“新型”温湿度独立控制空调系统的应用

叶卫平

（浙江天诚中央空调有限公司，温州325000）

0 引言

伴随着经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，人们对舒适性的要求逐步提高。随之而来的是建筑能耗的不断增加，且愈演愈烈。据统计，我国建筑能耗大约占社会总能耗30%，而其中最主要的是空调使用能耗，约占建筑能耗50%～60%。在空调节能领域，众多学者专家提出了各式各样的方案，其中尚未能大面积推广的理论之一便是：温湿度独立控制系统的应用。本项目则为温湿度独立控制系统的良好应用。以往温湿度独立控制项目多数采用溶液除湿或者转轮除湿，冷源多数为高温冷水机组，而笔者本次介绍的为高显热多联式空调机组＋水冷式除湿机＋的 “新型”组合方式。

1 工程概况

本工程为长沙某一期办公楼，位于宁乡经济开发区。项目建筑面积7034m2，其中空调面积为5517.4m2。办公楼分三层，一层层高5.5m，主要功能为科技展厅、休息区和办公室；二层层高4.5m，主要功能为办公室、会议室和休息区；三层层高4.5m，主要功能为办公室、会议室、休息区和多功能报告厅。业主欲要将办公楼打造绿色节能建筑。

2 空调系统确定

2.1 空调系统末端采用温湿度独立控制系统

空调系统有除去室内的空气余热和余湿的任务，除此之外，还有改善室内空气质量的功能。传统的空调系统普遍采用热湿耦合的控制方式，对空气的余热和余湿同时进行处理，这种处理方式会有以下缺点：

1）处理后的空气温度过低，还需再热达到送风温度要求，造成能源浪费；

2）传统空调难以适应室内热湿比的变化，一般是牺牲对湿度的控制，通过仅满足室内温的要求来妥协，降低了空调环境舒适感；

3）传统空调冷却除湿带来的表面长时间潮湿问题，在风道、盘管表面滋生霉菌和微生物，造成空调环境易被病菌感染；

温湿度独立控制系统则是将空气温度和湿度分开控制，可实现温度和湿度均能精准控制，能够完美解决传统空调的以上缺点。经专家们分析及实践表明，温湿度独立控制系统具有以下优点：

1）可以避免过多的能源消耗，达到节能的目的；

2）温湿度参数很容易实现，达到舒适的目的；

3）空气品质良好，无细菌感染，达到健康的目的；

4）冷指标小，达到节省投资的目的。

2.2 高显热多联式空调机组介绍

常规的温湿度独立控制系统采用的是高温主机＋干式末端的方式控制室内显热负荷，此种组合方式仅能在空气湿度相对较低情况下满足干式运行，在湿度较大时，会产生较多冷凝水，无法真正做到干式运行，同时这类组合在工程系统较小时显得尤为复杂。采用高显热多联式空调机组＋高温内机的组合方式能够完美解决上述问题。高显热多联机通过内外机之间的通讯协议，利用 “一种多联机的低压控制技术”可有效精确的控制高蒸发温度，达到高效去除显热的目的，并且使机组能效更高，其控制思路如图1：

图1 控制思路

机组运行时，内机根据检测回风温度和相对湿度，通过机组内置计算公式计算出回风的露点温度，加上其它一些修正系数，确定蒸发温度和目标低压，控制压机的输出，达到控制室内温度的目的。此外，该高显热多联机组同时具备普通变频多联机功能，通过机组设置，可在高温多联机功能和常规多联机功能之间切换。

2.3 预冷式新风除湿机介绍

目前温湿度独立控制空调系统中所用的除湿手段多数为溶液除湿或者转轮除湿机组，这些除湿手段有着除湿效率低、除湿剂对金属管道有腐蚀性、室内余热末端易结露等问题。笔者介绍的预冷式新风除湿机 （见图2）则不会出现这些问题，是基于温湿度独立控制空调系统全新开发的产品，系统原理包含制冷循系统和新风除湿系统：

新风从室外引入经过预冷器 （12～18℃）预冷，将新风温度降低至18～24℃，随后经过蒸发器将温度降至机器露点，除去空气中的水分，再经过冷凝器2将空气温度提升至室内露点温度以上获得低温干燥的新风，最后通过风机把低温干燥新风送入室内处理室内潜热负荷，达到控制室内湿度的目的。

3 “新型”温湿度独立控制系统原理

温湿度独立控制系统是将空气温度与湿度分开控制，在一个空调系统中，采用两种不同蒸发温度的冷源，用高温末端取代传统空调系统中大部分由低温末端承担的热湿负荷，这样可以提高综合制冷效率，进而达到节省能耗的目的。在温湿度独立控制空调中，高温冷源作为主冷源，它承担室内全部的显热负荷和小部分的新风负荷，占空调系统总负荷的50%以上 （新风量越多，占比约低）；低温冷源作为辅助冷源，它承担室内全部的湿负荷和部分的新风负荷，占空调系统总负荷的50%以下。笔者设计该项目建筑显热负荷和潜热负荷分别由高显热多联机和新风除湿机来处理，高显热多联机采用通过计算室内回风露点温度及相关修正来确定蒸发温度，确保机组运行稳定过程中不会产生冷凝水；新风除湿机则是将室外高温高湿新风经过预冷—降温除湿—热回收升温等几个过程后形成低温干燥新风送入室内，处理室内潜热负荷。

图2 预冷式新风除湿机

4 本项目特点

1）根据现场情况，办公楼一层有注塑车间机房，回水温度在14℃左右，并且其冷源有富余（约300kW）；

2）办公楼建筑长宽比大 （长 126m，宽18m），其中有较多会议室，对新风需求量大；

3）办公环境对夏季舒适感要求高，且冬季有供暖需求；

4）办公楼一层为科技展厅，对展厅湿度要求高；

5）办公楼三层为会议室集中区域，对新风需求大；

6）该办公楼欲打造绿色节能建筑，业主希望能够采用新型节能技术。

在充分考虑该办公楼高端定位和利用现有资源并结合先进的、节能的空调系统，设计采用将室内空气温度与湿度分开控制的空调系统，即温湿度独立控制系统。本方案采用新型温度控制冷源 （高显热多联式空调机组）来处理室内空气显热负荷，新风除湿机控制室内空气湿负荷，即高显热多联机＋预冷式新风除湿机系统。

5 设计过程中的要点

5.1 冷热源的设计

夏季冷负荷：温湿度独立控制系统的新风全热负荷、室内潜热负荷都是由新风除湿机组来承担，室内显热负荷由高显热多联机组和高温内机承担，项目采用谐波法逐时计算空调负荷，夏季显热负荷474.1kW，潜热负荷 124kW，新风全热负荷399.4kW；冬季热负荷608.9kW。设计中需要注意的是：（1）由于经过新风除湿机处理后的新风温度为20℃，比室内温度低，所以新风会承担部分室内显热负荷；（2）本项目总新风量34620m3／h，承担显热负荷63.47kW，约占室内显热负荷13%，因此在简化设计的基础上，选择末端时忽略设备衰减系数来减少设备投资；（3）新风需要预冷，会增加额外系统投入，设计时应当考虑进去。

5.2 空调设备选型

项目设计13台高显热多联式主机作为显热冷源，末端采用风管式送风内机；预冷源为原注塑车间工艺冷冻水回水，需提供267kW预冷量；新风除湿机共为6台，每台机组最大提供6000m3／h，自身额定制冷量为23.3kW；设计选择2台冷却塔（50T和90T）及相应水泵为新风除湿机冷却降温使用。

5.3 系统运行逻辑介绍

该系统运行方式可分为手动模式和群控模式，这里仅介绍自动模式运行逻辑。

1）控制逻辑：

系统湿度由新风除湿机控制，除湿机采用定频风机 （也可采用变频风机），新风主入口设置电动比例调节风阀，各使用区域支管上设置电动风阀（房间内），使用区域均设置有温湿度传感器和二氧化碳传感器。在除湿风系统主管道设置定压点，新风机组新风入口处的比例调节风阀根据压力变化调节开度。送风口前风阀根据区域内湿度及CO2的浓度开启或关闭。

2）系统动作顺序：

系统风阀、冷却水系统蝶阀开启—送风风阀动作—冷却水泵动作—冷却塔风机动作—新风除湿机动作—电动调节风阀动作。

3）电动二通风阀动作规则：

系统开启后，送风口前电动风阀根据室内湿度和CO2浓度调节风阀开启、关闭状态。系统每次开启时，风阀保持开启10min，其后按照下述规则动作：

（i）当室内CO2浓度≤800ppm或者室内相对湿度≤45%时，风阀关闭；室内相对湿度检测点每1min检测一次，连续3次检测值超标风阀开始动作。

（ii）当室内CO2浓度≥1000ppm或者室内相对湿度≥65%时，风阀开启；室内CO2浓度检测点每1min检测一次，连续3次检测值超标风阀开始动作。

（iii）当室内CO2浓度≤800ppm，室内相对湿度≥65%，风阀开启，同时除湿机出风参数绝对含湿量设定值下调 0.5g／kg／10min；

（iiii）若室内CO2浓度≥1000ppm，室内相对湿度≤45%，风阀开启，同时除湿机出风参数绝对含湿量设定值上调 0.5g／kg／10min。

4）电动比例调节风阀动作规则：

在送风主管距出风口1／3处设置定压点，布设压力传感器，压力预设值根据现场调试确定；也可初步按照除湿机机外余压数值的2／3设定，后续根据实际调试情况调整。系统开启后，电动比例调节风阀保持全开状态10min，其后按照下述规则动作：

（i）当检测压力P≥设定压力＋容差时，且变化速率＜设定值，电动比例调节风阀开度增大5%，变化速率采集当前时间前2min数据；

（ii）当检测压力P≤设定压力＋容差时，且变化速率＜设定值，电动比例调节风阀开度减小5%，变化速率采集当前时间前2min数据；

上述设定值及风阀开度值需根据现场调试情况确定。

5）新风除湿机运行规则：

（i）进风电动调节风阀关闭或送风风阀全部关闭，新风除湿机压缩机及风机停机；

（ii）当室外气象参数变化，机组根据内置程序调节保证出风参数稳定为设定值。

6）冷却水泵、冷却塔动作规则：

冷却水泵与新风除湿机组联动，任何一台新风除湿机组启动，冷却水泵均需启动。冷却塔风机根据冷却水出水温度控制风机的开启关闭，保证出水温度稳定在30℃。

（i）当冷却塔出水温度≥30℃＋1℃时，风机开启。冷却塔出水温度检测点每20s检测一次，连续3次检测值超标风机开始动作。

（ii）当冷却塔出水温度≤30℃－1℃时，风机关闭。冷却塔出水温度检测点每20s检测一次，连续3次检测值超标风机开始动作。

6 “新型”温湿度独立控制系统优势及不足

优势：

（1）该项目首次实现多联式空调机组在温湿度独立控制系统中的应用，为温湿度独立控制系统提供了又一种选择；

（2）新型预冷式新风除湿机解决了传统溶液除湿系统效率低、除湿剂对金属管道有腐蚀性、末端易结露等缺点；

（3）相比较于传统温湿度独立控制系统在温度控制方面系统简单、响应快、控制精度高、安全性好；

（4）能够在常规空调系统和温湿度独立控制空调系统之间切换，对能耗分析及相应的研究提供了极大参考价值；

（5）在能够利用现有资源的前提下，能够极大减少初期投入。

不足：

（1）新风除湿系统需要配置冷冻水泵、冷却水泵、冷却水塔等配套设施，增加了成本；

（2）该系统仅适用于夏季温湿度控制，冬季无法控制湿度；

（3）初投资相比较常规空调系统高10%～15%；

7 结束语

温湿度独立控制空调系统作为现今空调系统的一项新技术，能够提供环保、节能、舒适的环境。虽然该系统仍然存在些许不足，但随着越来越多专家和学者的不断研究和探讨，使之不断完善，相信这项新技术会在更多的工程中得到应用，成为未来空调系统的首选。