自动控制在制冷空调技术中的应用

2022-03-24宋玉明

电气传动自动化 2022年1期

宋玉明

（江苏省盐城技师学院，江苏盐城 224002）

目前，空调设备的普及率快速提升，对于该行业从业人员而言，要提升空调设备的使用效益，就要发展节能降耗技术。自动控制技术为空调设备节能降耗提供了可靠路径，相关研究人员针对不同用途的空调设备，制定科学合理的自动控制系统，借助这种方式提升空调设备的使用效率，降低能耗，减少污染。

1 制冷空调技术与自动控制融合的必要性

1.1 维持系统运行

借助自动控制技术，能够确保空调设备始终处于稳定的工作状态中。由于空调设备工作环境复杂，且工作强度较大，很容易在运行时出现异常情况，比较常见的是油压降低、吸气压力降低等。传统制冷空调技术无法对这些异常情况进行妥善处理，会造成空调设备突然停止工作，严重情况下还会损伤空调设备内部零件。采用自动控制技术，能够实现对于各项参数的实时监控，一旦自动控制系统监测到了空调某一项参数超过了警戒阈值，就会自动进行保护操作，同时发送故障报告。此外，如果故障较为严重，还可以通过自动控制系统实现故障性停机，进而起到保护空调的效果。

1.2 提升舒适度

运用自动控制技术，除了能够确保空调设备稳定运行之外，还可以有效提升人们的舒适度，实现在没有人工控制的条件下，空调设备进行自动调节。空调设备实际工作过程中，可以对温度、湿度、运行时间、流量等各项参数进行灵活控制，提供数据参考。此外，当外界条件改变的时候，通过自动控制系统，空调还可以自动转换工作模式，在提升舒适度的同时，降低空调运行功率，既可以降低空调运行成本，又能够实现节能减排，一举多得。

2 制冷空调自动化控制的具体方式

2.1 恒温恒湿空调自动控制

机械行业、仪表行业中，恒温恒湿房数量众多。这些恒温恒湿室对室内空气参数有着严格要求，同种情况下，恒温恒湿室内的干球温度为（20±1）℃，室内相对湿度需要保持在40%～60%，如果恒温恒湿室的空间有限，对于制冷量的要求不高，从节能降耗方面考虑，可以采用恒温恒湿制冷空调设备，恒温恒湿空调工作原理图如下（如图1所示）。

图1 恒温恒湿空调工作原理图

对于恒温恒湿房间而言，为了确保其室内的相对湿度以及温度符合标准，需要在室内安装相对湿度感应装置以及干球温度计，并通过恒温恒湿空调设备对室内的相对湿度以及温度进行实时调控。处于冬季的时候，室内的干球温度计会依据恒温恒湿室内热负荷需求，通过自动控制的方式控制加热器提供热量。夏季的时候，通过空调控制恒温恒湿房间内部的温度，供液电磁阀打开，新风与回风融汇，利用直膨式表面冷却器进行降温除湿，并在接近露点后，根据干球温度控制温度，依据室内空间的实际需要，自动控制电加热器开启加热程序。对于较大容量的机组，可根据容量分别由两个电磁阀控制直膨式冷盘管。制冷空调设备的电源与加湿设备关联，借助这种方式确保除湿功能和加湿功能，无法在相同的时间段内一同开启。春秋两季运行条件与夏季相似，但为了提升节能效果，可根据实际湿度自动挑选其中一个电磁阀以及相应的一组线圈轻载运行。

通过对恒温恒湿空调工作原理图的分析可以发现，空调生产厂家在设计产品时，依据以往的设计经验以及理论推算，使用了六排左、右排深的设计，在新风、回风量正常的情况下开启空调，供液电磁阀开启，即便事先没有在空调内部安装露点温度控制系统，该装置也能够令经过表冷却设备处理后的空气露点温度保持在点 1（6.7℃）与点 2（12.8℃）之间（如图2所示）。

图2 恒温恒湿空调调节露点温度范围

这种背景下，常规的恒温恒湿空调设备对于温度精度的控制可以达到±1℃，同时可以将室内的相对湿度控制在40%～60%这一范围内。若恒温恒湿室对于室内温度的精度要求更高，则常规的恒温恒湿空调就失去了调节温度、湿度的作用，需要使用更为专业的恒温恒湿空调。

这里需要注意的是，上面介绍的空调控制方式存在一定的缺陷，此类空调设备冷热补偿现象明显，设备运行时耗电量巨大，经济性差。但如果系统规模小，安装方便，则还有一定优势。如果恒温恒湿室内空间较大，使用固定露点温度控制方法是不可取的。对于空间较大的恒温恒湿室内空间，建议采用精密恒温恒湿空调设备。

2.2 精密恒温恒湿空调自动控制

与普通的恒温恒湿空调相比，精密恒温恒湿空调对于室内温度以及相对湿度的控制更为精确。理想情况下，该空调设备可以在±1℃区间内对室内空间的温度进行调控，而对于相对湿度的控制可以达到±5%，实现对于室内温度以及相对湿度的高精度控制。目前，在绝大多数精密机械加工车间、医药生产车间、食品加工车间以及精密仪表加工车间中，普遍运用这种精密恒温恒湿空调，并通过自动化控制系统，实现了对室内空间温度以及相对湿度的精准调控。

在实际工作过程中，针对那些小型系统，可以使用特定的空调控制方式（如图3所示）。所谓的小型系统，一般是指供冷量小于56kW，风量不超过10000m3／h的系统。图3为小型精密恒温恒湿空调内部基础结构。如果所在地区冬季气温较低，属于严寒区域，即空调设备在运行过程中，在新风阀门全关闭或者新风、回风混合后空气温度低于0℃，那么为了避免低温导致设备损坏，需要在该控制系统中加入预加热装置，提升设备运行环境的温度。从整体上看，新风是影响室内空间空气洁净度、湿度以及温度的最直接因素，因此在调试设备时，需要确保新风量的稳定不变。

图3 小型精密恒温恒湿空调控制方式示意图

通过对小型精密恒温恒湿空调内部结构的分析可以发现，冷水表冷器在工作过程中，会出现“除湿＋降温”的双重效应。根据这一特点，空调设备在工作过程中，需要由两个相互独立的控制设备对其进行控制，当检测到某一项参数未达标，则使用相应的控制器对精密恒温恒湿空调进行控制。

此外，干球温度计与相对湿度感应装置，分别配备了专属的信号感应传输装置，即TIC－1以及MIC－2。其中的一路信号控制蒸汽加湿装置以及热水加热装置。同时，TIC－1与MIC－2分出的另一路信号与XY－3选择器相连，XY－3选择器的主要作用是对TIC－1与MIC－2输入信号进行对比，执行其中信号输入量大的指令。这里需要注意的是，该设备中的蒸汽加湿装置以及冷水表冷装置，在不同季节应该进行分程管控。

这种控制模式适用于那些具有散湿负荷，且散湿负荷变化大的恒温恒湿室内空间。与普通的恒温恒湿空调相比，精密恒温恒湿空调并非依靠固定露点温度来管控室内空间的相对湿度以及温度，因此对于温度以及相对湿度的控制更为精确。尽管在一些相关研究中，研究人员将这种控制模式称为“非露点控制模式”，需要注意，不能用字面意思去理解精确恒温恒湿空调的工作原理，这并不代表经过精密恒温恒湿空调设备，表冷却装置处理的空气，可以超出露点温度限定范围。依照该设备工作原理，想要达到降低室内空间湿度的目的，需要确保室内温度符合露点温度要求。这种情况下，经过精密恒温恒湿空调处理的空气进入室内空间之后，会导致室内温度过冷，室内的相对湿度数值快速上升，这需要在精密恒温恒湿空调工作过程中，经常使用湿度控制装置来调节室内的相对湿度。但是频繁使用相对湿度控制器，对于再热的控制效果并不理想，无法满足空调设备节能降耗要求，因此只能在小型系统中推广使用，大中型系统中使用效果并不理想。

针对这一问题，设计人员可以从两方面入手对精密恒温恒湿空调进行自动控制优化。①在该系统中加装二次回风阀门，以自动控制取代热水加热器。②对该设备的空气处理流程进行更改，提升空气处理效率。

在该空气处理方式中，最为核心的一处改变是增加了一台小容量的新风处理设备。该设备的主要作用是当夏季来临的时候，对新风空气进行处理，确保新风空气的含湿量符合标准。该设备中使用固定露点温度控制模式，将新风中所含有的多余水分全部去除。经过除湿的新风空气再与回风汇合，降低空气中的水分含量。因此，当空气进入干冷冷却装置后，通过等湿的显热干冷却，就能够实现调节恒温恒湿室内温度的目的。

而从自动控制角度分析，该系统的控制难度较低，从整体上可以将该系统的控制模块分为两个：①新风处理装置控制模块；②主控器处理装置控制模块。

在该系统中，温度感应装置以及温度控制装置，共同组成了露点温度控制系统。该系统的主要功能是针对夏季具有较高水分含量的新风进行除湿，实际工作中，若外部环境的露点温度高于传感器设定的露点温度（通常情况下为11℃），空调内部的新风冷却除湿装置便会开始运行，对室内进行供冷。此时，该装置受到TIC－2的控制，确保室内温度始终处于设定值范围内。等到了冬季，户外气温低于室内温度设定值，此时新风加热装置便会自动运行，并接受TIC－2的控制，确保出风的温度符合要求。

该控制模式虽然有很大的优势，但也存在缺陷。当该房间的排风量过大，新风量也会随之增加，导致其在总风量中的比例增加。当这个比例达到某一临界点时，所得到的凉爽的低温空气已经在露点温度之下。一旦室内制冷量超过室内显热负荷，即使后干式表面冷却器的冷水阀完全关闭，室内温度设定值仍无法保持。为了避免这种室内温度和湿度参数的不平衡，需要安装二次加热装置，由此便形成了全新风直流空调系统。在直流空调系统中，无论是维持排风的恒温恒湿条件，还是维持目标房间恒温恒湿的环境，在空气处理过程中都无法避免二次加热。