某别墅双冷源新风机设计及运行策略研究

刘 畅

北京金茂绿建科技有限公司

1 引言

以风机盘管加新风为例的常规空调系统，空调末端对空气进行降温的同时还承担湿负荷，为达到热湿处理要求，冷源供水设计温度多低至6℃～7℃。这种热湿耦合处理的方式致使空调冷源效率低下，带来了高品位能源的浪费。在建筑能耗日益增高，节能减排工作重要性凸显的背景下，温湿度独立控制系统应运而生[1-2]。温湿度独立控制系统中，辐射末端或干式风盘承担显热负荷，新风承担潜热负荷。因而，可采用高温冷源对新风进行除湿处理，也为可再生能源的利用提供了良好条件。

在温湿度独立控制系统中，新风的除湿要求相对较高，新风机的选型及新风运行策略将直接影响系统使用效果及运行能耗[3]。目前针对该类新风的研究资料较少，为工程设计优化带来了不便。本文以成都市某别墅为例，探讨双冷源新风机的选型及运行策略优化，在保证室内湿热环境舒适性的基础上，降低运行能耗的同时节约户式系统业主的能源费用。

2 双冷源新风机原理

温湿度独立控制系统中，因辐射末端或干式风盘易产生结露问题，新风机的除湿能力非常关键。以采用吊顶铺设毛细辐射空调的系统为例，辐射板表面结露是因为表面温度低于室内空气的露点温度所造成的。当辐射板表面温度低于室内空气露点温度时，空气中水蒸气就会在辐射板表面凝结，出现结露现象。从湿空气焓湿图可知，室内空气相对湿度越高，露点温度越高，相应的冷水供水设计温度升高。而辐射板的制冷能力，与供水温度呈反比关系，从设计的角度应尽量降低冷水供水温度。

考虑室内空气露点温度、冷水供水温度、辐射板制冷量三个因素，结合多个项目应用经验，一般将除湿后的新风含湿量控制在8g/kg左右。为实现该设计参数，双冷源新风机应运而生。双冷源新风机是一种可以对空气进行双级除湿处理的新风机形式，典型的双冷源新风机包括过滤段、冷却段、表冷器一级除湿段、直膨段深度除湿、再热段、送风段等。其中与新风除湿直接相关的，包括表冷器一级除湿及直膨段深度除湿。其中，表冷器一级除湿，冷源采用系统一次水，直膨段深度除湿冷源为自有冷源。常见的冷凝热的处理有风冷及水冷两种。一级除湿和深度除湿两段承担的湿负荷比例因项目不同，需要校核和优化设计。此外，深度除湿段可根据控制策略，实现智能开启。

3 项目介绍

本项目位于成都市，总建筑面积1000m2，套内面积约800m2，地上三层，建筑高度12m。根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，成都市夏季空气调节室外计算干球温度31.8℃，夏季空气调节室外计算湿球温度26.4℃。冬季空气调节室外计算温度1℃，空气调节室外计算相对湿度83%。围护结构标准满足JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》。

空调冷热源采用空气源热泵，末端采用毛细辐射空调及置换式新风。夏季空气源热泵供回水温度16/19℃，供至新风机、毛细辐射末端；冬季供暖，热泵主机供回水温度35/30℃，供至新风机及毛细辐射末端。制冷工况下，辐射末端系统承担室内显热冷负荷；新风系统承担室内潜热负荷及新风负荷，控制室内湿度，满足通风要求的同时满足室内卫生要求。采暖工况下，毛细辐射末端系统承担室内热负荷，新风系统承担新风热负荷。

表1 室内设计参数表

4 新风除湿工况分析

根据能耗模拟软件DeST中典型年气象参数，将五月至九月的室外空气参数按照含湿量划分区间，进行分析。

图1 成都市典型年逐时干球温度

本文重点分析新风的除湿处理过程，在不考虑极端工况的情况下，成都市夏季空气调节室外计算干球温度31.8℃，含湿量19.85g/kg，焓值82.89kJ/kg。本工程新风量的确定，结合人员卫生新风量及除湿需求取上限，换气次数约1次/h,全新风运行工况新风量为2000m3/h。新风经过两级除湿，到再热段之前，将被处理到饱和状态，相对湿度95%，干球温度11.3℃，含湿量8g/kg。即整个新风处理过程，若考虑1.1富裕系数，含湿量差值13.0g/kg新风，折算总湿负荷为31.3kg/h。

图35 月～9月新风含湿量大于8g/kg小时数分布图

从图3可以看到，5月份新风含湿量大于16g/kg的小时数为177小时，介于13g/kg～16g/kg小时数为176小时。室内设计参数下含湿量约12.8g/kg（干球26℃，60%RH），建议5 月份新风机仅通风，不开启除湿设备。原因是高于室内设计含湿量的小时数较少，且时间上较为分散，在常规空调系统设计中，五月属于过渡季，从能耗及使用者行为习惯的角度，均可以接受室外新风不除湿的处理。

双冷源新风机两级除湿段的配比，需要结合一级表冷段制冷除湿能力，以及直膨段COP。从6 月1 日起至9 月30 日，新风机开启制冷除湿模式，并根据出风温度判断是否需要再热。该模式下，冷源提供的一次水温度为16/19℃，平均水温17.5℃。一级冷却除湿采用表冷器的形式，冷水平均温度直接决定了该段盘管的制冷除湿能力。根据某双冷源新风机样本，在该工况下新风经过一级除湿后，含湿量在13.3g/kg～14.5g/kg，直膨段COP区间2.2～2.6，该数值与压缩机及冷凝热排放方式直接相关。从能效的角度，以某合资品牌空气源热泵为例，在出水温度16/19℃的情况下热泵COP3.2，高于直膨段。综上，一级除湿可将新风由19.85g/kg处理至14g/kg，以最终除湿至8g/kg含湿量为目标，则一级表冷段与二级深度直膨除湿段承担湿负荷的比例是1:1。

5 新风机制冷工况运行策略探讨

在合理进行双冷源新风机的设计与选型后，为进一步降低运行能耗，运行策略是关键的影响因素。在本项目中，制冷季时间5月～9月，业主离家时段可选择系统关机。在系统运行期间，结合室外空气温湿度传感器及新风机内置温湿度传感器数据，判断是否开启直膨段二级除湿。当室外空气含湿量低于8g/kg时，表冷器电动调节阀关断，同时直膨段不开启；当室外空气含湿量介于8g/kg～14g/kg之间时，表冷器电动调节阀开启并根据出风温度调整冷水流量；当室外空气含湿高于14g/kg时，直膨段开启对新风进行深度除湿。

6 结束语

本文以成都市某别墅为例，探讨了双冷源新风机的设计选型及运行策略优化。根据当地典型年室外新风热湿参数详细分析，双冷源新风机一级除湿段除湿能力受到冷水温度限制，而适当提高空气源热泵出水温度可提高主机能效比。本项目采用毛细辐射空调作为末端，其夏季供回水温度为16/19℃，为简化系统，双冷源新风机表冷器冷水温度建议与毛细辐射空调水温一致。在这样的设计思路下，一级除湿段与二级深度除湿段比例建议在1:1左右。此外，新风机的运行策略需充分结合室外气象参数，进行智能控制，从而降低运行能耗。