温湿度独立控制空调系统设计方法参考

温、湿度独立控制空调系统设计方法参考北京华创瑞风空调科技有限公司SinoRefineAirConditioningTechnologyCo.,Ltd清华科技园科技大厦B座11层邮编:100084电话:62602888传真:62602889E-mail:[e-mail]温、湿度独立控制空调系统设计方法参考1常规空调系统存在的问题目前实现夏季室内热湿环境控制的空调方式主要可以分为两大类：分散独立地安装于需要空调场所的“房间空调器”和集中设置冷源、以水或空气作为媒介输配冷量的“中央空调”系统。无论哪一种方式，都是通过向室内送入经降温、除湿的空气，实现室内温、湿度的控制。这种温度、湿度统一控制的空调系统不可避免的存在以下问题。1)大多数空调系统采用使空气通过冷表面对其进行降温减湿，这种冷凝除湿的方式为满足除湿的要求，需要7~12℃的冷源，利用此冷源同时处理占总负荷50~70%的显热，而后者只需17~20℃的冷源。采用同一低温的冷源处理显热和潜热，导致制冷机的COP（性能系数）低，造成能量品位的浪费。且冷凝除湿后的空气温度往往低于要求的送风温度，还需再次加热将空气处理到适宜的送风温度，浪费大量热量和冷量。2)冷凝除湿的方式，导致系统中的冷表面成为潮湿表面甚至产生积水。空调停止运行后，这样的潮湿表面就成为霉菌繁殖的温床，严重影响室内空气品质，空调系统繁殖和传播霉菌成为空调可能引起的健康问题的重要原因。3)加大室外新风量是排除室内VOC（挥发性有机混合物），降低室内CO2浓度，提高室内空气质量最有效的措施。而大量引入室外空气就需要消耗大量冷量（在冬季为热量）实现对室外空气的降温除湿（或加热加湿）处理。当建筑物围护结构性能较好，室内发热量不大时，处理室外空气需要的冷量可达总冷量的一半或一半以上。要进一步加大室外新风量，就往往意味着加大空调能耗。对于大多数传统空调方式，很难找到有效解决这一矛盾的措施。4)实际的建筑物，显热随气候、室内设备状况等的不同发生变化，产湿量随着室内人数变化而变化，实际室内显热、潜热负荷比在很大范围内变化。而传统空调通过冷凝除湿处理后的空气，其吸收的潜热、显热比只能在一定范围内变化，很难适应实际室内的热湿比；对于这种情况，一般牺牲对湿度的控制，而仅满足室内温度的要求，或者造成室内相对湿度过高不舒适，需要降低室温而引起北京华创瑞风空调科技有限公司-2-能耗不必要的增加，或造成室内相对湿度过低而使室外新风处理能耗增加。5)传统的全空气空调系统，送风温度不能过低，从而需要较大的循环通风量。这就往往造成室内很大的空气流动，使居住者产生不适的吹风感。为减少这种吹风感，就要通过改进送风口的位置和形式来改善室内气流组织，这往往要在室内布置风道，从而降低室内净高或加大楼层间距。很大的通风量还很容易引起空气噪声，并且难以有效消除。在冬季，为了避免吹风感，即使安装了空调系统，也往往不使用热风，而通过另外的暖气系统通过采暖散热器供热。这样就导致室内重复安装两套环境控制系统，分别供冬夏使用，占用空间，造成资源的浪费，维修和管理的不便。6)随着能源问题的日益严重，以低品位热能作为夏季空调动力成为迫切需要。目前北方地区大量的热电联产集中供热系统在夏季由于无热负荷而无法运行，使得电力负荷出现高峰的夏季热电联产发电设施反而停机，或者按纯发电模式低效运行。如果可以用热电联产的余热驱动空调，既省下空调电耗，又可使热电联产电厂正常运行，增加发电能力。这样即可减缓夏季供电压力，又提高能源利用率，是热电联产系统继续发展的关键。7)在建筑物内设置燃气发动机，带动发电机发电承担建筑的部分用电负荷，同时利用发动机的余热解决建筑的供热，供冷问题（BCHP：BuildingCombinedHeat&PowerGeneration）将是今后建筑物能源系统的最佳解决方案之一。优化BCHP的一个重要课题是使热电冷负荷的彼此匹配，而找到可以实现高体积利用率的高效蓄能方式成为优化BCHP系统的关键。综上所述，空调的广泛需求，人居环境健康的需要和能源系统平衡的要求，对目前空调方式提出了挑战。新的空调应该具备的特点为：1)减少室内送风量，部分采用与采暖系统公用的末端方式；2)加大室外新风量，但又不增加处理能耗；3)取消潮湿表面，采用新的除湿途径；4)少用电能，以低品位热能为动力；5)能够实现高体积利用率的高效蓄能。6)能够实现各种空气处理工况的顺利转换。从如上要求出发，目前普遍认为温、湿度独立控制系统可能是一个有效的解决途径。北京华创瑞风空调科技有限公司-3-2温湿度独立控制空调系统简介2.1温湿度独立控制空调系统的理念[1]温度湿度独立控制的空调系统，就是向室内送入经过处理的新风，承担室内湿负荷，根据气候差异，一般夏季对新风进行降温除湿处理，冬季对新风进行加热加湿处理，有的地区新风全年需要降温除湿。在温湿度独立控制空调系统中，新风不仅承担排除室内二氧化碳和VOC等卫生方面的要求，还要起到调节室内湿环境的作用；采用另外独立的系统夏季产生17~20℃冷水、冬季产生32～40℃的热水送入室内干式末端装置，承担室内显热负荷。系统的组成如图1所示。采用两套独立的系统分别控制和调节室内湿度和温度，从而避免了常规系统中温湿度联合处理所带来的能源浪费和空气品质的降低；由新风来调节湿度，显热末端调节温度，可满足房间热湿比不断变化的要求，避免了室内湿度过高过低的现象。图1温湿度独立控制空调系统的基本组成2.2和常规空调系统的比较传统空调系统的常见模式是新风加风机盘管形式，以此为例说明温湿度独立控制的空调系统和常规空调系统的差别，参见表1。由表1知，两种空调系统在系统组成和各组成部分承担的环境控制任务等方面有了一定的差别，这使得温湿度独立控制空调系统的设计方法也随之做相应的改变，如表2所示。温湿度独立控制空调系统处理显热的系统处理湿度的系统冷热源：高温冷水机组锅炉、热泵干式末端：干式风机盘管辐射板新风处理机送风末端装置北京华创瑞风空调科技有限公司-4-表1温湿度独立控制系统和常规空调系统综合比较常规空调系统温度湿度独立控制的空调系统冷源7~12℃冷源，承担所有负荷，电制冷机的COP为3~617~20℃冷源即可，只需承担房间显热负荷；电制冷机的COP能达到7~10；且可由多种自然冷源提供新风机新风仅满足卫生要求，一般处理到室内空气的等焓点（或等含湿量点），无调节湿度的要求对新风进行处理，送入室内干燥的新风，调节室内湿环境室内末端普通的风机盘管，冷凝除湿，系统中存在潮湿表面，霉菌滋生的温床干式末端：干式风机盘管或辐射板，系统中不存在潮湿表面，无霉菌滋生的隐患室内环境控制手段室内末端同时调节温湿度，很难满足大范围变化的热湿比新风调节室内湿度，干式末端调节室内温度，满足变化的室内热湿比要求表2温湿度独立控制空调系统和常规空调系统设计方法的比较常规空调系统温度湿度独立控制的空调系统设计参数根据设计标准确定室内、外空气计算参数，新风量根据设计标准确定室内、外空气计算参数，新风量负荷计算计算室内的全热负荷（实际上也是分别计算），一般不作区分分别计算室内显热负荷、湿负荷新风送风状态点送风点一般是室内空气等焓点（或等含湿量点），高于（或等于）室内含湿量根据送风点确定新风处理的显热负荷、湿负荷新风承担室内湿负荷，由湿负荷和新风量确定送风点，比室内设定含湿量低根据送风点确定新风处理的显热负荷、湿负荷冷、热源的形式冷源：冷水机组（7℃供水）热源：锅炉或集中供热冷热源一体：热泵冷源：冷水机组（17℃供水）热源：锅炉或集中供热冷热源一体：热泵冷热源容量根据总的空调负荷确定冷热源的容量根据室内显热负荷确定冷热源的容量新风处理形式普通的新风机组，通过表冷器利用冷凝方式对新风进行除湿，根据需要选择另外的加湿、热回收等设备根据新风量选择合适的机组容量溶液热回收型新风处理机，利用溶液的吸、放湿特性处理空气，具备对空气进行除湿、加湿、全热回收等多种功能。根据新风量选择合适的机组容量室内末端普通的风机盘管干式风机盘管，若选用普通风机盘管则需校核其运行干工况时的冷量；辐射板，通过辐射方式供冷供暖北京华创瑞风空调科技有限公司-5-3温湿度独立控制空调系统的设计要点3.1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余显热，因此对新风的送风温度要求并不严格，只须按式（3-1）确定送风含湿量，GLroρωω−=(3-1)其中，ρ为空气密度，kg/m3；G为人均新风量，m3/h•人；ωr为室内设计含湿量，g/kg；ωo为新风送风含湿量，g/kg；L为人均湿负荷，g/hr•人。例如，当室内含湿量设定值为12.6g/kg，人均湿负荷为150g/hr•人，人均新风量为30m3/h•人，则根据上式计算得到的新风的送风含湿量为8.4g/kg。3.2高温冷源的选择在温湿度独立控制空调系统中，只需要17~20℃的冷水来带走显热负荷，此温度的冷源可由多种方式提供：天然冷源（如土壤源换热器、水源热泵等），人工冷源（比如离心式冷水机组）。下面分别对几种高温冷源作介绍。3.2.1土壤源换热器在我国有些地区可以在夏季采用土壤源换热器直接输送冷量，而无需开启制冷机。土壤源系统利用地下土壤作为空调系统的吸热和排热场所，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。由附表2可知，我国不少地区的年平均气温低于15℃，夏季可以直接利用土壤源这一天然冷源去除室内的显热负荷，不必开启热泵，土壤源换热器的夏季运行模式见图2（a）。冬季时，需要开启热泵，从土壤中取热，经过热泵提升后供给用户使用；由管路实现冬、夏运行模式的切换，冬季运行模式见图2（b）。北京华创瑞风空调科技有限公司-6-图2土壤源系统工作原理图地下埋管换热器是土壤源系统的核心部件，按照埋地换热器的埋管形式不同，可分为水平埋管、垂直埋管和螺旋埋管三种类型，布置形式分别见图3。除埋管形式外，土壤温度、土壤的特性（比如土壤类型、热特性、热传导性、密度、湿度）等也是影响土壤源热泵系统的性能的主要因素，对于实际的建筑，应综合考虑各种因素来进行具体的设计选型。图3土壤源热泵系统埋管形式3.2.2水源热泵（深井回灌技术）水源热泵方式与土壤源热泵系统类似，利用天然冷源实现空调夏季供冷与冬季供暖的需求。其系统原理图如图4示，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，无需开启热泵；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。北京华创瑞风空调科技有限公司-7-图4水源热泵系统冬夏运行原理图建筑所在地区的水文地质条件是采用水源热泵系统的先决条件，国内的地下水源热泵系统基本上都选择地下含水层为砾石和中粗砂地域，避免在中细砂区域设立项目。应根据所在地域的地质条件（含水层深度、厚度、含水层砂层粒度、地下水埋深、水力坡度和水质等），合理选择地下水回灌方式，并综合考虑系统的运行模式进行具体的设计。3.2.3人工冷源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。对于温度湿度独立控制空调系统，冷水机组制备高温冷水，和常规制取低温冷水的工况比，冷水机组的蒸发温度显著提高、耗功减小，可以有效地提高机组的性能系数COP。与常规的冷水机组相比，高温冷水机组最大的特点为压缩机处于小压缩比工况下运行。这就需要对常规冷水机组（蒸汽压缩式制冷系统或吸收式制冷系统）采取相应措施来来提高蒸发温度，降低冷凝温度，满足输出高温冷水的要求。一方面可提高蒸发器的K值或增加蒸发器、冷凝器面积来提高蒸发器和冷凝器的传热性能，另外需要改善压缩机的性能来达到目的。比如对于活塞式机组，需尽可能选取内容积比较小的回转式压缩机，也可采用具有自适应特性的活塞式压缩机；对于离心式冷水机组，可以控制压缩机的转速、在压缩机进气口安装节流阀或控北京华创瑞风空调科技有限公司-8-制进口导叶开度控制制冷剂流量。由于离心式压缩机制冷量随蒸发温度升