溫濕度獨立控制空調系統的應用

張哲 張睿 律寶瑩 陳薩如拉

(1．天津商業大學機械工程學院，天津 300134;2．天津商業大學商業設計研究院，天津 300134)

0 引言

建筑能耗在國內總能耗的比重是衡量一個國家經濟發展水平的重要指標。隨著中國經濟的迅猛發展，建筑能耗的比重將會逐漸增加，這必將會導致能源需求量的快速增長。年能耗統計表明，空調系統的能耗在建筑中所占的比重為40%～60%，年運營費用所占的比重為25%［1］。因此空調系統的節能問題已成為研究的重點。

本文通過分析常規空調系統，提出溫濕度獨立控制空調系統可以有效解決當前存在的問題。對新型空調系統的不足進行探討，并定性的提出了改良的方向。

1 常規空調分析

1．1 典型的空氣處理過程

在一次回風系統中空氣處理過程如圖1所示室外新風W與室內回風N經混合后到達點C，經過空調機組冷凝除濕后到達機器露點L，其相對濕度為90%～95%，由于送風溫差小，需將L再加熱到送風點O，送入空調房間。

圖1 全空氣系統一次回風空氣處理過程

風機盤管加新風系統的空調系統，空氣處理過程如圖2所示。室外新風處理到與室內等含濕量的值。常用的冷源溫度為7℃的冷凍水，新風系統和風機盤管采用相同溫度的冷源。新風系統承擔新風的全熱負荷和部分室內顯熱負荷，風機盤管系統承擔全部室內潛熱負荷和部分室內顯熱負荷(從N點到L'點)。

圖2 風機盤管加新風系統的空氣處理過程

1．2 常規空調系統存在的問題

1)風量大的問題。常規空調系統運行，既要完全消除室內的顯熱和潛熱負荷，又不能使用過低的送風溫度，因此只能通過增大送風量來滿足要求。然而大的送風量會帶來一系列問題。風量大必然管徑大，在室內布置大管徑時，會降低室內凈高或增大層高。大風量會使室內風速增大，有吹風感降低人體舒適度，同時會產生噪聲。在冬季為了避免吹風感，往往另設一套采暖系統由散熱器供暖，導致投資增加。

2)溫濕度共同處理的損失。夏季人體舒適區為25℃，相對濕度60%，此時露點溫度為16．6℃。常規空調系統的除熱除濕功能，大都通過對空氣進行冷卻和冷凝除濕來完成的。如果空調系統僅滿足人體對室內溫度的要求，送風溫度只要低于25℃，考慮媒介輸送造成的冷量損失和傳熱溫差(10℃)，冷源溫度只需15℃～18℃。如果只去除室內濕度，送風溫度只要低于露點溫度16．6℃，考慮輸送損耗和傳熱溫差(10℃左右)，冷源溫度為6．6℃。在空調系統中，顯熱負荷占總負荷的比重大于潛熱負荷，占比重大的顯熱負荷本可以用高溫冷源排走熱量的，但實際工程中處理顯熱和潛熱負荷的冷源都為低溫冷源，造成低品位能源的浪費。有時通過再加熱的方式提高室內溫濕度的控制精度，造成冷熱抵消，造成能源不必要的浪費。

圖3 冷凝除濕的處理范圍

3)難以適應顯熱和潛熱比的變化。冷凝除濕的實質是通過降低溫度使空氣冷卻到露點以下，達到降溫和除濕的目的，因此降溫和除濕必須同時進行。所以這種方式溫濕度比的變化范圍比較小，如圖3所示N，B，W圍成的三角形區域(其中N為室內空氣的狀態點，對應的露點為B，W為冷水的狀態點)。而實際中建筑物需要的顯熱和潛熱比變化有時會超出圖中的區域。有時溫濕度不能同時滿足，只能犧牲濕度而只考慮溫度要求了。當濕度大時，過高的溫度會造成不舒適，就要降低室內溫度來滿足舒適度，這必然會造成能源浪費。含濕量不變，溫度降低，相對濕度就會升高，導致焓值降低，加大了與室外空氣點的焓差，必然會增加處理新風時的能耗。由于冷凝除濕的顯熱和潛熱比的變化范圍受到限制，為了適應建筑顯熱和潛熱比的變化范圍就要尋求新的除濕方法。

4)對室內空氣品質的影響。隨著人們生活水平的不斷提高，室內空氣品質得到重視，而空調系統直接影響人們的身體健康。常規的空調系統大多采用冷凝除濕的方法，使空氣和表冷器等冷表面直接接觸達到降溫除濕的目的，表冷器表面出現潮濕甚至產生凝水，成為霉菌等的繁殖場所?？照{系統導致霉菌繁殖和傳播是影響人們健康的主要因素。因此如何實現除濕又不會產生潮濕表面是亟待解決的問題。另一方面，我國城市大氣污染物主要是可吸入顆粒物，引進空調系統的新風要通過過濾除塵，過濾器就會聚集大量粉塵，如果過濾器比較潮濕，則會繁殖各種微生物。因此如何有效過濾又不會繁殖微生物也是需要解決的另一個問題。

5)輸配損耗問題。為了達到設定的溫濕度，帶走室內的污染物，就需要有輸配網系統，而采用不同的輸配形式，不同的輸配媒介，輸配系統的效率是不同的，如采用空氣作為輸配媒介的能源消耗是采用水的5倍～10倍。

2 溫濕度獨立控制空調系統的優勢

2．1 溫濕度獨立控制空調系統的原理

溫濕度獨立控制空調系統由溫度控制系統和濕度控制系統組成，兩套系統分別調節室內溫度和濕度，如圖4所示。

圖4 溫濕度獨立控制空調系統原理圖

2．2 溫濕度獨立控制空調系統的優缺點

針對常規空調系統存在的問題，研究發現溫濕度獨立控制空調系統可有效解決現有的問題。溫濕度獨立控制空調系統包括處理顯熱和處理潛熱的兩套系統，分別控制溫度和濕度。顯熱控制系統通過干式末端排除室內余熱，滿足室內溫度要求;潛熱控制系統對新風除濕，用干燥的新風去除室內余濕，CO2及異味，滿足室內濕度和空氣品質的要求［3］。這種方法單獨控制溫度和濕度，能夠達到比較高的控制精度，能更大范圍適應建筑顯熱和潛熱比的變化。

作為一種新型空調系統，溫濕度獨立控制系統具有以下優點:

1)由于分別控制系統的除濕量和除熱量，可以根據建筑物熱濕比的變化情況，對室內環境的溫濕度進行實時控制，克服了常規空調熱濕比變化范圍小的缺陷。2)對于溫度控制系統，只需滿足室內溫度要求，低于室內溫度25℃，同時考慮傳輸溫差和傳熱溫差，冷源溫度一般在15℃左右。采用高溫冷源降低了能耗。3)和常規空調系統相比，溫濕度獨立控制空調系統可以避免送風再加熱問題，減少再加熱產生的不必要的能耗。4)采用輻射換熱末端裝置，可以和冬季采暖共用一套環境控制裝置，減少初投資，并且溫度場均勻。5)采用溶液除濕方法，通常的除濕劑為氯化鈣、氯化鋰、三甘醇等。可以避免冷凝除濕產生潮濕表面，同時避免在表冷器和風道中產生霉菌，通過噴淋的方法可以去除空氣中的可吸入顆粒和霉菌，兼有清潔空氣的作用。6)克服了常規空調系統中難以同時滿足溫度、濕度參數要求的致命缺點。7)過渡季能充分利用室外新風去除余濕，保證較舒適的室內環境，減少空調系統的運行時間。

3 溫濕度獨立控制空調系統的弊端

1)干式風機盤管的輸送性能系數較濕式風機盤管的低。干式風機盤管仍和常規風機盤管結構相同，造成輸送性能系數比較低，由于干式風機盤管沒有凝結水，因此干式風機盤管完全可以用不同的結構形式。目前市場上已經有輸送性能系數很高的干式風機盤管產品。

2)溫濕度獨立控制空調系統的控制系統比較復雜，測點多，要求嚴格，會加大控制系統的初投資。

3)冷卻塔的出水溫度不高。冷卻塔的出水溫度影響高溫冷水機組的冷凝溫度，從而會降低冷水機組的COP值。如果增大冷卻塔的進風量將會提高其使用效率，降低高溫冷水機組的冷凝溫度。

4 結語

通過與常規空調系統的比較，溫濕度獨立控制空調系統具有很高的節能效率，并且可以更好的保證室內環境的舒適度，同時也可以減少霉菌的產生，空氣品質好，所以該系統有很大的發展前景。但由于這項技術起步晚，國內外沒有成熟的工程實例，所以有待研究人員進一步研究和推廣。

［1］崔文盈．溫濕度獨立控制溶液除濕空調系統的理論研究及技術方案論證［D］．重慶:重慶大學城市建設與環境工程學院，2007:2-3．

［2］茅江曼．基于溶液除濕的溫濕度獨立控制空調系統研究［D］．南京:南京理工大學，2010:15-19．

［3］王 飛．基于雙溫冷源的溫濕度獨立控制空調系統的研究［D］．廣州:華南理工大學土木與交通學院，2011:6-8．

［4］薛志峰．超低能耗建筑技術及應用［M］．北京:中國建筑工業出版社，2005．

［5］郭永聰．深圳建筑太陽能利用技術研究——深圳太陽能溶液除濕空調可行性研究［D］．重慶:重慶大學城市建設與環境工程學院，2006:11-19．

［6］陳雷娟，劉春花，仲 婷．酒店空調系統方案設計及優化［J］．山西建筑，2011，37(24):123-124．

［7］江 億，劉曉華．溫濕度獨立控制空調系統［M］．北京:中國建筑工業出版社，2006．

［8］陸耀慶．實用供熱空調設計手冊［M］．第2版．北京:中國建筑工業出版社，1993．