溫濕度獨立控制管理論文

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摘要：本文在分析了目前熱濕聯合處理空調系統所面臨的主要問題的基礎上，提出了熱濕獨立控制空調策略：采用新風去除室內的余濕、承擔室內空氣質量的任務，采用高溫冷源去除室內的余熱。并提出了溫濕度獨立控制空調方式對室內末端裝置、新風處理、制備高溫冷源的要求與影響，介紹了溫濕度獨立控制系統的應用實踐工程。

關鍵詞：溫濕度獨立控制新風高溫冷源

1引言

從熱舒適與健康出發，要求對室內溫濕度進行全面控制。夏季人體舒適區為25ºC，相對濕度60%，此時露點溫度為16.6ºC。空調排熱排濕的任務可以看成是從25ºC環境中向外界抽取熱量，在16.6ºC的露點溫度的環境下向外界抽取水分。目前空調方式的排熱排濕都是通過空氣冷卻器對空氣進行冷卻和冷凝除濕，再將冷卻干燥的空氣送入室內，實現排熱排濕的目的。現有的熱濕聯合處理的空調方式存在如下問題。

（1）熱濕聯合處理的能源浪費。由于采用冷凝除濕方法排除室內余濕，冷源的溫度需要低于室內空氣的露點溫度，考慮傳熱溫差與介質輸送溫差，實現16.6ºC的露點溫度需要約7ºC的冷源溫度，這是現有空調系統采用5~7ºC的冷凍水、房間空調器中直接蒸發器的冷媒蒸發溫度也多在5ºC的原因。在空調系統中，占總負荷一半以上的顯熱負荷部分，本可以采用高溫冷源排走的熱量卻與除濕一起共用5~7ºC的低溫冷源進行處理，造成能量利用品位上的浪費。而且，經過冷凝除濕后的空氣雖然濕度（含濕量）滿足要求，但溫度過低，有時還需要再熱，造成了能源的進一步浪費與損失。

（2）難以適應熱濕比的變化。通過冷凝方式對空氣進行冷卻和除濕，其吸收的顯熱與潛熱比只能在一定的范圍內變化，而建筑物實際需要的熱濕比卻在較大的范圍內變化。一般是犧牲對濕度的控制，通過僅滿足室內溫度的要求來妥協，造成室內相對濕度過高或過低的現象。過高的結果是不舒適，進而降低室溫設定值，通過降低室溫來改善熱舒適，造成能耗不必要的增加；相對濕度過低也將導致由于與室外的焓差增加使處理室外新風的能耗增加。

（3）室內空氣品質問題。大多數空調依靠空氣通過冷表面對空氣進行降溫除濕，這就導致冷表面成為潮濕表面甚至產生積水，空調停機后這樣的潮濕表面就成為霉菌繁殖的最好場所。空調系統繁殖和傳播霉菌成為空調可能引起健康問題的主要原因。另外，目前我國大多數城市的主要污染物仍是可吸入顆粒物，因此有效過濾空調系統引入的室外空氣是維持室內健康環境的重要問題。然而過濾器內必然是粉塵聚集處，如果再漂濺過一些冷凝水，則也成為各種微生物繁殖的最好場所。頻繁清洗過濾器既不現實，也不是根本的解決方案。

（4）室內末端裝置的問題。為排除足夠的余熱余濕同時又不使送風溫度過低，就要求有較大的循環通風量。例如每平方米建筑面積如果有80W/m2顯熱需要排除，房間設定溫度為25ºC，當送風溫度為15ºC時，所要求循環風量為24m3/hr/m2，這就往往造成室內很大的空氣流動，使居住者產生不適的吹風感。為減少這種吹風感，就要通過改進送風口的位置和形式來改善室內氣流組織。這往往要在室內布置風道，從而降低室內凈高或加大樓層間距。很大的通風量還極容易引起空氣噪聲，并且很難有效消除。在冬季，為了避免吹風感，即使安裝了空調系統，也往往不使用熱風，而通過另外的暖氣系統通過采暖散熱器供熱。這樣就導致室內重復安裝兩套環境控制系統，分別供冬夏使用。

（5）輸配能耗的問題。為了完成室內環境控制的任務就需要有輸配系統，帶走余熱、余濕、CO2、氣味等。在中央空調系統中，風機、水泵消耗了40~70%的整個空調系統的電耗。在常規中央空調系統中，多采用全空氣系統的形式。所有的冷量全部用空氣來傳送，導致輸配效率很低。

此外，隨著能源問題的日益嚴重，以低品位熱能作為夏季空調動力成為迫切需要。目前北方地區大量的熱電聯產集中供熱系統在夏季由于無熱負荷而無法運行，使得電力負荷出現高峰的夏季熱電聯產發電設施反而停機，或者按純發電模式低效運行。如果可以利用這部分熱量驅動空調，既省下空調電耗，又可使熱電聯產電廠正常運行，增加發電能力。這樣即可減緩夏季供電壓力，又提高能源利用率，是熱電聯產系統繼續發展的關鍵。由于空調負荷在一天內變化顯著，與熱電聯產電廠提供熱能并不是很好匹配，如何實現有效的蓄能，以協調二者的矛盾也是熱能使用當中存在的問題。

綜上所述，空調的廣泛需求、人居環境健康的需要和能源系統平衡的要求，對目前空調方式提出了挑戰。新的空調應該具備的特點為：

加大室外新風量，能夠通過有效的熱回收方式，有效的降低由于新風量增加帶來的能耗增大問題；

減少室內送風量，部分采用與采暖系統公用的末端方式；

取消潮濕表面，采用新的除濕途徑；

不用空氣過濾式過濾器，采用新的空氣凈化方式；

少用電能，以低品位熱能為動力；

能夠實現高體積利用率的高效蓄能；

從如上要求出發，目前普遍認為溫濕度獨立控制系統可能是一個有效的解決途徑。

2溫濕度獨立控制空調系統

空調系統承擔著排除室內余熱、余濕、CO2與異味的任務。研究表明：排除室內余熱與排除CO2、異味所需要的新風量與變化趨勢一致，即可以通過新風同時滿足排余濕、CO2與異味的要求，而排除室內余熱的任務則通過其他的系統（獨立的溫度控制方式）實現。由于無需承擔除濕的任務，因而可用較高溫度的冷源即可實現排除余熱的控制任務。對照前言中現有空調系統存在的問題，溫濕度獨立控制空調系統可能是一個有效的解決途徑。溫濕度獨立控制空調系統中，采用溫度與濕度兩套獨立的空調控制系統，分別控制、調節室內的溫度與濕度，從而避免了常規空調系統中熱濕聯合處理所帶來的損失。由于溫度、濕度采用獨立的控制系統，可以滿足不同房間熱濕比不斷變化的要求，克服了常規空調系統中難以同時滿足溫、濕度參數的要求，避免了室內濕度過高（或過低）的現象。

溫濕度獨立控制空調系統的基本組成為：處理顯熱的系統與處理潛熱的系統，兩個系統獨立調節分別控制室內的溫度與濕度，參見圖1。處理顯熱的系統包括：高溫冷源、余熱消除末端裝置，采用水作為輸送媒介。由于除濕的任務由處理潛熱的系統承擔，因而顯熱系統的冷水供水溫度不再是常規冷凝除濕空調系統中的7ºC，而是提高到18ºC左右，從而為天然冷源的使用提供了條件，即使采用機械制冷方式，制冷機的性能系數也有大幅度的提高。余熱消除末端裝置可以采用輻射板、干式風機盤管等多種形式，由于供水的溫度高于室內空氣的露點溫度，因而不存在結露的危險。處理潛熱的系統，同時承擔去除室內CO2、異味，以保證室內空氣質量的任務。此系統由新風處理機組、送風末端裝置組成，采用新風作為能量輸送的媒介。在處理潛熱的系統中，由于不需要處理溫度，因而濕度的處理可能有新的節能高效方法。

圖1溫濕度獨立控制空調系統

在溫濕度獨立控制空調系統中，采用新風承擔排除室內余濕、CO2、室內異味，保證室內空氣質量的任務。一般來說，這些排濕，排有害氣體的負荷僅隨室內人員數量而變化，因此可采用變風量方式，根據室內空氣的濕度或CO2濃度調節風量。由于僅是為了滿足新風和濕度的要求，如果人均風量40m3/hr，每人5平方米面積，則換氣次數只在2~3次/hr，遠小于變風量系統的風量。這部分空氣可通過置換送風的方式從下側或地面送出，也可采用個性化送風方式直接將新風送入人體活動區，參見圖2。

圖2個性化送風

而室內的顯熱則通過另外的系統來排除（或補充）。由于這時只需要排除顯熱，就可以用較高溫度的冷源通過輻射、對流等多種方式實現。當室內設定溫度為25℃時，采用屋頂或垂直表面輻射方式，即使平均冷水溫度為20℃，每平米輻射表面仍可排除顯熱40W/m2，已基本可滿足多數類型建筑排除圍護結構和室內設備發熱量的要求。由于水溫一直高于室內露點溫度，因此不存在結露的危險和排凝水的要求。此外，還可以采用干式風機盤管通入高溫冷水排除顯熱。由于不存在凝水問題，干式風機盤管可采用完全不同的結構和安裝方式，參見圖3。這可使風機盤管成本和安裝費大幅度降低，并且不再占用吊頂空間。這種末端方式在冬季可完全不改變新風送風參數，仍由其承擔室內濕度和CO2的控制。輻射板或干式風機盤管則通入熱水，變供冷為供熱，繼續維持室溫。與變風量系統相比，這種系統實現了室內溫度和濕度的分別控制。尤其實現了新風量隨人員數量同步增減。從而避免了變風量系統冬季人員增加，熱負荷降低，新風量也隨之降低的問題。與目前的風機盤管加新風方式比較，免去了凝水盤和凝水排除系統。徹底消除了實際工程中經常出現問題的這一隱患。同時由于不再存在潮濕表面，根除了滋生霉菌的溫床，可有效改善室內空氣品質。由于室內相對濕度可一直維持在60%以下，較高的室溫（26℃）就可以達到熱舒適要求。這就避免了由于相對濕度太高，只得把室溫降低（甚至到20℃），以維持舒適要求的問題。既降低了運行能耗，還減少了由于室內外溫差過大造成的熱沖擊對健康的危害。

3新風處理方式

溫濕度獨立控制空調系統中，需要新風處理機組提供干燥的室外新風，以滿足排濕、排CO2、排味和提供新鮮空氣的需求。前言已闡述了現有的低溫露點除濕的熱濕聯合處理方式所帶來的問題，如何采用其他的處理方式排除室內的余濕，如何處理出非露點的送風參數，如何實現對新風有效的濕度控制是新風處理機組所面臨的關鍵問題。

圖4轉輪除濕方式

采用轉輪除濕方式，是一種可能的解決途徑，參見圖4。用硅膠、分子篩等吸濕材料附著于輕質骨料制作的轉輪表面。待除濕的空氣通過轉輪的一部分表面，空氣中的部分水分被吸附于表面吸濕材料，實現除濕。吸了水的轉輪部分旋轉到另一側與加熱的再生空氣接觸，放出水分，使表面吸濕材料再生，再進行下一個循環。吸濕過程接近等焓過程，減濕加熱后的空氣可進一步通過高溫冷源（18℃）冷卻降溫，從而實現溫度與濕度的獨立控制。但轉輪除濕的運行能耗難以與冷凝除濕方式抗衡。從熱能利用效率看，圖4所示的轉輪除濕機除掉的潛熱量與耗熱量之比一般難以超過0.6，同時高溫冷源還要提供1.1~1.2倍于空氣除熱總量的冷量。這樣就無法與采用低溫熱源（約90℃）、COP可達0.7，冷卻溫度可達30℃的吸收制冷機相比。即使采用多級熱回收方式，熱能利用效率仍難以提高到與吸收制冷機抗衡。此外，還有轉輪的除濕空氣與再生空氣間的滲透問題，這似乎是很難解決的工藝問題。轉輪除濕機熱能利用效率低的實質是除濕與再生這兩個過程都是等焓過程而非等溫過程，轉輪表面與空氣間的濕度差和溫度差都很不均勻，造成很大的不可逆損失，這可能是由轉輪結構本身決定的很難克服的缺陷。

再一種除濕方式是空氣直接與具有吸濕的鹽溶液接觸（如溴化鋰溶液、氯化鋰溶液等），空氣中的水蒸氣被鹽溶液吸收，從而實現空氣的除濕，吸濕后的鹽溶液需要濃縮再生才能重新使用。因此，溶液式除濕與轉輪式除濕機理相同，僅由吸濕溶液代替了固體轉輪。由于可以改變溶液的濃度、溫度和氣液比，因此與轉輪相比，這一方式還可實現對空氣的加熱、加濕、降溫、除濕等各種處理過程。改善吸濕式空氣處理方式的關鍵就是變等焓過程為等溫過程，吸收或補充空氣與吸濕介質間傳質產生的相變潛熱，從而減少這一過程的不可逆損失。由于轉輪是運動部件，很難在轉輪內部接入能夠吸收熱量或提供熱量的換熱裝置，這種方法實現起來在工藝上有很大困難。采用溶液吸濕，可以使空氣溶液接觸表面同時作為換熱表面，在表面的另一側接入冷水或熱水，實現吸收或補充相變熱的目的，從而實現接近等溫的吸濕和再生過程；還可以采用帶有中間換熱器的溶液空氣熱濕交換單元，參見圖5。由溶液泵作為動力使溶液循環噴灑在塔板上與空氣進行濕交換，同時溶液的循環回路中還串聯一個中間換熱器，吸收濕交換過程中產生的熱量或冷量。通過控制調節中間換熱器另一側的水溫水量，就可使空氣在接近等溫狀態下減濕或加濕。溶液和水之間是交叉流，不可能實現真正的逆流，但如果單元內溶液的循環量足夠大，空氣通過這樣一個單元的濕度變化量又較小時，其不可逆損失可大大減少。

圖5熱濕交換單元模塊圖6自帶熱泵的溶液熱回收型新風機組

可以將圖5所示的多個單元模塊構建各種不同的空氣處理流程，圖6為熱泵驅動的溶液熱回收型新風機[1]，熱泵的制冷量用于降低除濕溶液的溫度從而提高其除濕性能，熱泵的排熱量用于溶液的濃縮再生。圖7給出了一種以熱源作為驅動能源的溶液除濕新風處理系統[2]，由再生器統一制備的濃溶液送入各個新風機組中，利用溶液的吸濕性能實現新風的處理處理過程。溶液的蓄能密度很大（高于冰蓄冷），從而降低了對于持續熱源的需求，除濕與再生可以分別運行。由于在除濕過程中，采用室內排風蒸發冷卻等冷卻手段，可以降低對溶液濃度的要求，因此可以采用低品位的熱能作為驅動能源，如城市熱網的熱水、熱泵冷凝器的排熱、熱電聯產系統的排熱等等。溶液具有殺菌、除塵作用，可以起到凈化空氣的作用。除了消除冷凝表面，避免霉菌滋生外，采用溶液式空氣處理方式還可以有效解決空氣中可吸入顆粒物的消除[3]。使用溶液式空氣處理方式，粉塵顆粒卻可以被有效地帶入溶液中。通過合理的設計溶液與空氣接觸的塔板形式，就可在獲得優良的傳熱傳質效果的同時獲得好的除塵效果。溶液中的灰塵可通過溶液過濾器捕捉收集，更換和清洗溶液過濾器遠比更換和清洗空氣過濾器容易。對于大顆粒粉塵，進入溶液式空氣處理器后會導致堵塞，因此應在入口安裝粗效過濾器進行捕捉收集。這一般比較容易并不易造成對空氣的二次污染。

a.溶液熱回收新風機b.再生器

圖7熱水再生的溶液除濕新風處理系統

4高溫冷源的制備

由于潛熱由單獨的新風處理系統承擔，因而在溫度控制（余熱去除）系統中，不再采用7ºC的冷水同時滿足降溫與除濕的要求，而是采用約18ºC的冷水即可滿足降溫要求。此溫度要求的冷水為很多天然冷源的使用提供了條件，如深井水、通過土壤源換熱器獲取冷水等，深井回灌與土壤源換熱器的冷水出水溫度與使用地的年平均溫度密切相關，我國很多地區可以直接利用該方式提供18ºC冷水。在某些干燥地區（如新疆等）通過直接蒸發或間接蒸發的方法獲取18ºC冷水。

即使采用機械制冷方式，由于要求的壓縮比很小，根據制冷卡諾循環可以得到，制冷機的理想COP將有大幅度提高。如果將蒸發溫度從常規冷水機組的2~3ºC提高到14~16ºC，當冷凝溫度恒為40ºC時，卡諾制冷機的COP將從7.2~7.5提高到11.0~12.0。對于現有的壓縮式制冷機、吸收式制冷機，怎樣改進其結構形式，使其在小壓縮比時能獲得較高的效率，則是對制冷機制造者提出的新課題。圖8是三菱重工（MHI）微型離心式高溫冷水機組[4]的工作原理，采用“雙級壓縮＋經濟器”的制冷循環形式和傳熱性能優異的高效傳熱管，優化設計離心式壓縮機葉輪和軸承，不僅突破了離心式冷水機組難以小型化的誤區，而且還具有非常高的性能系數COP。圖9示出了利用該微型離心式冷水機組制備高溫冷水時的性能計算值。從圖中可以看出：當冷凍水進、出水溫度為21/18ºC、冷卻水進、出水溫度為37/32ºC時，其COP=7.1，在部分負荷條件下或冷卻水溫度降低時，其性能則更為優越。

圖8微型離心式高溫冷水機組圖918ºC高溫冷水機組的性能曲線

5溫濕度獨立控制系統工程案例

采用溶液式空調系統去除潛熱負荷的溫濕度獨立控制空調系統安裝在北京某辦公樓[2]，如圖10(a)所示。該工程2003年3月開始施工，至10月工程竣工。建筑面積約2000m2，共5層，建筑高度18.6m。該示范工程的溫濕度獨立控制空調系統由溶液除濕/再生系統、電壓縮制冷機及城市熱網組成，參見圖10(b)。溶液系統處理新風，承擔新風負荷和室內潛熱負荷，夏季電壓縮制冷機制備的18ºC冷凍水承擔室內顯熱負荷，城市熱網的熱水夏季供給溶液系統用于溶液的濃縮再生，冬季供給室內采暖。空調系統的全年運行測試結果表明：該系統可提供健康、舒適的室內環境；夏季，溶液系統的綜合能效比可達1.5，再生效率0.85；冬季，溶液式新風機的全熱回收效率約為50%。在現有的電價和熱價水平下，該溫、濕度獨立控制空調系統的運行費僅為常規電壓縮制冷空調系統的60~70%，具有很好的節能潛力與應用前景。同時，溶液式空調系統可采用低溫熱源驅動，為低品位熱源的利用提供了有效途徑，對降低空調電耗，改善城市能源供需結構，解決樓宇熱電聯產系統的負荷匹配問題都可起到重要作用。

a.建筑照片b.溫濕度獨立控制空調系統原理

圖10示范工程概況

在清華大學超低能耗示范建筑[5]中，采用熱電聯產廢熱驅動的溶液除濕系統處理新風承擔建筑的潛熱負荷，處理后的干燥新風通過置換通風方式與個性化送風方式送入室內；采用電動制冷機制備18ºC冷水去除建筑的顯熱負荷，冷水送入室內輻射板與干式風機盤管中。此外，這種系統還在上海建研院的節能示范樓[6]中試運行。新疆某辦公樓、南京某住宅小區的空調也是溫濕度控制的空調形式。更多的試點工程的不斷嘗試，將為我國的建筑環境控制探索出一條新的更完美的解決方式。

6結論

本文分析了現有熱濕聯合處理方式的空調系統存在的問題，繼而提出熱濕分開、獨立處理的空調運行策略：采用新風去除室內的余濕、承擔室內空氣質量的任務，采用高溫冷源去除室內的余熱。分析了溫濕度獨立控制空調方式對室內末端裝置、制備高溫冷源的要求與影響，并重點介紹了基于溶液除濕的新風處理機組，給出了溫濕度獨立控制系統的應用實踐工程。與目前普遍使用的風機盤管加新風方式或全空氣方式相比，基于溶液除濕方式的溫濕度獨立控制系統的特點可總結如下：

適應室內熱濕比的變化。溫濕度獨立控制系統分別控制房間的溫度和濕度，能夠滿足建筑熱濕比隨時間與使用情況的變化，全面控制室內環境。并根據室內人員數量調節新風量，因此可獲得更好的室內環境控制效果和空氣質量。

末端方式不同。可采用輻射式末端或者干式風機盤管吸收或提供顯熱，采用置換通風等方式送出干燥的新風去除顯熱，冬夏共用同樣的末端裝置。

不再需要低溫冷凍水。整個系統只需要18℃的冷水，這可通過多種低成本的和節能的方式提供，降低了運行能耗。

采用溶液除濕方式處理新風，可有效的控制室內濕度。溶液采用低溫熱量（60℃）驅動。使利用城市熱網夏季供應熱量驅動空調，也可使制冷用熱泵的熱端排熱得到應用。同時，濃溶液還可以高密度蓄存，從而使熱量的使用與空調的使用不必同時發生。這對降低空調電耗，改善城市能源供需結構，解決熱電聯產系統的負荷匹配問題都可起到重要作用。

采用溶液吸濕完成空氣除濕。無論在新風處理機還是風機盤管處，都不存在凝水，根除了霉菌，軍團菌等病菌的滋生條件，溶液本身具有殺菌除塵作用，增強了系統健康安全性。采用溶液與空氣直接接觸，由溶液捕捉空氣中的可吸入顆粒物，再通過溶液過濾器去除，避免了中效過濾器清洗，更換的一系列問題。

參考文獻

1.劉曉華,李震,江億.溶液全熱回收裝置與熱泵系統結合的新風機組.暖通空調,2004,34(11):98-102

2.陳曉陽.溶液式空調系統的應用研究,碩士學位論文,清華大學,2005

3.張偉榮,曲凱陽,劉曉華,常曉敏.溶液除濕方式對室內空氣品質的影響的初步研究.暖通空調,2004,34(11):114-117

4.MitsubishiHeavyIndustries,LTD.Highefficientchiller"MicroTurbo"isthebestsuitedforbuildingenergyefficiency,TheFirstBuildingenergyefficiencyForuminTsinghuaUniversity.Mar22-25,2005,TsinghuaUniversity,Beijing,China

5.薛志峰等著.建筑節能技術與實踐叢書――超低能耗建筑技術及應用.北京:中國建筑工業出版社,2005

6.汪維等：上海低能耗示范樓，2004國際可持續發展建筑中國區會議論文集