高精度恒温恒湿空调智能控制策略研究

宋俊峰，李猛，陈忠，车霞

（依米康科技集团股份有限公司）

1 传统恒温恒湿空调控制现状

传统恒温恒湿空调通常由以下器件组成：定频压缩机、多级电加热、电极式加湿器、除湿电磁阀、热力膨胀阀、AC风机和低精度温湿度传感器，器件均采用启停控制的方式，其控制的温湿度波动较大，通常温度控制精度为±2℃，湿度控制精度为±5%，其控制策略如下：

1）制冷

当室内环境温度高于设定温度时，开启定频压缩机制冷对环境进行降温；当室内环境温度达到设定温度时，压缩机关闭。

2）加热

当室内环境温度低于设定温度时，开启电加热制热；当室内环境温度达到设定温度时，电加热关闭。电加热采用分级控制的方式，电加热匹配量为制冷量的60%。

3）除湿

当室内环境湿度高于设定湿度时，压缩机运行，并开启除湿电磁阀除湿；当室内环境湿度达到设定湿度时，除湿电磁阀关闭。当室内环境湿度高于设定湿度，且室内环境温度低于设定温度时，压缩机持续运行对环境进行制冷除湿，同时电加热分级投入，保证环境温度不会降至太低。

4）加湿

当室内环境湿度低于设定湿度时，开启电极式加湿器加湿；当室内环境湿度达到设定湿度时，电极式加湿器关闭。加湿器采用启停控制，湿度控制参数采用相对湿度控制。

2 传统恒温恒湿空调控制的缺点

1）压缩机、电加热和加湿器均采用启停控制，导致控制精度低。对于所有启停控制的器件，在开启和停止时，其输出均具有滞后的惯性。例如，给定一个持续散热的环境，空调设定温度为24℃，当环境温度为25℃时，压缩机开启到系统运行稳定需要5～10min，在压缩机开启过程中，环境温度持续升高至26℃左右，此时，制冷系统输出最大制冷量，环境温度开始持续降低[1]。当环境温度达到23℃时，压缩机关闭，由于制冷系统的冷量惯性，环境温度持续降低，最小低至22℃，温度控制精度为±2℃。不能通过降低开启温度和提高停止温度来达到提高空调设备的控制精度是因为频繁启停会严重影响压缩机寿命，一般要求压缩机最小运行时间为3min，最小停机时间为5min，因此，空调的启停温差控制在2℃已经是极限。同样的问题出现在电加热和加湿器启停控制上，加热器和加湿器从关闭到开启状态需要预热；加热器和加湿器关闭后，会惯性输出一定的热量和湿量，而通过缩短启停时间来实现控制精度的提高，将导致器件寿命严重缩短。因此，在启停控制策略下，环境温湿度波动较大，通常温度控制精度为±2℃，湿度控制精度为±5%。

2）对于无热源的低温高湿环境，传统恒温恒湿空调稳定周期更长且除湿效果差。传统恒温恒湿空调在无热源的环境中将面临更大的挑战，例如，在无热源的低温高湿环境下（江南地区梅雨季节气候条件下），环境温湿度为20℃、RH70%，设定温湿度为24℃、RH50%，要达到设定温湿度，空调机组需要制冷除湿，并利用辅助电加热给环境补偿热。而传统恒温恒湿空调的电加热匹配量为压缩机制冷量的60%，低温压缩机停止温度为18℃，在实际运行过程中，空调的运行状态为电加热开启，压缩机运行，并进行除湿加热。由于电加热量小于制冷量，环境温度会迅速降低至压缩机停止温度点。此时，压缩机停止运行，电加热补偿热量。当环境温度升高至20℃时，压缩机再次开启。如此反复循环，直至湿度达到设定要求后，再由电加热补偿到设定温度点。环境温湿度稳定的周期非常长，且温湿度精度比常规环境更差。

3）湿度控制参数采用相对湿度控制，导致耗能。对于密闭的环境，随着温度的变化，相对湿度将不断变化，但空气中水蒸气的含量不变，即空气含湿量不变。例如，环境温湿度为23℃、RH45%，其绝对含湿量为10.47g/kg，设定温湿度为24℃、RH50%，其绝对含湿量为9.41g/kg。若采用相对湿度控制，则控制逻辑应为制热加湿；若采用绝对湿度控制，则控制逻辑应为制热除湿。这种情况下，采用相对湿度控制将会导致过度加湿。

3 高精度恒温恒湿空调智能控制策略

针对传统恒温恒湿空调控制的缺点，提出一种新型的高精度恒温恒湿空调智能控制策略，其主要器件组成如下：直流变频压缩机、SCR电加热、SCR加湿器、除湿电磁阀、电子膨胀阀、EC风机和高精度温湿度传感器[2]。温湿度的控制不再单纯采用偏差算法，而是采用精确的百分比需求和PID控制相结合的算法，其控制的温湿度范围波动非常小，通常温度控制精度可达±0.2℃，湿度控制精度可达±2%，控制策略如下：

1） 温湿度目标需求算法

需求＝[(检测值-设定值)/精度]×100%。

2）带限值的PID算法

利用温湿度检测值与设定值偏差的比例积分微分进行反馈控制，通过P（比例）算法控制温湿度偏差，I（积分）算法控制温湿度变化时间长度，D（微分）算法控制温湿度变化的速率，表达式如下：

式中，u(k)为第k次采样时刻的温度（湿度）控制输出（带限值）；uP(k)为第k次采样时刻的P作用（带限值）；uI(k)为第k次采样时刻的I作用（带限值）；uD(k)为第k次采样时刻的D作用（带限值）；e(k)为第k次采样时刻的温度（湿度）偏差；T为采样周期；Ti为温度（湿度）积分参数；e(j)为第1次到第k次采样时刻的温度（湿度）偏差；TD为温度（湿度）微分参数；e(k-1)为第k-1次采样时刻的温度（湿度）偏差。

3）变容量制冷

为解决压缩机启停带来的温湿度惯性，压缩机初始以20%的频率运行，当室内环境制冷量需求变化时，根据目标需求和PID控制算法，压缩机升频或降频至计算频率，同时改变EC风机转速，线性调节风量，压缩机和风机配合输出精确的冷量。

4）无级调节加热

为解决电加热启停带来的温湿度惯性，SCR电加热初始以30%的热量输出。当室内环境制热量需求变化时，根据PID控制算法，SCR可控硅电加热无级调节输出精确的加热量。

5）无级调节加湿

为解决加湿器启停带来的温湿度惯性，加湿器保持预热状态。当室内环境湿度需求变化时，根据PID控制算法，SCR可控硅加湿器无级调节输出精确的加热量。

6） Fuzzy-PID 除湿

除湿控制采用Fuzzy-PID复合控制算法，即将模糊控制与PID控制算法相结合，在湿度偏差较大时采用模糊控制算法，即室内环境湿度远高于设定湿度时，压缩机保持当前频率运行，开启除湿电磁阀除湿；在湿度偏差较小时采用PID控制算法，通过电子膨胀阀调节蒸发温度，进而调节除湿量。

7）湿度控制

湿度控制参数采用绝对含湿量控制。高精度恒温恒湿空调智能控制策略耦合关系如图1所示。

图1 高精度恒温恒湿空调智能控制策略耦合关系

4 高精度恒温恒湿空调智能控制方式的优势

1） 变频压缩机和无级调节的电加热、加湿器可有效消除温湿度控制的惯性。例如，给定一个持续散热的环境，空调设定温度为24℃，环境温度为25℃，此时，变频压缩机以50Hz的频率运行对环境进行降温，当环境温度变为24.5℃时，压缩机频率降低为35Hz，当环境温度变为24.0℃时，压缩机频率降至最低频率20Hz。此时，SCR电加热输出30%，SCR电加热量与制冷量基本持平，环境维持在恒定的24.0℃。若热负荷变大，则压缩机升频，从而输出更大的制冷量，配合SCR电加热，环境温度可长期维持在恒定的24.0℃。若热负荷变小，则压缩机维持20Hz频率，SCR电加热加大热量的输出，环境温度也可长期维持在恒定的24.0℃。当温度变化0.1℃时，变频压缩机频率随即发生变化，其响应速度及精度远高于定频压缩机。通常温度控制精度可达±0.2℃，同理，对于湿度控制，SCR加湿器配合除湿电磁阀工作，湿度变化0.5%时，加湿器输出量和除湿电磁阀随即发生动作，可把湿度精度稳定地控制在±2%。

2）在无热源的低温高湿环境，除湿迅速。除湿和加热同时运行可大大缩短环境稳定的时间。例如，在无热源的低温高湿环境下（江南地区梅雨季节），环境温湿度为20℃、RH70%，设定温湿度为24℃、RH50%，为达到设定的温湿度，变频压缩机按照除湿频率恒定输出60Hz，同时除湿电磁阀打开，电加热输出70%，电加热输出热量大于60Hz压缩机运行时的制冷量。在除湿的同时，室内温度稳步上升，达到设定值[3]。

3）湿度控制参数采用绝对含湿量控制，避免了过度加湿和除湿。温湿度控制对比曲线如图2所示。

图2 温湿度控制对比曲线

5 应用实例

浙江某精密仪器实验室使用普通恒温恒湿空调，室内温度始终偏低，湿度始终过高，无法达到设定的需求，在引入高精度恒温恒湿智能空调系统后，通过调整PID算法参数和温湿度偏差阈值等，即使室外为阴雨连绵的天气，室内湿度也可控制在±2%，温度控制在±0.3℃，建设了长期以来所期望的理想实验室环境。

6 结语

高精度恒温恒湿智能空调系统的主要器件有直流变频压缩机、SCR电加热、SCR加湿器、除湿电磁阀、电子膨胀阀、EC风机和高精度温湿度传感器。高精度恒温恒湿空调智能控制策略有目标需求算法和PID计算制冷量输出、PID计算加热量输出、PID计算加湿量输出、Fuzzy-PID计算除湿量以及湿度参数采用绝对含湿量控制。