2017年第6期（总第45卷第316期)建筑节能■暖通与空调
doi:10.3969/j.issn.1673-7237.2017.06.007
梁彪，翁文兵，王正莹
(上海理工大学，上海200093)
摘要：基于已有的直流变频变风量恒温恒湿空调机组，针对地下建筑常年湿度较大的情况，提出一 种变频变风量结合主、副电子膨胀阀的多变量控制策略，并通过LabVIEW软件实现编程控
制。为验证控制方法的可行性，采用模拟负荷发生器在实验室中模拟地下空间的实验热湿环 境特征，根据机组处理的热湿能力选取不同热湿负荷工况下进行实验室温湿度控制实验。实
验结果表明，在此控制方法下该恒温恒湿机组能满足实验工况下的地下空间热湿的控制要
求，在两组总负荷不同的情况下，干球温度和相对湿度都能稳定在设定值附近，系统的控制精
度和稳定性良好。
关键词：直流变频；恒温恒湿；地下空间；热湿控制；Lab V IEW
中图分类号：TU831 文献标志码：A文章编号：1673-7237(2017)06-0028-05
Control Strategy for the Air - conditioning Unit with Constant
Temperature and Humidity of the Basement
LIANG Biao,WENG Wen- bing,WANG Zheng- ying
(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai200093, China) Abstract:Based on the constant temperature and humidity air -conditioning unit of DC frequency and variable air volume,a frequency variable air volume(VAV)combined with primary and secondary electronic expansion valve of multi variable control strategy is proposed. The programming control is achieved through the LabVIEW software,mainly for the underground buildings, perennial humidity is large. In order to verify the feasibility of the control method, the simulated load generator is used to simulate the experimental environment characteristics of the underground space in the laboratory.
According to the heat and moisture treatment capacity of the unit, the temperature and humidity of the laboratory are controlled under different heat and humidity conditions. Experimental results show
that, under the control method of the constant temperature and humidity, units can meet heat and moisture control requirements of the underground space under the experimental conditions,in the total load of the two different groups,dry bulb temperature and relative humidity can be stable near the setting value,so it has good control accuracy and stability.
Keywords:DC frequency；constant temperature and humidity；underground space；thermal and humidity control；LabVIEW
0引言
地下空间作为一种宝贵的空间资源，越来越被人 们重视和利用。为了更好地利用地下空间，需要对地 下空间内热湿环境进行分析[|]。因为地下建筑室内 常年没有太阳照射，通风也受到围护结构的制约，除 此之外，由于地下建筑与土壤围护结构渗水或不断散收稿日期：2016-10-16；修回日期：2016-11-10湿，使得地下建筑具有与地上建筑不同的热湿环境特 点一潮湿。因此，基于地下室的恒温恒湿空调的开 发使用研究尤为重要。
在考虑室外环境条件和室内热湿负荷发生变化 时，恒温恒湿空调系统该如何进行调节，并通过采用 优化的运行模式和调节策略，既能实现系统温、湿度 高精度控制，又能达到节省运行能耗的目的，这是我
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们现在所急需研究解决的问题。国内外学者在传统 恒温恒湿空调的基础上，采用了变频技术以及冷凝热 回收等技术，并研究了他们的控制效果。2010年，上 海机电设计研究所的周祖毅[2]等人根据国内外一些 相关的设计标准和规范，针对恒温恒湿空调和对湿度 具有高限控制要求的空调系统，对这两类空调系统所 采用的空气处理方法和自动控制方式进行讨论与分 析，最终建议不适用二次加热来降低能耗。2013年, 上海理工大学翁文兵等学者对现有的带冷凝热回收 的直流变频恒温恒湿空调机组提出了一种热湿分控 的控制策略，其能实现对房间温湿度的稳定控制[3]。
上述学者虽然对恒温恒湿空调进行了大量的创 新性研究，但对于地下建筑湿度大的问题，这些控制 方案仍有不足之处，例如在需要实现高精度的温湿度 参数控制的同时又避免制冷机降温与加热器升温的 问题，制冷机减湿与加湿器加湿的同时出现会形成冷 热抵消现象。针对上述问题，本文基于已有的直流变 频变风量恒温恒湿空调机组，结合直流变频技术，循 环风机变风量技术和主、副双电子膨胀阀控制技术，设计出多变量控制技术策略，根据对机组性能分析的 预实验结果并结合模拟负荷发生器在实验室模拟地 下空间的热湿环境进行实验研究，分析了该控制方法 的控制效果。
1直流变频变风量恒温恒湿机组机组介绍
1.1 机组工作原理介绍
本文所采用的直流变频变风量恒温恒湿空调机 组的工作原理与传统恒温恒湿机组相比，主要区别在 于以下四点:①循环风机采用变风量风机；②压缩机 采用直流变频压缩机;③利用冷凝热回收装置;④主、副电子膨胀阀的使用。其设计原理图如图1所示。
10.干燥过滤；11.储液器
图1直流变频变风量恒温恒湿空调机组
设计原理图及测点布置图
制冷循环过程为：制冷剂通过直流变频压缩机变 为高温高压气体，分为两路，其中一支分路通过室外 机的冷凝器，另一支分路经过再热器，此时处于高温 高压状态下的制冷剂冷凝之后变为低压液体，然后通 过主、副电子膨胀阀节流，两路汇合后进入蒸发器，再 经过吸热转变为过热蒸汽，被吸人压缩机进行压缩, 如此往复循环。机组调节热湿负荷处理能力的方式 主要有两种：一是调节换热量；二是调节风量。
1.2 空气处理过程分析
本实验所用的恒温恒湿空调机组，对空气处理的 过程的f- d图如图2所示，其中e为过渡季节室内空 气的热湿比线，为^夏季室内空气的热湿比线。在夏 季，回风与新风先进行混合处理，处理过后的空气
经 过蒸发器，空气被降温除湿后至机器露点，由于空气 温度较低，需要使用到再热器，对空气进行加热直到 ^处，随后沿着热湿比线上升，送至室内除去室内余 热，整个夏季处理过程为V；过渡季节 对除湿要求较高，而对温度并不需要做太多的处理，同样是回风与新风先进行混合处理，处理过后的空气 经过蒸发器，空气被降温除湿后至机器露点L，但与 夏季情况不同的是，此时机器的露点温度更低，所以 需要更多的再热量，空气经过加热后再送至室内，即过渡季节空气的处理过程为
2控制策略及控制系统分析
涂布刮刀2.1总体控制策略
本文中的恒温恒湿机组采取的是双目标控制参 数与双执行器调节对象的多变量控制调节方式，有 温、湿分控2个串级控制回路，且温、湿度相互关联, 所以需要加入耦合参数来进行简单解耦，通过校正 2个耦合参数使这两个回路之间失去联系[4'5]。该机 组采用串级自控系统，其中房间温湿度与其设定值的 偏差作为主控制器的输人，主控制器的输出作为副控 制器的设定值，该设定值与主机出风温湿度的偏差作 为副控制器的输人，机组的控制系统原理图如图3 所示。
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当室内湿度稳定且再热器没有工作时，出风干球的温 度在露点附近，此时观察出风温度与设定值之差来确 定是否开启副电子膨胀阀。如果出风温度与设定值 之差偏低，则需要通过副电子膨胀阀的开度来调节再 热器中的制冷剂流量。其控制方法与主电子膨胀阀 控制过热度的方法相同。
根据实验要求，本实验利用LabVIEW 编程软 件[7_8]，设计出了一套适用于直流变频变风量恒温恒
湿空调系统的自动控制软件，能实现在实验过程中对 恒温恒湿机组进行实时监测和控制，并可对实验数据 进行自动保存。3
实验研究
实验在实验室内的小型计量室里进行，围护结构
采用拼装库板结构形式，材料为厚度100 m m 的聚苯 保温材料，其机组的平面布置图如图4所示。图5为 实验室机组实物图和恒温恒湿机组连线及实验测点 布置图。
2 440
图4
实验室平面布置图
恒温恒湿空调
机组室内机2.2变频变风量的控制策略
本实验采用室内温湿度与直流变频风机所提供 的风量乘积作为控制参数，这样能够在地下室内热湿
负荷发生变化时，更好地控制室内热湿负荷，使室内 参数达到设计要求。本文通过调节压缩机和风机的 频率来实现对温湿度的控制，例如在热负荷稳定，湿 负荷减小的情况下，通过增加压缩机频率来减小室内 湿负荷。
2. 3双电子膨胀阀的控制策略
本实验中，主电子膨胀阀主要作用是用来控制过 热度。具体过程为：通过温度探头测得的过热度数值 与设定值进行比较，把两者的差值输送到过热度PID 控制器，再由PID 控制器经过计算，得出主电子膨胀 阀的步数，而步数的大小就代表着电子膨胀阀得到开 度[6]。与设定值相比，如果过热度数值偏大，则主电 子膨胀阀步数增加，其开度也相应变大；如果过热度 数值偏小，则主电子膨胀阀步数就减少，其开度也相 应减小；如果过热度数值与之相同，则主电子膨胀阀 步数和开度都相应不变。
副电子膨胀阀的主要作用是用来控制再热温度。
模拟负荷
发生器
图5实验机组连线及测点布置图
根据实验要求，本文采用了模拟负荷发生器（其 最大热、湿负荷处理能力分别为:3. 5 kW 和3.0 kW ) 来模拟地下热环境，模拟负荷发生器的风道内安装有 一定功率的点加热器，通过控制该电加热开启时间的 占空比（持续开启时间与控制周期之比）来控制具体 的加热功率，当循环空气流经该加热器时，空气被加 热，从而实现向室内增加热负荷的目标。同理，在水
箱中加入电加热器，也通过控制点加热器的占空比来 实现定额的功率，是水形成定量的湿蒸汽，通过循环 风机加入室内，实现定量加湿。风机在此做循环风机 使用，目的是将模拟负荷发生器产生的热
湿负荷代入 室内。其原理图如图6所示。
本文为了实验研究的需要，该恒温恒湿机组空调 系统布置了多个温度、湿度等测点及变频器、电子膨
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恒温恒湿空调 机组室内机
0s 9r
n
胀阀等自控设备。其中，机组中各个设备进出口和室 内外温湿度测点都使用NTC10K温湿度传感器（灵敏 度为4%/°〇，风机是采用变频器控制器控制。机组 内的测点如表1所示，其测点位置见表1。
1.补水箱；
2.浮球阀；
3.溢流管；
4.热水箱；
5.液位传感器;
6.电加热管；
7.蒸汽喷管；
8.电加热丝；
9.风机
图6模拟负荷发生器原理图内湿度百分比分别为40%、60%和80°%的情况下，该恒 温恒湿机组的运行状况和数据记录如图9所示。
表1温湿度测点布置表
测点序号名称
<231\2吸气\排气温度
3\4蒸发盘管人口 \出口温度
5蒸发盘管内温度
6\7副回路\主回路蒸发温度
8蒸发温度
9\10\11再热盘管出口 \管内\人口温度
12\13\14冷凝盘管出口 \管内\人口温度
15\16过冷盘管内\出口温度
17\18室外\室内环境温度
19室外风机出口温度
20室外环境温度
21\22机组送风温度\湿度
实验过程：确定热湿负荷，根据热湿负荷开启模 拟负荷发生器。再设定计量室所需要达到的温度值 和湿度值。通过采集记录计量室内达到稳定状态所 需时间和室内空气的温度和湿度，机组出风口处空气 的温度和湿度。最后通过以上数据的计算与分析来 确定该恒温恒湿机组运行的稳定性及控制精度
和范围。
实验前参考国家标准GB/T 7725—2004《房间空 气调节器》和GB/T19411 —2003《除湿机》的相关规 定，结合实验用样机热湿处理能力与实验室情况，确 定2种不同工况下的室内设定参数分别为：干球温度 为27 °，相对湿度为50%(工况1)；干球温度为23 °，相对湿度为55%(工况2)。根据对机组热湿负 荷处理能力的性能测试预实验的实验结果（如图7、8所示），可分别选取2k W为工况1的总负荷和2.5 k W为工况2的总负荷，在2种工况下对室内湿 负荷占比分别为30%、40%、60%和80%的4种分工况 进行实验研究。
3. 1工况1(总负荷2 kW)温湿度控制研究
工况1时实验室总负荷为2 000 W，利用模拟负 荷发生器分别提供4种分工况，如表2所示。模拟室
3600
3000
^ 2400
雜 1800
锁
僉 1200
显热
推拉活动护栏^潜热
+制冷量
600 -
0-----------■—
200 300400
循环风量/(m3/h)
图8机组热湿处理能力分析（工况2)
500
表2地下总负荷2kW(工况1)的4种分工况冷负荷/W14001200800400
湿负荷/W60080012001600
湿负荷占比/%30406080由图9可以看出，室内干球温度波动不大，25 min 之后就基本稳定在设定值附近；湿度则是逐渐降低趋 近设定值，在45 min之后波动趋势逐渐平稳，两者都 基本能稳定在设定值附近。故在总负荷为2 kW的工 况下该机组对室内空气温度和湿度的控制效果良好。
3.2 工况2(总负荷为2.5 kW)温湿度控制实验
工况2时实验室总负荷为2.5 kW，利用模拟负 荷发生器提供4种分工况如表3所示，模拟室内湿度 百分比分别为30%、40%、60%和80%的情况下，该恒 温恒湿机组的运行状况和数据记录如图10所示。
由图10可以看出，室内干球温度20 m in之后趋 于平稳，能稳定在设定值附近；湿度一开始偏大，但经 过45 min之后基本稳定在设定值附近。故在总负荷 为2.5 kW的工况下该机组对室内空气温度和湿度的 控制效果良好。
4 结论
本文通过实验得出如下结论：风控系统方案
(1)通过直流变频变风量和双电子膨胀阀的多变 量控制策略，对恒温恒湿机组的压缩机频率、风机频 率、主电子膨胀阀开度及副电子膨胀阀开度进行调
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+温度+湿度40 K+温度+湿度
—设定温度+设定湿度—设定温度+设定湿度
10 20 30 40 50 60
时间/min
(a)冷负荷l4〇OW、湿负荷600W 70
30
80 70 60 50I 40 _ 30 20 10
80 70 60 ^ so m 40
30
I
80 70
60 ^
m 50蜂40
30
图9工况1情况下4种不同热湿负荷占比室内温湿度变化曲线表3地下总负荷2.5kW(工况2)的4种分工况
冷负荷/W175015001000500
湿负荷/W750100015002000
湿负荷占比/%30406080
节，能够实现在不同热、湿负荷工况下，恒温恒湿机组 能够稳定运行并能实现对地下室的热、湿负荷的独立 控制；
石棉布规格
(2)实验表明，该恒温恒湿机组对地下室环境的 热、湿负荷的控制精度范围为：在两组总负荷不同，室 内湿负荷百分比分别为30%、40%、60%、80%的实验工 况下，干球温度能分别稳定在设定温度（27 °C和 23 °C)附近，其波动范围在±0.3 °C内；相对湿度能分 别稳定在设定湿度（50%和55%)附近，其波动范围在 ±2%内，故该机组的控制效果良好。
10 2050
30 40
时间/min
(a)冷负荷1750 W、湿负荷750 W
6070
45
40
80
75
70
65 ^
60麁
55踺
50
45
40
80
速记教程
75
70
65求
60 M
55齒
50
45
40
1 80
75
70
65 ^
60
55換
50
45
40
图10工况2情况下4种不同热湿负荷占比室内温湿度变化曲线
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