俞 毅 吳 立 張 青 陸 佼 李文靜

(中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)

在上海光源運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，6–10月實(shí)驗(yàn)大廳、儲(chǔ)存環(huán)電源廳等設(shè)備機(jī)房區(qū)域相對(duì)濕度普遍較高，超出設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的控制范圍。我們進(jìn)行了大量調(diào)查工作，包括現(xiàn)場(chǎng)溫、濕度采集，實(shí)地調(diào)查和試驗(yàn)，數(shù)據(jù)分析和整理，相關(guān)區(qū)域負(fù)荷量的估算對(duì)比等，發(fā)現(xiàn)了引起相對(duì)濕度偏高的主要原因。

目前，同時(shí)具備恒溫恒濕功能的空調(diào)系統(tǒng)普遍應(yīng)用于工藝性空調(diào)系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)需同時(shí)控制溫度和相對(duì)濕度，兩者間的控制回路會(huì)產(chǎn)生耦合作用[1]，從而影響它們的穩(wěn)定度和精度控制。為不影響光源的正常運(yùn)行，我們充分考慮溫度和相對(duì)濕度控制間的耦合影響，重新評(píng)估現(xiàn)有各空調(diào)系統(tǒng)，在制造商參與下完成了空調(diào)系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)方案，目前，空調(diào)系統(tǒng)改造已全部完成。

1 相對(duì)濕度偏高的主要原因

1.1 實(shí)際負(fù)荷遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)負(fù)荷

空調(diào)系統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)是帶走空調(diào)區(qū)域內(nèi)一定量的負(fù)荷(即熱濕)，并通過(guò)預(yù)熱、冷凝、再熱、加濕、過(guò)濾等使空調(diào)區(qū)域內(nèi)空氣的溫度、相對(duì)濕度和潔凈度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。空調(diào)箱的選型以帶走的熱濕負(fù)荷為主要依據(jù)，因此，空調(diào)負(fù)荷確定后，冷、熱盤(pán)管的大小及加熱或冷凝的能力亦確定了。若實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷(空調(diào)區(qū)域內(nèi)的實(shí)際發(fā)熱量)與設(shè)計(jì)負(fù)荷相差過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法將空氣處理到設(shè)計(jì)要求的情況。上海光源部分設(shè)備機(jī)房由于實(shí)際負(fù)荷遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)負(fù)荷，使空調(diào)送回風(fēng)溫差減小，導(dǎo)致冷凝除濕效果大大降低。

上海光源空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)主要基于各工藝部門設(shè)計(jì)階段給出的設(shè)備負(fù)荷量，加上維護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、室外新風(fēng)負(fù)荷，乘以一定的安全系數(shù)得到總熱濕負(fù)荷，最終確定各區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)的制冷(熱)及除濕能力。理論計(jì)算表明，若各區(qū)域工藝設(shè)備按匯總的發(fā)熱量運(yùn)行，通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和處理，即可將室內(nèi)相對(duì)濕度控制在70%以下。

我們對(duì)濕度偏大區(qū)域進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和數(shù)據(jù)整理，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域工藝設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行功率遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，如儲(chǔ)存環(huán)磁鐵電源間等，故實(shí)際空調(diào)余熱遠(yuǎn)小于空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值，大大降低了系統(tǒng)的冷凝除濕能力，故相對(duì)濕度在一段時(shí)期內(nèi)始終居高不下。

為清楚說(shuō)明空調(diào)負(fù)荷大小與區(qū)域內(nèi)相對(duì)濕度高低的關(guān)系，本文通過(guò)濕空氣焓濕圖說(shuō)明空調(diào)負(fù)荷變化對(duì)相對(duì)濕度的影響[2](圖1)。左側(cè)縱坐標(biāo)為溫度，是一組近似水平的直線；右側(cè)縱坐標(biāo)為相對(duì)濕度，是一組拋物線；上方橫坐標(biāo)為含濕量d(g/kg)，是一組垂直的直線；下方橫坐標(biāo)是焓H(kJ/kg)，是一組與水平方向呈 45°的直線。焓是濕空氣能量狀態(tài)參數(shù)，物理意義為：某一狀態(tài)下濕空氣具有的總能量，數(shù)值上等于系統(tǒng)的內(nèi)能U加壓強(qiáng)p與體積V的乘積，焓的變化是系統(tǒng)在等壓可逆過(guò)程中吸收熱量的度量。在工程計(jì)算上，p為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1.013×105Pa)，V為空調(diào)區(qū)域的體積。因此，焓的變化值ΔH僅為區(qū)域內(nèi)空氣從一個(gè)狀態(tài)到另一狀態(tài)的內(nèi)能變化，即從空調(diào)區(qū)域內(nèi)帶走的負(fù)荷。圖中右下角是熱濕比的比例尺(?H/?d)，當(dāng)含濕量變化值(?d)一定時(shí)，可通過(guò)改變熱量變化?H(即帶走負(fù)荷)得到改變后的空氣處理過(guò)程線，并將其平移至焓濕圖上，得到處理后的空氣狀態(tài)點(diǎn)及其狀態(tài)參數(shù)。

圖1 空氣焓濕圖Fig.1 Air psychrometric chart.

本文以儲(chǔ)存環(huán)電源廳(AHU-20)為例，分析了2011年6月22日14:00空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)。該時(shí)刻回風(fēng)口溫度顯示23.3oC，相對(duì)濕度為82.7%；送風(fēng)口溫度顯示20.6oC，相對(duì)濕度為95%。

如圖2所示，將該處理過(guò)程表示于焓濕圖中，得到A–B過(guò)程，即將20.6oC和95%的空氣處理至23.3oC和82.7%(處理過(guò)程中，空調(diào)新風(fēng)閥門已關(guān)閉，故不包括新風(fēng)負(fù)荷部分)。A–B過(guò)程的空調(diào)負(fù)荷約為設(shè)計(jì)負(fù)荷量的30%。

圖2 幾種負(fù)荷下的空氣處理過(guò)程線對(duì)比Fig.2 Several load-line comparison of air-handling process.

若過(guò)程中帶走的熱負(fù)荷增加為設(shè)計(jì)空調(diào)熱負(fù)荷的60%和100%，空調(diào)送風(fēng)過(guò)程顯示為C–D和E–F過(guò)程線。

由圖 2，空調(diào)負(fù)荷增加至設(shè)計(jì)負(fù)荷的 60%或100%時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)可將室內(nèi)相對(duì)濕度處理至68%或55%；滿足“相對(duì)濕度≤70%”的設(shè)計(jì)要求。

由此可知，當(dāng)實(shí)際空調(diào)負(fù)荷遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)對(duì)相對(duì)濕度處理能力大大降低，為此，可通過(guò)人為增加空調(diào)區(qū)域的余熱來(lái)降低相對(duì)濕度。

1.2 黃梅雨季的影響

上海光源地處沿海亞熱帶地區(qū)，全年大部分時(shí)間濕度偏高，尤其是每年6、7月的黃梅期間，連續(xù)不斷的降雨，導(dǎo)致室外平均濕度通常在80%左右，甚至可達(dá)95%以上(圖3)。

室外環(huán)境濕度偏高導(dǎo)致空調(diào)新風(fēng)和室外滲漏風(fēng)的含濕量偏大，當(dāng)室外環(huán)境溫度與室內(nèi)空調(diào)溫度間溫差較小時(shí)，空調(diào)無(wú)法充分發(fā)揮冷凝除濕作用，大量的熱濕空氣通過(guò)空調(diào)新風(fēng)及室外滲透風(fēng)(包括主體建筑兩個(gè)主要出入口，一樓辦公室的外窗，地下電纜溝槽等(圖4)，直接進(jìn)入大廳及各設(shè)備機(jī)房，使部分區(qū)域的相對(duì)濕度始終居高不下。

1.3 停機(jī)維護(hù)導(dǎo)致負(fù)荷下降

每年7–8月份為停機(jī)檢修期，大部分設(shè)備處于停機(jī)維護(hù)狀態(tài)，基本沒(méi)有發(fā)熱量，空調(diào)系統(tǒng)的去濕效果明顯下降。盡管室外相對(duì)濕度并不很高，但空氣的含濕量仍非常大，當(dāng)室內(nèi)溫度較低時(shí)，相對(duì)濕度就會(huì)增高。

1.4 系統(tǒng)配置的不足

上海光源空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期預(yù)估運(yùn)行負(fù)荷相當(dāng)大，認(rèn)為足以達(dá)到相對(duì)濕度≤70%的要求，而文獻(xiàn)[3]規(guī)定“確保不把能源消耗于使室內(nèi)空氣相對(duì)濕度低于 60%”，考慮利用設(shè)備本身的余熱作為濕度調(diào)節(jié)的手段，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。故在空調(diào)箱設(shè)計(jì)選型時(shí)僅考慮了冬季設(shè)備的防凍需求，將冷盤(pán)管前設(shè)置了預(yù)熱盤(pán)管，以期得到一定的預(yù)熱效果，而未在冷盤(pán)管后加裝再熱盤(pán)管，因此缺少了增加余熱的手段，限制了空調(diào)箱的降濕效果；當(dāng)工藝設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷較大程度低于設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)致相對(duì)濕度居高不下。

圖3 相對(duì)濕度氣象歷史曲線Fig.3 Curve of relative humidity meteorological history.

圖4 部分區(qū)域的室外滲透風(fēng)Fig.4 Some areas of the outdoor air infiltration.

2 解決和改善措施

針對(duì)上述問(wèn)題，我們采取的措施有：

(1) 盡可能填堵直接與室外連通的孔洞，以防室外熱濕空氣滲漏進(jìn)空調(diào)區(qū)域內(nèi)，效果明顯但達(dá)不到要求。

(2) 調(diào)節(jié)部分空調(diào)箱的風(fēng)量，由于溫度和相對(duì)濕度間的耦合影響，效果不夠理想。

(3) 在空氣含濕量一定情況下，增加空調(diào)區(qū)域內(nèi)熱負(fù)荷來(lái)降低該區(qū)域的相對(duì)濕度，達(dá)到了預(yù)期效果。

對(duì)于增加空調(diào)區(qū)域內(nèi)熱負(fù)荷以改善相對(duì)濕度偏高的方法，我們作了兩種試驗(yàn)。一種是在末端加裝電加熱裝置增加熱負(fù)荷，試驗(yàn)階段采用直接在空調(diào)區(qū)域內(nèi)放置電加熱器方式暫為替代；另一種是改裝現(xiàn)有空調(diào)箱的冷、熱盤(pán)管，將鍋爐熱水作為熱源來(lái)增加熱負(fù)荷。

2.1 用電加熱器加熱

儲(chǔ)存環(huán)磁鐵電源廳在2011年8月下旬加速器等設(shè)備停機(jī)情況下，使用外置電加熱器對(duì)區(qū)域內(nèi)直接加熱，人為制造空氣余熱。加熱前，儲(chǔ)存環(huán)磁鐵電源間內(nèi)的室內(nèi)空氣干球溫度設(shè)定為24oC，實(shí)際回風(fēng)溫度為24.2oC，相對(duì)濕度為83%，空調(diào)系統(tǒng)(AHU-20)按常規(guī)運(yùn)行。隨后，我們?cè)趦?chǔ)存環(huán)磁鐵電源間內(nèi)，放置并開(kāi)啟四臺(tái)電熱風(fēng)機(jī)，總熱功率為11.3 kW。加熱1 h，在干球溫度保持不變情況下，相對(duì)濕度逐漸降至70%以下。

2.2 采用鍋爐熱水作為熱源

2011年9月，選擇儲(chǔ)存環(huán)磁鐵電源廳采用鍋爐熱水增加空調(diào)區(qū)域內(nèi)的熱負(fù)荷。

(1) 查閱空調(diào)箱相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，確認(rèn)熱盤(pán)管的功率大小，從而確定增加的熱負(fù)荷量；與技術(shù)人員討論空調(diào)箱冷、熱盤(pán)管移動(dòng)和拆裝的實(shí)際操作性，并作出改造實(shí)施方案。

(2) 將空調(diào)箱內(nèi)用于防凍的熱盤(pán)管拆裝到冷盤(pán)管后，原熱水口封堵，防止空調(diào)箱因盤(pán)管改動(dòng)產(chǎn)生漏風(fēng)和冷橋。

由于上海光源空調(diào)系統(tǒng)全年24 h連續(xù)運(yùn)行，室內(nèi)溫度均控制在20oC以上，而上海地區(qū)冬季極端最低溫度不會(huì)低于–15oC，且新風(fēng)所占的通風(fēng)比<20%，因此，室內(nèi)外混合風(fēng)即使在冬季也不會(huì)低于0oC，不會(huì)造成盤(pán)管凍結(jié)，所以，將冷、熱盤(pán)管移裝不會(huì)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)本身的溫度控制產(chǎn)生影響。

(3) 9月27日進(jìn)行鍋爐加熱試驗(yàn)，上午8:40，AHU-20空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)干球溫度 21.8oC，送風(fēng)相對(duì)濕度95%，回風(fēng)干球溫度24.2oC，回風(fēng)相對(duì)濕度76%，風(fēng)機(jī)頻率40 Hz；室外環(huán)境溫度25.5oC，相對(duì)濕度75%。

試驗(yàn)過(guò)程為：上午9:28，鍋爐點(diǎn)火，設(shè)置鍋爐送水溫度 55oC，隨后供水管網(wǎng)的送水溫度不斷升高；中午12:39，將空調(diào)箱風(fēng)機(jī)頻率改為45 Hz；下午 13:07，將鍋爐送水溫度設(shè)為 60oC，使鍋爐維持小火狀態(tài)，避免頻繁啟、停。隨后，熱水系統(tǒng)末端供水溫度逐漸達(dá)到53.5oC并維持此溫度，從14:33起回風(fēng)相對(duì)濕度降到70%以下，在16:55達(dá)到最低值68.19%，此后，相對(duì)濕度值基本保持在該狀態(tài)，并處于相對(duì)穩(wěn)定的情況。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 上海光源部分區(qū)域相對(duì)濕度偏高的主要原因?yàn)楣に囋O(shè)備的實(shí)際運(yùn)行發(fā)熱量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，在夏季高溫停機(jī)維護(hù)期間工藝設(shè)備基本無(wú)發(fā)熱量，余熱過(guò)小。

(2) 上海地區(qū)梅雨期間大量熱濕空氣通過(guò)空調(diào)新風(fēng)和室外滲透風(fēng)直接進(jìn)入部分空調(diào)區(qū)域內(nèi)也是造成濕度過(guò)高的因素。

(3) 由空氣焓濕圖驗(yàn)證，當(dāng)實(shí)際空調(diào)負(fù)荷遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)對(duì)相關(guān)區(qū)域內(nèi)的相對(duì)濕度處理能力大大下降，可通過(guò)人為增加空調(diào)區(qū)域內(nèi)熱量降低相對(duì)濕度。

(4) 用末端加裝電加熱器對(duì)空調(diào)區(qū)域內(nèi)加熱和改裝現(xiàn)有空調(diào)箱的冷、熱盤(pán)管，利用鍋爐熱源增加空調(diào)區(qū)域內(nèi)負(fù)荷方式增加空調(diào)系統(tǒng)余熱，對(duì)解決相對(duì)濕度偏高問(wèn)題是切實(shí)有效的。

(5) 使用鍋爐熱源能集中管理，安全可靠，我們選擇空調(diào)箱改造作為改善和解決相對(duì)濕度問(wèn)題的首選方案。

1 李 超, 張偉平, 粱永輝. 恒溫恒濕空調(diào)房間的解耦控制方案[J]. 制冷與空調(diào), 2006(4): 47–52 LI Chao, ZHANG Weiping, LIANG Yonghui. The decoupling control of constant temperature and humidity air-conditioning system[J]. Refrig Air-Cond, 2006(4):47–52

2 薛殿華. 空氣調(diào)節(jié)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1991:11–14 XUE Dianhua. Air conditioning[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1991: 11–14

3 ASHRAK ASHRAE/IES 90.1—1989 energy efficient design of new buildings except low-rise residential buildings[S]. Ministry of Housing Ontario, Buildings Branch, 1993