CN113932365B - 一种具有双换热器的八区分步式环控系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双换热器的八区分步式环控系统及其控制方法，系统包括控制系统、第一换热器、加湿器、第二换热器和风机，以及设于第一换热器进风侧的进风露点温度传感器、进风干球温度传感器，设于第二换热器出风侧的出风干球温度传感器，设于两换热器之间的中间干球温度传感器，设于第一换热器盘管处的第一换热器盘管温度传感器；控制系统分别与各个温度传感器以及换热器、加湿器、风机电连接。本发明方法由控制系统采集温度传感器测量的数据，并结合设定的参数进行判断，进入相应的工作模式。本发明可使被处理的空气状态全面覆盖，没有控制盲点，同时避免负载产生结露现象，可广泛应用于今后的环控集成系统，实现温湿度可控。

Description

一种具有双换热器的八区分步式环控系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及环控系统领域，具体是一种具有双换热器的八区分步式环控系统及其控制方法。

背景技术

因电子设备受潮带来的某些隐患和故障，如构件和器件锈蚀、绝缘破损等，促使人们采取措施来应对。同时，对一些重要的人机环境，人们也提出了一些舒适性的要求，包括环境温度、湿度和洁净度等因素，从而使传统的空调技术逐步向综合环控集成系统方向发展。目前，从被服务对象来看，环控集成系统可分为以设备为主和以人为主的两大类环控系统。

以人为主的环控系统，例如，国内、外对工作舱温度环境的医学研究，一般分为舒适（正常、维持）、工效（保证、降格）和耐受（安全、极限）三档六级。舒适区指标除了要求舱温度在24℃～28℃外，相对湿度也有明确规定，如40%～65%。若相对湿度在20%以下时，人体会加速向空气散发水分，使人觉得口干、乏力；若相对湿度在70%以上时，人体会产生黏黏糊糊的感受，很不舒服。所以，现代的环控系统有了温湿度并存的要求。

以设备为主的环控系统，例如，以往的电子舱用空调通常设定进风温度在18℃～32℃，进、出风温差一般在7℃～14℃，当舱内湿度大时自然会造成空调出风相对湿度更大，无疑增加了电子设备的受潮风险。另外，传统空调当控制温度达到设定值后，压缩机会停机，此时由于送风露点温度无法控制，造成机柜内瞬时结露，严重影响到电子设备的正常工作。目前，相对有效的办法是：①加大空调的循环风量，减小温差，如7℃，从而减小结露风险；②提高送风温差的稳定性，如单位小时内温度的变化率≤5℃，控制压缩机启停等办法；③控制回风或送风相对湿度，阻止结露风险。而如何利用露点温度传感器参加对湿度的控制，控制住送风的含湿量，相关报道不是很多。

目前，环控集成系统的末端通常都有一级或多级制冷单元、制热单元和加湿单元（需要时）等，用于调节空气的温、湿度，同时通过控制系统对其进行监控，其控制程序非常复杂。这对于一些需要快速响应、空间有限的装备来说，很难实施。如何通过简单、可靠的控制方法来实现，值得研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有双换热器的八区分步式环控系统及其控制方法，利用露点温度和干球温度，为温湿度控制提供一种简单、可靠的解决方案，以解决现有技术环控系统难以快速控制的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种具有双换热器的八区分步式环控系统，包括双换热器和设于两个换热器中第一换热器、第二换热器之间的加湿器，其中两个换热器共用位于第二换热器出风侧的风机，其特征在于，还包括控制系统，以及设于第一换热器进风侧的进风露点温度传感器、进风干球温度传感器，设于第二换热器出风侧的出风干球温度传感器，设于两换热器之间的中间干球温度传感器，设于第一换热器盘管处的第一换热器盘管温度传感器；

所述进风露点温度传感器、进风干球温度传感器、出风干球温度传感器、中间干球温度传感器、第一换热器盘管温度传感器分别与控制系统信号传递电连接，所述控制系统分别与第一换热器、第二换热器、加湿器、风机控制电连接；

空气经依次经第一换热器、加湿器、第二换热器后送出，其中由进风露点温度传感器采集第一换热器进风侧的进风露点温度T_1露并送入控制系统，由进风干球温度传感器采集第一换热器进风侧的进风干球温度T₁并送入控制系统，由中间干球温度传感器采集两个换热器之间的中间干球温度T₂并送入控制系统，由出风干球温度传感器采集第二换热器出风侧的出风干球温度T₃并送入控制系统，由第一换热器盘管温度传感器采集第一换热器盘管温度T₀并送入控制系统，所述控制系统基于各个温度传感器采集的温度数据对第一换热器、第二换热器、加湿器、风机进行控制。

进一步的，所述的第一换热器为制冷功能的翅片式换热器，具体为压缩机制冷循环中的蒸发器，或者是低温载冷剂用的换热器，第一换热器的投冷量通过受控于控制系统的电磁阀门调节。

进一步的，所述的第二换热器为制热功能的换热器，具体为电加热器，或者是高温载冷剂用的换热器，第二换热器的投热量通过受控于控制系统的电磁阀门调节。

一种具有双换热器的八区分步式环控系统的控制方法，包括以下步骤：

第一步、由控制系统进行参数设定，设定的参数至少包括：所要求的干球温度T_设和上、下限值△t₁，下限露点温度T_露下和下偏差值△_露下，上限露点温度T_露上和上偏差值△_露上；

所述控制系统根据T_设-△t₁、T_设+△t₁、T_露下和T_露上四个参数在空气焓湿图中形成一个长方形区域作为目标控制区，并以△_露下和△_露上为优化控制用的容差值；

第二步、由控制系统获取进风露点温度T_1露、进风干球温度T₁、出风干球温度T₃、中间干球温度T₂和第一换热器盘管温度T₀；

第三步、由控制器先对进风露点温度T_1露进行判断是否存在T_1露< T_露下、T_露下≤T_1露≤T_露上、T_1露> T_露上这三种情况，若出现三种情况中的任意一种情况，则再对进风干球温度T₁进行判断并进行控制，控制过程如下：

当存在第一种情况T_1露< T_露下时，对进风干球温度T₁判断，则有：

1a)当T₁≤T_设-△t₁，进入模式一，即加湿+制热模式，此时控制系统控制加湿器、第二换热器和风机工作；

1b)当T_设-△t₁<T₁< T_设+△t₁，进入模式二，即加湿模式，此时控制系统控制加湿器和风机工作；

1c)当T₁≥T_设+△t₁，进入模式三，即加湿+制冷模式，此时控制系统控制加湿器、第一换热器和风机工作；

当存在第二种情况时，对进风干球温度T₁判断，则有：

2a)当T₁≤T_设-△t₁，进入模式四，即制热模式，此时控制系统控制第二换热器和风机工作；

2b)当T_设-△t₁<T₁< T_设+△t₁，进入模式五，即通风模式，此时控制系统仅控制风机工作；

2c)当T₁≥T_设+△t₁，进入模式六，即制冷模式，此时控制系统控制第一换热器和风机工作；

当存在第三种情况时，对进风干球温度T₁判断，则有：

3a)当T₁ <T_设+△t₂，进入模式七，即制热模式，然后达到T₁≥T_设+△t₂时转入模式八，所述△t₂为T_1露> T_露上时即高湿状态下的修定值；在模式七下控制系统控制第二换热器和风机工作；

3b)当T₁≥T_设+△t₂，进入模式八，即制冷+制热模式，此时控制系统控制第一换热器、第二换热器和风机工作。

进一步的，第一步中，所述的下限值△t₁为所要求的干球温度的浮动值，需要在第一步中输入数值，所述的修定值△t₂不小于△t₁，具体数值可在测试优化后直接写入控制系统中。

进一步的，第三步中，模式一至模式八中除模式五外，投热量利用出风干球温度T₃和中间干球温度T₂之间的差值来控制，除湿量利用第一换热器盘管温度T₀和中间干球温度T₂来进一步控制；模式一至模式八在空气焓湿图中对应8个区域，模式一、模式二和模式三以T_设和T_露下坐标点为控制目标，模式八以T_设和T_露上坐标点为控制目标。

进一步的，第三步中，当进风露点温度T_1露小于出风干球温度T₃时才可以停止模式六或模式八。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、本发明将空气含湿状态划分8个区域，对应8种控制策略，使被处理的空气状态全面覆盖，没有控制盲点。

2、本发明通过露点温度和干球温度判断，快速决策，以驱动相应的投热量、投冷量和投湿量，实现温湿度快速控制，负载不会产生结露现象。

3、本发明也可方便置入多级制冷、制热的环控系统，有较强的推广性。

4、本发明技术成熟、流程清晰、实现容易。

附图说明

图1为本发明的控制原理示意图。

图2为本发明的布置关系示意图。

图3为本发明在焓湿图上的位置示意图。

图中：1-控制系统、1.1-进风露点温度传感器、1.2-进风干球温度传感器、1.3-出风干球温度传感器、1.4-中间干球温度传感器、1.5-第一换热器盘管温度传感器、2-第一换热器、3-加湿器、4-第二换热器、5-风机。

具体实施方式

如图2所示，一种具有双换热器的八区分步式环控系统，包括控制系统1、第一换热器2、第二换热器4，其中第一换热器2和第二换热器4并排设置，并在第二换热器4出风侧设置风机5供第一换热器2、第二换热器4共用，第一换热器2、第二换热器4分别各自由冷媒管路中的电磁阀门控制其冷量。第一换热器2、第二换热器4之间的加湿器3，第一换热器进风侧设有进风露点温度传感器1.1、进风干球温度传感器1.2，第二换热器出风侧设有出风干球温度传感器1.3，两换热器之间设有中间干球温度传感器1.4，第一换热器盘管处设有第一换热器盘管温度传感器1.5。进风露点温度传感器1.1、进风干球温度传感器1.2、出风干球温度传感器1.3、中间干球温度传感器1.4、第一换热器盘管温度传感器1.5分别与控制系统1的信号输入端电连接，控制系统1的信号输出端分别与第一换热器2对应的电磁阀门、第二换热器4对应的电磁阀门、加湿器3、风机5电连接。

第一换热器2为制冷功能的翅片式换热器，可以是压缩机制冷循环中的蒸发器，或者是低温载冷剂用的换热器。第二换热器4为制热功能的换热器，可以是电加热器，或者是高温载冷剂用的换热器。

控制系统1可以获取由进风露点温度传感器采集的第一换热器进风侧的进风露点温度T_1露、由进风干球温度传感器采集的第一换热器进风侧的进风干球温度T₁、由中间干球温度传感器采集的两个换热器之间的中间干球温度T₂、由出风干球温度传感器采集的第二换热器出风侧的出风干球温度T₃、由第一换热器盘管温度传感器采集第一换热器盘管温度T₀。控制系统1基于各个温度值控制第一换热器2的投冷量、加湿器3的投湿量、第二换热器4的投热量和风机5的启停。

如图1所示，控制系统1内的主要程序分为五步，过程如下：

第一步S101：进行参数设定，至少包括所要求的干球温度T_设和上、下限值△t₁，下限露点温度T_露下和下偏差值△_露下，上限露点温度T_露上和上偏差值△_露上，并由T_设-△t₁、T_设+△t₁、T_露下和T_露上四个参数在空气焓湿图中形成一个长方形区域，即作为目标控制区，△_露下和△_露上为优化控制用的容差值，可默认设定。

第二步S102：相关参数采集，至少包括进风露点温度T_1露、进风干球温度T₁、出风干球温度T₃、中间干球温度T₂和第一换热器盘管温度T₀等。

第三步S103、S104、S105、S106：进行判断进入相应的工作模式，先对进风露点温度T_1露进行判断，即出现T_1露< T_露下、T_露下≤T_1露≤T_露上、T_1露> T_露上3种情况。每一种情况，再对进风干球温度T₁进行判断，即

在第1种情况下，对进风干球温度T₁判断，形成：

1a)T₁≤T_设-△t₁，进入模式一S107，即加湿+制热模式；此时控制系统控制加湿器、第二换热器和风机工作；

1b)T_设-△t₁<T₁< T_设+△t₁，进入模式二S108，即加湿模式；此时控制系统控制加湿器和风机工作；

1c)T₁≥T_设+△t₁，进入模式三S109，即加湿+制冷模式；此时控制系统控制加湿器、第一换热器和风机工作。

在第2种情况下，对进风干球温度T₁判断，形成：

2a)T₁≤T_设-△t₁，进入模式四S110，即制热模式；此时控制系统控制第二换热器和风机工作；

2b)T_设-△t₁<T₁< T_设+△t₁，进入模式五S111，即通风模式；此时控制系统仅控制风机工作；

2c)T₁≥T_设+△t₁，进入模式六S112，即制冷模式；此时控制系统控制第一换热器和风机工作。

在第3种情况下，对进风干球温度T₁判断，形成：

3a)T₁ <T_设+△t₂，进入模式七S113，即制热模式，然后达到T₁≥T_设+△t₂时转入模式八；△t₂为T_1露> T_露上时即高湿状态下的修定值；在模式七下控制系统控制第二换热器和风机工作；

3b)T₁≥T_设+△t₂，进入模式八S114，即制冷+制热模式；此时控制系统控制第一换热器、第二换热器和风机工作。

如图3所示，为本发明在焓湿图上的位置示意图。1区～8区分别对应模式一S107～模式八S114。

第四步：每一模式（S107、S108、S109、S110、S111、S112、S113、S114）下的具体控制，除模式五S111外，可依据控制精度和响应要求，设立子程序，其中投热量利用出风干球温度T₃和中间干球温度T₂之间的差值来控制，除湿量利用第一换热器盘管温度T₀和中间干球温度T₂来进一步控制。8种模式在空气焓湿图中对应8个区域，模式一S107、模式二S108和模式三S109以T_设和T_露下坐标点为控制目标，模式八S114以T_设和T_露上坐标点为控制目标。

第五步S115：退出程序，即接到指令后，退出工作。

为达到温湿可控，被处理的空气在所述风机5驱动下，先后经过进风露点温度T_1露传感器1.1、进风干球温度T₁传感器1.2、第一换热器2、加湿器3、中间干球温度T₂传感器1.4、第二换热器4、出风干球温度T₃传感器1.3，最后形成送风。

第一步中，△t₁为所要求的干球温度的浮动值，需要在第一步中输入数值，所述的△t₂为高湿状态的修定值，应不小于△t₁，具体数值可在测试优化后直接写入控制系统程序中。

第三步中，进风露点温度T_1露应小于出风干球温度T₃才可以停模式六S112或模式八S114，否则被冷却对象有凝露风险。

第一步中，干球温度T_设和上、下限值△t₁容易理解，这里不再赘述；对下限露点温度T_露下和上限露点温度T_露上的确认，通常需要在程序中置入一个换算。

例如，要求进风干球温度为18℃～22℃，相对湿度为30%～65%。则

T_设＝20℃，△t₁＝2℃；

当T_设＝20℃，相对湿度为30%，对应的露点温度为2.1℃；

当T_设＝20℃，相对湿度为35%，对应的露点温度为4.2℃；

当T_设＝20℃，相对湿度为60%，对应的露点温度为12.0℃；

当T_设＝20℃，相对湿度为65%，对应的露点温度为13.2℃；

则，T_露下＝2.1℃+△_露下＝4.2℃，

T_露上＝13.2℃－△_露上＝12.0℃

由于设定习惯，通常用相对湿度来衡量湿度，在程序上可通过预设的公式将相对湿度转化为露点温度，同时要预留一个湿度容差值，如相对湿度5%，同样转化为露点温度容差值。

为了实现更好的监控，本发明不排除设立出风相对湿度传感器等，同时通过控制系统中的显示界面来显示相关参数，这里不再展开叙述。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施方式，但本发明不限于上述实施方式，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都属于本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有双换热器的八区分步式环控系统，包括双换热器和设于两个换热器中第一换热器、第二换热器之间的加湿器，其中两个换热器共用位于第二换热器出风侧的风机，其特征在于，还包括控制系统，以及设于第一换热器进风侧的进风露点温度传感器、进风干球温度传感器，设于第二换热器出风侧的出风干球温度传感器，设于两换热器之间的中间干球温度传感器，设于第一换热器盘管处的第一换热器盘管温度传感器；

所述进风露点温度传感器、进风干球温度传感器、出风干球温度传感器、中间干球温度传感器、第一换热器盘管温度传感器分别与控制系统信号传递电连接，所述控制系统分别与第一换热器、第二换热器、加湿器、风机控制电连接；

空气经依次经第一换热器、加湿器、第二换热器后送出，其中由进风露点温度传感器采集第一换热器进风侧的进风露点温度T_1露并送入控制系统，由进风干球温度传感器采集第一换热器进风侧的进风干球温度T₁并送入控制系统，由中间干球温度传感器采集两个换热器之间的中间干球温度T₂并送入控制系统，由出风干球温度传感器采集第二换热器出风侧的出风干球温度T₃并送入控制系统，由第一换热器盘管温度传感器采集第一换热器盘管温度T₀并送入控制系统，所述控制系统基于各个温度传感器采集的温度数据对第一换热器、第二换热器、加湿器、风机进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种具有双换热器的八区分步式环控系统，其特征在于，所述的第一换热器为制冷功能的翅片式换热器，具体为压缩机制冷循环中的蒸发器，或者是低温载冷剂用的换热器，第一换热器的投冷量通过受控于控制系统的电磁阀门调节。

3.根据权利要求1所述的一种具有双换热器的八区分步式环控系统，其特征在于，所述的第二换热器为制热功能的换热器，具体为电加热器，或者是高温载冷剂用的换热器，第二换热器的投热量通过受控于控制系统的电磁阀门调节。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述的具有双换热器的八区分步式环控系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、由控制系统进行参数设定，设定的参数至少包括：所要求的干球温度T_设和上、下限值△t₁，下限露点温度T_露下和下偏差值△_露下，上限露点温度T_露上和上偏差值△_露上；

所述控制系统根据T_设-△t₁、T_设+△t₁、T_露下和T_露上四个参数在空气焓湿图中形成一个长方形区域作为目标控制区，并以△_露下和△_露上为优化控制用的容差值；

第二步、由控制系统获取进风露点温度T_1露、进风干球温度T₁、出风干球温度T₃、中间干球温度T₂和第一换热器盘管温度T₀；

第三步、由控制器先对进风露点温度T_1露进行判断是否存在T_1露<T_露下、T_露下≤T_1露≤T_露上、T_1露>T_露上这三种情况，若出现三种情况中的任意一种情况，则再对进风干球温度T₁进行判断并进行控制，控制过程如下：

当存在第一种情况T_1露<T_露下时，对进风干球温度T₁判断，则有：

1a)当T₁≤T_设-△t₁，进入模式一，即加湿+制热模式，此时控制系统控制加湿器、第二换热器和风机工作；

1b)当T_设-△t₁<T₁<T_设+△t₁，进入模式二，即加湿模式，此时控制系统控制加湿器和风机工作；

1c)当T₁≥T_设+△t₁，进入模式三，即加湿+制冷模式，此时控制系统控制加湿器、第一换热器和风机工作；

当存在第二种情况时，对进风干球温度T₁判断，则有：

2a)当T₁≤T_设-△t₁，进入模式四，即制热模式，此时控制系统控制第二换热器和风机工作；

2b)当T_设-△t₁<T₁<T_设+△t₁，进入模式五，即通风模式，此时控制系统仅控制风机工作；

2c)当T₁≥T_设+△t₁，进入模式六，即制冷模式，此时控制系统控制第一换热器和风机工作；

当存在第三种情况时，对进风干球温度T₁判断，则有：

3a)当T₁<T_设+△t₂，进入模式七，即制热模式，然后达到T₁≥T_设+△t₂时转入模式八，所述△t₂为T_1露>T_露上时即高湿状态下的修定值；在模式七下控制系统控制第二换热器和风机工作；

3b)当T₁≥T_设+△t₂，进入模式八，即制冷+制热模式，此时控制系统控制第一换热器、第二换热器和风机工作。

5.根据权利要求4所述的一种具有双换热器的八区分步式环控系统的控制方法，其特征在于，第一步中，所述的下限值△t₁为所要求的干球温度的浮动值，需要在第一步中输入数值，所述的修定值△t₂不小于△t₁，具体数值可在测试优化后直接写入控制系统中。

6.根据权利要求4所述的一种具有双换热器的八区分步式环控系统的控制方法，其特征在于，第三步中，模式一至模式八中除模式五外，投热量利用出风干球温度T₃和中间干球温度T₂之间的差值来控制，除湿量利用第一换热器盘管温度T₀和中间干球温度T₂来进一步控制；模式一至模式八在空气焓湿图中对应8个区域，模式一、模式二和模式三以T_设和T_露下坐标点为控制目标，模式八以T_设和T_露上坐标点为控制目标。

7.根据权利要求4所述的一种具有双换热器的八区分步式环控系统的控制方法，其特征在于，第三步中，当进风露点温度T_1露小于出风干球温度T₃时才可以停止模式六或模式八。

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