瞿家欢
上海建工一建集团有限公司 上海 200000
摘要：随着大众对文化品质的追求越来越高，文化展馆类地标正越来越受到大众的青睐。至19年末，全国群众文化机构实际使用房屋建筑面积已达4518.18万平方米【1】。文化类建筑的建设正逐渐进入高峰期。但因功能及受众的特殊性，舒适性空调已无法满足其需求，恒温恒湿空调系统也正慢慢进入我们的眼帘。
关键词：公共文化类建筑 恒温恒湿空调系统 加湿量 除湿 BA系统
不同于舒适性空调，文化展馆类项目在确保温度舒适的同时，还将湿度作为一重要考量指标，出于对展品的保护以及更好的观展体验，恒温恒湿系统的成功与否关系着交付验收及后期使用。而基于大空间、多区域的恒温恒湿系统，因其涵盖区域广、综合工况复杂、系统扰量大、不稳定性强等实际因素给施工及后期调试带来了极大的困难。本工程作为黄浦江一线建筑，重要的文化艺术展示窗口，其超大规模的恒温恒湿区，在给调试带来了诸多挑战的同时，也为此类非常规、大体量、全系统性恒温恒湿调试提供了一定经验与解决方案参考。
1恒温恒湿系统概况
1.1 系统设置与应用区域
为满足展品对环境温湿度的要求，本工程在设计之初，便重点将展厅、库房及运输通道设置为恒温恒湿区，另一方面，考虑到可能布展的需要又将公共区域的北侧部分的联通区域作为灵活展厅，同样设置了恒温恒湿空调系统。
同常规小区域温湿度控制不同，本工程恒温恒湿区面积达6000m2。考虑到空间的局限性，项目采用了一机一区域的控制理念，更好地起到了精确控制，减少了区域间的相互干扰。
1.2 温湿度参数控制范围说明
环境控制范围的说明：恒温恒湿区域温湿度设计参数是22±2℃，55±5%（全年）；展厅周边的公共区域（未设置恒温恒湿的区域）温湿度设计参数是25℃，≤60%（夏季）；20℃，≥40%（冬季）。
1.3 系统主要设备及参数组成分析
本工程恒温恒湿系统由冷冻机组及锅炉提供冷热源，经AHU及PAU对新风及循环风系统进行处理。加湿采用高压微雾进行等焓加湿，由外置式加湿器加以实施。系统主要参数包括温度、湿度、二氧化碳、空气场均匀度、阀门开度及冷热量组成，针对以上几个主要参数，结合调试情况做了着重分析，多因素交错影响的特殊性，对系统的稳定性带来了极大影响，也大大增加了调试的难度。
2扰量分析及处理方案概述
2.1 影响因素分析
经分析对比，我们发现冷热源作为系统运行稳定的核心组成部分，是影响系统温湿度的重要因素。加湿器因其在冬季加湿模式下直接为系统提供湿度保障，也是直接要因。PAU作为新风预处理系统，关系着室内空气质量、新风量，对整体温湿度也有着明显的影响。为确保各个展厅区域的系统独立性，每个恒温恒湿区域都由一套独立AHU系统进行空气处理，避免了不同区域造成的交叉影响。与此同时夏季工况下的除湿功能也由其加以完成，同样是重要影响因素。为达到恒温恒湿的自动控制目标，本工程对温湿度进行了BA控制，并将锅炉及冷冻机房群控一并纳入到BA系统当中。可以说BA系统是整个恒温恒湿控制“智能”与否的关键所在。值得注意的是，虽然只是管路系统中的一个组件，电动压差平衡阀是实现BA流量控制的重要一环，其精度及开度的准确与否决定着BA控制的成功率，同样需要进行着重分析。
在整个调试过程中，围绕以上几个影响因素我们也发现了诸多问题项，在此也予以整理阐述并给出一些初步的解决方案。
2.2 不稳定性分析
2.2.1 气流场的均匀性分析
问题表述：为满足不同展出需求，本工程展厅建筑空间参数信息及各不相同。在温湿度调试初期，出现了部分展厅区域特别是几个超高展厅监测数据不理想的情况。
前期处理方案：为达到数据快速达标的目标，我们对系统设置参数进行了调整，提高了送风温度。但很快我们发现局部展厅发生了过热或者湿度不稳的情况。
深入原因分析：经充分分析，我们发现真正导致前期调试温湿度不稳的原因在于气流场。通过热成像可知，在调试初期由于整个建筑结构处于过冷工况，在此条件下，热空气的影响范围主要集中于上部区域，地面包括墙体下半部分都处于低温状态。整个展厅的充分换热需要一定时间，直接导致了气流场的分层。后在几次现场锅炉停炉又重新开炉后的监测数据分析对比，同样证实了这一点。
最终解决方案：针对以上情况，在后续调试过程中我们将空调箱送风风压由原来30HZ增加至40HZ，通过加快送风风速来增加换热效率。在后续的监测中，气场温度也逐步趋于稳定，达到了预期效果。由此可见，系统达到最终稳定状态之前需要一定换热稳定期。若冷热源的突然失能会导致温湿度快速失衡，再次重启冷热源后又将重新经历稳定期，这将对整个系统的调试带来极大的影响。因此，保持冷热源的持续工作状态将是确保恒温恒湿持续稳定的重要因素。
2.2.2 室外新风对温湿度的影响
问题表述：在调试过程中，我们发现展厅区域温湿度在已保持一段时间稳定的情况下，不时会突然出现剧烈波动的情况。查阅相关天气信息，发现在室外低温晴朗天气下，有着室外低温低相对湿度的空气经新风机组与回风混合，直接进入系统空气场影响到了室内温湿度。
前期处理方案：为杜绝室外新风对系统稳定性的影响，最直接有效的办法便是做好阻隔处理。因此我们在前期处置过程中采用了关闭室外新风机组的方式。虽达到了稳定室内参数的目的，但随之引起的室内新风不足问题，导致空气质量无法满足规范要求。可见此种处理方式不能满足于实际功能的维护保障。
深入原因分析：为明晰室外新风对室内温湿度场的影响度，我们增加了对室外新风点温湿度的实时数据采集，如图1室外温湿度情况监测图所示。经与系统实际运行参数（如图2室内温湿度情况监测图）所示进行同时间轴对比分析，在未进行预处理的情况下，室外新风温湿度的变化将大大影响室内参数稳定，其成正向线性关系。由此可见，服务于恒温恒湿区域的PAU空调系统其处理紧急效益同AHU相同，室外新风可直接影响室内温湿度，导致了现场温湿度工况的不稳定性。这一点需重点予以关注。
图1 室外湿度情况监测图 图2 室内温湿度情况监测图
最终解决方案：为规避此类影响因素，我们加强了对PAU系统的监测与控制力度，主要采取的措施如下：
我们在确保室内CO2浓度要求的前提下，尽量维持最小新风开度，通过对VAV变风量阀的控制，严格限制新风量同回风量的混合比。
另外严格控制PAU处理模式，对新风做好预处理。确保不因新风扰量导致的室内温湿度失衡。
2.2.3 公共区域的影响度分析
问题表述：由于公区未有恒温恒湿的要求，在充分模拟正式运营布展的情况下，展厅大门需敞开，场馆出入口也将直接敞开与室外连通。经对现场实测数据分析。在室外极端天气影响下，公区和功能区域湿度差可达15%，直接影响到了展厅内数据的稳定性。
前期处理方案：为验证公共区域对展厅扰量程度，我们现场通过封闭连通室外的出入口、关闭展厅大门进行应对，发现在展厅内循环的情况下，能达到参数要求，但这与实际布展运营情况有所违背。不能满足实际需求。
深入原因分析：在系统实际运营情况下，展厅对公区应形成正压，气流最终经公区内排风口排至室外。通过对现场情况的深层次分析，我们发现造成公区与功能区温湿度相互干扰的主要原因还是在排风不畅导致的气流场不畅，整个室内气流因“焖锅”现象导致紊流产生。
最终解决方案：通过以上分析，我们得知在模拟实际运营的情况下，必须通过展厅内正压确保恒温恒湿，而现场我们发现恒温恒湿及舒适性空调的排风都集中于公区走道内，在实际未开启排风的情况下，导致了气流场不畅，展厅无法形成对公区的正压工况。故我们通过对排风系统的运行保障，完成了对气流场的保障，实现内对外的正压保护，也得以提高了加湿效果，避免室内无排风导致的送风受阻。另一方面为确保展厅进出口区域受到公区的影响，我们也增设了空气幕，形成风闸，尽量避免了局部混合导致的温湿度干扰。
2.2.4 冷暖季冷热源投入运行情况分析
问题表述：在调试过程中，我们发现除了在春秋过度季冷热空调存在同时使用的情况外，项目为了达到恒温恒湿的要求，冷热源必须同时开启。另由于展厅冬季存在温度过热的情况，也需要冷机开启。夏季在降温除湿情况下，送风过冷需要锅炉继续供热的情况也时有发生。
前期处理方案：以常规经验来判断，另出于节能考虑，冬季的冷源、夏季的热源都不需要开启，故在碰到以上特殊情况时，我们还是想通过调整新风和回风的混合比，直接达到降温的效果。在夏季除湿情况下直接通过既有温度差进行自然除湿。经最后尝试，因恒温恒湿存在多因素相互干扰，在冬季不开冷机的情况下，直接采用室外新风降温，将导致相对湿度的失衡。相反在夏季由于室内温度趋于稳定在22℃上下，冷水供水温度必须有13℃的温差才能有结露析出，故送风温度必将处于过低工况，若无热盘管段进行升温处理，温度又将收到影响。
深入原因分析：围护结构保温效果好，热散失量小。这是导致空调系统在最小工况下运行还存在过热的直接原因。加之需要满足等焓加湿的需求，所以出现了过热的情况。另一方面在夏季上海湿度过高，在空调箱除湿过程中冷盘管需达到露点温度，这样送风温度过低，导致温度无法达到要求。故在降温情况下打开热盘管，确保出风温度的稳定。
最终解决方案：为确保全年24小时持续可控，必须在冬季工况下开启冷机。由于季节的特殊性，冷机的开启必须满足过冷保护以及冷却水低温旁通保护。在BA控制纳入大群控体现的情况下，实现适用于本工程的特殊工况需求的运行模式。结合原因分析，可以得出若系统起到去湿效果则必须有12度的温差，而在这样的情况下必须满足盘管温度达到10度左右。在夏季情况下锅炉也将同时开启，以便将过低温度气流进行加热处理。因此，我们可以得出如下调试结论，为满足全年恒温恒湿效果的实现，本工程冷热源必须全天处于运行工况之下。
2.2.5 BA控制模式的分析
影响事项：在调试中期，设备运行逐步稳定，各展厅逐步趋于设计稳定性要求，但仍有部分展厅存在温湿度波动剧烈的情况（如图3所示）。对于展陈要求仍存有差距。
预处理方案：由于温度波动剧烈，在初步处理过程中，我们先将问题归结于系统参数设置之上。也分别尝试着将温度设计参数设定于21℃，想通过降低温度需求，在等焓情况下进行稳定加湿，同时减少热阀的开启频数，以此来降低温度的波动。但在实际实施过程中，由于等焓加湿前提条件为具有一定温差值，将控制温度继续下降也直接导致了加湿器工作效率大打折扣，未能解决实际温度。
原因分析：BA控制的初衷本是能有效便捷地控制温湿度，通过数据分析来达到内部逻辑控制。而温度的波动也体现着BA系统为达到稳定曲线所采取的控制手段。于是我们换位思考，摒弃单一对温湿度参数设置，进一步对温度波动原因进行分析。最终我们将问题症结放在了供回水流量这一参数之上。由于流量过大，导致升温过快。过长的失衡状态，无法实现温湿度的精准控制。
最终解决方案：对标BA控制模式下的各个参数要求，其动态调节取决于系统对冷热水流量的控制。因此为解决BA系统温湿度波动剧烈的实际问题，我们将重点解决动态平衡电动调节阀的开度问题。在实际分析当中，也确实发现了动态平衡电动调节阀开度与BA指令不相符的情况，也直接导致了剧烈波动的形成。由图4所示动态平衡电动调节阀组成及工作原理可知：BA进行PI运算并给出阀门输出控制信号。平衡阀执行器通过接收BA控制信号，由于流量与信号具有线性对应曲线关系，通过输入信号改变 改变调节阀的开度，从而完成流量的调节。当水从前置感应器流入调节阀时，前置感应器感受采样信号，实时将流量、水温、阀门开度数据上传实现监控水系统。
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图3 温湿度运行曲线图 图4 动态平衡电动调节阀组成示意图
在阀门整个工作机制当中，可以看到影响阀门实际开度及数据准确度的因素主要有BA控制信号以及流量和控制信号的对应曲线。在对产生温度波动的机组进行分析后得出，BA控制信号的发出以及阀门对应曲线的设定存在偏差。在相同控制信号下，其开度保持不变，但由于部分空调箱接管管径偏大导致实际流量大于设计值，直接加剧了温度过热情况的出现。
结合以上分析，我们对波动剧烈的区域重新进行了情况摸排，并重新确定信号上限、根据图5所示调节阀理想流量特性图[2]，重新选择输出流量与控制信号对应曲线。确保了最终流量反馈满足于BA控制信号的需求。
2.2.6 加湿器运行不稳定
影响事项：根据温湿度模式要求，含湿量小于设计值时系统将启动加湿器来达到加湿的功效。在调试过程中，围绕加湿器运行所体现的问题主要体现在加湿效果的不明显。
预处理方案：为提高加湿效率，项目通过增加热阀开度来提升水汽雾化效果，系统焓值确有增加。但送风温度随之不断增加，继而出现了过热现象。
原因分析：经对本工程加湿模式进行分析，高压微雾属于等焓加湿过程，水经过加湿器高压雾化后打入空调箱加湿段，雾化水滴变成水蒸气时吸收空气中的热量，空气温度下降、含湿量增加，相对湿度增大、加湿前后焓值保持不变。如图6所示焓湿图【3】，由工况点（温度26℃、相对湿度37%）变化至目标点（温度22℃、相对湿度55%），实现这一等焓加湿的前提条件为存在温差工况，以此来确保高压微雾加湿的效果得以保障。现由于建筑本体保温性能优越，导致在现场实测时发现空间内热损耗过低，空调箱长期处于低负荷运行模式下，送风温度同样保持在23℃上下，直接降低了加湿效果。
图5 调节阀理想流量特性曲线图 图6工况点焓湿分析图
最终解决方案：在实际工况条件下，原设计方案无法满足于现状需求。而人为提高工况点温度又将破坏区域对恒温的要求。故在此情况下，我们以增加加湿器雾化能力以及提高供水量作为问题解决的切入口，并采取了以下措施。
提高加湿器增压泵压力值，以此来提高雾化能力。
提高加湿器供水需求量，以此来增加单位时间的加湿量。
增加加湿器喷杆数量，以此来增加同热盘管的水雾接触点。
调整喷杆角度，以此来充分进行换热。
通过以上措施，在“以量换效果”的总体思路下。经过程实测，在不破坏原有温度平衡的情况下，系统加湿效果得以提升，达到了温湿度平衡的要求。
3综述
本文通过一新建文化展馆类项目为案例背景，对项目恒温恒湿系统的调试过程及疑难排除做了一定分析并从中找出要因。针对每个因素，我们先给出了初步实施方案并说明其不可实施性，再由深入原因分析来得出最终处理方案。整个调试过程，实为“艰辛”，但也让我们能更透彻地去看待整个恒温恒湿在设计、施工以及调试过程中的不同难点及特点。也希望可以通过此文给大家在类似项目实施过程中多一些参考。
恒温恒湿调试是项复杂又精细的工程，在满足原设计理论的同时能充分结合项目实际特点，只有通过经验总结、实际数据对比来进行过程分析，以此来寻求一份满足于各自项目自身特点的调试方案，圆满完成调试任务。
4参考文献
【1】《中华人民共和国文化和旅游部2019年文化和旅游发展统计公报》文化和旅游部
【2】《暖通空调系统中常用水阀的特性与选用介绍》 TU831.4 赵立辉
【3】《空调工程》 机械工业出版社 黄翔