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溫濕度獨立控制的空調系統在中國的應用
瀏覽: 發布日期:2017-3-10 14:32:47

傳統空調系統一般通過人工冷源-制冷機組產生7~12℃冷水,通入空氣處理機組中,進而產
生低溫干燥的送風送入房間,統一控制房間的溫、濕度。在這種方式下,本來可用高溫冷水(16~18
℃)處理的50%以上的顯熱負荷也須用低溫冷水帶走,冷機COP 低,耗電量大。同時由于在冷
凝除濕方式下,送風接近飽和線,使得空氣處理的熱濕比變化范圍很小,無法適應室內任意變
化的熱濕比。溫度過低的送風還會造成不舒適,有時還必須再熱,造成冷熱抵消-能量的浪費。
且冷凝除濕的方式使得系統中存在濕表面-霉菌的滋生源,成為健康的隱患。
針對上述傳統空調在室內環境控制、節能、健康等方面遇到的挑戰,江億教授[1]提出了溫、
濕度獨立控制的空調系統:將干燥的新風送入房間控制濕度,而由高溫冷源產生16~18℃冷水
送入室內的風機盤管、輻射板等顯熱去除末端,帶走房間顯熱,控制房間溫度。從而實現房間
溫、濕度的獨立、靈活調節,營造節能、健康、舒適的室內環境。溫、濕度獨立控制的空調系
統革新了傳統空調的環境控制理念,并使得我們有可能利用自然界的低品位能源(比如地下水,
冷卻水,室外干空氣等)來實現房間的空調,從而從源的選擇到末端的設計以及控制方案,發
展出一系列適用于不同地域,不同氣候特點的新型空調方式。
首先,干燥新風的獲取。我國幅員遼闊,距海遠近差距較大,跨緯度較廣,受季風活動影
響的差別大,使得中國東、西部的干、濕狀況差異很大。圖1 列出中國東、西部主要城市夏季
最濕月室外平均含濕量[2],可以得到,新疆、西藏、青海、寧夏、甘肅、內蒙的最濕月平均含
濕量為10.6g/kg。而東南部比如北京、山東、上海、浙江、廣東、廣西等省市的最濕月平均含
濕量為18~20g/kg.圖1 的紅線為最濕月室外平均含濕量為12g/kg 的分界線。
圖1. 中國各城市夏季最濕月室外平均含濕量[2](紅線為12g/kg 分界線)
在分界線的上方,即中國的西北部地區,室外的新風本來就是干燥的,可直接用來帶走房
間濕負荷。此時新風的處理過程就是等濕降溫,實現此功能的間接蒸發冷卻新風機組已開發成
功,并已應用于十多個大型公共建筑中。
而在分界線的下方,主要是中國的東南部地區,室外的空氣非常潮濕,要獲得干燥的新風
送風就必須對新風進行除濕。可用的除濕方式:傳統的冷凝除濕、轉輪除濕和溶液除濕。其中
冷凝除濕要求冷源溫度低,冷機COP 低,且存在潮濕表面;轉輪除濕為等焓除濕過程,被除濕
后的送風溫度高,還需冷卻水來冷卻;且轉輪再生熱源溫度要求較高,一般>100℃;轉輪的新、
排風間的漏風問題目前還是較難解決的工藝問題。溶液除濕方式,可實現等溫的除濕過程,可
用( 15~25℃)的冷源帶走除濕過程釋放潛熱,且再生的熱源溫度要求低,可用低品位熱能(60~70
℃)來驅動。溶液式全熱回收方式,避免了新、回風間的交叉污染,能得到較高的熱回收效率。
目前已有多種類型的溶液除濕機組問世,其中熱泵驅動的溶液調濕機組COP 高于5.5[3],熱驅
動的溶液除濕機組COP 高于1.3[4],已應用于多個實際工程中。綜合比較,溶液除濕方式逐漸
成為中國東南地區處理新風的優選方式。
其次,高溫冷源的獲取。應用溫濕度獨立控制的理念,只需用16~18℃的高溫冷水帶走房
間顯熱,這就使得多種天然的免費冷源可供利用。
在圖1 示分界線以下,中國的東南地區,長江流域以北的北京、河北、山西、陜西、河南、
山東等地,其年平均氣溫約為10~14℃。而研究表明,地下10m 以下的土壤溫度基本不隨外界
環境及季節變化而變化,且約等于當年年平均氣溫。這樣,在長江流域以北的這些城市,夏季
就可以直接利用天然冷源-土壤源來去除室內的顯熱負荷,向土壤中排熱。冬季,開啟土壤源熱
泵,從土壤中取熱,經過熱泵提升后供給用戶使用。應用土壤源作為高溫冷源的關鍵是冬、夏
熱平衡,即夏天向土壤中的排熱量和冬天從土壤中取熱量平衡,保證土壤年平均溫度恒定,這
就要求建筑的冷負荷和熱負荷滿足一定的關系。具體設計時要根據建筑的地理位置,建筑的冷、
熱負荷關系合理應用土壤源熱泵系統。
而在圖1 示分界線以下,長江流域以北的地區,比如浙江、安徽、廣西、廣東、福建、湖
南、湖北等地,由于土壤溫度較高,外界環境也很潮濕,只能通過電制冷的方式獲取高溫冷水。
和常規制冷機組相比,由于水溫提高到18~21℃,蒸發溫度隨之提高,冷機COP 顯著提高。目
前國內已有廠家研制出磁懸浮壓縮機,實現了壓縮機無油、無摩擦運行,部分負荷時壓縮機變
頻運行。高溫冷水機組在滿負荷時的COP 可以達到8.5,部分負荷時可以達到11.5,相對傳統
冷機節能30%以上。
在圖1 示分界線以上,中國的西北干燥地區,利用室外的干燥空氣作為驅動源的間接蒸發
冷水機組問世[5,6],實測機組的出水溫度15~18℃,低于室外濕球溫度,基本處在濕球溫度和露
點溫度的平均值。由于此制冷機組不再使用壓縮機,運轉部件只有風機和水泵,機組COP 高于10,
且室外越干,COP 越高,能達到20 或更高。由于不再使用制冷循環,機組成本降低。且不再使
用CFCs,對大氣無污染。由此,應用間接蒸發冷水機組比傳統空調節能60%以上,成為西北干燥
地區最適宜應用的冷源獲取方式。
綜上對溫、濕度獨立控制系統源的獲取,在中國東南潮濕地區,采用溶液除濕機組產生干
燥的新風;同時,長江流域以北的部分地區,可應用土壤源作為夏季高溫冷源;而長江流域以
南,適宜應用電驅動高溫冷水機組作為高溫冷源。而中國的西北干燥地區,采用間接蒸發冷水
機組制取高溫冷水,而室外新風通過間接蒸發冷卻新風機組等濕降溫后送入室內。
最后,末端方式的設計。對于溫、濕度獨立控制系統顯熱去除末端,由于通入高于室內露
點的高溫冷水,因此不會出現冷凝結露現象。可選用干式風機盤管或者輻射末端。首先,對于
干式風機盤管,不再需要凝水盤和凝水系統,風盤可以選用吊裝、立裝等靈活安裝方式。同時,
由于通入冷水溫度升高,風盤冷盤管表面和空氣之間的換熱溫差減小,需要重新設計翅片和水
路,提高風機盤管的換熱性能。若用原濕式風盤走干工況,不能沿用原風盤的樣本,需要對干
工況的冷量重新校核。已有廠家研制出干式風盤,通過翅片和水路的特殊設計,保證了風盤在
干工況下的換熱性能。
而對于輻射末端,由于房間的余熱大部分以輻射方式而不是對流方式被帶走,減少了換熱
環節;同時沒有吹風感,熱舒適性高;除循環水泵外,末端不再需要任何運轉設備,節省空間,
無噪音。這些優點使得輻射板受到越來越廣泛的關注。當夏季通入18℃冷水時,輻射板(吊頂
和地板)帶走的顯熱負荷約為40~50W/m2,需根據實際需要帶走的負荷,確定鋪設的輻射板面
積。而冬季通入熱水時,熱水溫度約為35~40℃,即能滿足冬季供暖的要求。
對于溫、濕度獨立控制系統的濕度送風末端,目前已有多種方式,包括地板送風口、個性
化送風口等等。怎樣設計送風口,使得小風量下風口阻力小,怎樣根據人員的多少控制送風口
的開啟等,成為目前濕度送風末端設計的關鍵。
綜上所述,在中國西北干燥地區和潮濕地區,溫、濕度獨立控制的空調系統有不同的干燥
新風和高溫冷源的獲取方式,從而能盡可能的利用自然界的可再生、低品位能源來解決大型公
共建筑的空調問題,節能潛力巨大,對減少我國的常規能源消耗,優化能源結構有著重要的意
義。且可根據室內的濕負荷、熱負荷的變化進行溫度、濕度的獨立調節,從而真正實現室內熱
濕環境的精確控制,營造了更加健康、舒適的室內環境。目前在中國東南潮濕地區和西北干燥
地區均已有十個以上的工程成功得應用了溫濕度獨立控制空調系統,工程運行效果良好,證明
了這種新的控制理念已成功的解決了傳統空調的問題,成為未來中央空調的新起點。

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