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温湿度独立控制的空调系统在中国的应用
浏览: 发布日期:2017-3-10 14:32:47

传统空调系统一般通过人工冷源-制冷机组产生7~12℃冷水,通入空气处理机组中,进而产
生低温干燥的送风送入房间,统一控制房间的温、湿度。在这种方式下,本来可用高温冷水(16~18
℃)处理的50%以上的显热负荷也须用低温冷水带走,冷机COP 低,耗电量大。同时由于在冷
凝除湿方式下,送风接近饱和线,使得空气处理的热湿比变化范围很小,无法适应室内任意变
化的热湿比。温度过低的送风还会造成不舒适,有时还必须再热,造成冷热抵消-能量的浪费。
且冷凝除湿的方式使得系统中存在湿表面-霉菌的滋生源,成为健康的隐患。
针对上述传统空调在室内环境控制、节能、健康等方面遇到的挑战,江亿教授[1]提出了温、
湿度独立控制的空调系统:将干燥的新风送入房间控制湿度,而由高温冷源产生16~18℃冷水
送入室内的风机盘管、辐射板等显热去除末端,带走房间显热,控制房间温度。从而实现房间
温、湿度的独立、灵活调节,营造节能、健康、舒适的室内环境。温、湿度独立控制的空调系
统革新了传统空调的环境控制理念,并使得我们有可能利用自然界的低品位能源(比如地下水,
冷却水,室外干空气等)来实现房间的空调,从而从源的选择到末端的设计以及控制方案,发
展出一系列适用于不同地域,不同气候特点的新型空调方式。
首先,干燥新风的获取。我国幅员辽阔,距海远近差距较大,跨纬度较广,受季风活动影
响的差别大,使得中国东、西部的干、湿状况差异很大。图1 列出中国东、西部主要城市夏季
最湿月室外平均含湿量[2],可以得到,新疆、西藏、青海、宁夏、甘肃、内蒙的最湿月平均含
湿量为10.6g/kg。而东南部比如北京、山东、上海、浙江、广东、广西等省市的最湿月平均含
湿量为18~20g/kg.图1 的红线为最湿月室外平均含湿量为12g/kg 的分界线。
图1. 中国各城市夏季最湿月室外平均含湿量[2](红线为12g/kg 分界线)
在分界线的上方,即中国的西北部地区,室外的新风本来就是干燥的,可直接用来带走房
间湿负荷。此时新风的处理过程就是等湿降温,实现此功能的间接蒸发冷却新风机组已开发成
功,并已应用于十多个大型公共建筑中。
而在分界线的下方,主要是中国的东南部地区,室外的空气非常潮湿,要获得干燥的新风
送风就必须对新风进行除湿。可用的除湿方式:传统的冷凝除湿、转轮除湿和溶液除湿。其中
冷凝除湿要求冷源温度低,冷机COP 低,且存在潮湿表面;转轮除湿为等焓除湿过程,被除湿
后的送风温度高,还需冷却水来冷却;且转轮再生热源温度要求较高,一般>100℃;转轮的新、
排风间的漏风问题目前还是较难解决的工艺问题。溶液除湿方式,可实现等温的除湿过程,可
用( 15~25℃)的冷源带走除湿过程释放潜热,且再生的热源温度要求低,可用低品位热能(60~70
℃)来驱动。溶液式全热回收方式,避免了新、回风间的交叉污染,能得到较高的热回收效率。
目前已有多种类型的溶液除湿机组问世,其中热泵驱动的溶液调湿机组COP 高于5.5[3],热驱
动的溶液除湿机组COP 高于1.3[4],已应用于多个实际工程中。综合比较,溶液除湿方式逐渐
成为中国东南地区处理新风的优选方式。
其次,高温冷源的获取。应用温湿度独立控制的理念,只需用16~18℃的高温冷水带走房
间显热,这就使得多种天然的免费冷源可供利用。
在图1 示分界线以下,中国的东南地区,长江流域以北的北京、河北、山西、陕西、河南、
山东等地,其年平均气温约为10~14℃。而研究表明,地下10m 以下的土壤温度基本不随外界
环境及季节变化而变化,且约等于当年年平均气温。这样,在长江流域以北的这些城市,夏季
就可以直接利用天然冷源-土壤源来去除室内的显热负荷,向土壤中排热。冬季,开启土壤源热
泵,从土壤中取热,经过热泵提升后供给用户使用。应用土壤源作为高温冷源的关键是冬、夏
热平衡,即夏天向土壤中的排热量和冬天从土壤中取热量平衡,保证土壤年平均温度恒定,这
就要求建筑的冷负荷和热负荷满足一定的关系。具体设计时要根据建筑的地理位置,建筑的冷、
热负荷关系合理应用土壤源热泵系统。
而在图1 示分界线以下,长江流域以北的地区,比如浙江、安徽、广西、广东、福建、湖
南、湖北等地,由于土壤温度较高,外界环境也很潮湿,只能通过电制冷的方式获取高温冷水。
和常规制冷机组相比,由于水温提高到18~21℃,蒸发温度随之提高,冷机COP 显著提高。目
前国内已有厂家研制出磁悬浮压缩机,实现了压缩机无油、无摩擦运行,部分负荷时压缩机变
频运行。高温冷水机组在满负荷时的COP 可以达到8.5,部分负荷时可以达到11.5,相对传统
冷机节能30%以上。
在图1 示分界线以上,中国的西北干燥地区,利用室外的干燥空气作为驱动源的间接蒸发
冷水机组问世[5,6],实测机组的出水温度15~18℃,低于室外湿球温度,基本处在湿球温度和露
点温度的平均值。由于此制冷机组不再使用压缩机,运转部件只有风机和水泵,机组COP 高于10,
且室外越干,COP 越高,能达到20 或更高。由于不再使用制冷循环,机组成本降低。且不再使
用CFCs,对大气无污染。由此,应用间接蒸发冷水机组比传统空调节能60%以上,成为西北干燥
地区最适宜应用的冷源获取方式。
综上对温、湿度独立控制系统源的获取,在中国东南潮湿地区,采用溶液除湿机组产生干
燥的新风;同时,长江流域以北的部分地区,可应用土壤源作为夏季高温冷源;而长江流域以
南,适宜应用电驱动高温冷水机组作为高温冷源。而中国的西北干燥地区,采用间接蒸发冷水
机组制取高温冷水,而室外新风通过间接蒸发冷却新风机组等湿降温后送入室内。
最后,末端方式的设计。对于温、湿度独立控制系统显热去除末端,由于通入高于室内露
点的高温冷水,因此不会出现冷凝结露现象。可选用干式风机盘管或者辐射末端。首先,对于
干式风机盘管,不再需要凝水盘和凝水系统,风盘可以选用吊装、立装等灵活安装方式。同时,
由于通入冷水温度升高,风盘冷盘管表面和空气之间的换热温差减小,需要重新设计翅片和水
路,提高风机盘管的换热性能。若用原湿式风盘走干工况,不能沿用原风盘的样本,需要对干
工况的冷量重新校核。已有厂家研制出干式风盘,通过翅片和水路的特殊设计,保证了风盘在
干工况下的换热性能。
而对于辐射末端,由于房间的余热大部分以辐射方式而不是对流方式被带走,减少了换热
环节;同时没有吹风感,热舒适性高;除循环水泵外,末端不再需要任何运转设备,节省空间,
无噪音。这些优点使得辐射板受到越来越广泛的关注。当夏季通入18℃冷水时,辐射板(吊顶
和地板)带走的显热负荷约为40~50W/m2,需根据实际需要带走的负荷,确定铺设的辐射板面
积。而冬季通入热水时,热水温度约为35~40℃,即能满足冬季供暖的要求。
对于温、湿度独立控制系统的湿度送风末端,目前已有多种方式,包括地板送风口、个性
化送风口等等。怎样设计送风口,使得小风量下风口阻力小,怎样根据人员的多少控制送风口
的开启等,成为目前湿度送风末端设计的关键。
综上所述,在中国西北干燥地区和潮湿地区,温、湿度独立控制的空调系统有不同的干燥
新风和高温冷源的获取方式,从而能尽可能的利用自然界的可再生、低品位能源来解决大型公
共建筑的空调问题,节能潜力巨大,对减少我国的常规能源消耗,优化能源结构有着重要的意
义。且可根据室内的湿负荷、热负荷的变化进行温度、湿度的独立调节,从而真正实现室内热
湿环境的精确控制,营造了更加健康、舒适的室内环境。目前在中国东南潮湿地区和西北干燥
地区均已有十个以上的工程成功得应用了温湿度独立控制空调系统,工程运行效果良好,证明
了这种新的控制理念已成功的解决了传统空调的问题,成为未来中央空调的新起点。

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