“新型”溫濕度獨立控制空調系統的應用

葉衛平

（浙江天誠中央空調有限公司，溫州325000）

0 引言

伴隨著經濟的快速發展和人民生活水平的日益提高，人們對舒適性的要求逐步提高。隨之而來的是建筑能耗的不斷增加，且愈演愈烈。據統計，我國建筑能耗大約占社會總能耗30%，而其中最主要的是空調使用能耗，約占建筑能耗50%～60%。在空調節能領域，眾多學者專家提出了各式各樣的方案，其中尚未能大面積推廣的理論之一便是：溫濕度獨立控制系統的應用。本項目則為溫濕度獨立控制系統的良好應用。以往溫濕度獨立控制項目多數采用溶液除濕或者轉輪除濕，冷源多數為高溫冷水機組，而筆者本次介紹的為高顯熱多聯式空調機組＋水冷式除濕機＋的 “新型”組合方式。

1 工程概況

本工程為長沙某一期辦公樓，位于寧鄉經濟開發區。項目建筑面積7034m2，其中空調面積為5517.4m2。辦公樓分三層，一層層高5.5m，主要功能為科技展廳、休息區和辦公室；二層層高4.5m，主要功能為辦公室、會議室和休息區；三層層高4.5m，主要功能為辦公室、會議室、休息區和多功能報告廳。業主欲要將辦公樓打造綠色節能建筑。

2 空調系統確定

2.1 空調系統末端采用溫濕度獨立控制系統

空調系統有除去室內的空氣余熱和余濕的任務，除此之外，還有改善室內空氣質量的功能。傳統的空調系統普遍采用熱濕耦合的控制方式，對空氣的余熱和余濕同時進行處理，這種處理方式會有以下缺點：

1）處理后的空氣溫度過低，還需再熱達到送風溫度要求，造成能源浪費；

2）傳統空調難以適應室內熱濕比的變化，一般是犧牲對濕度的控制，通過僅滿足室內溫的要求來妥協，降低了空調環境舒適感；

3）傳統空調冷卻除濕帶來的表面長時間潮濕問題，在風道、盤管表面滋生霉菌和微生物，造成空調環境易被病菌感染；

溫濕度獨立控制系統則是將空氣溫度和濕度分開控制，可實現溫度和濕度均能精準控制，能夠完美解決傳統空調的以上缺點。經專家們分析及實踐表明，溫濕度獨立控制系統具有以下優點：

1）可以避免過多的能源消耗，達到節能的目的；

2）溫濕度參數很容易實現，達到舒適的目的；

3）空氣品質良好，無細菌感染，達到健康的目的；

4）冷指標小，達到節省投資的目的。

2.2 高顯熱多聯式空調機組介紹

常規的溫濕度獨立控制系統采用的是高溫主機＋干式末端的方式控制室內顯熱負荷，此種組合方式僅能在空氣濕度相對較低情況下滿足干式運行，在濕度較大時，會產生較多冷凝水，無法真正做到干式運行，同時這類組合在工程系統較小時顯得尤為復雜。采用高顯熱多聯式空調機組＋高溫內機的組合方式能夠完美解決上述問題。高顯熱多聯機通過內外機之間的通訊協議，利用 “一種多聯機的低壓控制技術”可有效精確的控制高蒸發溫度，達到高效去除顯熱的目的，并且使機組能效更高，其控制思路如圖1：

圖1 控制思路

機組運行時，內機根據檢測回風溫度和相對濕度，通過機組內置計算公式計算出回風的露點溫度，加上其它一些修正系數，確定蒸發溫度和目標低壓，控制壓機的輸出，達到控制室內溫度的目的。此外，該高顯熱多聯機組同時具備普通變頻多聯機功能，通過機組設置，可在高溫多聯機功能和常規多聯機功能之間切換。

2.3 預冷式新風除濕機介紹

目前溫濕度獨立控制空調系統中所用的除濕手段多數為溶液除濕或者轉輪除濕機組，這些除濕手段有著除濕效率低、除濕劑對金屬管道有腐蝕性、室內余熱末端易結露等問題。筆者介紹的預冷式新風除濕機 （見圖2）則不會出現這些問題，是基于溫濕度獨立控制空調系統全新開發的產品，系統原理包含制冷循系統和新風除濕系統：

新風從室外引入經過預冷器 （12～18℃）預冷，將新風溫度降低至18～24℃，隨后經過蒸發器將溫度降至機器露點，除去空氣中的水分，再經過冷凝器2將空氣溫度提升至室內露點溫度以上獲得低溫干燥的新風，最后通過風機把低溫干燥新風送入室內處理室內潛熱負荷，達到控制室內濕度的目的。

3 “新型”溫濕度獨立控制系統原理

溫濕度獨立控制系統是將空氣溫度與濕度分開控制，在一個空調系統中，采用兩種不同蒸發溫度的冷源，用高溫末端取代傳統空調系統中大部分由低溫末端承擔的熱濕負荷，這樣可以提高綜合制冷效率，進而達到節省能耗的目的。在溫濕度獨立控制空調中，高溫冷源作為主冷源，它承擔室內全部的顯熱負荷和小部分的新風負荷，占空調系統總負荷的50%以上 （新風量越多，占比約低）；低溫冷源作為輔助冷源，它承擔室內全部的濕負荷和部分的新風負荷，占空調系統總負荷的50%以下。筆者設計該項目建筑顯熱負荷和潛熱負荷分別由高顯熱多聯機和新風除濕機來處理，高顯熱多聯機采用通過計算室內回風露點溫度及相關修正來確定蒸發溫度，確保機組運行穩定過程中不會產生冷凝水；新風除濕機則是將室外高溫高濕新風經過預冷—降溫除濕—熱回收升溫等幾個過程后形成低溫干燥新風送入室內，處理室內潛熱負荷。

圖2 預冷式新風除濕機

4 本項目特點

1）根據現場情況，辦公樓一層有注塑車間機房，回水溫度在14℃左右，并且其冷源有富余（約300kW）；

2）辦公樓建筑長寬比大 （長 126m，寬18m），其中有較多會議室，對新風需求量大；

3）辦公環境對夏季舒適感要求高，且冬季有供暖需求；

4）辦公樓一層為科技展廳，對展廳濕度要求高；

5）辦公樓三層為會議室集中區域，對新風需求大；

6）該辦公樓欲打造綠色節能建筑，業主希望能夠采用新型節能技術。

在充分考慮該辦公樓高端定位和利用現有資源并結合先進的、節能的空調系統，設計采用將室內空氣溫度與濕度分開控制的空調系統，即溫濕度獨立控制系統。本方案采用新型溫度控制冷源 （高顯熱多聯式空調機組）來處理室內空氣顯熱負荷，新風除濕機控制室內空氣濕負荷，即高顯熱多聯機＋預冷式新風除濕機系統。

5 設計過程中的要點

5.1 冷熱源的設計

夏季冷負荷：溫濕度獨立控制系統的新風全熱負荷、室內潛熱負荷都是由新風除濕機組來承擔，室內顯熱負荷由高顯熱多聯機組和高溫內機承擔，項目采用諧波法逐時計算空調負荷，夏季顯熱負荷474.1kW，潛熱負荷 124kW，新風全熱負荷399.4kW；冬季熱負荷608.9kW。設計中需要注意的是：（1）由于經過新風除濕機處理后的新風溫度為20℃，比室內溫度低，所以新風會承擔部分室內顯熱負荷；（2）本項目總新風量34620m3／h，承擔顯熱負荷63.47kW，約占室內顯熱負荷13%，因此在簡化設計的基礎上，選擇末端時忽略設備衰減系數來減少設備投資；（3）新風需要預冷，會增加額外系統投入，設計時應當考慮進去。

5.2 空調設備選型

項目設計13臺高顯熱多聯式主機作為顯熱冷源，末端采用風管式送風內機；預冷源為原注塑車間工藝冷凍水回水，需提供267kW預冷量；新風除濕機共為6臺，每臺機組最大提供6000m3／h，自身額定制冷量為23.3kW；設計選擇2臺冷卻塔（50T和90T）及相應水泵為新風除濕機冷卻降溫使用。

5.3 系統運行邏輯介紹

該系統運行方式可分為手動模式和群控模式，這里僅介紹自動模式運行邏輯。

1）控制邏輯：

系統濕度由新風除濕機控制，除濕機采用定頻風機 （也可采用變頻風機），新風主入口設置電動比例調節風閥，各使用區域支管上設置電動風閥（房間內），使用區域均設置有溫濕度傳感器和二氧化碳傳感器。在除濕風系統主管道設置定壓點，新風機組新風入口處的比例調節風閥根據壓力變化調節開度。送風口前風閥根據區域內濕度及CO2的濃度開啟或關閉。

2）系統動作順序：

系統風閥、冷卻水系統蝶閥開啟—送風風閥動作—冷卻水泵動作—冷卻塔風機動作—新風除濕機動作—電動調節風閥動作。

3）電動二通風閥動作規則：

系統開啟后，送風口前電動風閥根據室內濕度和CO2濃度調節風閥開啟、關閉狀態。系統每次開啟時，風閥保持開啟10min，其后按照下述規則動作：

（i）當室內CO2濃度≤800ppm或者室內相對濕度≤45%時，風閥關閉；室內相對濕度檢測點每1min檢測一次，連續3次檢測值超標風閥開始動作。

（ii）當室內CO2濃度≥1000ppm或者室內相對濕度≥65%時，風閥開啟；室內CO2濃度檢測點每1min檢測一次，連續3次檢測值超標風閥開始動作。

（iii）當室內CO2濃度≤800ppm，室內相對濕度≥65%，風閥開啟，同時除濕機出風參數絕對含濕量設定值下調 0.5g／kg／10min；

（iiii）若室內CO2濃度≥1000ppm，室內相對濕度≤45%，風閥開啟，同時除濕機出風參數絕對含濕量設定值上調 0.5g／kg／10min。

4）電動比例調節風閥動作規則：

在送風主管距出風口1／3處設置定壓點，布設壓力傳感器，壓力預設值根據現場調試確定；也可初步按照除濕機機外余壓數值的2／3設定，后續根據實際調試情況調整。系統開啟后，電動比例調節風閥保持全開狀態10min，其后按照下述規則動作：

（i）當檢測壓力P≥設定壓力＋容差時，且變化速率＜設定值，電動比例調節風閥開度增大5%，變化速率采集當前時間前2min數據；

（ii）當檢測壓力P≤設定壓力＋容差時，且變化速率＜設定值，電動比例調節風閥開度減小5%，變化速率采集當前時間前2min數據；

上述設定值及風閥開度值需根據現場調試情況確定。

5）新風除濕機運行規則：

（i）進風電動調節風閥關閉或送風風閥全部關閉，新風除濕機壓縮機及風機停機；

（ii）當室外氣象參數變化，機組根據內置程序調節保證出風參數穩定為設定值。

6）冷卻水泵、冷卻塔動作規則：

冷卻水泵與新風除濕機組聯動，任何一臺新風除濕機組啟動，冷卻水泵均需啟動。冷卻塔風機根據冷卻水出水溫度控制風機的開啟關閉，保證出水溫度穩定在30℃。

（i）當冷卻塔出水溫度≥30℃＋1℃時，風機開啟。冷卻塔出水溫度檢測點每20s檢測一次，連續3次檢測值超標風機開始動作。

（ii）當冷卻塔出水溫度≤30℃－1℃時，風機關閉。冷卻塔出水溫度檢測點每20s檢測一次，連續3次檢測值超標風機開始動作。

6 “新型”溫濕度獨立控制系統優勢及不足

優勢：

（1）該項目首次實現多聯式空調機組在溫濕度獨立控制系統中的應用，為溫濕度獨立控制系統提供了又一種選擇；

（2）新型預冷式新風除濕機解決了傳統溶液除濕系統效率低、除濕劑對金屬管道有腐蝕性、末端易結露等缺點；

（3）相比較于傳統溫濕度獨立控制系統在溫度控制方面系統簡單、響應快、控制精度高、安全性好；

（4）能夠在常規空調系統和溫濕度獨立控制空調系統之間切換，對能耗分析及相應的研究提供了極大參考價值；

（5）在能夠利用現有資源的前提下，能夠極大減少初期投入。

不足：

（1）新風除濕系統需要配置冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔等配套設施，增加了成本；

（2）該系統僅適用于夏季溫濕度控制，冬季無法控制濕度；

（3）初投資相比較常規空調系統高10%～15%；

7 結束語

溫濕度獨立控制空調系統作為現今空調系統的一項新技術，能夠提供環保、節能、舒適的環境。雖然該系統仍然存在些許不足，但隨著越來越多專家和學者的不斷研究和探討，使之不斷完善，相信這項新技術會在更多的工程中得到應用，成為未來空調系統的首選。