温度湿度独立控制的空调系统

第五节　温度湿度独立控制的空调系统

目前常规空调系统都使用制冷机制备的温度为5～7℃冷水或更低的低温水作为冷媒，用来去除建筑内潜热负荷与显热负荷。这是因为需对空气除湿，才必须提供低于空气露点温度的冷媒。例如夏季室内空气温度控制在25℃，相对湿度60%，此时露点温度为16.6℃，考虑到5℃传热温差和5℃介质输送温差，要想对空气除湿，需至少6.6℃的冷源温度。但若只降低室内空气的干球温度，冷源的温度只需低于空气的干球温度25℃即可，考虑传热温差和介质输送温差，冷源温度只需在15℃左右。空调系统中，显热负荷(排热)占总负荷的50%～70%，潜热负荷(除湿)仅占空调负荷的30%～50%。显然大量的显热负荷用低温冷媒处理，必然造成能源的浪费。解决此问题最好的方法就是空调系统的温湿度独立控制。

一、温湿度独立控制空调系统的工作原理与组成

图5－16　新风处理到dL＜dN

温湿度独立调节空调系统(Temperature and Humidity Independent Control air Conditioning System，THICCS)又称温湿分控空调系统。温湿度独立控制空调系统基本上由控制湿度的新风处理系统和控制室内温度的干工况系统组成。控制湿度的新风处理系统将新风处理到低于室内含湿量点。新风不仅负担新风冷负荷，还负担部分室内显热冷负荷和全部潜热冷负荷。新风承担排湿、排CO₂、排味和提供新鲜空气的需求。而控制室内温度的干工况系统将回风等湿冷却，仅负担如人员、照明和日射等一部分室内显热冷负荷。

图5－17　温湿度独立控制空调系统原理

控制湿度的新风处理系统由新风处理机组和送风末端装置组成。由于不需要处理温度，可使用如溶液除湿、转轮除湿等方式处理新风。送风末端装置可采用节能高效的送风方式如置换送风、个性化送风等;温度控制系统包括高温冷源和末端装置。高温冷源可以是深井水、土壤源换热器等天然冷源，或者是制备高温冷水(出水温度为18℃)的制冷机组等;而末端装置使用辐射板方式、干式风机盘管等多种形式作为室内末端装置。由于供水温度高于室内空气的露点温度，有利于防止水患。

二、温湿度独立控制系统的主要节能原理

温湿度独立控制系统的主要节能原理体现在如下几个方面。

(1)处理潜热(除湿)时，采用冷冻除湿方式，要求有低于室内空气露点温度的低温空调冷水，一般为5～7℃;而处理显热(降温)时，仅要求冷水温度低于室内空气的干球温度，15～19℃即可。独立控制温湿度避免了热湿耦合处理时造成能量利用品位上的浪费，提高了能源利用率，也为天然冷源的使用提供了条件。

(2)温度控制系统的末端装置干工况运行，不存在冷凝水的潮湿表面，从而为构建无霉菌的健康空调系统创造条件。末端装置一般采用水作为冷媒，输送能耗比输送空气能耗低。

(3)湿度控制系统的干燥新风承担所有的潜热负荷，比温湿度同时控制的常规空调系统能够更好地控制房间湿度和满足室内热湿比的变化。房间湿度控制标准严格时取消了常规空调系统中的再热，减少了大量的能源浪费，节能潜力巨大。

三、温湿度独立控制系统的设计要点

根据《全国民用建筑工程设计技术措施/暖通空调·动力(2009年版)》，温湿度独立控制系统的设计过程必须遵循温湿度处理的技术原理。

1.同气候分区的具体设计方法不同

THICCS的设计应根据工程所在地的气候分区采取不同的形式，各城市的气候分区主要有干燥区(Ⅰ区)，是最湿月平均含湿量小于12g/kg的地区如乌鲁木齐、拉萨等地;而潮湿地区(Ⅱ区)，是最湿月平均含湿量大于12g/kg的地区如北京、哈尔滨等地。详细分区参考《全国民用建筑工程设计技术措施/暖通空调·动力(2009年版)》。

(1)Ⅰ区新风宜采用蒸发冷却进行降温(或降温加湿)处理，可按蒸发冷却空调系统的设计方法设计。

(2)Ⅱ区新风可采用冷却除湿、溶液除湿、转轮除湿和联合除湿等处理方式。温湿度独立控制空调系统应根据工程所在的气候分区采取不同的形式。

2.风量确定原则

(1)应满足卫生和除湿要求，按其计算结果取较大值。

(2)新风送风量和送风含湿量应满足式5－3的关系。

(3)Ⅰ区采用蒸发冷却方式处理新风时，宜充分利用新风冷量，适当增大新风量。

(4)Ⅱ区可按满足卫生要求确定新风量。采用冷却除湿时，应校核冷源水温是否能满足要求，必要时可增大新风量。

3.新风送风状态点的确定

新风承担室内湿负荷(潜热负荷)，而由其他设备排除其显热。不同的新风处理方式原理有所差异。因此新风送风温度的确定应当考虑到所应用的新风机组形式及送风温度对人体舒适性的影响。此处对新风送风温度不做特殊要求，实际工程可根据选用的新风机组形式选取合适的送风温度。只需按式5－9确定送风含湿量即可。

式中:ρ——空气密度，kg/m³;

L——新风送风量，m³/h;

d_n——室内设计的含湿量，g/kg;

d₀——新风送风的含湿量，g/kg;

W——室内总湿负荷，g/h。

4.新风处理方式

温湿度独立控制空调系统中，新风的处理需根据所在地区确定。我国西北地区(干燥地区)，室外空气的露点温度比湿球温度平均低4～9℃。以新疆维吾尔自治区乌鲁木齐等21个城市的气象台站统计数据为例，夏季最湿月的平均露点温度为12.3℃，最湿月的平均湿球温度为16.8℃。Ⅰ区，新风宜采用蒸发冷却进行降温(或降温加湿)处理。即室外干燥新风带走房间湿负荷，辐射末端或干式风机盘管等走高温冷水带走房间显热负荷。Ⅱ区需要新风处理机组提供干燥的室外新风，以满足排湿、排CO₂、排味和提供新鲜空气的需求。Ⅱ区新风可采用冷却除湿、溶液除湿、转轮除湿和联合除湿等处理方式。

图5－18　溶液除湿与冷凝除湿、转轮除湿处理过程

O.室外空气;R.室内空气;S.送风状态点

冷却除湿方式处理空气时，空气先被降温，温度降低到露点后水蒸气开始变为液态水析出，除湿后的空气状态接近饱和，温度较低，需要经过再热才能送入室内。转轮除湿方式处理空气时，空气状态沿等焓线变化，除湿后的空气温度较高，需经过高温冷源冷却后才能送入室内。溶液除湿方式可以将空气直接处理到需要的送风状态点，不需要经过再热或冷却。

5.空调系统设备的负荷

温湿度独立控制空调系统分为温度控制系统和湿度控制系统两部分，由于这两种系统承担的热湿处理任务不同，在进行空调系统设计时应分别针对这两种系统不同设备进行负荷计算。

(1)新风机组的负荷。湿度控制系统通过送入含湿量低于室内设计状态的干燥新风来承担全部的建筑潜热负荷，同时由于送风温度的不同还可能承担部分建筑显热负荷。因此，新风机组承担的负荷为将新风从室外设计状态处理到送风状态时所需投入的冷(热)量。

(2)去除显热的末端装置负荷。一般情况下，当新风送风温度低于室内设计温度时即承担室内部分显热负荷，末端装置的负荷应为建筑室内总显热负荷与新风送风承担的部分建筑室内显热负荷之差;当新风送风温度高于或等于室内温度时即不承担室内显热负荷，这时，末端装置的负荷应为建筑室内总显热负荷加上因新风送风温度与室内设计温度存在差异而带来的显热负荷之和。

(3)高温冷源设备负荷。在温湿度独立控制系统中，高温冷源设备负荷计算分为两种情况:当湿度控制系统的处理的新风需要高温冷源预冷时，高温冷源的负荷应为去除显热的末端装置负荷与预冷新风所需负荷之和;当湿度控制系统不需要高温冷源进行预冷时，高温冷源的负荷应满足去除显热的末端装置负荷要求。

6.新风机组选择

(1)Ⅰ区。对新风进行蒸发冷却处理的方式决定了新风机组的类型。对新风的主要有3种方式:间接蒸发冷却、直接蒸发冷却、间接蒸发冷却和直接蒸发冷却相结合。选择何种处理方式取决于室内外设计含湿量之差、送风含湿量和室内设计含湿量差之间的关系。

当工程条件允许时，应尽可能使用经过室内的显热末端的冷水对新风进行预冷。这样可以降低新风机组中进行间接蒸发冷却的进风温度，提高整体的新风冷却效率。如果工程受限，此时新风机组选择多级间接蒸发冷却的形式。

(2)Ⅱ区。在温湿度独立控制空调系统中，新风机组承担着室内湿度控制的任务，需要处理出足够干燥的新风。根据除湿方式的不同，可分为冷却除湿、转轮除湿、溶液除湿等方式。

新风采用冷却除湿时，当除湿后的新风系统送风温度偏低需要进行等湿加热时，应采用自身再热方式;当室内设置集中排风系统时，宜利用排风进行再热;当无排风热回收可利用时，可采用液体工质进行预冷和再热;不应采用热水、电加热等外部热源再热方式。

采用转轮除湿时，宜采用室内排风热回收对新风进行预冷。

采用溶液为媒介的新风机组，可分为电驱动(热泵驱动)型新风机组与热驱动型新风机组两种类型，每种类型又有多种形式。溶液热回收型新风机组不是普通意义上的新风机组，它是集冷热源、全热回收段、新风加湿除湿处理段、过滤段、风机段为一体的新风处理设备。由于独立运行可满足全年新风处理要求，无需额外的冷却塔等辅助设备。

当有大于或等于70℃的余热可利用时，宜采用余热驱动式溶液除湿方式，也可采用室内排风喷水冷却溶液除湿和采用冷却塔的冷却水进行冷却除湿;余热驱动的溶液除湿方式，可采用分散除湿、集中再生的方式，将再生浓缩后的浓溶液分别输送到各台新风机中;在新风除湿机与再生器之间常设置储液罐，可实现较高的能量蓄存功能，缓解再生器对于持续热源的需求。当无可直接利用的热源时可采用热泵驱动式溶液除湿方式。

当建筑物中没有低品位的热源(温度超过70℃的热水、蒸汽等)可以利用时，只能选择电驱动型溶液调湿空气处理机组。当系统可以提供低品位热源时，这样需要对两种类型的机组进行经济性分析，选用最经济的机组。经济性分析需要从整个系统出发，综合考虑各种经济因素。同时结合风系统形式，选择不同机型。一般情况下，对于电驱动型机组，当空调风系统为风机盘管加新风系统时，选用HVF型热泵式溶液调湿新风机组;当空调风系统为全空气系统时，选用HVA型热泵式溶液调湿新风机组。对于热驱动型机组，当系统中可以有排风利用时，选用ECVF型蒸发冷却式溶液调湿新风机组;当系统中无排风可以利用时，选用WCVF型水冷式溶液调湿新风机组。而在特殊工艺要求如要求具有低湿环境的特殊场合，可以选用FICA型热泵式溶液深度除湿机组，为电驱动型机组。

7.新风机组选型计算举例

要求选择一台溶液热回收型新风机组，用于满足某一空调区域的新风要求。空调设计的风系统形式为风机盘管加新风。该空调区域的室内设计参数为:26℃、60%相对湿度，室外设计参数O为33.2℃、57%相对湿度。总热负荷Q为39kW(不包括新风负荷)，其中潜热负荷Q_W为11kW。满足卫生需求的新风量Q_f，h为3 000m³/h，要求新风机组带走全部的湿负荷，系统中夏季无热源可用。

(1)确定机组类型。根据系统中夏季无热源可用、空调设计的风系统形式为风机盘管加新风系统的条件，根据陆耀庆主编《实用供热空调设计手册》图22.9－8选择HVF型热泵式溶液调湿新风机组。

(2)确定机组型号。根据陆耀庆主编《实用供热空调设计手册》表22.9－1，机组额定送风干球温度20℃，相对湿度55%，计算出送风含湿量为8g/kg;由室内设计参数计算出室内空气含湿量为12.6g/kg。由于要求新风带走空调区域所有的潜热负荷Q_W为11kW。这样得出为带走全部湿负荷所需要的新风量Q_f，h计算如下。

其中:ρ_a——空气密度，ρ_a=1.2kg/m³;

r——水的汽化潜热，r=2500kJ/kg。

为满足卫生需求的新风量Q_f，h为3 000m³/h。因而选取新风量G= max(G_f，h，G_f，W)= 3 000m³/h，根据陆耀庆主编《实用供热空调设计手册》表22.9－1，选择HVF－03型机组，额定风量为3 000m³/h。

(3)机组承担负荷情况。由新风量与室内外的空气参数可以得到，将新风处理到室内状态的负荷为:新风显热负荷为7.2kW，新风潜热负荷为14.3kW，总新风负荷为21.5kW。由题目的已知条件，除去新风负荷外，房间显热负荷等于28kW，房间潜热负荷等于11kW，房何总负荷等于39kW。因而，加上处理新风的负荷后，建筑的显热负荷等于新风显热负荷加房间显热负荷等于35.2kW，建筑潜热负荷等于25.3kW，建筑总负荷等于60.5kW。在建筑总负荷中，将新风处理到室内状态的负荷占建筑总负荷36%，潜热负荷占建筑总负荷的42%。

根据设计的要求，溶液调湿新风机组承担了建筑的全部潜热负荷(25.3kW)。此外，由于新风机组的送风温度低于室内设计温度，新风机组承担了建筑的部分显热负荷为:

Q_f= c_p，a×ρ_a×G×(t_o－t_f)/3600=1.005×1.2×3000×(33.2－20)/3600=13.3(kW)

因而，溶液调湿新风机组承担的建筑总负荷等于25.3kW潜热加13.3kW显热等于38.6kW，占建筑总负荷的64%。

风机盘管系统承担了剩余的显热负荷= 7.2+ 28－13.3= 21.9(kW)，占建筑总负荷的36%。

8.高温冷源的制备

(1)Ⅰ区。利用间接蒸发冷却技术，将预冷过的干燥新风与空调回水逆流换热，逆流传质过程中，水分的蒸发所需要的汽化潜热大部分来自空调回水，致使空调回水温度降低制备为冷水。故在Ⅰ区，房间的湿负荷可以完全依靠干燥的新风带走。同时通过间接蒸发冷水机组，利用室外干空气制得15～20℃的高温冷水，送入室内的辐射地板、风机盘管等干式末端，带走房间的显热。

(2)Ⅱ区。由于潜热由单独的新风处理系统承担，因而在温度控制系统中，只需要17～20℃的冷水来带走显热负荷，在此温度下的冷源可由多种方式提供，如土壤源换热器、水源热泵等天然冷源和人工冷源。应优先采用天然冷源。

研究表明，在地下10m以下的土壤温度基本上不随外界环境及季节变化而变化，且约等于当年平均气温。采用土壤源系统时，夏季很多时间可以直接利用土壤天然冷源得到15～19℃的高温冷水，而不必开启热泵;冬季则应利用热泵方式从地下埋管中提取热量，以保证土壤全年的热平衡。土壤源换热器可以为垂直埋管形式，也可以是水平埋管方式。当采用垂直埋管形式时，埋管深度一般在100m左右，管与管间距在5m左右。当采用大量垂直埋管时，夏季的冷却温度就不再与当地年平均气温有关，而是由冬夏的热量平衡和冬季取热蓄冷时的蓄冷温度决定。通过管路实现冬、夏运行模式的切换。

而采用水源热泵时，夏季直接通过换热装置将地下水的冷量用于去除建筑的显热负荷，冬季开启热泵机组，蒸发器的冷量由地下水带走，冷凝器的排热量用于建筑供暖。研究表明10m以下的地下水水温一般接近当地的年平均温度，当使用地的年平均温度低于16℃时，可通过抽取深井水作为冷源，但利用过的地下水必须回灌。

由于天然冷源的利用往往受到地理环境、气象条件以及使用季节的限制，有些场合还不得不采用人工冷源。对于温湿度独立控制空调系统，即使采用机械制冷方式制备高温冷水，由于要求的压缩比很小，制冷机的COP将有大幅度的提高。需要指出的是采用人工冷源时，对于采用冷冻除湿方式处理潜热负荷的温湿度独立控制空调系统，当建筑规模较小时，处理显热和潜热系统的冷源可合用，其冷水温度应按处理潜热系统的要求确定;当建筑规模较大时，宜设置高、低温冷水机组或双工况冷水机组，分别用于处理显热、潜热的空调系统。

用于末端装置处理显热的冷水温度宜为15～19℃，应用于Ⅱ区的辐射板或干工况风机盘管的冷水温度应保证供冷表面的温度高于室内露点温度。

9.显热末端装置

温湿度独立控制系统显热末端装置的任务主要是排出室内显热余热，用于去除显热的末端设备主要有干式风机盘管和辐射末端两种方式。

(1)干式风机盘管。温、湿度独立控制空调系统中风机盘管在干工况下运行，可采用完全不同的结构和安装形式，使风机盘管成本和安装费大幅度降低;取消凝水盘及凝水管路系统，可采用不再占用吊顶空间的吊扇形式、明装于墙角等多种灵活方式。由于不存在结露的危险，供回水管的保温也可取消，使其同时起一些吸收显热的作用。

在给定供回水温度的情况下，同一盘管干工况的供冷量约为湿工况的40%。同时干工况下风机盘管的供回水温度由传统的7～12℃变为17～20℃，盘管表面的平均温度升高，与室内空气的温差减小，使得盘管实际供冷量和一般设备样本中的数据有很大差别，因此需对风机盘管在干工况下的冷量进行仔细校核。一般情况下，干工况风机盘管，单位风量的供冷量为2.0～2.4W/(m³/h)。

式中: Q_{c，干工况}——干工况供冷量，W;

Q_h，标准——标准供热工况时供热量，W;

Δt_m，c——干工况供冷时风侧和水侧的逆流对数平均温差，℃;

Δt_{m，h，标准}——标准供热工况时风侧和水侧的逆流对数平均温差，℃。

(2)辐射末端。采用辐射的方式带走室内显热，和送风方式比有许多显而易见的好处外，同时，由于冬夏共用辐射末端，使得冬季的热水温度可以降低到30～35℃，从而大大降低了由于水管接头处热胀冷缩引起漏水可能性，使得辐射末端系统安全可靠运行。

一般而言，辐射末端装置可以大致划分为两大类:一类是将特制的塑料管直接埋在水泥楼板中，形成冷辐射地板或楼板;另一类是以金属或塑料为材料，制成模块化的辐射板产品，安装在室内形成冷辐射吊顶或墙壁。由于供水温度的限制，一般辐射末端的供冷量不超过80W/m²，因此建筑的围护结构及室内发热量不能太大。辐射末端尤其适用于办公类建筑。

需要注意的是，由于采用辐射地板供冷，地面温度在14～20℃，环境温度约26℃，辐射供冷的温差较常规的辐射供暖小，由此需要将辐射水管布置得较密，且进行详细计算。