自動控制在制冷空調(diào)技術(shù)中的應用

宋玉明

（江蘇省鹽城技師學院，江蘇 鹽城 224002）

目前，空調(diào)設備的普及率快速提升，對于該行業(yè)從業(yè)人員而言，要提升空調(diào)設備的使用效益，就要發(fā)展節(jié)能降耗技術(shù)。自動控制技術(shù)為空調(diào)設備節(jié)能降耗提供了可靠路徑，相關研究人員針對不同用途的空調(diào)設備，制定科學合理的自動控制系統(tǒng)，借助這種方式提升空調(diào)設備的使用效率，降低能耗，減少污染。

1 制冷空調(diào)技術(shù)與自動控制融合的必要性

1.1 維持系統(tǒng)運行

借助自動控制技術(shù)，能夠確?？照{(diào)設備始終處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)中。由于空調(diào)設備工作環(huán)境復雜，且工作強度較大，很容易在運行時出現(xiàn)異常情況，比較常見的是油壓降低、吸氣壓力降低等。傳統(tǒng)制冷空調(diào)技術(shù)無法對這些異常情況進行妥善處理，會造成空調(diào)設備突然停止工作，嚴重情況下還會損傷空調(diào)設備內(nèi)部零件。采用自動控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對于各項參數(shù)的實時監(jiān)控，一旦自動控制系統(tǒng)監(jiān)測到了空調(diào)某一項參數(shù)超過了警戒閾值，就會自動進行保護操作，同時發(fā)送故障報告。此外，如果故障較為嚴重，還可以通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)故障性停機，進而起到保護空調(diào)的效果。

1.2 提升舒適度

運用自動控制技術(shù)，除了能夠確?？照{(diào)設備穩(wěn)定運行之外，還可以有效提升人們的舒適度，實現(xiàn)在沒有人工控制的條件下，空調(diào)設備進行自動調(diào)節(jié)?？照{(diào)設備實際工作過程中，可以對溫度、濕度、運行時間、流量等各項參數(shù)進行靈活控制，提供數(shù)據(jù)參考。此外，當外界條件改變的時候，通過自動控制系統(tǒng)，空調(diào)還可以自動轉(zhuǎn)換工作模式，在提升舒適度的同時，降低空調(diào)運行功率，既可以降低空調(diào)運行成本，又能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，一舉多得。

2 制冷空調(diào)自動化控制的具體方式

2.1 恒溫恒濕空調(diào)自動控制

機械行業(yè)、儀表行業(yè)中，恒溫恒濕房數(shù)量眾多。這些恒溫恒濕室對室內(nèi)空氣參數(shù)有著嚴格要求，同種情況下，恒溫恒濕室內(nèi)的干球溫度為（20±1）℃，室內(nèi)相對濕度需要保持在40%～60%，如果恒溫恒濕室的空間有限，對于制冷量的要求不高，從節(jié)能降耗方面考慮，可以采用恒溫恒濕制冷空調(diào)設備，恒溫恒濕空調(diào)工作原理圖如下（如圖1所示）。

圖1 恒溫恒濕空調(diào)工作原理圖

對于恒溫恒濕房間而言，為了確保其室內(nèi)的相對濕度以及溫度符合標準，需要在室內(nèi)安裝相對濕度感應裝置以及干球溫度計，并通過恒溫恒濕空調(diào)設備對室內(nèi)的相對濕度以及溫度進行實時調(diào)控。處于冬季的時候，室內(nèi)的干球溫度計會依據(jù)恒溫恒濕室內(nèi)熱負荷需求，通過自動控制的方式控制加熱器提供熱量。夏季的時候，通過空調(diào)控制恒溫恒濕房間內(nèi)部的溫度，供液電磁閥打開，新風與回風融匯，利用直膨式表面冷卻器進行降溫除濕，并在接近露點后，根據(jù)干球溫度控制溫度，依據(jù)室內(nèi)空間的實際需要，自動控制電加熱器開啟加熱程序。對于較大容量的機組，可根據(jù)容量分別由兩個電磁閥控制直膨式冷盤管。制冷空調(diào)設備的電源與加濕設備關聯(lián)，借助這種方式確保除濕功能和加濕功能，無法在相同的時間段內(nèi)一同開啟。春秋兩季運行條件與夏季相似，但為了提升節(jié)能效果，可根據(jù)實際濕度自動挑選其中一個電磁閥以及相應的一組線圈輕載運行。

通過對恒溫恒濕空調(diào)工作原理圖的分析可以發(fā)現(xiàn)，空調(diào)生產(chǎn)廠家在設計產(chǎn)品時，依據(jù)以往的設計經(jīng)驗以及理論推算，使用了六排左、右排深的設計，在新風、回風量正常的情況下開啟空調(diào)，供液電磁閥開啟，即便事先沒有在空調(diào)內(nèi)部安裝露點溫度控制系統(tǒng)，該裝置也能夠令經(jīng)過表冷卻設備處理后的空氣露點溫度保持在點 1（6.7℃）與點 2（12.8℃）之間（如圖2所示）。

圖2 恒溫恒濕空調(diào)調(diào)節(jié)露點溫度范圍

這種背景下，常規(guī)的恒溫恒濕空調(diào)設備對于溫度精度的控制可以達到±1℃，同時可以將室內(nèi)的相對濕度控制在40%～60%這一范圍內(nèi)。若恒溫恒濕室對于室內(nèi)溫度的精度要求更高，則常規(guī)的恒溫恒濕空調(diào)就失去了調(diào)節(jié)溫度、濕度的作用，需要使用更為專業(yè)的恒溫恒濕空調(diào)。

這里需要注意的是，上面介紹的空調(diào)控制方式存在一定的缺陷，此類空調(diào)設備冷熱補償現(xiàn)象明顯，設備運行時耗電量巨大，經(jīng)濟性差。但如果系統(tǒng)規(guī)模小，安裝方便，則還有一定優(yōu)勢。如果恒溫恒濕室內(nèi)空間較大，使用固定露點溫度控制方法是不可取的。對于空間較大的恒溫恒濕室內(nèi)空間，建議采用精密恒溫恒濕空調(diào)設備。

2.2 精密恒溫恒濕空調(diào)自動控制

與普通的恒溫恒濕空調(diào)相比，精密恒溫恒濕空調(diào)對于室內(nèi)溫度以及相對濕度的控制更為精確。理想情況下，該空調(diào)設備可以在±1℃區(qū)間內(nèi)對室內(nèi)空間的溫度進行調(diào)控，而對于相對濕度的控制可以達到±5%，實現(xiàn)對于室內(nèi)溫度以及相對濕度的高精度控制。目前，在絕大多數(shù)精密機械加工車間、醫(yī)藥生產(chǎn)車間、食品加工車間以及精密儀表加工車間中，普遍運用這種精密恒溫恒濕空調(diào)，并通過自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對室內(nèi)空間溫度以及相對濕度的精準調(diào)控。

在實際工作過程中，針對那些小型系統(tǒng)，可以使用特定的空調(diào)控制方式（如圖3所示）。所謂的小型系統(tǒng)，一般是指供冷量小于56kW，風量不超過10000m3／h的系統(tǒng)。圖3為小型精密恒溫恒濕空調(diào)內(nèi)部基礎結(jié)構(gòu)。如果所在地區(qū)冬季氣溫較低，屬于嚴寒區(qū)域，即空調(diào)設備在運行過程中，在新風閥門全關閉或者新風、回風混合后空氣溫度低于0℃，那么為了避免低溫導致設備損壞，需要在該控制系統(tǒng)中加入預加熱裝置，提升設備運行環(huán)境的溫度。從整體上看，新風是影響室內(nèi)空間空氣潔凈度、濕度以及溫度的最直接因素，因此在調(diào)試設備時，需要確保新風量的穩(wěn)定不變。

圖3 小型精密恒溫恒濕空調(diào)控制方式示意圖

通過對小型精密恒溫恒濕空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析可以發(fā)現(xiàn)，冷水表冷器在工作過程中，會出現(xiàn)“除濕＋降溫”的雙重效應。根據(jù)這一特點，空調(diào)設備在工作過程中，需要由兩個相互獨立的控制設備對其進行控制，當檢測到某一項參數(shù)未達標，則使用相應的控制器對精密恒溫恒濕空調(diào)進行控制。

此外，干球溫度計與相對濕度感應裝置，分別配備了專屬的信號感應傳輸裝置，即TIC－1以及MIC－2。其中的一路信號控制蒸汽加濕裝置以及熱水加熱裝置。同時，TIC－1與MIC－2分出的另一路信號與XY－3選擇器相連，XY－3選擇器的主要作用是對TIC－1與MIC－2輸入信號進行對比，執(zhí)行其中信號輸入量大的指令。這里需要注意的是，該設備中的蒸汽加濕裝置以及冷水表冷裝置，在不同季節(jié)應該進行分程管控。

這種控制模式適用于那些具有散濕負荷，且散濕負荷變化大的恒溫恒濕室內(nèi)空間。與普通的恒溫恒濕空調(diào)相比，精密恒溫恒濕空調(diào)并非依靠固定露點溫度來管控室內(nèi)空間的相對濕度以及溫度，因此對于溫度以及相對濕度的控制更為精確。盡管在一些相關研究中，研究人員將這種控制模式稱為“非露點控制模式”，需要注意，不能用字面意思去理解精確恒溫恒濕空調(diào)的工作原理，這并不代表經(jīng)過精密恒溫恒濕空調(diào)設備，表冷卻裝置處理的空氣，可以超出露點溫度限定范圍。依照該設備工作原理，想要達到降低室內(nèi)空間濕度的目的，需要確保室內(nèi)溫度符合露點溫度要求。這種情況下，經(jīng)過精密恒溫恒濕空調(diào)處理的空氣進入室內(nèi)空間之后，會導致室內(nèi)溫度過冷，室內(nèi)的相對濕度數(shù)值快速上升，這需要在精密恒溫恒濕空調(diào)工作過程中，經(jīng)常使用濕度控制裝置來調(diào)節(jié)室內(nèi)的相對濕度。但是頻繁使用相對濕度控制器，對于再熱的控制效果并不理想，無法滿足空調(diào)設備節(jié)能降耗要求，因此只能在小型系統(tǒng)中推廣使用，大中型系統(tǒng)中使用效果并不理想。

針對這一問題，設計人員可以從兩方面入手對精密恒溫恒濕空調(diào)進行自動控制優(yōu)化。①在該系統(tǒng)中加裝二次回風閥門，以自動控制取代熱水加熱器。②對該設備的空氣處理流程進行更改，提升空氣處理效率。

在該空氣處理方式中，最為核心的一處改變是增加了一臺小容量的新風處理設備。該設備的主要作用是當夏季來臨的時候，對新風空氣進行處理，確保新風空氣的含濕量符合標準。該設備中使用固定露點溫度控制模式，將新風中所含有的多余水分全部去除。經(jīng)過除濕的新風空氣再與回風匯合，降低空氣中的水分含量。因此，當空氣進入干冷冷卻裝置后，通過等濕的顯熱干冷卻，就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)恒溫恒濕室內(nèi)溫度的目的。

而從自動控制角度分析，該系統(tǒng)的控制難度較低，從整體上可以將該系統(tǒng)的控制模塊分為兩個：①新風處理裝置控制模塊；②主控器處理裝置控制模塊。

在該系統(tǒng)中，溫度感應裝置以及溫度控制裝置，共同組成了露點溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能是針對夏季具有較高水分含量的新風進行除濕，實際工作中，若外部環(huán)境的露點溫度高于傳感器設定的露點溫度（通常情況下為11℃），空調(diào)內(nèi)部的新風冷卻除濕裝置便會開始運行，對室內(nèi)進行供冷。此時，該裝置受到TIC－2的控制，確保室內(nèi)溫度始終處于設定值范圍內(nèi)。等到了冬季，戶外氣溫低于室內(nèi)溫度設定值，此時新風加熱裝置便會自動運行，并接受TIC－2的控制，確保出風的溫度符合要求。

該控制模式雖然有很大的優(yōu)勢，但也存在缺陷。當該房間的排風量過大，新風量也會隨之增加，導致其在總風量中的比例增加。當這個比例達到某一臨界點時，所得到的涼爽的低溫空氣已經(jīng)在露點溫度之下。一旦室內(nèi)制冷量超過室內(nèi)顯熱負荷，即使后干式表面冷卻器的冷水閥完全關閉，室內(nèi)溫度設定值仍無法保持。為了避免這種室內(nèi)溫度和濕度參數(shù)的不平衡，需要安裝二次加熱裝置，由此便形成了全新風直流空調(diào)系統(tǒng)。在直流空調(diào)系統(tǒng)中，無論是維持排風的恒溫恒濕條件，還是維持目標房間恒溫恒濕的環(huán)境，在空氣處理過程中都無法避免二次加熱。

3 結(jié)論

伴隨著自動控制系統(tǒng)的不斷成熟，其在制冷空調(diào)技術(shù)上的應用越發(fā)普及。實際工作中，相關設計人員需要根據(jù)制冷空調(diào)的實際運行情況以及實際工作需求，對制冷空調(diào)進行自動化升級。一方面提升制冷空調(diào)的工作效率，另一方面降低能耗，讓制冷空調(diào)在保證制冷效果的基礎上，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標，為空調(diào)行業(yè)的進一步發(fā)展保駕護航。