温湿度独立控制空调系统的应用

2014-11-09张哲张睿律宝莹陈萨如拉

山西建筑 2014年1期

张哲张睿律宝莹陈萨如拉

(1．天津商业大学机械工程学院，天津 300134;2．天津商业大学商业设计研究院，天津 300134)

0 引言

建筑能耗在国内总能耗的比重是衡量一个国家经济发展水平的重要指标。随着中国经济的迅猛发展，建筑能耗的比重将会逐渐增加，这必将会导致能源需求量的快速增长。年能耗统计表明，空调系统的能耗在建筑中所占的比重为40%～60%，年运营费用所占的比重为25%［1］。因此空调系统的节能问题已成为研究的重点。

本文通过分析常规空调系统，提出温湿度独立控制空调系统可以有效解决当前存在的问题。对新型空调系统的不足进行探讨，并定性的提出了改良的方向。

1 常规空调分析

1．1 典型的空气处理过程

在一次回风系统中空气处理过程如图1所示室外新风W与室内回风N经混合后到达点C，经过空调机组冷凝除湿后到达机器露点L，其相对湿度为90%～95%，由于送风温差小，需将L再加热到送风点O，送入空调房间。

图1 全空气系统一次回风空气处理过程

风机盘管加新风系统的空调系统，空气处理过程如图2所示。室外新风处理到与室内等含湿量的值。常用的冷源温度为7℃的冷冻水，新风系统和风机盘管采用相同温度的冷源。新风系统承担新风的全热负荷和部分室内显热负荷，风机盘管系统承担全部室内潜热负荷和部分室内显热负荷(从N点到L'点)。

图2 风机盘管加新风系统的空气处理过程

1．2 常规空调系统存在的问题

1)风量大的问题。常规空调系统运行，既要完全消除室内的显热和潜热负荷，又不能使用过低的送风温度，因此只能通过增大送风量来满足要求。然而大的送风量会带来一系列问题。风量大必然管径大，在室内布置大管径时，会降低室内净高或增大层高。大风量会使室内风速增大，有吹风感降低人体舒适度，同时会产生噪声。在冬季为了避免吹风感，往往另设一套采暖系统由散热器供暖，导致投资增加。

2)温湿度共同处理的损失。夏季人体舒适区为25℃，相对湿度60%，此时露点温度为16．6℃。常规空调系统的除热除湿功能，大都通过对空气进行冷却和冷凝除湿来完成的。如果空调系统仅满足人体对室内温度的要求，送风温度只要低于25℃，考虑媒介输送造成的冷量损失和传热温差(10℃)，冷源温度只需15℃～18℃。如果只去除室内湿度，送风温度只要低于露点温度16．6℃，考虑输送损耗和传热温差(10℃左右)，冷源温度为6．6℃。在空调系统中，显热负荷占总负荷的比重大于潜热负荷，占比重大的显热负荷本可以用高温冷源排走热量的，但实际工程中处理显热和潜热负荷的冷源都为低温冷源，造成低品位能源的浪费。有时通过再加热的方式提高室内温湿度的控制精度，造成冷热抵消，造成能源不必要的浪费。

图3 冷凝除湿的处理范围

3)难以适应显热和潜热比的变化。冷凝除湿的实质是通过降低温度使空气冷却到露点以下，达到降温和除湿的目的，因此降温和除湿必须同时进行。所以这种方式温湿度比的变化范围比较小，如图3所示N，B，W围成的三角形区域(其中N为室内空气的状态点，对应的露点为B，W为冷水的状态点)。而实际中建筑物需要的显热和潜热比变化有时会超出图中的区域。有时温湿度不能同时满足，只能牺牲湿度而只考虑温度要求了。当湿度大时，过高的温度会造成不舒适，就要降低室内温度来满足舒适度，这必然会造成能源浪费。含湿量不变，温度降低，相对湿度就会升高，导致焓值降低，加大了与室外空气点的焓差，必然会增加处理新风时的能耗。由于冷凝除湿的显热和潜热比的变化范围受到限制，为了适应建筑显热和潜热比的变化范围就要寻求新的除湿方法。

4)对室内空气品质的影响。随着人们生活水平的不断提高，室内空气品质得到重视，而空调系统直接影响人们的身体健康。常规的空调系统大多采用冷凝除湿的方法，使空气和表冷器等冷表面直接接触达到降温除湿的目的，表冷器表面出现潮湿甚至产生凝水，成为霉菌等的繁殖场所。空调系统导致霉菌繁殖和传播是影响人们健康的主要因素。因此如何实现除湿又不会产生潮湿表面是亟待解决的问题。另一方面，我国城市大气污染物主要是可吸入颗粒物，引进空调系统的新风要通过过滤除尘，过滤器就会聚集大量粉尘，如果过滤器比较潮湿，则会繁殖各种微生物。因此如何有效过滤又不会繁殖微生物也是需要解决的另一个问题。

5)输配损耗问题。为了达到设定的温湿度，带走室内的污染物，就需要有输配网系统，而采用不同的输配形式，不同的输配媒介，输配系统的效率是不同的，如采用空气作为输配媒介的能源消耗是采用水的5倍～10倍。

2 温湿度独立控制空调系统的优势

2．1 温湿度独立控制空调系统的原理

温湿度独立控制空调系统由温度控制系统和湿度控制系统组成，两套系统分别调节室内温度和湿度，如图4所示。

图4 温湿度独立控制空调系统原理图

2．2 温湿度独立控制空调系统的优缺点

针对常规空调系统存在的问题，研究发现温湿度独立控制空调系统可有效解决现有的问题。温湿度独立控制空调系统包括处理显热和处理潜热的两套系统，分别控制温度和湿度。显热控制系统通过干式末端排除室内余热，满足室内温度要求;潜热控制系统对新风除湿，用干燥的新风去除室内余湿，CO2及异味，满足室内湿度和空气品质的要求［3］。这种方法单独控制温度和湿度，能够达到比较高的控制精度，能更大范围适应建筑显热和潜热比的变化。

作为一种新型空调系统，温湿度独立控制系统具有以下优点:

1)由于分别控制系统的除湿量和除热量，可以根据建筑物热湿比的变化情况，对室内环境的温湿度进行实时控制，克服了常规空调热湿比变化范围小的缺陷。2)对于温度控制系统，只需满足室内温度要求，低于室内温度25℃，同时考虑传输温差和传热温差，冷源温度一般在15℃左右。采用高温冷源降低了能耗。3)和常规空调系统相比，温湿度独立控制空调系统可以避免送风再加热问题，减少再加热产生的不必要的能耗。4)采用辐射换热末端装置，可以和冬季采暖共用一套环境控制装置，减少初投资，并且温度场均匀。5)采用溶液除湿方法，通常的除湿剂为氯化钙、氯化锂、三甘醇等。可以避免冷凝除湿产生潮湿表面，同时避免在表冷器和风道中产生霉菌，通过喷淋的方法可以去除空气中的可吸入颗粒和霉菌，兼有清洁空气的作用。6)克服了常规空调系统中难以同时满足温度、湿度参数要求的致命缺点。7)过渡季能充分利用室外新风去除余湿，保证较舒适的室内环境，减少空调系统的运行时间。