基于溫濕度獨立控制的養老院空調系統的設計

朱慧敏，武曄秋，丁 源

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037003；2.山西大同大學建筑與測繪工程學院，山西大同 037003）

養老是當下社會普遍關注的民生問題，“十四五”的養老服務規劃，是以促進養老事業與產業協調發展為目標。當前大多數養老院通過空調來調節室內空氣質量，如李國棟[1]等人是通過對VRV多聯機空調和分體空調的研究解決養老院的通風和供暖問題；周國平[2]通過研究空調冷熱源以及水系統，設計出柜式空調機組全空氣低速空調系統對醫養結合大樓中的大區域進行通風；百曉清[3]通過計算養老院的能耗，對空調系統中的變水量系統以及變風量系統進行節能改造，最終采用單體式空調加新風系統的方式改善養老院室內的空氣質量；陳琦珂[4]利用空調的冷卻功能控制室內溫度，對居住區域溫度進行調節。由于普通空調系統是溫濕度同期處理，故易滋養病菌，影響空氣品質。為此，在普通空調系統的基礎上，利用溫濕度獨立控制空調系統為整個房間提供足夠的新風和調節室內熱濕條件，可改善傳統空調能耗大、易患空調病等弊端。

1 溫濕度獨立控制空調原理

養老院中的老年人對室內熱濕的適應性較差，若溫濕度同期處理會滋生細菌，所以需采用溫濕度獨立控制系統，既可以節省大量能耗，還可以大大降低病原體滋生。養老院獨立溫濕控制系統主要由溫度獨立控制系統和濕度獨立控制系統兩部分組成（如圖1），包括高溫冷水機組、新風處理機組、去濕顯熱的室內末端裝置和去潛熱的室內送風末端裝置這四大核心部件。

圖1 溫濕度獨立控制空調系統原理圖

整個系統是通過處理潛熱的系統來對養老院室內環境進行除濕的，可選用16℃～18℃范圍內的高溫冷水，以減少顯熱負荷，達到節能降耗的目的。同時，高溫冷水可以作為地下水、土壤以及湖水等天然冷源的補充。

2 獨立溫濕控制系統裝置

2.1 溫濕度獨立控制系統裝置設計

選擇以光伏發電效率在12%左右的多晶硅太陽電池作為研究對象。這種電池的光伏發電效率相比于單晶硅太陽電池雖然要低一些，但是制作過程簡單，能耗較低，整體制作成本也相對較低，適合于大規模應用。

太陽能電池板放置位置如圖2。太陽能電池板沿養老院朝向安裝于屋頂，根據安裝要求，傾角應為當地緯度加減0°～5°，北半球向南，南半球向北。以大同市為例，大同位于北緯40°03′，確定安裝角為45°，朝向為正南，以保證系統輸出最多的電能。

圖2 太陽能電池板放置位置

利用高溫冷水取代傳統空調系統中低溫冷水所承擔的大部分熱濕負荷，可大大提高制冷效率，達到節能降耗的目的。在溫濕度獨立控制空調中，以高溫冷源為主冷源，承擔著室內所有的顯熱負荷和部分的新風負荷，其所占的比例超過50%。

養老院室內的潛熱負荷由新風承擔，新風處理方式主要是溶液除濕、固體除濕和冷凝除濕。通過對養老院環境特點進行分析，最終采用溶液對空氣進行除濕處理，其優點在于除濕過程完全不產生潮濕表面，杜絕霉菌滋生，減少“病態建筑綜合癥”及各種空氣傳播疾病。

末端裝置采用貼壁式散流器，并選擇將其安裝在墻壁底部，設計成下進風上出風的方式，工作原理如圖3。因為出風口選擇在上端會使引入的新風不受阻擋，并且在進出之間形成渦流，有利于室內污濁空氣的排出。為防止老年人受風過涼并降低吹風感，控制散流器送風的風速為0.15～0.35 m/s，以此讓獨立濕度控制系統完全承擔潛熱負荷和部分室內的顯熱負荷。

圖3 夏季下進上出的置換通風的工作原理圖

風機盤管是一種空調設備，其工作原理較為復雜，但主要是通過風機的運轉和熱交換器的熱傳遞來達到調節室內空氣溫度的目的。其主要由風管、風機、盤管及控制系統組成，如圖4。

圖4 干式風機盤管工作原理圖

在風機盤管設備中，空氣通過風機的吸入進入設備，然后通過熱交換器進行加熱或冷卻。之后，這些經過處理的空氣被吹入室內，使得室內的溫度維持在舒適的范圍內。為了實現精確的溫度控制，往往需要使用控制系統進行智能調控，以保證室內溫度始終維持在設定的范圍內。在單獨的溫控系統中，夏天所選用的高溫冷源是一臺間接蒸發冷水機組，它利用室外的干空氣來產生15℃～20℃的高溫冷水，并將其輸送到室內的末端裝置中。

2.2 溫濕度自動化檢測設計

在溫濕度獨立控制空調系統的基礎上，外加溫濕度自動化檢測調節裝置（如圖5）。這個裝置可以實時監控并自動調整環境中的溫度和濕度，使得整個設計在功能上更加全面，更加實用。溫濕度獨立調節裝置的核心構造包括了溫敏元件、濕敏元件、轉換元件以及輔助電路和基本轉換電路。這些元件和電路相互配合，共同實現了溫濕度的自動化檢測與調節。

圖5 溫濕度自動化檢測設計圖

3 養老院溫濕度獨立控制系統設計與仿真

養老院室內溫濕度獨立控制空調系統基本工作原理和各部分裝置，如圖6。該系統主要由太陽能電池板、干式風機盤管、貼壁散流器等組成，可有效改善養老院內的環境，避免過多能源的消耗，實現節能減排，還可以從源頭防止病菌的滋生，提高室內空氣品質，對老人的身心健康具有積極的影響。通過調節空調系統的溫度和濕度，可以實現對室內環境的精確控制，同時可以避免傳統空調系統存在的問題；此外，該系統的智能化控制和調節功能也可以實現能源的節約和優化利用，進一步降低能源消耗。

圖6 養老院室內環境改善裝置

利用Space Claim 對養老院室內的送風口、出風口進行三維建模（如圖7）。三維建模的關鍵是要確保模型的精確性和實用性。在建模過程中，需要充分考慮到送風口風速、風量大小以及環境等重要因素，以確保室內空氣流通、舒適度和安全性。為達到預計目標，將送風口設置在房間的上部，出風口則設置在側墻高處，這樣一來就能實現均勻送風、充分通風及排除廢氣的目標。

圖7 養老院室內模型圖

在完成三維模型的構建后，將所構建出的圖形導入FLUENT 軟件中，對養老院溫濕度獨立控制空調的室內氣體流動進行仿真。為了更準確地模擬實際情況，將入風口風速調節至5 m/s，仿真結果如圖8。通過仿真，可以更加直觀地觀察到空調系統在不同條件下的運行效果，為養老院的運營和管理提供了重要的參考依據。

圖8 流體仿真圖

通過FLUENT 軟件仿真模擬，明顯看出溫濕度獨立控制系統在室內環境中形成旋渦。利用精密的空氣動力學原理，將冷空氣在整個室內環境中進行循環流動，確保室內的每個角落都能得到均勻且持久的通風，并且降溫效果顯著，從而達到改善養老院室內環境的效果。

4 總結

獨立溫濕控制空調系統主要利用太陽能電池板改善了傳統空調能耗大、易患空調病等弊端，該系統具有節能環保，污染小，能為室內通入高質量、潔凈的自然風，并且能更快地除濕除熱。通過FLUENT流體仿真的結果可以看出，該系統的環境改善效果顯著，實用性強，可提供較為適合老年人居住的環境。