高精度热环境的免再热冷冻水流量控制：控制策略与节能潜力

《Energy》：Reheat-free chilled water flow control for high-precision thermal environments: Control strategy and energy savings potential

　　

本文提出了一种基于室温反馈的冷冻水流量的控制策略，用于超高精度热环境中的无再热控制，并采用板换型无再热系统（PHE-RHF）与水泵混合型无再热系统（WMP-RHF）两种构型进行实验和仿真实验验证。

引言部分指出，随着人工智能、先进电子、半导体制造与精密科研的发展，对温度稳定性要求极高的热环境受到越来越多的关注。半导体洁净室、生物技术实验室、精密制造车间与高能物理实验等均依赖稳定的室内热环境来保证产品质量、工艺可靠性与实验精度。温度稳定性被视为这些设施中最关键的环境性能指标之一：生物技术实验室通常要求温度波动控制在±0.5 °C以内，而半导体洁净室与超精密实验室常要求达到±0.1 °C甚至更低。

为满足此类严格要求，精密暖通空调（HVAC）系统通常采用"先制冷后再热"的构型：送风先被冷却至低于目标温度以满足除湿需求，再经再热后送入空调区域。虽然该策略可实现高精度的热调节，但不可避免地引入了同时制冷与制热的过程，造成显著的冷-热抵消与能源浪费。既有研究表明，HVAC系统在先进制造设施总能耗中占比约30%–70%，其中冷-热抵消是半导体洁净室与精密制造环境中HVAC能耗过高的主要贡献因素。实际应用中，即使在夏季运行，也常需持续启用末端再热以维持送风温度稳定、降低结露风险并满足湿度控制需求，由此造成的再热相关能耗损失可占半导体设施HVAC总能耗的13.1%–18.0%。

为缓解超高精度温控与高能耗之间的矛盾，研究者在控制优化、系统级运行调节与再热削减方面开展了大量工作。早期研究主要聚焦于常规再热系统的温控改进：Peng等人通过在精密温控系统中引入串级衰减器改善温度衰减特性；Li等人提出含前馈与滞后补偿的串级控制框架以削弱系统延迟与环境扰动的影响；He等人通过软硬件协同设计与两自由度控制结构进一步提升扰动抑制能力。此外，自适应预测控制、时序感知控制以及模糊控制、神经网络辅助PID等智能控制方法也被用于改善HVAC系统的动态与稳态性能。

近年来，模型预测控制（MPC）、强化学习辅助控制与监督优化等方法的进步，进一步拓展了HVAC系统在热舒适、能效与运行稳定性之间取得平衡的能力。基于MPC的策略通过将建筑热惯性与未来运行工况纳入控制过程，在扰动预判与动态能效优化方面展现出显著优势。此外，数据驱动的预测控制框架也在变工况下的智能HVAC系统中表现出改善动态性能与能效的潜力。

然而，控制算法的优化无法从根本上消除再热，因而也无法彻底解决冷-热抵消带来的能耗代价。因此，研究重点转向系统层面的方案，以减少或消除再热需求。现有策略主要包括：优化新风机组（MAU）运行工况、采用热回收技术以及直接取消再热。

在优化MAU运行工况方面，Chang等人报告通过降低薄膜晶体管液晶显示制造车间MAU出风温度可取得可观的HVAC节能；Hu等人进一步证明，在半导体制造设施中降低MAU出口温度最高可减少MAU能耗8.6%。热回收技术也被广泛用于减少再热需求并提升整体效率。近期，基于不确定性的优化方法与集成设计框架被应用于洁净室空调系统，以在变工况下提升能效表现。

直接消除再热是削减冷-热抵消更为根本的方案。Yin等人在半导体洁净室中验证了在冷凝除湿后取消再热的可行性，同时仍保持可接受的热性能。后续研究进一步证实，再热消除策略在不同工况下可实现10.4%–38.3%的节能。Guo等人进一步提出了一种需求响应型洁净室HVAC策略，整合冷冻水分配与送风调节，强调了水温与风量协调控制对提升洁净室能效的重要性。同一课题组还通过可控衰减器的频域分析与两级控制的统一阶跃扰动传递模型，推进了恒温冷冻水系统的稳定化研究，成功验证了水侧扰动衰减机理，表明调节水环路温度可有效抑制末端冷-热抵消，同时确保鲁棒的热稳定性。这些研究为无再热精密HVAC系统的开发提供了重要的理论与技术基础。表1系统总结了现有的控制策略。

尽管在常规HVAC系统中已有消除再热的探索，但其在超高精度热环境中的应用仍极具挑战。精密控制空间通常要求温度稳定在极窄范围内，往往在±0.1 °C量级甚至更低。在此类环境中，末端再热被广泛用于补偿制冷能力失配以及抑制扰动引起的温度波动。取消再热等于移除了一个主要控制执行手段，降低了控制权限，并使系统对气流扰动、冷冻水温变化与内部热负荷波动的敏感性显著上升。因此，在无再热条件下、±0.1 °C约束下的瞬态动态性能系统评估存在重大研究空白。现有研究多集中于稳态节能性能，而对瞬态响应特性、多源扰动抑制能力以及无再热条件下动态控制稳定性的系统研究仍较为有限。此外，无再热系统在不同扰动条件下的适用性边界与节能特性也尚未得到全面评估。

既有研究还表明，冷冻水系统性能对HVAC能效与控制稳定性至关重要。冷冻水分配方案、泵送策略与水力特性会显著影响制冷能力调节与整体系统性能。同时，监督控制与基于模型的优化方法正越来越多地应用于冷冻水与变风量系统，以提升运行效率与动态性能。这些进展为在精密热环境中实施以水温为核心的控制策略提供了重要的理论支撑。

针对上述挑战，本研究提出了一种面向超高精度热环境的室温反馈冷冻水流控制策略。与依赖末端再热补偿温度偏差的传统方法不同，所提策略直接基于室温反馈调节冷冻水流，从而在满足严格热稳定性要求的同时消除末端再热。研究考察了两种无再热构型：板换型无再热系统（PHE-RHF）与水泵混合型无再热系统（WMP-RHF）。研究搭建了高精度实验平台，在稳态与动态工况下评估所提方法的可行性；同时建立了经标定的Modelica模型，用于研究系统动态特性、量化扰动抑制性能并评估不同工况下的节能特性。研究结论为在精密HVAC应用中实施无再热控制策略提供了实验证据与理论指导。整体研究框架如图1所示。

系统构型方面，图2(a)展示了广泛应用于恒温场合的常规电再热（EC）控制系统。该系统作为全空气空调系统运行：制冷过程中，送风先经表冷器，冷冻水与空气流之间通过对流换热移除热量，随后由末端电加热器再热空气，再进入恒温恒湿间（CTHR）。

模型验证部分将动态模型与试验台测量数据进行对比。冷冻水温度与流量的时间序列测量值被用作模型边界条件；供水温度、回水温度、送风温度与室体温度被选为验证变量，因其代表了支配系统运行的关键热状态。图5对比了PHE-RHF与WMP-RHF两种构型的仿真与实测结果。

关于无再热系统中的扰动传播机理，第3节结果表明无再热系统的动态行为强烈依赖于扰动类型。虽然所考察的所有系统均保持了可接受的温控性能，但由此产生的温度偏差幅度差异明显。对于水温扰动，温度波动源于冷冻水供水条件变化所导致的制冷能力变化，扰动首先在水侧显现。

结论部分总结：本研究提出了一种基于室温反馈的冷冻水流控制策略，用于在超高精度热环境中消除末端再热，并通过实验研究与经标定的Modelica仿真，对PHE-RHF与WMP-RHF两种无再热构型的温控性能、扰动抑制能力与节能潜力进行了评估。主要结论包括：所提无再热控制策略成功实现了超高精度热环境下的温控目标。

作者贡献声明、利益冲突声明与致谢部分：作者声明无与本文内容相关的利益冲突；本项目由上海市自然科学基金（编号23ZR1468400）、上海市科学技术委员会科技创新计划（编号21DZ1203100）以及上海市智能低碳受控建筑环境专业技术服务平台（编号23DZ2290100）资助。作者团队包括曾杰晓、郭威辰、朱学锦、朱哲、叶伟、高军与张旭等人。