温湿度独立控制空调系统的应用

石方坤

摘要：本文分析了传统中央空调系统的形式及其在节能环保和卫生品质方面所面临的问题，在此基础上提出了新的空调方式——温湿度独立控制空调系统，阐述了该系统的应用策略，即通过控制独立新风的含湿量，由新风去除室内的余湿，承担湿负荷及控制室内的空气品质，而由高温冷水机组提供的高温冷水承担室内的显热负荷。分析了温湿度独立控制空调系统在节能环保、空气品质方面的优势与实现方式以及对空调末端和制冷机组的要求和影响，并提出了一些应用中的见解与问题，介绍了实践应用工程。

关键词：温湿度独立控制；溶液调湿；高温冷源；干式风机盘管

一、前言

今天，几乎每个人都会使用空调，但我们生活中大部分人并不真正了解空调，他们认为空调就是向人们活动的房间提供冷风或热风，只是单纯的改变室内温度，使人体感到舒适。其实，除温度外，空气的相对湿度对人的舒适感也有着重要影响。因此，从人体的舒适感和健康出发，空调系统不但要对室内空气降温或升温，还要对空气进行加湿或除湿处理。夏季，人体舒适区的温度为25℃左右，相对湿度一般在45%~65%范围内，此时露点温度约为16℃左右，传统空调采用热湿联合处理的方式，同时进行降温与除湿，若仅是降温，则冷源温度只需要15~18℃即可，但若还要再除湿，则冷源温度需要5~7℃，而温度过低，有时对冷却后的空气还需要再热才能满足送风温湿度的要求。在创造节约型社会的今天，传统空调的许多弊端开始受到人们的重视。

二、传统空调系统中的一些无法解决的问题

1、浪费能源，不节能。室内湿负荷由空调冷源承担，冷源温度需要需要降至较低，一般采用7℃，若冷源只承担室内显热负荷，湿负荷单独控制，则冷源温度可提高到15~18℃，这将大大提高制冷机的效率，COP可提高30%以上，而传统空调制冷主机COP值一般在5.0左右，使得节能效果低下，而且由于送风温度过低，有时还需要进行再热处理，这就使得冷热抵消，浪费能源。

2、无法同时满足对温度和湿度的控制要求。传统空调系统大致按设计的热湿负荷比值进行降温与除湿，其可适应的热湿比值范围较小，而普通人员活动的房间热湿比在不同的时间可能有很大差异，因为一般房间湿负荷变化小，而显热负荷变化却很大，这时就很难同时满足房间对温度和湿度的要求，一般做法是满足温度设定值，而对湿度则不予考虑。这就使得室内空气品质较差，很难满足一些较高场所的要求。

3、室内空气易受污染。冷凝除湿必然在末端的盘管表面积聚大量的冷凝水，在夏季炎热的天气里，这些潮湿的表面很容易滋生病毒细菌，从而成为室内空气的污染源，影响人体健康。唯一的解决办法就是设置杀菌消毒装置并定期进行清洗消毒，但这又给空调系统增加了大量投资和运行成本。

4、无法加大新风量以提高室内空气质量。一般空调系统中，新风冷负荷占到总冷负荷的30%~50%，相当巨大，因此设计时一般夏季按满足卫生标准的最低新风量设计运行。但为了提高室内空气质量，有效消除二氧化碳、病菌以及装修、家具、设备等散发出来的甲醛等有害物质，往往需要加大新风量，提高房间换气次数，这就造成空气质量和能源消耗之间不可调和的矛盾。

由于传统空调系统存在的各种问题，对目前的空调方式也提出了新的挑战，根据文献1，新的空调应该具备以下特点：

①加大室外新风量，能够通过有效的热回收方式，有效的降低由于新风量增加带来的能耗增大问题；

②减少室内送风量，部分采用与采暖系统公用的末端方式；

③取消潮湿表面，采用新的除湿途径；

④少用电能，以低品位热能为动力；

⑤能够实现高体积利用率的高效蓄能；

⑥能实现各种空气处理工况的顺利转换。

三、温湿度独立控制空调系统

湿度独立控制空调系统即采用两套独立的系统分别控制室内的温度与湿度，温湿度独立控制空调系统的主要部件有：高温冷源（高温冷水机组等）、承担显热负荷的空调末端装置（干式风机盘管、辐射毛细管等）、除湿新风机组（溶液除湿、转轮除湿等）、新风的末端送风系统。

1、高温冷源

由于湿负荷由除湿系统承担，空调冷源只承担室内显热负荷，冷水供水温度不再是常规冷凝除湿空调系统中的7ºC，而是提高到18ºC左右。此温度要求的冷水为很多天然冷源的使用提供了条件，如深井水、通过地源换热器获取冷水等。我国很多地区可以直接利用该方式提供18ºC冷水，在某些干燥地区（如新疆等）通过直接蒸发或间接蒸发的方法获取18ºC冷水。在无天然冷院可用的地区，仍可采用机械制冷的方式，由于蒸发温度大幅提高，要求的压缩比就很小，根据制冷卡诺循环可以得到，制冷机的理想COP将有大幅度提高。如果将蒸发温度从常规冷水机组的2~3ºC提高到14~16ºC，当冷凝温度恒为40ºC时，卡诺制冷机的COP将从7.2~7.5提高到11.0~12.0。实际运行过程中，一般制冷机组的COP值都可达到7.0以上。

2、空调末端装置

由于冷水温度为18℃左右，水温高于室内露点温度，无结露危险和排冷凝水的要求，可采用屋顶或垂直表面毛细管辐射或干式风机盘管等方式。室内设定温度为25℃时，即使平均冷水温度为20℃，每平米辐射表面仍可排除显热40W/m2，已基本满足一般建筑显热负荷的要求。由于不存在凝水问题，无需设置冷凝水管，采用干式风机盘管时可采用完全不同的结构和安装方式，这可使风机盘管成本和安装费大幅度降低，并且不再占用吊顶空间，还可满足各种装修要求。这种末端方式在冬季可完全不改变新风的送风参数，仍由其承担室内湿度和CO2浓度的控制。辐射板或干式风机盘管则通入热水，变供冷为供热，继续维持室温。与目前的风机盘管加新风方式比较，免去了凝水盘和凝水排除系统。彻底消除了实际工程中经常出现问题的这一隐患。同时由于不再存在潮湿表面，根除了滋生霉菌的温床，可有效改善室内空气品质。由于室内相对湿度可一直维持在60%以下，较高的室温（26~27℃）下就可以满足人体舒适感的要求，既降低了空调能耗，还减少了由于温差过大使人体产生的不舒适感。

3、除湿新风机组

温湿度独立控制空调系统中，由经干燥处理后的新风承担室内湿负荷。前面已阐述了现有的低温露点除湿的热湿联合处理方式所带来的问题，如何在非露点温度下控制新风的湿度，是温湿度独立控制空调系统的关键。目前有两种成熟的除湿方式，即转轮除湿和溶液除湿。转轮除湿方式，即用硅胶、分子筛等吸湿材料附着于轻质骨料制作的转轮表面。待除湿的空气通过转轮的一部分表面，空气中的部分水分被吸湿材料吸附，实现除湿。吸了水的转轮部分旋转到另一侧与加热的再生空气接触进行再生。但加热再生一般需要120℃左右的温度，无法利用低温热源，能耗较高，从热能利用效率看，转轮除湿机除掉的潜热量与耗热量之比一般难以超过0.6，而且由于再生后的转轮温度较高，使得除湿后的新风温度升高，无形中增加了显热负荷。此外，还存在新风与排风间相互渗透问题。

溶液除湿方式是将空气与具有吸湿性质的盐溶液直接接触（如溴化锂溶液、氯化锂溶液等），空气中的水蒸气被盐溶液吸收，从而实现空气的除湿，吸湿后的盐溶液经浓缩再生后循环使用。因此，溶液式除湿与转轮式除湿机理相同，仅由吸湿溶液代替了固体转轮。但溶液的再生可采用70~80℃的热水或冷凝器排热等低品位热能作能源，可利用热泵的排热用于溶液的再生，提高能源利用率。由于可以改变溶液的浓度、温度和气液比，因此与转轮相比，这一方式还可实现对空气的加热、加湿、降温、除湿等各种处理过程。采用溶液吸湿，可以使空气溶液接触表面同时作为换热表面，在表面的另一侧接入冷水或热水，实现吸收或补充相变热的目的，从而实现接近等温的吸湿和再生过程。此外溶液还具有杀菌、除尘作用，可以起到净化空气的作用。通过合理的设计溶液与空气接触的塔板形式，就可在获得优良的传热传质效果的同时获得好的除尘效果。溶液中的灰尘可通过溶液过滤器捕捉收集，更换和清洗溶液过滤器远比更换和清洗空气过滤器容易。

对照前言中常规空调系统存在的问题，温湿度独立控制空调系统可能是一个有效的解决途径。温湿度独立控制空调系统与传统空调系统相比，具有以下优点：

1、单独控制、调节室内的温度与湿度，避免了常规空调系统中热湿联合处理所带来的损失；

2、可有效利用部分低温热源和天然冷源，节约能源；

3、提高送风温度，使人体感更加舒适而不需加大循环风量，节省能耗；

4、可以满足不同房间热湿比不断变化的要求，克服了常规空调系统中难以同时满足温、湿度参数的要求，避免了室内湿度过高（或过低）的现象；

5、室内无冷凝水，避免空调内有害病菌的滋生，提高空气质量，改善室内卫生环境。

6、可减少冷凝水管敷设，减小对建筑层高的影响，使空调末端的布置形式灵活多样，因为送风温度提高，可通过置换送风的方式从下侧或地面送出，也可采用个性化送风方式直接将新风送入人体活动区。

四、工程案例

以笔者设计的万科住宅产业化研究基地展示中心为例讲述温湿度独立控制空调系统的应用情况。

1、项目概况

本工程位于广东东莞市松山湖工业区，建筑面积3560平米，由一栋两层展厅组成。

2、设计内容

夏季舒适性中央空调设计及通风、防排烟设计。

3、设计参数

室外干球温度：33.5℃，湿球温度：27.9℃，相对湿度：69%；设计室内温度：26℃，相对湿度：60%；新风量：30次/hr；公共卫生间换气次数：10次/h；排烟采用自然排烟方式。

夏季空调设计总冷负荷约424kW，冬季无需供暖。

4、空调系统

采用温湿度独立控制系统、下送下回的空调方式，风口与地板配合，采用地板式风口。采用两台溶液除湿热回收新风机组集中提供新风及排风。机组自带压缩制冷循环系统对新风进行冷却，冷凝排热为溶液再生提供热量。风量分别为3000m3/h和4000m3/h，制冷量分别为59kW、79kW，除湿量分别为60kg/h、80kg/h。新风机组分别置于二层新风机房内，室外新风先经溶液除湿单元除湿，再经热回收单元与排风交换热量后，再经过表冷器进一步冷却，冷却后的低温（20℃）干燥新风通过敷设于架空地板下的风管送入室内，承担室内潜热负荷和部分显热负荷。排风则与新风换热后，经过溶液再生单元，经管道将水蒸气及热量带至室外。其余显热负荷则由设置于地板下的干式风机盘管承担，共采用180台干式风机盘管，制冷量为1.7kW/台，进出水温度为14/19℃。理论上无需设置冷凝水管，但出于安全考虑，经与甲方沟通，还是设计了冷凝水排水系统。

5、空调冷源

选用优质高效的高温水冷螺杆式冷水机组一台，额定制冷量为275.7kW，冷冻水进出水温分别为19/14℃，冷却水进出水温分别为32/37℃，耗电量为50kW，COP值为5.51。高温冷水系统管路采用干管异程、支管同程式布置，各分支回水管上设置平衡阀，通过末端干式风机盘管，承担室内显热负荷。水泵采用一级水泵，同时设置一用一备，与常规制冷系统一样，采用开式膨胀水箱补水定压。

经核算，本系统比常规空调系统节省耗电功率约30kW,且无冷凝水，送风温差小，室内空气品质和舒适感都大大提高，温湿度独立控制，可满足热湿比变化的要求。由于采用下送风，可不承担上部空间的余热余湿，设计总冷负荷比常规空调系统减少约10%。

五、结语

与传统空调系统相比，温湿度独立控制空调系统具有许多优越性，今后应该成为空调系统的主流，但目前也存在一些问题，比如新风机组体积庞大，需要占用较大空间，据笔者了解，有的溶液除湿系统散发异味影响室内环境等。在能源问题日益严重的今天，探索、设计经济、节能、环保、舒适的空调系统是我们每个暖通设计者的职责和最求目标。

参考文献：

[1]陆耀庆，主编，《实用供热空调设计手册》中国建筑工业出版社，2008年第二版

[2]薛志峰等，建筑节能技术与实践丛书――超低能耗建筑技术及应用中国建筑工业出版社，2005年版

[3]《采暖通风与空气调节设计规范》中国计划出版社GB50019-2003