CN101839528A - 一种用于独立调节室内空气湿度的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于独立调节室内空气湿度的控制装置，包括冷却塔、新风机组、冷冻机、控制器、第一温度传感器、第二温度传感器、预冷却水泵、冷却水泵、冷冻水泵、湿度传感器、阀和水管。第一温度传感器一端连接在冷却塔出水口，另一端连接在控制器中；第二温度传感器和预冷却水泵分别与控制器连接；湿度传感器与控制器一端连接，该控制器同时与冷冻机和阀连接。冷冻机的第一输入口与冷却塔的出水口连接，第一输出口与除湿盘管的输入口连接，第二输入口与除湿盘管的输出口连接，第二输出口与冷却塔的进水口连接。在该装置中，预冷却盘管起到节能作用。同时，湿度传感器跟踪室内负荷变化，调节冷冻机的出水温度，也能达到节能目的。

Description

一种用于独立调节室内空气湿度的控制装置

技术领域

本发明属于中央空调节能技术和室内空气品质控制技术应用领域，具体来说，涉及一种用于独立调节室内空气湿度的控制装置。

背景技术

建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。以采暖和空调为代表的耗能已占建筑总消耗的50％左右，制冷空调消耗的电力占城市总消耗电力的20％-30％；同时，由于卫生要求的提高，室内空气品质问题日益受到重视。在夏季湿度过高容易滋生细菌并使人感觉闷热，降低工作效率。多数空调系统没有专门湿度控制机构，室内相对湿度常常达到75％以上，在常规空调设计中由于采用温湿度耦合控制，因此降低湿度必须降低温度，而降低温度也会造成过冷以及额外的能耗，除了空调系统能耗外，降低温度还造成建筑与外界传热温差增加，使冷量消耗更多。因此，在控制室内空气品质的同时实现最大限度的节能越来越引起人们的重视。

实现室内湿度的独立控制是解决节能和提升室内空气品质的最优方法之一。

自然冷却技术是可以有效降低能耗的一种方法，但一般用在冬季需要制冷的场合以及过渡季节，将室外温度较低的空气不经处理大量引入室内，对室内进行降温控制。但是，直接引入室外空气无法控制室内湿度。而且对于已经投入运行的设备，其风管尺寸是固定的，增加空气流量不现实，无法升级改造。

在目前的中央空调系统中，冷冻机和水流量都是按照峰值负荷计算选取，输出7℃的冷冻水。在部分负荷时，降低阀门开度控制冷冻水流量的方式，调节所需要的输出冷量。而在部分负荷时，空调盘管的水流量降低，意味着盘管的换热能力未充分利用。全部采用降低阀门开度的方法进厅调节，也会把水泵的输出功率消耗在不需要的阻力上。同时，在过渡季节的气候条件和部分负荷的室内条件下，较高的冷冻水温度即可满足控制室内湿度的要求，此时仍然提供低温冷冻水造成高品位能源的浪费。

当前，常见的室内湿度独立控制方法有固体转轮吸湿处理方法和液体喷淋除湿处理方法。采用固体转轮吸湿处理方法，是在新风通道中安装大型的转轮，在转轮表面涂有化学试剂。新风通过时，通过转轮表面的化学试剂吸取新风中的水分。采用液体喷淋除湿处理方法，是在新风通道中安装大型的喷淋装置。当新风通过时，通过喷淋装置喷洒其中的化学试剂。通过化学试剂吸收新风中的水分。由于化学试剂还需循环使用，所以在这两种除湿方法中都需要应用大量设备进行化学试剂的再生工作。同时，在使用化学试剂处理新风的过程中，常用的吸湿剂微粒，如溴化锂、氯化钙，也有可能进入空气，从而引起空气腐蚀、危害人体健康。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于独立调节室内空气湿度的控制装置，以合理应用现有空调系统中的设备，实现独立控制室内湿度，保证室内空气质量，提高冷冻机的能效比。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于独立调节室内空气湿度的控制装置，其特征在于，包括冷却塔、新风机组、冷冻机、控制器、第一温度传感器、第二温度传感器、预冷却水泵、冷却水泵、冷冻水泵、湿度传感器、阀和水管；

所述新风机组包括新风通道、过滤器、预冷却盘管和除湿盘管，其中，新风通道含有进风口和出风口，过滤器、预冷却盘管和除湿盘管依次顺序排列在新风通道的进风口和出风口之间；

所述冷却塔的出水口通过水管与新风机组中的预冷却盘管的输入口连接，预冷却盘管的输出口通过水管与冷却塔的进水口连接，在预冷却盘管与冷却塔之间设置预冷却水泵；

所述第一温度传感器一端连接在冷却塔的出水口，另一端连接在控制器中，第二温度传感器和预冷却水泵分别与该控制器连接；

所述冷冻机含有进水管道和出水管道，该进水管道两端分别为第一输入口和第一输出口，该出水管道两端分别为第二输入口和第二输出口；该第一输入口与冷却塔的出水口通过水管连接，该第一输出口与新风机组中的除湿盘管的输入口通过水管连接，该第二输入口与除湿盘管的输出口通过水管连接，该第二输出口与冷却塔的进水口通过水管连接；其中，在连接冷冻机进水管道的水管中设置有冷却水泵，在连接冷冻机出水管道的水管中设置有冷冻水泵；在冷冻机与新风组件中的除湿盘管之间设置阀；

所述湿度传感器位于室内，其与控制器一端连接，该控制器另一端分别与冷冻机和阀连接。

采用上述技术方案，可以在同一台新风机组中综合利用冷却塔的自然冷却能力和冷冻机的低温冷冻能力达到节能的目的。在室内负荷发生变化时，通过湿度传感器主动跟踪负荷变化并调节冷冻机的出水温度，使冷冻机的效率保持在较高水平，达到节能目的。在部分负荷时充分利用除湿盘管的换热能力，提高设备利用率，达到节能目的。理论计算表明，本技术方案的控制方法可以实现新风系统制冷能耗节能30％左右。

附图说明

图1是本发明的系统流程图。

图2是本发明中利用冷却塔自然冷却的工作原理图。

图3是本发明中利用冷冻机低温冷冻的工作原理图。

其中，1、冷却塔，2、新风机组，201、新风通道，201a、进风口，201b、出风口，202、过滤器，203、预冷却盘管，204、除湿盘管，3、冷冻机，3a、第一输入口，3b、第一输出口，3c、第二输入口，3d、第二输出口，4、第一温度传感器，5、第二温度传感器，6、预冷却水泵，7、冷却水泵，8、冷冻水泵，9、湿度传感器，10、阀，11、房间，图中箭头表示冷却水或者空气流动方向。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种用于独立调节室内空气湿度的控制装置，包括冷却塔1、新风机组2、冷冻机3、控制器、第一温度传感器4、第二温度传感器5、预冷却水泵6、冷却水泵7、冷冻水泵8、湿度传感器9、阀10和水管。其中，控制器优选直接数字控制器(英文全称为Direct Digital Controller，下文简称DDC控制器)。新风机组2包括新风通道201、过滤器202、预冷却盘管203和除湿盘管204。

新风通道201含有进风口201a和出风口201b，过滤器202、预冷却盘管203和除湿盘管204依次顺序排列在新风通道201的进风口201a和出风口201b之间。当新风从新风通道201的进风口201a进入后，先经过过滤器202，再经过预冷却盘管203，接着流过除湿盘管204，最后从出风口201b进入房间11。

冷却塔1的出水口通过水管与新风机组2中的预冷却盘管203的输入口连接，预冷却盘管203的输出口通过水管与冷却塔1的进水口连接，在预冷却盘管203与冷却塔之间设置预冷却水泵6。由于进入预冷却盘管203前的水流温度大于流出预冷却盘管203的水流温度，为避免在低温下，预冷却水泵6不能正常工作，预冷却水泵6的位置以位于冷却塔1的出水口和预冷却盘管203的输入口之间为佳。

通过过滤器202过滤新风中的尘埃和杂质。过滤后的新风再经过预冷却盘管203，通过自然冷却的方法对新风进行冷却。然后新风再经过除湿盘管204，通过冷冻机3中的冷却水对新风进行再次除湿降温。最后经过两次除湿的新风通过出风口201b进入房间11。

所述第一温度传感器4一端连接在冷却塔1的出水口，另一端连接在DDC控制器中。第二温度传感器5和预冷却水泵6分别与该DDC控制器连接。第二温度传感器5置于室外，其位置以放置在靠近新风通道201的进风口201a为佳。如图2所示，第一温度传感器4测得的冷却塔1出水口的水温，第二温度传感器5测得的室外空气温度，都输送到DDC控制器。本发明中的DDC控制器优先采用比例积分微分算法(英文全称为Proport ionIntegrat ionDifferentiation，下文简称PID算法)。DDC控制器通过运算，可以控制预冷却水泵6的开闭状态以及打开程度。当第一温度传感器4测得的冷却塔1出水口的水温，大于或等于第二温度传感器5测得的室外空气温度，则DDC控制器控制预冷却水泵6处于闭合状态。当第一温度传感器4测得的冷却塔1出水口的水温，小于第二温度传感器5测得的室外空气温度，则DDC控制器控制预冷却水泵6处于打开状态，使冷却塔1中的水流经预冷却盘管203，对新风进行预冷却。预冷却盘管203可以减轻除湿盘管204的负荷，也就是降低冷冻机3的负荷。因为在物理学上冷冻机3的输出能量形式是高品位的能量，消耗大量电能，而冷却塔1的能量输出是低品位的，向空气散热，使用低品位能量的预冷却盘管203来降低高品位能量的冷冻机3的消耗。

所述冷冻机3含有进水管道和出水管道，该进水管道两端分别为第一输入口3a和第一输出口3b，该出水管道两端分别为第二输入口3c和第二输出口3d；该第一输入口3a与冷却塔1的出水口通过水管连接，该第一输出口3b与新风机组2中的除湿盘管204的输入口通过水管连接，该第二输入口3c与除湿盘管204的输出口通过水管连接，该第二输出口3d与冷却塔1的进水口通过水管连接；其中，在连接冷冻机3进水管道的水管中设置有冷却水泵7，在连接冷冻机3出水管道的水管中设置有冷冻水泵8；在冷冻机3与新风组件2中的除湿盘管204之间设置阀10。在进水管道中，进入冷冻机3前的水流温度大于流出冷冻机3的水流温度。为避免冷却水泵7在低温下条件不能正常工作，冷却水泵7的位置以设置在冷却塔1的出水口与冷冻机3的第一输入口3a之间。同样，在出水管道中，进入冷冻机3前的水流温度小于流出冷冻机3的水流温度。为避免冷冻水泵8在低温下条件不能正常工作，冷冻水泵8的位置以设置在冷冻机3的第二输入口3c和除湿盘管204的输出口之间。因为从冷冻机3的第一输出口3b流出的水流温度，小于进入冷冻机3第二输入口3c的水流温度，所以，为保证阀10正常工作，阀10位于冷冻水泵8和除湿盘管204的输出口之间。

所述湿度传感器9位于室内，其与DDC控制器一端连接。该DDC控制器另一端分别与冷冻机3和阀10连接。在室内负荷发生变化时，湿度传感器9测得的室内湿度，传递给DDC控制器。

如图3所示，该DDC控制器经过PID算法运算，可以控制冷冻机3和阀门10，直至室内湿度达标。当湿度传感器9测得的房间11内的湿度大于DDC控制器中设定的目标湿度值的时候，DDC控制器优先控制阀10，使阀10的开度变大，目的是增大冷冻水的流量，提供更多除湿能力。如果阀10的开度已达到最大时，房间11内部湿度还不能降低到目标湿度值，则DDC控制器控制冷冻机3降低其输出的冷冻水温度，即第一输出口3b处的水流温度，进一步增强除湿能力。当湿度传感器9测得的房间11内的湿度小于DDC控制器中设定的目标湿度值的时候，则DDC控制器优先控制冷冻机3，提高其输出的冷冻水温度，即，提高冷冻机第一输出口3b处的水温，目的是降低除湿能力。如果冷冻机3从第一输出口3b处输出的冷冻水温度已达到冷冻机3的上限时，室内湿度仍然低于目标湿度，则DDC控制器开始控制阀门10，降低其开度，目的是减少冷冻水流量，降低除湿能力。

在本发明的技术方案中包括冷冻水循环和冷却水循环，两个循环往复进行。冷却塔1的出口冷却水分为两部分，一部分由预冷却泵6送入新风机组2中的预冷却盘管203，对送入房间11之前的新风进行预冷后，流至冷却塔1中散热，完成一个冷却水循环。另一部分由冷却水泵7送入冷冻机3用于冷凝器散热以获得冷冻水，冷冻水流经新风机组2中的除湿盘管204后，又通过冷冻机3流至冷却塔1中散热，完成一个冷冻水循环。

根据建筑热负荷计算理论，采用本发明的技术方案，制冷机组需要提供的制冷量为：

Q_C＝Q_RL+Q_OA-Q_PC              (1)

常规的空调系统中新风所需要的制冷量是：

Q_C1＝Q_RL+Q_OA                 (2)

其中：Q_C是本发明控制装置中需求的冷冻机3的总制冷负荷，Q_C1是一般空调系统中需求的冷冻机的总制冷负荷，QR_L是房间11内的湿负荷，Q_OA是送入房间11的新风的湿负荷，Q_PC是预冷却盘管203所能提供的预冷却制冷量。

对于冷冻机来说，输出Q_C的制冷量其耗电量为：

P＝Q_C/COP                    (3)

其中，P是耗电量，COP是冷冻机性能系数。

冷冻机的性能系数可以利用下式进行理论计算：

COP＝T_E/(T_C-T_E)            (4)

其中：T_E是冷冻机3内的蒸发温度，可以用冷冻机3的第一输出口3b处的出水温度T_3b代替，T_C是冷冻机3内的冷凝温度，可以用冷却塔1的出口处温度T_CT代替，即：

COP＝T_3b/(T_CT-T_3b)         (5)

T_CT根据所选择的冷却塔1的大小不同有不同的性能曲线，标准冷却塔的性能为：

T_CT＝T_WB+3                 (6)

T_WB是室外空气的湿球温度。

预冷却盘管203可以提供的冷却能力为：

Q_PC＝K*F*DT                (7)

其中K是预冷却盘管203的传热系数，F是预冷却盘管203的面积，DT是冷却塔1出口水温T_CT和室外空气干球温度的差。

由公式(1)和(2)可知，对于同样的房间负荷，本发明装置所需要的制冷量比传统装置少Q_PC，即节能Q_PC。

由公式(5)可知，冷却水温度每降低1度，冷冻机3性能系数提高大约3％，冷冻水温度提高1度，冷冻机3性能系数提高大约3％，而在传统的控制装置中，水温度都是固定的，也就是说每变化1度在新的控制装置中得到同样的制冷量所需要的耗电量就降低约3％。

综上，本发明的技术方案利用冷冻水除湿为核心控制室内相对湿度，以自然冷却为辅助降低冷冻机3工作负荷，同时根据目标参数实时控制冷冻机3温度，可以在同一台新风机组2中综合利用冷却塔1的自然冷却能力和冷冻机3的低温冷冻能力达到节能的目的。在室内负荷发生变化时，通过湿度传感器9主动跟踪负荷变化并调节冷冻机3的出水温度，提高设备利用率，使冷冻机3的效率保持在较高水平，从而达到节能目的。

Claims (8)

1.一种用于独立调节室内空气湿度的控制装置，其特征在于，包括冷却塔(1)、新风机组(2)、冷冻机(3)、控制器、第一温度传感器(4)、第二温度传感器(5)、预冷却水泵(6)、冷却水泵(7)、冷冻水泵(8)、湿度传感器(9)、阀(10)和水管；

所述新风机组(2)包括新风通道(201)、过滤器(202)、预冷却盘管(203)和除湿盘管(204)，其中，新风通道(201)含有进风口(201a)和出风口(201b)，过滤器(202)、预冷却盘管(203)和除湿盘管(204)依次顺序排列在新风通道(201)的进风口(201a)和出风口(201b)之间；

所述冷却塔(1)的出水口通过水管与新风机组(2)中的预冷却盘管(203)的输入口连接，预冷却盘管(203)的输出口通过水管与冷却塔(1)的进水口连接，在预冷却盘管(203)与冷却塔(1)之间设置预冷却水泵(6)；

所述第一温度传感器(4)一端连接在冷却塔(1)的出水口，另一端连接在控制器中；第二温度传感器(5)位于室外，并且第二温度传感器(5)和预冷却水泵(6)分别与该控制器连接；

所述冷冻机(3)含有进水管道和出水管道，该进水管道两端分别为第一输入口(3a)和第一输出口(3b)，该出水管道两端分别为第二输入口(3c)和第二输出口(3d)；该第一输入口(3a)与冷却塔(1)的出水口通过水管连接，该第一输出口(3b)与新风机组(2)中的除湿盘管(204)的输入口通过水管连接，该第二输入口(3c)与除湿盘管(204)的输出口通过水管连接，该第二输出口(3d)与冷却塔(1)的进水口通过水管连接；其中，在连接冷冻机(3)进水管道的水管中设置有冷却水泵(7)，在连接冷冻机(3)出水管道的水管中设置有冷冻水泵(8)；在冷冻机(3)与新风组件(2)中的除湿盘管(204)之间设置阀(10)；

所述湿度传感器(9)位于室内，其与控制器一端连接，该控制器另一端分别与冷冻机(3)和阀(10)连接。

2.按照权利要求1所述的用于独立调节室内空气湿度的控制装置，其特征在于，在预冷却盘管(203)与冷却塔(1)之间设置的预冷却水泵(6)位于冷却塔(1)的出水口和预冷却盘管(203)的输入口之间。

3.按照权利要求2所述的用于独立调节室内空气湿度的控制装置，其特征在于，在连接冷冻机(3)进水管道的水管中设置的冷却水泵(7)，设置在冷却塔(1)的出水口与冷冻机(3)的第一输入口(3a)之间。

4.按照权利要求3所述的用于独立调节室内空气湿度的控制装置，其特征在于，在连接冷冻机(3)出水管道的水管中设置的冷冻水泵(8)，设置在冷冻机(3)的第二输入口(3c)和除湿盘管(204)的输出口之间。

5.按照权利要求4所述的用于独立调节室内空气湿度的控制装置，其特征在于，在冷冻机(3)与新风机组(2)中的除湿盘管(204)之间设置的阀(10)，位于冷冻水泵(8)和除湿盘管(204)的输出口之间。

6.按照权利要求5所述的用于独立调节室内空气湿度的控制装置，其特征在于，所述的第二温度传感器(5)临近新风通道(201)的进风口(201a)。

7.按照权利要求1至6中任何一项所述的用于独立调节室内空气湿度的控制装置，其特征在于，所述的控制器为DDC控制器。

8.按照权利要求7所述的用于独立调节室内空气湿度的控制装置，其特征在于，所述的DDC控制器采用PID算法。

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