關(guān)于催芽室溫濕度控制的設(shè)計(jì)及實(shí)施方案

周 瑩

（昆明冷聯(lián)制冷設(shè)備安裝工程有限公司，云南 昆明市 650000）

引言

國(guó)內(nèi)的催芽室及垂直工廠的溫濕度控制都是采用中央空調(diào)控溫，存在控制不精準(zhǔn)的弊端。催芽室控制系統(tǒng)溫度和濕度存在著強(qiáng)相關(guān)性，這個(gè)關(guān)系表現(xiàn)在升高溫度的同時(shí)會(huì)帶來(lái)濕度的降低，增加相對(duì)濕度的同時(shí)會(huì)帶來(lái)溫度的降低，反之亦然。本文將展開(kāi)對(duì)溫濕度控制的一些研究和計(jì)算，并且根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用總結(jié)出一些心得體會(huì)。

案例：小規(guī)模催芽室 4 間，每間尺寸為 70平方米 ，高度為 4.1m。主要用于手動(dòng)臺(tái)車(chē)入室催芽，適用于小訂單催芽規(guī)模。要求溫度 12℃~25℃，控制精度±1℃；濕度 90%~95%（要求某個(gè)時(shí)間段可調(diào)至 70%-75%），控制精度±3%。項(xiàng)目地點(diǎn)假設(shè)為云南玉溪。

1.數(shù)值計(jì)算

1.1 設(shè)計(jì)思路

案例中，客戶采用的臺(tái)車(chē)尺寸 1500x565x2400mm（長(zhǎng)x 寬 x 高)，12 層，層間距 20cm。根據(jù)多次光照實(shí)驗(yàn)，采用了每個(gè)臺(tái)車(chē) 8 支 18W 全光譜補(bǔ)光燈，每個(gè)房間可放置44 個(gè)臺(tái)車(chē)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用聚氨酯彩鋼夾芯板搭建，聚氨酯密度不低于 38kg/m3,厚度為 100mm。因?yàn)閹?kù)溫不會(huì)低于12℃，地面不用做保溫處理。

催芽室溫度要求 12℃-25℃，當(dāng)補(bǔ)光燈全部開(kāi)啟時(shí)要達(dá)到 12℃，這個(gè)工況是需要制冷，并且是空調(diào)設(shè)備風(fēng)機(jī)盤(pán)管（最低出風(fēng)溫度 18 度）所達(dá)不到的。因此每間催芽室均配備用冷庫(kù)用制冷機(jī)組及冷風(fēng)機(jī)（工業(yè)型換熱器）。

在本案中，選擇換熱器，需要根據(jù)進(jìn)出風(fēng)溫差不越過(guò)3K 來(lái)進(jìn)行計(jì)算，即換熱器的風(fēng)量m=Q/(Cx dT)。

催芽室對(duì)風(fēng)速的要求比較高，因此需要在庫(kù)內(nèi)安裝導(dǎo)風(fēng)層，冷/熱風(fēng)通過(guò)夾層及導(dǎo)流板穿過(guò)臺(tái)車(chē)的每一層，確保庫(kù)內(nèi)的溫度、濕度的均勻性。

1.2 理論計(jì)算及設(shè)備選型

1.2 .1 參數(shù)值確認(rèn)

工作工況一：12℃/95%（查得露點(diǎn)溫度：11.24℃/焓值 33.25kJ/kg/含濕量 8.38g/kg)工作工況二：12℃/75%（查得露點(diǎn)溫度：9.74℃/焓值 28.76kJ/kg/含濕量 6.60g/kg)工作工況二：25℃/95%（查得露點(diǎn)溫度：24.23℃/焓值 74.31kJ/kg/含濕量 19.27g/kg)。

1.2 .2 數(shù)值計(jì)算

1.2 .2.1 計(jì)算空庫(kù)的熱損失，包括照明、冷風(fēng)機(jī)及開(kāi)門(mén)的熱損失。

1.2 .2.2 確定入庫(kù)穴盤(pán)包含基質(zhì)的數(shù)量及熱量。

1.2 .2.3 種子發(fā)芽的呼吸熱忽略不計(jì)。

根據(jù)冷負(fù)荷計(jì)算的基本公式：Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

Q1——圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流量（W）

Q2——貨物熱流量（W）

Q3——通風(fēng)換氣熱流量（W）

Q4——電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)熱流量（W）

Q5——操作熱流量（W）

基于以上信息，計(jì)算得出每個(gè)催芽間的制冷量Q=24.4kW，加熱量 Q=20kW

四間總需求制冷量 Q=97.6kW

1.2 .2.4 根據(jù)每間長(zhǎng)度為 10m，設(shè)計(jì)每間安裝 2 臺(tái)換熱器，單臺(tái)換熱器的制冷量 Q=12.2kW。

流量 m=Q/(Cx dT)=4.067kg

換熱器風(fēng)量 V=mxρx3600=17568m3/hr

由此也可以看得出，風(fēng)機(jī)盤(pán)管是不能滿足此項(xiàng)參數(shù)。

1.2 .2.5 加濕器根據(jù)計(jì)算，每間的加濕量為 15kg/hr。

加 濕 量=[8.38g/kg(12℃/95%)-6.6g/kg(12℃/70%)]x4.067kgx2=14.4kg

制冷/加熱系統(tǒng)

催芽室對(duì)溫度的波動(dòng)特別敏感，因此此案例應(yīng)該選擇冷水系統(tǒng)即間接制冷，而不是氟利昂直接制冷方式。兩種制冷方式的差別在于：

1.2 .2.5.1 氟利昂系統(tǒng)不具備持續(xù)性，不制冷或制冷。這就導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)的溫度不均勻，曲線呈鋸齒形。冷水系統(tǒng)即間接制冷系統(tǒng)具備持續(xù)性，溫度波動(dòng)較小，可以修正曲線上的峰值趨于平緩。

1.2 .2.5.2 均勻的溫度表示植物在生長(zhǎng)過(guò)程中沒(méi)有暴露在有溫度差別的環(huán)境中，也就沒(méi)有因溫度差別引起的壓力。

1.2 .2.5.3 當(dāng)植物感知到溫度差別帶來(lái)的應(yīng)力，會(huì)燃燒體內(nèi)的能量（不宜），并且會(huì)產(chǎn)生更多的 CO2。

1.2 .2.5.4 氟利昂系統(tǒng)總是需要一個(gè)特定的溫度差值讓壓縮機(jī)工作在一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)，這個(gè)差值等于氟利昂在換熱器中的蒸發(fā)值與庫(kù)內(nèi)溫度之差（一般為 7~8K），這個(gè)差值會(huì)使得庫(kù)內(nèi)的濕空氣析出更多的冷凝水。從而降低冷庫(kù)的濕度，這與催芽室高濕度的要求相違背。

4間庫(kù)在冬季催芽中，可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)其中1間制冷另1間制熱的情況。可以有兩種方案解決同時(shí)制冷及加熱的要求。

方案 1：庫(kù)內(nèi) 2 臺(tái)工業(yè)型換熱器采用雙盤(pán)管，即冷熱水水管分別接入。此方案需要配置 2 臺(tái)熱泵機(jī)組，以美國(guó)特靈風(fēng)冷模塊熱泵機(jī)組為例，需要選擇 2 臺(tái)名義制冷量為58.7kW 的風(fēng)冷模塊機(jī)。每個(gè)房間冷熱水管上安裝一個(gè)電磁三通閥，以控制進(jìn)入房間的水流量，來(lái)控制房間的溫度。

表1 ：熱泵機(jī)組參數(shù)：

說(shuō)明：制冷能力是在 12℃進(jìn)水，7℃出水，環(huán)境 35℃進(jìn)風(fēng)狀態(tài)下測(cè)量，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18430.1-2001，制熱能力是在 40℃進(jìn)水，45℃出水，環(huán)境干/濕球溫度 7/6℃進(jìn)風(fēng)狀態(tài)下測(cè)量，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18430.1-2001，制冷時(shí)實(shí)際出水溫度需要調(diào)整到 5℃出水。

方案 2：基于單個(gè)房間加熱量小于制冷量，選擇 2 臺(tái)風(fēng)冷熱泵及每個(gè)房間 2 臺(tái)雙盤(pán)管的工業(yè)型換熱器，投資成本較高。我們?cè)O(shè)計(jì)了第 2 個(gè)方案。

庫(kù)內(nèi)仍然選擇 2 臺(tái)工業(yè)型熱換器，為單盤(pán)管，選型時(shí)滿足制冷量的要求。

加熱的情況僅會(huì)出現(xiàn)于：第一種情況，冬天催芽，當(dāng)室外環(huán)境溫度低于 0 ℃?？諑?kù)溫度會(huì)降至 15℃左右，如果客戶設(shè)定催芽溫度 20℃，相對(duì)濕度 70%時(shí)；第二種情況，夏季催芽，設(shè)定催芽溫度 12℃，前兩天催芽濕度維持在 95%，第三天開(kāi)始需要降至 70%并維持至催芽結(jié)束時(shí)?；谶@兩種情況，我們認(rèn)為制熱可由電加熱完成，可以節(jié)約到設(shè)備的高投資及低利用。

冷水機(jī)組選擇常年制冷的冷水機(jī)組，以美國(guó)特靈風(fēng)冷模塊冷水機(jī)組為例，需要選擇 1 臺(tái)名義制冷量為 84.7kW的風(fēng)冷模塊機(jī)。每個(gè)房間供水管上安裝一個(gè)電磁三通閥，以控制進(jìn)入房間的水流量，來(lái)控制房間的溫度。如表2所示：

?

說(shuō)明：制冷能力是在 12℃進(jìn)水，7℃出水，環(huán)境 35℃進(jìn)風(fēng)狀態(tài)下測(cè)量，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18430.1-2001，制冷時(shí)實(shí)際出水溫度需要調(diào)整到 5℃出水。

1.2 .3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

我們?cè)谶x擇催芽室的溫濕度控制系統(tǒng)時(shí)，考慮了兩種方案，第一種是意大利 EVCO 的溫濕度控制器，優(yōu)勢(shì)在于控制器已經(jīng)是規(guī)模成熟產(chǎn)品。

圖1 ：意大利EVCO溫濕度控制器

但經(jīng)過(guò)我們前期一到兩個(gè)月的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與此控制器配套的濕度探頭如果長(zhǎng)期工作在 95%濕度及以上，會(huì)因探頭周?chē)e水失效，因此，我們放棄了此類(lèi)產(chǎn)品的使用。

方法 2 也就是現(xiàn)行方案，即自行開(kāi)發(fā) PLC 控制程序，利用西門(mén)子 200smart 系列 PLC 和一系列傳感器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制制冷系統(tǒng)，制熱系統(tǒng)，加濕系統(tǒng)，除濕系統(tǒng)。每個(gè)催芽室門(mén)口配備了一臺(tái) HIM，可以實(shí)時(shí)顯示催芽室各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)，同時(shí)也可以通過(guò) HIM 設(shè)置所需要的目標(biāo)參數(shù)。

1.3 結(jié)論

兩個(gè)方案對(duì)比下來(lái)，適于選擇方案 2，有以下幾個(gè)原因：

1.3 .1 總投資低，設(shè)備數(shù)量減少，管路減少，控制閥門(mén)也減少；方案 2 的投資成本約為方案 1的 65%。

1.3 .2 2 臺(tái)熱泵總的制冷量/加熱量高于計(jì)算值，但已經(jīng)是模塊機(jī)中最小的型號(hào)，如果非標(biāo)制作成本更高。

1.3 .3 電加熱相比熱泵加熱能耗比要高，但因加熱頻率低，運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于投資成本。

1.3 .4 方案 2 的控制點(diǎn)少了，PLC 的控制成本也低于方案 1。

2.參數(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 催芽室結(jié)構(gòu)

如圖2、圖3所示搭建催芽室，可實(shí)現(xiàn)：

圖2 催芽室結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 催芽室幼苗培育圖

圖 4 制冷系統(tǒng)示意圖

2.1 .1 導(dǎo)流（孔）板的安裝確保氣流均勻地穿過(guò)臺(tái)車(chē)的每一層，能保證臺(tái)車(chē)的每層溫度差不超過(guò) 2℃。

2.1 .2 在保證同樣的換熱效果同時(shí)，導(dǎo)流孔板的目數(shù)及孔徑大小確保從換熱器吹出的冷風(fēng)能低于 1m/s 的流速通過(guò)每層穴盤(pán)，換熱器吹出時(shí)風(fēng)速高達(dá) 3m/s，如果沒(méi)有導(dǎo)流板，穴盤(pán)上的基質(zhì)甚至剛發(fā)芽的苗會(huì)被風(fēng)吹走。

2.1 .3 催芽期間要求高濕環(huán)境，即在 12℃時(shí)，要求濕度高達(dá) 95%，此時(shí)需要加濕器開(kāi)啟工作。由加濕器噴入小于 10um 的水霧顆粒，進(jìn)入到庫(kù)內(nèi)的空氣循環(huán)當(dāng)中，到達(dá)每層穴盤(pán)，起到灌溉及濕潤(rùn)基質(zhì)作用。

2.2 制冷系統(tǒng)設(shè)置

2.3 PLC 控制

圖5 PLC 控制界面示意圖

經(jīng)過(guò)調(diào)試及試運(yùn)行，4 個(gè)催芽室已經(jīng)開(kāi)始批量生產(chǎn)種苗。

3.結(jié)論及展望

3.1 催芽室的溫濕度控制得以實(shí)現(xiàn)，歸納于以下幾點(diǎn)：

3.1 .1 保溫庫(kù)體結(jié)構(gòu)的搭建，庫(kù)內(nèi)安裝導(dǎo)流板、導(dǎo)流孔板等，為室內(nèi)的溫濕度均勻創(chuàng)建良好的硬件環(huán)境。

3.1 .2 不同的催芽室規(guī)模、光照、濕度、溫度的要求決定了制冷系統(tǒng)及設(shè)備的選擇。

3.1 .3 自動(dòng)化控制滿足催芽室的批量生產(chǎn)。

3.2 完成本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以及實(shí)施，針對(duì)將來(lái)的產(chǎn)品，提出如下建議：

3.2 .1 控制系統(tǒng)加入遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

3.2 .2 選擇工業(yè)換熱器電機(jī)前置型，方便檢修。

3.2 .3 對(duì)于規(guī)模大、苗床自動(dòng)系統(tǒng)的項(xiàng)目，可以深化研究換熱器為雙盤(pán)管系統(tǒng)，將加濕及除濕系統(tǒng)更好地納入此系統(tǒng)當(dāng)中。

3.2 .4 催芽室內(nèi)安裝監(jiān)控?cái)z像頭，并入 PLC 控制系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控種子催芽狀態(tài)。