恒溫恒濕試驗箱屬于工藝性空調(diào),用于電子工業(yè)、儀器儀表、印刷、郵電、通訊、計算機房等對空氣溫、濕度精度要求較高的場合。由于目前常規(guī)恒溫恒濕試驗箱是采用制冷系統(tǒng)降溫除濕后, 再利用電加熱進行再熱升溫, 因此重復(fù)耗能嚴(yán)重, 被認(rèn)為是高能耗的空調(diào)產(chǎn)品。在能源日益短缺的今天, 節(jié)能成為恒溫恒濕試驗箱亟待解決的重大課題。

1、常規(guī)恒溫恒濕試驗箱的工作原理

如圖 1 所示, 常規(guī)恒溫恒濕試驗箱的工作原理是: 先通過制冷系統(tǒng)的降溫除濕, 將空氣處理到低溫低濕狀態(tài), 再通過電加熱器, 提高出風(fēng)溫度, 以實現(xiàn)對室溫精確控制的需要; 另外還配有電極或蒸汽加濕器, 進行等溫加濕, 以實現(xiàn)對室內(nèi)相對濕度精確控制的需要。

可見, 為了滿足溫濕度精確控制的要求, 常規(guī)恒溫恒濕試驗箱必須采用制冷系統(tǒng)將空氣進行降溫除濕預(yù)處理, 達(dá)到比送風(fēng)溫度更低的溫度和濕度后, 再利用電加熱和加濕器進行補償升溫和補償加濕, 這樣, 不但能量重復(fù)消耗嚴(yán)重, 而且水資源也有一定程度的流失。

另外, 由于常規(guī)恒溫恒濕試驗箱大都是采用能量不可調(diào)節(jié)的壓縮機,并且控制上采用簡單的雙位式控制方式, 即通過壓縮機、電加熱器和加濕器的啟停來實現(xiàn)對溫濕度的控制。因此, 即使采用大風(fēng)量小溫差、電加熱器采用多級調(diào)節(jié)甚至無級調(diào)節(jié)等措施, 控制回風(fēng)型恒溫恒濕試驗箱一般只能實現(xiàn)回風(fēng)溫度±0.5℃, 回風(fēng)相對濕度±5%的控制精度; 而控制出風(fēng)型的恒溫恒濕試驗箱, 則一般也只能實現(xiàn)出風(fēng)溫度±1℃, 出風(fēng)相對濕度±10%的控制精度。

因此, 無論是能耗指標(biāo)還是控制精度, 常規(guī)的恒溫恒濕試驗箱都越來越難以滿足社會對節(jié)能的要求和高精密工藝性行業(yè)對溫濕度要求。

2、節(jié)能型高精度恒溫恒濕試驗箱的工作原理

針對目前恒溫恒濕試驗箱的高能耗低精度的缺陷, 本文提出了一種節(jié)能型高精度恒溫恒濕試驗箱, 其工作原理如圖 2 所示。與常規(guī)的恒溫恒濕試驗箱不同的是: 節(jié)能型高精度恒溫恒濕試驗箱采用可進行能量調(diào)節(jié)的變?nèi)萘繅嚎s機, 采用風(fēng)冷再熱冷凝器取代電加熱器作為再熱補償部件, 并采用冷媒三通比例調(diào)節(jié)閥作為再熱量的調(diào)節(jié)機構(gòu), 增加了一些必要的系統(tǒng)電磁閥和單向閥, 控制上采用 PLC 控制器和 PID 控制方案。

下面對節(jié)能型高精度恒溫恒濕試驗箱所采用的一系列節(jié)能技術(shù)進行原理性介紹:

(1) 采用可進行能量調(diào)節(jié)的變?nèi)萘繅嚎s機目前, 可進行能量調(diào)節(jié)的變?nèi)萘繅嚎s機主要有數(shù)碼渦旋壓縮機、變頻壓縮機、無級調(diào)載壓縮機等幾種類型。節(jié)能型高精度恒溫恒濕試驗箱所設(shè)計采用的是谷輪公司的數(shù)碼渦旋壓縮機。

與其他變?nèi)萘繅嚎s機相比, 數(shù)碼渦旋壓縮機具有更寬廣的制冷制熱容量調(diào)節(jié)范圍(10%～100%) 、更精確的容量控制和室溫控制、更優(yōu)良的除濕性能、部分負(fù)荷時具有更高的能效比、低噪音與低振動、無電磁干擾、極佳的回油特性、系統(tǒng)簡單可靠等技術(shù)特點, 是目前技術(shù)水平最高的變?nèi)萘繅嚎s機。

(2) 采用風(fēng)冷再熱冷凝器取代電加熱器制冷系統(tǒng)的冷凝器會放出大量的冷凝熱, 通常這些冷凝熱量將作為廢熱排放到外界。而采用風(fēng)冷冷凝器作為再熱部件, 就可以回收制冷系統(tǒng)排放的冷凝熱量, 對空氣進行補償升溫, 從而無需消耗額外的加熱能量。這是一種非常節(jié)能的熱回收方案, 目前在除濕機上應(yīng)用較多, 但由于對溫度的控制精度差, 在恒溫恒濕試驗箱上一直難以得到應(yīng)用。

(3) 采用冷媒三通比例調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)再熱量由于冷凝熱量為制冷量和壓縮機輸入功率的總和, 對于一般空調(diào)器來說, 如果全部回收冷凝熱, 可以使空氣溫度升高 10～20℃, 而恒溫恒濕試驗箱經(jīng)其制冷系統(tǒng)降溫處理后的空氣溫度一般為 10～15℃, 如果再經(jīng)風(fēng)冷再熱冷凝器補償升溫, 空氣出風(fēng)溫度可達(dá) 20～30℃。這樣, 如果采用并聯(lián)連接的風(fēng)冷再熱冷凝器與水冷冷凝器雙位切換溫控方式, 必然存在著溫控精度差的

問題, 并進而影響濕度的控制。因此, 如果恒溫恒濕試驗箱配風(fēng)冷再熱冷凝器, 必須對冷凝熱的回收量進行控制和調(diào)配。

采用冷媒三通比例調(diào)節(jié)閥, 則可以實現(xiàn)制冷劑流量在并聯(lián)連接的風(fēng)冷再熱冷凝器與水冷冷凝器兩個支路之間的0～100%的比例分配,從而實現(xiàn)對流經(jīng)風(fēng)冷再熱冷凝器的制冷劑流量亦即再熱量的精確控制, 使得采用風(fēng)冷再熱冷凝器取代電加熱器的節(jié)能方案應(yīng)用于恒溫恒濕試驗箱成為可能。

(4) 采用 PLC 控制器和 PID 控制方案 應(yīng)用 PLC 控制器, 采用露點控制法, 并以濕度優(yōu)先控制為原則, 通過數(shù)碼渦旋壓縮機的無級加載和卸載, 對出風(fēng)露點溫度進行精確控制。數(shù)碼渦旋壓縮機不停機卸載的運行特性可以大幅度地減少壓縮機啟停次數(shù), 而且, 在部分工況下, 濕度可以得到精確控制, 加濕器運行時間減少, 系統(tǒng)更節(jié)能。應(yīng)用 PID 控制方案, 通過冷媒三通比例調(diào)節(jié)閥對流經(jīng)風(fēng)冷再熱冷凝器制冷劑流量的精確調(diào)配, 實現(xiàn)對出風(fēng)溫度的精確控制。

綜上所述, 采用一系列的先進節(jié)能技術(shù)的新型恒溫恒濕試驗箱, 理論上應(yīng)該實現(xiàn)節(jié)能和精確控制溫濕度的目標(biāo)。

3、節(jié)能型高精度恒溫恒濕試驗箱的實驗研究

采用申菱公司的常規(guī)水冷恒溫恒濕試驗箱 H14 為研究對象, 改造為如圖 2 所示系統(tǒng)的節(jié)能型高精度恒溫恒濕試驗箱 JH14, 機組的設(shè)計參數(shù)如下表 1:

(1) 名義制冷工況測試在保持室內(nèi)側(cè)空氣進口狀態(tài)干球/濕球溫度 23℃/17℃,冷卻水進水/出水溫度 30℃/35℃,常規(guī)恒溫恒濕試驗箱H14 不開啟電加熱器和加濕器、節(jié)能型恒溫恒濕試驗箱 JH14 的冷媒三通比例調(diào)節(jié)閥的風(fēng)冷再熱冷凝器側(cè)開度設(shè)定為 0%的情況下, 進行壓縮機滿載運行的名義制冷工況測試, 測試結(jié)果如上表 2 所示。

可見, 在壓縮機滿載運行狀態(tài)下, 且不進行加熱加濕時, 節(jié)能型JH14 恒溫恒濕試驗箱和常規(guī) H14 恒溫恒濕試驗箱相比, 制冷量稍大, 但功率也有所增大, 能效比卻稍低, 總體來說相差不大, 說明在滿載運行狀態(tài)下, 數(shù)碼渦旋壓縮機和普通渦旋壓縮機相比并無優(yōu)勢。

(2)調(diào)溫調(diào)濕性能測試在保持室內(nèi)側(cè)空氣進口狀態(tài)干球/濕球溫度 23℃/17℃,冷卻水進水/出水溫度 30℃/35℃,設(shè)定 30～80%的不同出風(fēng)相對濕度情況下, 以每 1℃為溫度設(shè)定步長, 進行 15～30℃的調(diào)溫性能測試。由于出風(fēng)溫度、相對濕度和功率存在不同程度的波動, 因此,每個測試工況的出風(fēng)溫度、相對濕度和功率的數(shù)據(jù)采集, 除了記錄機組運行穩(wěn)定 20 分鐘內(nèi)的平均值外, 還按最高值和最低值各采集 1 點,以檢測出風(fēng)溫濕度的控制精度和功率的波動范圍。

圖 3 為 H14 和 JH14 的機組的功率波動和平均消耗功率與設(shè)定出風(fēng)溫度的關(guān)系曲線, 可見, 與常規(guī)恒溫恒濕試驗箱 H14 相比, 雖然節(jié)能型恒溫恒濕試驗箱 JH14 因其數(shù)碼渦旋壓縮機在部分負(fù)荷時的周期性加卸載的運行特性造成功率有較大的波動, 但從整體來看, 由于數(shù)碼壓縮機可卸載運行和采用了冷凝熱回收技術(shù), 因此, 在所有測試工況下都有更好的節(jié)能表現(xiàn), 尤其是高溫低濕出風(fēng)工況, 節(jié)能型恒溫恒濕試驗箱JH14 的節(jié)能優(yōu)勢明顯。

圖 4～7 為實際出風(fēng)溫濕度與設(shè)定出風(fēng)溫濕度的關(guān)系曲線和偏差曲線, 可見, 與常規(guī)恒溫恒濕試驗箱 H14 出風(fēng)溫度±1.5℃, 出風(fēng)相對濕度±10%的控制精度相比, 節(jié)能型恒溫恒濕試驗箱 JH14 的出風(fēng)溫濕度波動更小, 無論是在溫度還是濕度的控制上, 都具有更高的精度, 基本可以實現(xiàn)溫度精度±0.5℃, 濕度精度±5%的高精度控制。這表明采用冷媒三通比例調(diào)節(jié)閥控制冷凝再熱量和 PID 控制方案是提高機組的溫濕度控制精度的有效手段。

4、結(jié)論

結(jié)合數(shù)碼渦旋壓縮機、冷凝熱回收技術(shù)、冷媒三通比例調(diào)節(jié)閥、PID 控制方案等先進的節(jié)能技術(shù)及控制方案, 研制出一種節(jié)能型高精度恒溫恒濕試驗箱。通過對我司普通恒溫恒濕試驗箱 H14 和經(jīng)改進的節(jié)能型高精度恒溫恒濕試驗箱樣機 JH14 的實驗研究和對比, 證明了這種新型的恒溫恒濕試驗箱, 雖然在滿載運行的工況下與常規(guī)恒溫恒濕試驗箱相比并無優(yōu)勢, 但在變工況的運行時, 有更好的節(jié)能效果, 尤其是高溫低濕出風(fēng)工況, 其節(jié)能優(yōu)勢更為明顯; 而且, 這種新型的恒溫恒濕試驗箱無論是在溫度還是濕度的控制上, 都具有更高的精度。