温湿度独立控制空调系统设计问题分析

温湿度独立控制空调系统设计问题分析

罗光亮

山东省城乡建设勘察设计研究院山东济南250031

摘要：温湿度独立控制空调系统由湿度控制系统和温度控制系统两个子系统组成。在温湿度独立控制空调系统的设计计算中，需对湿度控制和温度控制两套系统进行详细分析，根据方案形式、负荷计算结果等选取合适的设备形式，本文着重对温湿度独立控制空调系统设计中需要注意的一些问题进行了详细分析。

关键词：湿度控制系统；温度控制系统；空调系统设计

一、前言

温湿度独立控制空调系统是一种将室内湿度、温度分开调节的空调理念，包含湿度控制系统和温度控制系统两个子系统。湿度控制系统承担排除室内余湿、去除室内CO2、异味。温度控制系统承担排除室内余热，由于无需承担除湿的任务，因而可采用较高温度的冷源实现排除余热的控制任务。

温度控制系统包括：高温冷源、余热消除末端装置，一般采用水或制冷剂作为输送媒介。系统的冷水供水温度可以提高到16~18℃，从而为天然冷源的使用提供了条件。余热消除装置可以采用辐射板、干式风机盘管等形式。

湿度控制系统由新风处理机组、送风末端装置组成，采用新风作为能量输送媒介，并通过改变风量来实现对湿度和CO2的调节。

在温湿度独立控制空调系统的设计计算中，需对湿度控制和温度控制两套系统详细分析，根据方案形式、负荷计算结果等选取合适的设备形式，以下将对温湿度独立控制空调系统设计中需要注意的问题进行分析。

二、输配系统设计分析

输配系统如风机、水泵等是空调系统的重要组成部分，输配系统的能耗在整个空调系统能耗中占有很大比例，有的建筑输配系统能耗甚至会占到50%以上。合理的输配系统设计是实现整个空调系统的正常运行、降低运行能耗的重要前提。

湿度控制系统、温度控制系统承担不同的热湿环境调控任务，这两个子系统的主要输配设备存在很大不同。湿度控制系统的输配部件是将干燥空气送入室内的风机，温度控制系统的输配部件是将水、制冷剂等冷媒输送到末端的水泵，以及末端的风机（风机盘管）等。不同形式空气处理装置的阻力情况及末端静压需求影响着湿度控制系统中风机的性能，与常规空调系统中风机的性能差异不大。而温度控制系统利用高温冷源和干式末端来显热负荷，与常规空调系统相比其输配设备的工作条件及性能会产生一定差异。

高温冷源的输配设备包括冷却塔、冷却水泵和冷冻水泵等，冷却塔、冷却水泵等人工冷源排热侧输送设备的性能与常规空调系统没有差别，只是供冷测的输配部件（冷冻水泵、末端风机）的性能因其工作条件的不同而与常规空调系统存在不同。与常规空调系统选用7℃左右的冷水作为冷源相比，高温冷水（16~18℃）等冷媒温度较高，与室内换热温差较小，即处理显热负荷的驱动力小减小。当末端采用强制对流即风机驱动进行换热时，排出单位显热负荷时所对应的风机电耗一般会高于常规空调系统；当末端采用辐射或自然对流方式换热时，将节省末端的风机电耗。

温湿度独立控制空调系统中冷冻水泵的性能与常规空调系统存在差异主要是由于冷冻水供回水温差引起的，常规空调系统冷冻水设计供回水温度为7/12℃、温差为5℃，而温湿度独立控制空调系统的冷冻水设计供回水温差一般为3~5℃。当不考虑水泵扬程、效率等因素影响时，若温湿度独立控制空调系统供回水温差小于5℃，则温湿度独立控制空调系统输送单位冷量的冷冻水泵电耗要高于常规空调系统。冷冻水供回水温差不仅影响冷冻水泵的性能，对高温冷水机组、末端设备的性能也会造成影响，合理的供回水温差应在考虑各种影响因素的基础上进行选取。

三、冷水机组出水温度选取

常规空调系统中将显热负荷与潜热负荷统一处理，夏季空调为了保证除湿的需求，在考虑一定的输配系统能耗及其他经济性因素的基础上，选取的冷冻水设计供回水温度一般为7℃/12℃。在温湿度独立控制空调系统中，冷水的出水温度一方面考虑室内空气露点温度的影响，保证末端设备的干工况运行，另一方面要考虑对各种余热去除末端等装置运行性能的影响。需要注意的是，温度控制系统的供水温度与末端设备的表面最低温度并不是同一个温度，由于不同材料层的存在使得设备表面最低温度要高于供水温度。只要保证末端设备的表面最低温度不低于周围空气的露点温度，就不会出现结露现象。

清华大学刘晓华对采用干式风机盘管和辐射板两种末端形式下冷水供水温度、供回水温差对系统能效及末端换热能力的影响进行了研究，其研究结果如下：

（1）显热末端设备采用干式风机盘管形式时，冷冻水回水温度相同时，供回水温差越大，系统能效比EER越高；供回水温差一定时，提高或降低冷水供水温度对系统EER的影响并不明显；

（2）采用辐射板时，冷冻水回水温度相同时，不同供回水温差对系统EER的影响并不显著；供回水温差一定时，提高冷水供水温度能够提高系统EER；

（3）供冷量一定时，无论采用哪种末端形式，需要投入的换热面积都随着供水温度的升高而增加。

综上所述，选取的冷水机组出水温度应保证末端设备的表面最低温度不低于周围空气的露点温度，实际选取供水温度及供回水温差时，应综合考虑投入的换热面积与系统能效比之间的关系。

四、渗透风影响分析

建筑中由于门窗缝隙等带来的渗透风会给建筑带来一定的热湿负荷，影响空调系统的运行。空调系统的设计中有必要考虑渗透风带来的影响，对渗透风量、渗透风造成的负荷等进行合理评估。

当室外空气非常潮湿时，渗入的潮湿空气将会提高室内的含湿量水平，使得设计在干工况下工作的末端设备（辐射板、干式风机盘管）等存在结露隐患，影响空调系统的正常运行。因此，在温湿度独立控制空调系统的设计中，应当考虑渗透风量带来的影响。尤其在建筑物前庭、火车站、机场航站楼等，由于与外界直接接触、门窗开口缝隙较多、门禁需要经常开启等因素的影响，这些场所的渗透风现象尤为明显，在空调系统设计、运行中需仔细考虑渗透风的影响及解决方案。

渗透风进入室内到达人员活动区后，需要采取相应的措施消除其造成的影响。温湿度独立控制空调系统通过送入干燥空气来排除室内湿负荷，渗透风带来的湿负荷也需由干燥空气来走。湿度控制系统通常利用干燥的新风作为排除湿负荷的媒介，与不考虑渗透风的影响时相比，可以有两种方式实现排除渗透风带来的湿负荷：一种是增加送入干燥空气量，一种是在保证风量不变的情况下将新风机组处理到更为干燥的状态。通过将新风处理到更为干燥的状态来排出渗透风湿负荷时，送入的干燥空气量保持不变，但对新风处理设备的处理能力提出了更高的要求；通过增加送入的干燥空气量来排除渗透风湿负荷时，需要增加送风量，会导致风机输送能耗的增加。从现有新风处理设备的除湿处理能力来看，当渗透风量不是很大时，后一种方式不会增加送风风量，是较为合理的解决方案，即在保证新风量不变的情况下可以将新风处理到更为干燥的状态来承担渗透风带来的湿负荷。若渗透风量较大时，仍维持送入的干燥空气量不变时，需求的送风含湿量就会较低甚至可能超过空气处理设备的处理能力，这时应适当增加送风量来满足湿度控制的要求。

五、辐射末端的热惯性

对于辐射末端热惯性的分析一般采用时间常数作为时间尺度来度量辐射末端达到稳定传热所需的时间。时间常数可以作为辐射板热惯性大小的衡量标准。目前常用的辐射地板的时间常数一般为2~4h，抹灰的毛细管末端的时间常数一般为5~15min。

应用地板辐射供暖/供冷方式时，与风机盘管供冷末端方式相比，辐射末端具有较大的热惯性。在风机盘管中，通过风机强制对流，实现室内空气与盘管内水流的换热。但在辐射板中，从管内冷媒/热媒到辐射板表面一般通过导热的方式进行热量的传递。尤其在辐射地板中，由于内部材料的厚度较厚，辐射地板的热惯性问题尤为严重。当应用于机场、铁路客站等24小时连续运行的建筑时，辐射板的蓄热特性和热惯性并无显著影响；而对于每日仅运行一段时间的建筑，应用辐射地板时应对其热惯性要给予充分的关注。

六、结束语

在温湿度独立控制空调系统的设计中，应根据工程特点、建筑环境、系统形式、气候条件等对以上几个问题进行详细的分析，力争使设计的空调系统更合理、更经济、更节能。

参考文献：

[1]刘晓华，江亿，张涛等.温湿度独立控制空调系统（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2]徐伟.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.