贵阳地区温湿度独立控制空调系统方案探究★

2021-06-24张航铭毛瑞勇莫金凤

山西建筑 2021年13期

张航铭毛瑞勇何波莫金凤刘雄

(贵州大学土木工程学院，贵州贵阳 550025)

0 引言

温湿度独立控制空调系统采用与传统空调系统不同的热湿独立处理方式，在很大程度上解决了传统空调系统能耗偏高，温湿度控制失调、室内空气品质欠佳等问题，可在改善室内人员舒适度的同时大大降低对能源的消耗,非常顺应现阶段国家节能政策的号召以及人们对舒适度越来越高的要求，在未来具有广阔的发展前景。

温湿度独立控制空调系统将传统的空调系统分为温度控制与湿度控制两个部分，温度控制部分由冷热源，水输配系统，室内干式末端(干式风机盘管、毛细管辐射板等)组成，湿度控制部分由新风处理机组，新风管路及送风末端装置组成(个性化送风、置换通风等)[1]。对新风湿度处理的方式分为冷冻除湿、转轮除湿与溶液除湿，冷冻除湿又包括双冷源除湿与普通的冷冻除湿。转轮除湿中加热再生环节需蒸汽源或电力，耗能较大，不符合节能的目的，此处不予考虑。本文结合工程实例对双冷源除湿加干式风机盘管、双冷源除湿加辐射板、溶液除湿加干式风机盘管、溶液除湿加辐射板四种温湿度独立控制空调系统进行对比分析，通过系统能耗、初投资、运行费用及舒适度等方面的综合比较，确定适用于贵阳地区的温湿度独立控制空调系统方案。

1 贵阳地区的气候条件

贵阳地区属于温和地区A区，地处低纬度高海拔的高原地带，冬无严寒，夏无酷暑。夏季空调室外计算干球温度30.1 ℃，夏季空调室外计算湿球温度23 ℃，夏季空调室外计算日平均温度26.3 ℃，室外相对湿度62%，大气压力89.66 kPa[2]。

2 四种温湿度独立控制空调系统应用分析

以贵阳地区某三层办公楼项目为例，第一层层高为3.6 m,第二、三层层高均为3.3 m。房间主要功能为办公室、会议室。建筑总高度为10.2 m，建筑总面积约为1 691.52 m2，空调面积约889.39 m2。经计算：夏季总冷负荷119.4 kW，总湿负荷43.5 kg/h。会议室取2.5 m2/人，人均新风量12 m3/(h·P)，办公室取4 m2/人，人均新风量30 m3/(h·P)，夏季室内设计温度均取26 ℃，相对湿度均取60%。集中冷源采用高温冷水机组，室内末端送风方式采用置换通风形式。本文仅以夏季为例进行计算。

2.1 溶液调湿新风机组+毛细管辐射板

热泵式溶液调湿新风机组利用盐溶液的吸湿特性对室外新风进行集中处理，降低其含湿量与相对湿度。新风处理机组承担所有的新风负荷、室内的所有湿负荷及部分显热负荷，使送入房间的新风与室内的热湿空气混合后温湿度在设计范围之内，同时满足人员的新风量要求及卫生要求。室内干式末端则采用毛细管辐射板，通过输配系统将高温冷水机组产生的高温冷冻水送入毛细管内，承担室内剩余的显热负荷，降低室内各表面及空气的温度，满足室内人员的需求(见图1)[3]。

空气处理过程：室外新风先经高温冷水机组产生的高温冷冻水预冷，到达机器露点，后经溶液调湿新风机组降温除湿，由W点到W′点，同时室内空气回风等湿冷却由N点至N′点，二者混合后到达送风状态点O，最终沿热湿比线ε送入室内(见图2)。

空气处理过程状态点见表1。

表1 空气处理过程状态点(一)

新风机组预冷负荷：

QX=ρLX(hW-hL)

(1)

新风机组可承担的显热负荷：

QXS=ρcpLX(tN-tO)

(2)

辐射板需承担的负荷：

QFS=QS-QXS

(3)

高温冷源提供的负荷：

QG=QX+QFS

(4)

机组的整体性能系数：

COP=ρLX(hW-hO)/E总

(5)

其中，ρ为空气的密度，1.2 kg/m3；LX为新风量，m3/h;cp为空气的比定压热容，1.01 kJ/(kg·℃)；QS为夏季显热冷负荷;E总为机组总能耗，主要包括外置冷源及风机能耗。

经计算，每层办公楼选择一台额定风量为2 000 m3/h，除湿量为40 kg/h的热泵型溶液调湿新风机组及尺寸为4.3 mm×0.8 mm，导热系数为0.21 W/(m·K)的毛细管辐射板。

能耗及机组性能系数计算结果如表2所示。

表2 能耗及机组性能系数(一)

本文计算设贵阳地区夏季供冷期为5月～8月，共计123 d，每天运行10 h，用电价格取0.6元/kWh计算。则本系统的运行费用为：0.6×10×123×9.1=6 715.8元。

2.2 溶液调湿新风机组+干式风机盘管

热泵式溶液调湿新风机组排风中设置热回收装置，用于对室外新风的预冷处理以及溶液的再生环节，其余描述与2.1中新风处理部分相同。室内干式末端则采用干式风机盘管，通过输配系统将高温冷水机组产生的高温冷冻水送入盘管内，承担室内剩余的显热负荷，降低室内温度，满足人员需求(见图3)[3]。

空气处理过程：室外新风先经新风机组中排风热回收提供的冷量进行预冷，后经溶液调湿新风机组降温除湿，由W点到W′点，同时室内空气回风等湿冷却由N点至N′点，二者混合后到达送风状态点O，最终沿热湿比ε线送入室内(见图4)。

空气处理过程状态点见表3。

表3 空气处理过程状态点(二)

新风机组预冷负荷：

QX=ρLX(hW-hL)

(6)

新风机组可承担的显热负荷：

QXS=ρcpLX(tN-tO)

(7)

干式风机盘管承担的负荷：

QFP=QS-QXS

(8)

高温冷源提供的负荷：

QG=QX+QFP

(9)

机组的整体性能系数：

COP=ρLX(hW-hO)/E总

(10)

经计算，每层办公楼选择一台额定风量为2 000 m3/h，除湿量为40 kg/h的热泵型溶液调湿新风机组及17个名义制冷量为4.76 kW的干式风机盘管，其中每个办公室安装一个，会议室安装两个。

能耗及机组性能系数计算结果如表4所示。

表4 能耗及机组性能系数(二)

本文计算设贵阳地区夏季供冷期为5月～8月，共计123 d，每天运行10 h，用电价格取0.6元/kWh计算。则本系统的运行费用为：0.6×10×123×10=7 380元。

2.3 双冷源除湿新风机组+毛细管辐射板

双冷源除湿新风机组利用两种蒸发温度不同的冷源对室外新风进行集中处理，降低新风的含湿量与相对湿度。双冷源中的高温冷源(主冷源)承担全部的新风负荷与室内的部分显热负荷，低温冷源(辅助冷源)承担室内的全部湿负荷，使送入房间的新风与室内的热湿空气混合后温湿度在设计范围之内，同时满足人员的新风量要求及卫生要求。排风中设置热回收装置，用于对室外新风的预冷处理。室内干式末端则采用毛细管辐射板，通过输配系统将高温冷水机组产生的高温冷冻水送入毛细管内，承担室内剩余的显热负荷，降低室内各表面及空气的温度，满足室内人员的需求[4]。

空气处理过程：室外新风先经新风机组中排风热回收提供的冷量进行预冷，由W1点到W2点，后经高温表冷器降温除湿处理至第一机器露点，由W2点到L1点，再经低温表冷器深度降温除湿处理至第二机器露点，由L1点到L2点，经过进一步再热，由L2点到O点，最终沿热湿比线ε送入室内(见图5)[5]。空气处理过程状态点见表5。

表5 空气处理过程状态点(三)

新风机组预冷负荷：

QX=ρLX(hw1-hw2)

(11)

新风机组内置冷源负荷：

QX=ρLX(hL1-hL2)

(12)

新风机组可承担的显热负荷：

QXS=ρcpLX(tN-tO)

(13)

辐射板承担的负荷：

QFS=QS-QXS

(14)

高温冷源提供的负荷：

QG=QX+QFS

(15)

机组的整体性能系数：

COP=ρLX(hW-hO)/E总

(16)

其中，ρ为空气的密度，1.2 kg/m3；LX为新风量，m3/h;cp为空气的比定压热容，1.01 kJ/(kg·℃)；QS为夏季显热冷负荷;E总为机组总能耗，主要包括外置冷源再热能耗及风机能耗。

经计算每层办公楼选择一台额定风量2 000 m3/h,除湿量为45 kg/h的内冷型双冷源除湿新风机组及尺寸为4.3 mm×1.0 mm，导热系数为0.25 W/(m·K)的毛细管幅射板。

能耗及机组性能系数计算结果如表6所示。

表6 能耗及机组性能系数(三)

本文计算设贵阳地区夏季供冷期为5月～8月，共计123 d，每天运行10 h，用电价格取0.6元/kWh计算。则本系统的运行费用为：0.6×10×123×12.3=9 077.4元。

2.4 双冷源除湿新风机组+干式风机盘管

双冷源除湿新风机组的描述部分与2.3中新风处理部分相同。室内干式末端则采用干式风机盘管，通过输配系统将高温冷水机组产生的高温冷冻水送入盘管内，承担室内剩余的显热负荷，降低室内温度，满足室内人员的需求[4]。

空气处理过程：室外新风先经新风机组中排风热回收提供的冷量进行预冷，由W点到W′点，后经高温冷水预冷处理至第一机器露点，由W′点到L1点，再经新风机组内置冷源的蒸发器除湿处理至第二机器露点，由L1点到L2点，经过新风机组内置冷源的冷凝器进一步再热，由L2点到送风状态点O，最终沿热湿比线ε送入室内(见图6)[6]。

空气处理过程状态点见表7。

表7 空气处理过程状态点(四)

新风机组预冷负荷：

QX=ρLX(hW-hW′)

(17)

新风机组内置冷源负荷：

QX=ρLX(hL1-hL2)

(18)

新风机组可承担的显热负荷：

QXS=ρcpLX(tN-tO)

(19)

干式风机盘管承担的负荷：

QFP=QS-QXS

(20)

高温冷源提供的负荷：

QG=QX+QFP

(21)

机组的整体性能系数：

COP=ρLX(hW-hO)/E总

(22)

经计算，每层办公楼选择一台额定风量为2 000 m3/h，除湿量为45 kg/h的内冷型双冷源除湿新风机组及17个名义制冷量为4.76 kW的干式风机盘管，其中每个办公室安装一个，会议室安装两个。

能耗及机组性能系数计算结果如表8所示。

表8 能耗及机组性能系数(四)

本文计算设贵阳地区夏季供冷期为5月～8月，共计123 d，每天运行10 h，用电价格取0.6元/kWh计算。则本系统的运行费用为：0.6×10×123×13.4=9 889.2元。

2.5 四种系统经济性比较

采用费用年值法进行比较，计算公式：

(23)

其中，L1为费用年值，万元；L为系统初投资，万元；n为设备使用寿命，取15年；i为年利率，取银行利率5.94%。

计算结果如表9所示。

表9 经济比较分析

根据表9的数据，四种系统的总费用大小关系为：溶液除湿+辐射板>溶液除湿+干式风机盘管>双冷源除湿+辐射板>双冷源除湿+干式风机盘管，可见双冷源除湿新风机组+干式风机盘管系统的总费用最少，即最经济。

2.6 四种系统舒适性比较

溶液调湿新风机组内部不存在湿表面，不会出现长期使用滋生细菌而导致的空气品质问题，同时机组所用的盐溶液对空气有消毒杀菌的作用，能一定程度上净化空气，消除空气中的粉尘及颗粒物，舒适性要优于双冷源除湿新风机组。另一方面，干式风机盘管在干工况下运行噪声会较普通风机盘管更大，而辐射板运行则几乎没有噪声，且房间内温度分布会较为均匀，比起干式风机盘管的对流换热，辐射板的辐射换热室内人员会感觉更加舒适。

因此四种系统的舒适性比较：溶液调湿新风机组+辐射板>溶液调湿新风机组+干式风机盘管>双冷源除湿新风机组+辐射板>双冷源除湿新风机组+干式风机盘管，可见溶液调湿新风机组+辐射板系统的舒适性最好。

2.7 四种系统的适用范围

溶液调湿新风机组系统构成较为复杂，机组体积较大，适用于机房面积较大且对室内空气品质要求较高的场合，如高档酒店、高档办公楼、医院等[7]。双冷源除湿新风机组系统形式相对简单，布置灵活方便，适用于小型办公楼、居民住宅等建筑[7]。辐射板受实际安装空间的限制，适用于对舒适度要求较高且面积较大的建筑。干式风机盘管与普通风机盘管相比需加大盘管的换热面积来提高供冷量，满足室内的除热需求，安装使用较为灵活，有一定的安装面积要求。