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摘要：在档案库房环境的因素中，最重要的两个因素就是库房的温度和湿度，适宜的湿度和温度不但不会对产品的存放造成伤害，还能够有效地延缓产品材料的老化。本文以中央档案馆2#库房环境为研究对象，设计出了一套基于西门子DDC的库房恒温恒湿测控系统。整个设计将计算机技术、数字化测控技术、传感器技术以及通信技术相结合，通过对空调系统和电气系统的精确控制形成一套自动化的库房恒温恒湿空调控制系统，不仅大大减轻了运行维护管理人员的数量和劳动强度，而且大大增强了空调系统运行的可靠性和安全性。档案库内主要为纸质及胶片档案，库房采用全空气系统并要求全年温度18±2℃，相对湿度50±5%，对建筑设备监控系统的精度和稳定性要求非常严格。本设计采用西门子APOGEE楼宇自控产品，采用高精度的控制器、传感器、执行器以实现对空调系统温湿度的高精度控制，同时为了响应国家建筑节能的号召，本方案采用绝对湿度传感器来避免常规恒温恒湿系统的冷热抵消产生的能源浪费。采用变频控制技术结合压力无关型控制技术来提高控制精度、稳定性及降低能耗。
关键词：恒温恒湿，绝对湿度，节能，变风量
引言
目前，绝大多数档案馆都以纸质档案为主。纸质档案已经成为人类文化遗产的重要历史见证，属于可重复利用但是非再生的历史性文化遗产。基于纸质档案的重要性，如何保存人类历史上浩如烟海的纸质档案一直是人类历史上最严峻的问题之一。
相关研究表明，纸质档案的存放主要受到存放环境温度与湿度的综合作用与影响。根据《档案保护拘束教程》记载，国外学者得出了温度与湿度综合作用对于纸张的影响，并得出了如下的结论：设定环境温度30摄氏度，相对湿度在50%以下纸张的寿命为1，那么，纸张的寿命与所处环境的温度与湿度呈线性变化。温度每升高10摄氏度，纸张的寿命降低5倍；温度每降低10摄氏度，纸张的寿命提高5倍，同样的，当温度一定时，相对湿度每提高20%，纸张寿命降低2倍；相对湿度每降低20%，纸张寿命提高2倍。中央档案馆规定档案存放环境为全年温度18±2℃，相对湿度50±5%。
1.恒温恒湿库房控制现状
在传统的库房温湿度监控中，温湿度的控制都采用降温除湿-加热的控制。这种控制方式能耗较大。
随着建筑设备监控系统（BAs）的发展，温湿度测控也由原本的个体控制系统发展到使用成系统的现代化测控方式。即建筑设备监控系统对整个恒湿恒湿系统的设备（冷热源、空调机组、新风机组、末端风口）进行监控，对系统中所有的数据进行显示、处理、存储、报警等操作。提高了系统的可操作性，新型传感器及变频技术的使用也大大降低了系统能耗。
2.系统设计
2.1控制要求
中央档案馆是中国的中央级综合性档案馆，建筑类别属于特级建筑。建筑层数为地上五层，地下一层，2#楼档案库房建筑面积为7593m²共有20间档案库房。库房对温湿度要求非常高，需要高精度的控制系统才能实现。
2.2控制系统结构设计
从目前智能楼宇控制系统的种类来看，智能楼宇控制系统的类别划分成不同的层次，就目前而言，在当前的市场上，楼宇自控系统是国外品牌中最为关注的。其中Siemens Apogee 系统、Johnson Metasys 系统等是这个系统中最主要的领先产品。接下来我们再从控制系统的功能上观察，经过我们的观察得知，Siemens 系统虽然在配置上不够灵活，但是Siemens 系统的三层网络分层明确灵活、分工合理明确、扩展性能强等等。以及在传感器及执行器技术上的优势，很敷设项目对高精度控制的要求。图1为西门子 Apogee 系统的架构图。
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在这个系统中，Apogee 系统的核心部分是自控级网络，主要是用来对冷热源、空调等系统的管理，由此来实行一系列管理操作。这个系统具有将每个不同区域的相同系统通过一种通讯控制器一样的东西来进行统一的管理控制，随后再将每个系统的子系统通过总线一样的来连接起来，最后由中央控制器计算机来实行整体化的管理与监控。对现场而言，将会由直接的数字控制器DDC对相对于分散的设备进行分布式控制以及管理。基本上系统网络是在高速的以太网上进行常规的运行，协议是规定的TCP/IP 协议。Apogee 系统的核心是直接数字控制器，它能够通过网络接口与其他的DDC控制器以及电脑来实行通讯，当然也可以独立运行。像西门子DDC这类控制器中包含PXC、PXC Modular、MBC、MEC等控制器，它们通过自控级网络的传播从而实现与监控软件进行通信。随后根据一些可以分辨的比如监控对象的分布以及监控点类型和数量的不同，以此来选择相适应的控制器类型。这次的系统设计首选采用的是DDC-PXC 系列的可编程的控制器，采用的是点对点的交流方式在自控级网络上来进行访问和通讯。
2.3控制点位设计
本工程包含冷热源系统、空调系统、新风系统、送排风系统、库房空调系统、照明及电力监测系统，各系统控制点如下：
1)冷热源系统
监测冷/热水供回水温度
监测冷/热水供回水压力
控制冷/热循环泵起停
控制冷/热循环泵变频器
检测冷/热循环泵手自动状态、故障
监测冷/热水流状态
控制冷机制冷/制热工况、起停
检测冷机状态、故障
控制冷机水阀开关
调节电动旁通阀开度，保持系统压力平衡
2)空调系统
监测机组新风、回风、送风温湿度
监测初效、中效、静电段压差报警
监测表冷器防冻报警
控制机组新风、回风、排风调节阀
控制冷热水、电加热、电加湿调节
控制风机、电加热、电加湿、静电除尘起停
监测空气质量CO2、COV、PM2.5
监测风机、电加热、电加湿、静电除尘报警
监测风机、电加热、电加湿、静电手/自动状态
3)新风机组
监测机组新风、送风温湿度
监测初效、中效、亚高效、静电段压差报警
监测表冷器防冻报警
控制机组新风阀开关
控制冷热水、电加湿调节
控制风机、电加热、静电除尘起停
监测风机、电加热、静电除尘报警
监测风机、电加热、静电手/自动状态
4)送排风系统
监测风机手/自动状态
控制风机变频起停
监测风机故障
5)库房空调系统
监测库房温湿度
监测库房风量
控制库房风量调节阀
控制库房风量开关阀（事故）
6)照明及电力检测系统
监测机房照明手/自动状态
控制机房照明起停
监测电伴热手/自动状态
监测电伴热起停
监测进线电源开关状态
监测开关脱扣器状态、故障
监测三相电缆温度
监测三相电源电流、电压、功率
控制开关分/合闸
3.改造前恒温恒湿空调机组的控制
档案馆之前的恒温恒湿空调机组采用相对湿度控制，机组监控点位如下图所示：
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在这一系统中，由于冷水表冷器的运行具有降温和去湿双重功能，所以其工作时应同时接受送风温度和送风湿度两个信号的控制。至于它在某一时刻接受其中的哪一个控制器控制，则需视哪一个参数要求末得到满足而定。
通过机组回风的相对湿度传感器H2检测库房内的湿度判断是否需要除湿，温度传感器T1和相对湿度传感器H1各自通过相应的温度控制和湿度控制输出两路信号，选其中较大者，即未得到满足的参数信号，作为冷水表冷器SV的有效控制信号。
这一控制方式对于室内有散湿负荷，特别是湿负荷变化大的对象房间，是十分合适的。但是对于中央档档案馆这种小型高精度档案库房，经如此处理后的冷空气进入房间后，由于档案库房外墙达1米厚，房间内没有大量湿、热负荷，在大多数情况下必然会导致室内过冷，相对湿度显得过高。所以，该系统在实际运行过程中，选择器选择的控制信号必然多半是来自湿度控制器的信号。于是其实际运行中90%的时间都需要电加热进行再热，防止库房内过冷，甲方在之前的运行中也反映系统能耗过大，为此还进行了变压器增容。
以一台空调机组为例机组冷量55Kw，电加热量33Kw。当机组回风温湿度为22℃、50%的时，系统判断不需要进行除湿，此时SV仅用来降温，此时送风温湿度为18℃、64%，湿度超出设定值SV全开进行除湿，电加热进行升温，如此控制库房内温湿度波动较大。当回风温湿度为19℃、48%的时实际不需要除湿只需要稍稍表冷后送风即可，由于库房内湿热负荷很小表冷后温湿度达到16℃、62%，H1超出审定值系统又进入除湿模式，使得原本只需要5Kw左右冷量进行表冷既能满足温湿度要求的能耗实际消耗了55Kw冷量加上33Kw的电功率。
4.控制系统的优化设计
4.1绝对湿度传感器应用
在传统的恒温恒湿控制系统中一般是使用相对湿度传感器进行湿度的测量，由于相对湿度是与温度相关的变量，通过相对湿度控制的控制系统经常造成错误的判断，在不需要除湿的时候进入除湿工况，使本来不需要处理就能满足库房需求的空气经过全冷除湿再电加热升温达到空腹空气要求，造成巨大的能耗浪费。
本次改造中在空调机组回风段增加回风绝对湿度传感器H2，通过H2的数值确定系统是否要进行除湿，降低不必要的除湿能耗。
绝对湿度能真实反映空气中的含水量，不受温度影响，使用绝对湿度传感器成为恒温恒湿控制的最佳选择。选用CJC200J型绝对湿度传感器，传感器参数如下表
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在不需要进行除湿时，只需要通过送风温度传感器T1的信号控制水阀SV的开度进行降温即可。
控制系统恒温恒湿的控制流程见下表：
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4.2变风量控制优化
由于档案库房的特殊性及绿色、节能的设计，库房内采用变风量全空气系统，一般情况下VAV系统送风机频率采用系统静压控制，分为定静压法和变静压法：
（1）定静压方式
定静压控制模式的基本原理是：为了节能应尽量减少风道中的静压，但应使风道中的最小静压值能满足各个末端的能量需要。
根据VAV末端设备风量需求的大小，满足主风管最小静压值的情况下来控制风机的转速，达到节能的目的。
因此需要在风道最不利点设置压力传感器。AHU出风口风压最大，随着风管的延伸，风压逐渐变小，但是风管末端风压上扬。因为风道风量实际不会很均匀，根据实验数据，风压最低点约在距主风管末端1/3处。在实际使用中，更多的情况是多道风管并列安装。此时风机的频率将由多道风管中最小的静压值来控制。
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单风道定静压控制原理图 多风道定静压控制原图
定静压法的不足之处在于：静压传感器的位置和数量很难确定，而且不可避免的会使风机转速过高，达不到最佳的节能效果；同时在一定的系统静压下室内的需求风量只能由VAV所带风阀调节，当阀门开度较小时气流通过噪声加大，影响室内环境。
（2）变静压法
变静压系统控制与定静压系统控制的主要区别是风机转速的控制参数，即风道静压值在运行过程中是否会发生变化。为了要使送风管的静压满足要求，不会有风量不足的VAVBOX产生，又要使静压值尽量的低，达到最大的节能效果，要求静压值随负荷的变化而变化，在此要求下，产生了变静压控制模式。在变静压模式中，系统只要在风道的任意位置设置一个静压检测点即可，如图所示，在运行过程中将不断地去巡检VAVBOX的阀位，看当前的风道静压是否满足需求。
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其基本控制原理：首先系统开机运行，风机电动机处于工频运行，同时冷/热水阀也调到最大，使空调送风温度快速达到设定温度，然后再调节水阀，使送风温度稳定在设定值。同样，风机全速运行，使送风管中的静压值快速达到开机的设定值，系统开始运行，至此，调节风机频率使风管静压值保持在设定值（正常情况下，风机在工频以下运行）。延时一段时间后（时间长短由系统定），系统开始检测已经运行的各VAVBOX的开度（VAVBOX的开度由风阀阀位的反馈值经控制器获得）。当检测到有一个VAVBOX的阀位超过90％（暂定值），则系统认为该VAVBOX已处不足状态，从而需要增加风机转速，具体调节风管中的压力传感器设定值（风道静压点），将风道静压值增加3％，按新的静压值去控制风机转速。在新的静压值下运行后，系统在进行下一轮循检时，发现阀位都在90％以内，则保持此频率不变。但当检测到所有运行的VAVBOX的风阀中，最大阀位的那个VAVBOX也仅开到设计最大阀位的70％（暂定值）时，则认为系统静压值设置过高，需降低静压值，下降3％，按此静压值再去控制风机转速，直到至少有一个阀位保持在70～90％之间，系统保持此频率不变。可以减少变频器的频率波动挺高送风系统的稳定性，也可以设计系统不用保持在较高的静压，大大提欧高空调系统的节能效果。
5.改造效果
改造后库房内温湿度保持在18±2℃，相对湿度50±5%内，达到设计要求，库房内温湿度稳定性较改造前大幅提高，自控系统检测如下图所示：
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结语
以中央档案管库房的温湿度环境控制为研究对象，在认真分析温湿度对档案室纸张的影响之后，设计了一套基于西门子DDC的恒温恒湿空调控制系统，采用新的传感器技术及优化控制方案来实现库房内温湿度准确、稳定的控制并大幅降低空调新系统的能耗。主要取得了如下成果：
（1）完善优化了DDC系统的监控点位，实现了对设备状态、库房温湿度的全面监控，大大减少了人工巡视次数。
（2）严禁的控制流程实现了空调系统的全自动运行，实现了无人值守的库房温湿度控制。
（3）绝对湿度传感器的应用提高了湿度控制的精确性和稳定性同时降低了空调系统能耗。
（4）变静压VAV控制技术的应用提高了库房内环境温湿度的稳定性，变频器输出更加线性降低了系统耗电量。
改造后部分库房档案温湿度监控界面
参考文献
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作者简介：陈康（1986.12）男，汉族，江苏省，本科学历，工程师，从事研究方向或职业：建筑电气。