貴陽地區溫濕度獨立控制空調系統方案探究★

張航銘 毛瑞勇 何 波 莫金鳳 劉 雄

(貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

溫濕度獨立控制空調系統采用與傳統空調系統不同的熱濕獨立處理方式，在很大程度上解決了傳統空調系統能耗偏高，溫濕度控制失調、室內空氣品質欠佳等問題，可在改善室內人員舒適度的同時大大降低對能源的消耗,非常順應現階段國家節能政策的號召以及人們對舒適度越來越高的要求，在未來具有廣闊的發展前景。

溫濕度獨立控制空調系統將傳統的空調系統分為溫度控制與濕度控制兩個部分，溫度控制部分由冷熱源，水輸配系統，室內干式末端(干式風機盤管、毛細管輻射板等)組成，濕度控制部分由新風處理機組，新風管路及送風末端裝置組成(個性化送風、置換通風等)[1]。對新風濕度處理的方式分為冷凍除濕、轉輪除濕與溶液除濕，冷凍除濕又包括雙冷源除濕與普通的冷凍除濕。轉輪除濕中加熱再生環節需蒸汽源或電力，耗能較大，不符合節能的目的，此處不予考慮。本文結合工程實例對雙冷源除濕加干式風機盤管、雙冷源除濕加輻射板、溶液除濕加干式風機盤管、溶液除濕加輻射板四種溫濕度獨立控制空調系統進行對比分析，通過系統能耗、初投資、運行費用及舒適度等方面的綜合比較，確定適用于貴陽地區的溫濕度獨立控制空調系統方案。

1 貴陽地區的氣候條件

貴陽地區屬于溫和地區A區，地處低緯度高海拔的高原地帶，冬無嚴寒，夏無酷暑。夏季空調室外計算干球溫度30.1 ℃，夏季空調室外計算濕球溫度23 ℃，夏季空調室外計算日平均溫度26.3 ℃，室外相對濕度62%，大氣壓力89.66 kPa[2]。

2 四種溫濕度獨立控制空調系統應用分析

以貴陽地區某三層辦公樓項目為例，第一層層高為3.6 m,第二、三層層高均為3.3 m。房間主要功能為辦公室、會議室。建筑總高度為10.2 m，建筑總面積約為1 691.52 m2，空調面積約889.39 m2。經計算：夏季總冷負荷119.4 kW，總濕負荷43.5 kg/h。會議室取2.5 m2/人，人均新風量12 m3/(h·P)，辦公室取4 m2/人，人均新風量30 m3/(h·P)，夏季室內設計溫度均取26 ℃，相對濕度均取60%。集中冷源采用高溫冷水機組，室內末端送風方式采用置換通風形式。本文僅以夏季為例進行計算。

2.1 溶液調濕新風機組+毛細管輻射板

熱泵式溶液調濕新風機組利用鹽溶液的吸濕特性對室外新風進行集中處理，降低其含濕量與相對濕度。新風處理機組承擔所有的新風負荷、室內的所有濕負荷及部分顯熱負荷，使送入房間的新風與室內的熱濕空氣混合后溫濕度在設計范圍之內，同時滿足人員的新風量要求及衛生要求。室內干式末端則采用毛細管輻射板，通過輸配系統將高溫冷水機組產生的高溫冷凍水送入毛細管內，承擔室內剩余的顯熱負荷，降低室內各表面及空氣的溫度，滿足室內人員的需求(見圖1)[3]。

空氣處理過程：室外新風先經高溫冷水機組產生的高溫冷凍水預冷，到達機器露點，后經溶液調濕新風機組降溫除濕，由W點到W′點，同時室內空氣回風等濕冷卻由N點至N′點，二者混合后到達送風狀態點O，最終沿熱濕比線ε送入室內(見圖2)。

空氣處理過程狀態點見表1。

表1 空氣處理過程狀態點(一)

新風機組預冷負荷：

QX=ρLX(hW-hL)

(1)

新風機組可承擔的顯熱負荷：

QXS=ρcpLX(tN-tO)

(2)

輻射板需承擔的負荷：

QFS=QS-QXS

(3)

高溫冷源提供的負荷：

QG=QX+QFS

(4)

機組的整體性能系數：

COP=ρLX(hW-hO)/E總

(5)

其中，ρ為空氣的密度，1.2 kg/m3；LX為新風量，m3/h;cp為空氣的比定壓熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；QS為夏季顯熱冷負荷;E總為機組總能耗，主要包括外置冷源及風機能耗。

經計算，每層辦公樓選擇一臺額定風量為2 000 m3/h，除濕量為40 kg/h的熱泵型溶液調濕新風機組及尺寸為4.3 mm×0.8 mm，導熱系數為0.21 W/(m·K)的毛細管輻射板。

能耗及機組性能系數計算結果如表2所示。

表2 能耗及機組性能系數(一)

本文計算設貴陽地區夏季供冷期為5月～8月，共計123 d，每天運行10 h，用電價格取0.6元/kWh計算。則本系統的運行費用為：0.6×10×123×9.1=6 715.8元。

2.2 溶液調濕新風機組+干式風機盤管

熱泵式溶液調濕新風機組排風中設置熱回收裝置，用于對室外新風的預冷處理以及溶液的再生環節，其余描述與2.1中新風處理部分相同。室內干式末端則采用干式風機盤管，通過輸配系統將高溫冷水機組產生的高溫冷凍水送入盤管內，承擔室內剩余的顯熱負荷，降低室內溫度，滿足人員需求(見圖3)[3]。

空氣處理過程：室外新風先經新風機組中排風熱回收提供的冷量進行預冷，后經溶液調濕新風機組降溫除濕，由W點到W′點，同時室內空氣回風等濕冷卻由N點至N′點，二者混合后到達送風狀態點O，最終沿熱濕比ε線送入室內(見圖4)。

空氣處理過程狀態點見表3。

表3 空氣處理過程狀態點(二)

新風機組預冷負荷：

QX=ρLX(hW-hL)

(6)

新風機組可承擔的顯熱負荷：

QXS=ρcpLX(tN-tO)

(7)

干式風機盤管承擔的負荷：

QFP=QS-QXS

(8)

高溫冷源提供的負荷：

QG=QX+QFP

(9)

機組的整體性能系數：

COP=ρLX(hW-hO)/E總

(10)

其中，ρ為空氣的密度，1.2 kg/m3；LX為新風量，m3/h;cp為空氣的比定壓熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；QS為夏季顯熱冷負荷;E總為機組總能耗，主要包括外置冷源及風機能耗。

經計算，每層辦公樓選擇一臺額定風量為2 000 m3/h，除濕量為40 kg/h的熱泵型溶液調濕新風機組及17個名義制冷量為4.76 kW的干式風機盤管，其中每個辦公室安裝一個，會議室安裝兩個。

能耗及機組性能系數計算結果如表4所示。

表4 能耗及機組性能系數(二)

本文計算設貴陽地區夏季供冷期為5月～8月，共計123 d，每天運行10 h，用電價格取0.6元/kWh計算。則本系統的運行費用為：0.6×10×123×10=7 380元。

2.3 雙冷源除濕新風機組+毛細管輻射板

雙冷源除濕新風機組利用兩種蒸發溫度不同的冷源對室外新風進行集中處理，降低新風的含濕量與相對濕度。雙冷源中的高溫冷源(主冷源)承擔全部的新風負荷與室內的部分顯熱負荷，低溫冷源(輔助冷源)承擔室內的全部濕負荷，使送入房間的新風與室內的熱濕空氣混合后溫濕度在設計范圍之內，同時滿足人員的新風量要求及衛生要求。排風中設置熱回收裝置，用于對室外新風的預冷處理。室內干式末端則采用毛細管輻射板，通過輸配系統將高溫冷水機組產生的高溫冷凍水送入毛細管內，承擔室內剩余的顯熱負荷，降低室內各表面及空氣的溫度，滿足室內人員的需求[4]。

空氣處理過程：室外新風先經新風機組中排風熱回收提供的冷量進行預冷，由W1點到W2點，后經高溫表冷器降溫除濕處理至第一機器露點，由W2點到L1點，再經低溫表冷器深度降溫除濕處理至第二機器露點，由L1點到L2點，經過進一步再熱，由L2點到O點，最終沿熱濕比線ε送入室內(見圖5)[5]。空氣處理過程狀態點見表5。

表5 空氣處理過程狀態點(三)

新風機組預冷負荷：

QX=ρLX(hw1-hw2)

(11)

新風機組內置冷源負荷：

QX=ρLX(hL1-hL2)

(12)

新風機組可承擔的顯熱負荷：

QXS=ρcpLX(tN-tO)

(13)

輻射板承擔的負荷：

QFS=QS-QXS

(14)

高溫冷源提供的負荷：

QG=QX+QFS

(15)

機組的整體性能系數：

COP=ρLX(hW-hO)/E總

(16)

其中，ρ為空氣的密度，1.2 kg/m3；LX為新風量，m3/h;cp為空氣的比定壓熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；QS為夏季顯熱冷負荷;E總為機組總能耗，主要包括外置冷源再熱能耗及風機能耗。

經計算每層辦公樓選擇一臺額定風量2 000 m3/h,除濕量為45 kg/h的內冷型雙冷源除濕新風機組及尺寸為4.3 mm×1.0 mm，導熱系數為0.25 W/(m·K)的毛細管幅射板。

能耗及機組性能系數計算結果如表6所示。

表6 能耗及機組性能系數(三)

本文計算設貴陽地區夏季供冷期為5月～8月，共計123 d，每天運行10 h，用電價格取0.6元/kWh計算。則本系統的運行費用為：0.6×10×123×12.3=9 077.4元。

2.4 雙冷源除濕新風機組+干式風機盤管

雙冷源除濕新風機組的描述部分與2.3中新風處理部分相同。室內干式末端則采用干式風機盤管，通過輸配系統將高溫冷水機組產生的高溫冷凍水送入盤管內，承擔室內剩余的顯熱負荷，降低室內溫度，滿足室內人員的需求[4]。

空氣處理過程：室外新風先經新風機組中排風熱回收提供的冷量進行預冷，由W點到W′點，后經高溫冷水預冷處理至第一機器露點，由W′點到L1點，再經新風機組內置冷源的蒸發器除濕處理至第二機器露點，由L1點到L2點，經過新風機組內置冷源的冷凝器進一步再熱，由L2點到送風狀態點O，最終沿熱濕比線ε送入室內(見圖6)[6]。

空氣處理過程狀態點見表7。

表7 空氣處理過程狀態點(四)

新風機組預冷負荷：

QX=ρLX(hW-hW′)

(17)

新風機組內置冷源負荷：

QX=ρLX(hL1-hL2)

(18)

新風機組可承擔的顯熱負荷：

QXS=ρcpLX(tN-tO)

(19)

干式風機盤管承擔的負荷：

QFP=QS-QXS

(20)

高溫冷源提供的負荷：

QG=QX+QFP

(21)

機組的整體性能系數：

COP=ρLX(hW-hO)/E總

(22)

其中，ρ為空氣的密度，1.2 kg/m3；LX為新風量，m3/h;cp為空氣的比定壓熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；QS為夏季顯熱冷負荷;E總為機組總能耗，主要包括外置冷源再熱能耗及風機能耗。

經計算，每層辦公樓選擇一臺額定風量為2 000 m3/h，除濕量為45 kg/h的內冷型雙冷源除濕新風機組及17個名義制冷量為4.76 kW的干式風機盤管，其中每個辦公室安裝一個，會議室安裝兩個。

能耗及機組性能系數計算結果如表8所示。

表8 能耗及機組性能系數(四)

本文計算設貴陽地區夏季供冷期為5月～8月，共計123 d，每天運行10 h，用電價格取0.6元/kWh計算。則本系統的運行費用為：0.6×10×123×13.4=9 889.2元。

2.5 四種系統經濟性比較

采用費用年值法進行比較，計算公式：

(23)

其中，L1為費用年值，萬元；L為系統初投資，萬元；n為設備使用壽命，取15年；i為年利率，取銀行利率5.94%。

計算結果如表9所示。

表9 經濟比較分析

根據表9的數據，四種系統的總費用大小關系為：溶液除濕+輻射板>溶液除濕+干式風機盤管>雙冷源除濕+輻射板>雙冷源除濕+干式風機盤管，可見雙冷源除濕新風機組+干式風機盤管系統的總費用最少，即最經濟。

2.6 四種系統舒適性比較

溶液調濕新風機組內部不存在濕表面，不會出現長期使用滋生細菌而導致的空氣品質問題，同時機組所用的鹽溶液對空氣有消毒殺菌的作用，能一定程度上凈化空氣，消除空氣中的粉塵及顆粒物，舒適性要優于雙冷源除濕新風機組。另一方面，干式風機盤管在干工況下運行噪聲會較普通風機盤管更大，而輻射板運行則幾乎沒有噪聲，且房間內溫度分布會較為均勻，比起干式風機盤管的對流換熱，輻射板的輻射換熱室內人員會感覺更加舒適。

因此四種系統的舒適性比較：溶液調濕新風機組+輻射板>溶液調濕新風機組+干式風機盤管>雙冷源除濕新風機組+輻射板>雙冷源除濕新風機組+干式風機盤管，可見溶液調濕新風機組+輻射板系統的舒適性最好。

2.7 四種系統的適用范圍

溶液調濕新風機組系統構成較為復雜，機組體積較大，適用于機房面積較大且對室內空氣品質要求較高的場合，如高檔酒店、高檔辦公樓、醫院等[7]。雙冷源除濕新風機組系統形式相對簡單，布置靈活方便，適用于小型辦公樓、居民住宅等建筑[7]。輻射板受實際安裝空間的限制，適用于對舒適度要求較高且面積較大的建筑。干式風機盤管與普通風機盤管相比需加大盤管的換熱面積來提高供冷量，滿足室內的除熱需求，安裝使用較為靈活，有一定的安裝面積要求。

3 結論

1)溶液調濕新風機組在舒適性方面優于雙冷源除濕新風機組，輻射板在舒適性方面優于干式風機盤管。因此溶液調濕新風機組+輻射板是舒適性最高的組合方式。

2)溶液除濕+輻射板系統總費用：2.44萬元/夏季，溶液除濕+干式風機盤管系統總費用：2.38萬元/夏季，雙冷源除濕+輻射板系統總費用：1.65萬元/夏季，雙冷源除濕+干式風機盤管系統總費用：1.62萬元/夏季。可以看出雙冷源除濕新風機組+干式風機盤管是最經濟的組合方式。

3)溶液調濕新風機組適用于機房面積較大且對室內空氣品質要求較高的場合。雙冷源除濕新風機組適用于小型辦公樓、居民住宅等建筑。輻射板適用于對舒適度要求較高且面積較大的建筑。

綜合以上分析，得出雙冷源除濕新風機組+輻射板是貴陽地區較為合適的溫濕度獨立控制空調系統方案。但具體應選擇何種新風處理機組與室內干式末端進行搭配，需根據實際工程靈活選擇，與全年的負荷情況相適應，且要考慮冷熱源機組、冷卻塔等其他設備的配置，因地制宜，綜合選擇合理的溫濕度獨立控制空調系統方案。