào)整PID算法參數(shù)和溫濕度偏差閾值等，即使室外為陰雨連綿的天氣，室內(nèi)濕度也可控制在±2%，溫度控制在±0.3℃，建設(shè)了長期以來所期望的理想實驗室環(huán)境。

6 結(jié)語

高精度恒溫恒濕智能空調(diào)系統(tǒng)的主要器件有直流變頻壓縮機、SCR電加熱、SCR加濕器、除濕電磁閥、電子膨脹閥、EC風(fēng)機和高精度溫濕度傳感器。高精度恒溫恒濕空調(diào)智能控制策略有目標(biāo)需求算法和PID計算制冷量輸出、PID計算加熱量輸出、PID計算加濕量輸出、Fuzzy-PID計算除濕量以及濕度參數(shù)采用絕對含濕量控制。