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1、节能型热泵热水器性能检测用恒温恒湿实验舱设计(潘宗岭 喻莉)安徽省产品质量监督检验研究院安徽省产品质量监督检验研究院中文摘要：本文结合安徽省国家建筑节能中心恒温恒湿环境实验舱项目实例，针对该实试验室投入使用后的被检对象的运行特性，提出一种节能型恒温恒湿环境实验舱设计方法，并阐述了该实验舱控制系统的控制原理。关键词：恒温恒湿 节能 控制原理Abstract: Aimed to the operating characteristics of the tested objection in the laboratory, this paper proposes a method of energy
2、-saving consistent temperature and humidity environment combined with the constant environmental conditions project examples of National Building Energy Conservation Center of Anhui Province, and elaborate the control system Principle of the laboratory.Key words: consistent temperature and humidity
3、energy-saving control principle.1 概述恒温恒湿环境在很多行业特别是检测领域中作为测试环境的基本要求，热泵热水器的检测环境依据相关标准要求在热水器运行测试期间温度 201，相对湿度605%，而热泵热水器运行原理是吸收空气中大量的热量产生热水，同时释放出大量的冷空气。传统的检测实验舱常常是将冷风直接回到空气调节器中进行热能补充，以达到环境温湿度稳定的要求，但检测时能耗很高。随着能源形势日益紧张，“节能减排”已成为当前我国各行各业面对的首要问题。本文结合恒温恒湿试验室项目实例，较为详细的阐述了恒温恒湿实验舱控制原理及节能理念，根据在本试验室中被检设备-空气源热泵的工
4、作原理，提出一种创新型节能理念，以期能达到理想的节能效果。2 空调系统的设计2.1 工程概况该恒温恒湿地处地下室一层，建筑面积约为 30，舱体设计高度为 2.8m，有西面外墙，室内有被检设备会产生冷量，最大为10KW，照明散热为 400W，实验室检测人员最多为两位。2.2 设计条件、参数根据工程所处的地理位置，参数按参数通风与空气调节设计规范中标准气象参数选用室内设计参数：温度 201，相对湿度 605%。2.3 系统方案设计根据 GB/T23137-3008家用和类似用途热泵热水器名义工况要求，本方案采用一个空气调节箱进行温度调节，电极加湿器和表冷去湿进行湿度调整；采用冷、热水源和带有比例调
5、节阀的表冷器控制系统，以及采用变频风机对环境温度进行调节时。空调箱内设有新回风混合段、初效过滤，冷却除湿，加湿段、再热段、中效过滤段。舱内空气采取上进风下回风的方式循环。本案温度控制系统采取双闭环控制，首先通过实时采集室内温度，与设定温度进行比较，通过 PID 算法调节输出 AO 信号，可以实时通过控制空调箱的送风机频率并最终控制送风机电机转速，改变送风量进行实时室内温度粗调。其次计算机也通过 PID 算法调节输出 AO 信号实时控制水路系统中热水比例调节阀和冷水比例调节阀调节表冷器的冷热水流量进行温度细调。相对湿度的调节也是双环控制，首先计算机通过检测舱内温度，与设定温度进行比较，通过 PI
6、D 算法调节输出 AO 信号控制电极加湿器控制加湿量。同时电极式加湿器自身带有 PID 调节器进行给定和输出的线性控制，最终可以实现高制精度控制，系统响应快速。2.4 节能设计方案在系统设计中针对被检设备-空气源热泵制热水时产生冷负荷的工作特性，该特性会改变热泵机组试验中运行时名义工况的环境条件。本方案设置一个室外环境和热泵热水器冷风口温湿度检测点，按照以下方式控制：1. 当室外环境温度低于热水器释放的冷空气温度时，此时由空调箱直接补充热能；2. 当室外环境温度高于热水器释放的冷空气温度，且低于试验环境温度（20）时，热水器排放的冷风直接外排，通过调节室外新风温湿度进行舱内空气补充；3. 当室
7、外环境温度高于热水器释放的冷空气温度，且高于试验环境温度（20）时，采用热交换设备，将室外空气温度与空气源热泵运行时产生的冷空气进行热量交换后，再回到空气调节箱进行精细温湿度调节。该设计能有效提升冷风温度，从而可以有效减少系统对热泵机组工作时所产生冷负荷的温度补偿，并且由于不引进新风设备，不会涉及除湿过程，从而可以精确控制空气源热泵工作时要求工况。这样尤其在夏季，可大大降低了运行的能耗。此方案的示意图为：新风E-24热泵 冷水 源水膜加湿器V-2水热泵 热泵 水源电动比例减压阀热泵外机温湿 度检 测湿度试验标准水箱交换器电动比例减压阀E-44调速抽风机温 度 传 感 器 电控风阀交换器电动阀电
8、动阀电动阀电动阀1 15 5 0 0. . 5 5试试验验用用水水箱箱电动比例减压阀E-35热热交交换换器器新风E-24热泵 冷水 源水膜加湿器V-2水热泵 热泵 水源电动比例减压阀热泵外机温湿 度检 测湿度试验标准水箱交换器电动比例减压阀E-44调速抽风机电控风阀交换器电动阀电动阀电动阀电动阀1 15 5 0 0. .5 5试试验验用用水水箱箱电动比例减压阀E-35热热交交换换器器新风E-24热泵 冷水 源水膜加湿器V-2水热泵 热泵 水源电动比例减压阀热泵外机温湿 度检 测湿度试验标准水箱交换器电动比例减压阀E-44 调速抽风机温 度 传 感 器 电控风阀交换器电动阀电动阀电动阀电动阀1
9、15 5 0 0. . 5 5试试验验用用水水箱箱电动比例减压阀E-35热热交交换换器器图 1 方案设计图2.5 系统控制构成恒温恒湿空调的控制系统由以下单元构成：1.检测单元：室内温湿度、外界环境温湿度传感器；排风温度、排风压差传感器；2.开关量控制，空调箱风机启动、系统供电系统控制等3.PID 调节控制：冷水比例阀控制、热水比例阀控制、送风机频率、排风机频率控制；4.工业控制计算机和数据采集接口模块，5.控制组态软件自动控制系统调节质量的好坏，不仅在于选择性能好的仪表，更重要的是取决于调节方案的合理性。所谓调节方案，就是如何选择被调参数、调节参数、调节规律和自动化装置及回路的构成。本控制系
10、统采用自行研制的 AI 采集模块，该模块采用 MSC1210 微控制器为核心器件，采用 3.3V 电源供电，晶振频率选择11.0956MHz ，以便于串口通信时波特率的设置。MSC1210 微控制器与 8052 内核兼容，但性能远远高于 8052 系列芯片，内部有 3个 16 位的计数/定时器。在相同的时钟频率下，执行速度是标准 8052 内核的 3 倍。MSC1210 微控制器最小系统如图 2 所示。图 2 MSC1210 最小系统设计由于系统为多参数同时在线测试，需采集模拟量多达 20 余路，MSC1210 微控制器自带的 8 通道模拟开关无法满足试验要求。采集模块采用模拟多路选择开关 C
11、D4052 对此进行扩展。CD4052 是一个双四选一的模拟多路开关，具有接通电阻小，温漂低，路间偏差低，抗干扰能力强等特点。通过MSC1210 的 P2.0 和 P2.1 口选择四片CD4052 实现 32 通道的选择，CD4052 的接入电路如图 3 所示。图 3 CD4052 的接入电路其中，S1 S8 是经变送器处理后的电压输入， CD4052 的两路输出分别接至MSC1210 的 AIN-0 和 AIN-1。模拟量输出控制我们采用研华 4022T 模块，该模块可以自动进行 PID 参数，用户只需设置 PID 参数。系统通过 PID 调节，产生AO 信号，用于调节水阀、风阀及风机变频器
12、控制信号，最终达到高精度控制室内环境温湿度目的。工业控制计算机我们选择研华公司的ARK-3200 Series Slim Box IPCs,组态软件也选择研华 WebAccess 软件编辑人-机界控制界面，可在屏幕上显示系统流程，各设备运行状况，实时的测控数据以及各设备的开关状态，并可以采用鼠 0 标点击实现设备开停。同时具有 3D 仿真操作界面，所有控制仪表均在计算机上虚拟化，用户可在计算机上看到仿真度极高，表现力丰富的测试仪表和控制器（并且可用鼠标或键盘作简单控制）。另外在测试中可以对各种数据曲线进行多角度的观察，并提供了大量的操作功能，用户可在测试过程中根据需要完成对曲线的随意观察趋势和
13、细节及实时打印。控制界面如下图所示：图 4 系统控制界面 4. 故障隔离与故障诊断系统设定了温湿度控制异常报警、设备运行负载异常报警、设备故障报警等功能，同时为了保障试验的连续性，机组运行中某个设备发生故障，如果该故障不影响其它设备的工作，控制器只切断该故障设备的开关，而不影响其它设备的运转。同时发生故障的设备存在备用设备时能自动启动备用设备。如一台压缩机运转中出现故障，可自动启动另一台压缩机。故障发生时控制器能记录故障发生的时间，故障描述以及故障来源，便于快速查找故障原因。5 结论通过本工程项目我们认为空调系统采用风冷冷风机组连续运行加电极式加湿器，自控系统采用 PID 控制算法，方法完全可以实现温度0.5，湿度4%RH 高精度恒湿恒湿项目的要求。该恒温恒湿实验室经过 5个月的实际运行，效果良好，达到了设计要求。参考文献1 电子工业部第十设计研究院，空气调节设计手册，19952 薛志峰，江 亿。变风量空调系统设计中的系统分区问题J。暖通空调，2003,33（1）：87-88
