溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展

張鵬超 曹雙華 吳 璐 呂 靜

上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展

張鵬超 曹雙華 吳 璐 呂 靜

上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院

綜述溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，比較該空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢。通過分析該系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，論述該系統(tǒng)存在的主要問題，并對今后溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的發(fā)展提出了展望。

溫濕度獨(dú)立控制；溶液除濕；輻射供冷；節(jié)能

當(dāng)前，就全國而言，建筑能耗約占總能耗的30%，而空調(diào)系統(tǒng)方面的能耗就占到建筑總能耗＞50%[1-3]，換言之，空調(diào)系統(tǒng)能耗大約是全國總能耗的15%，為了建立資源節(jié)約型社會，盡量降低集中空調(diào)系統(tǒng)的能耗迫在眉睫。

在傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中，對溫度、濕度的控制是聯(lián)合在一起的，這種處理空氣的方式雖然應(yīng)用成熟，但遭人詬病。其原因：（1）室內(nèi)的顯熱負(fù)荷可采用高溫冷源除去，而濕負(fù)荷采用冷凝除濕除去，但通常一起采用7℃的低溫冷源，且對冷凝除濕后的室內(nèi)空氣進(jìn)行再加熱，這個過程造成了巨大的能源浪費(fèi)。（2）采用冷凝除濕的方式不容易智能化控制，造成了能源浪費(fèi)，影響室內(nèi)舒適度[4]，并且室內(nèi)表冷器表面有大量冷凝水，是細(xì)菌的“溫床”，久而久之，會對人體健康造成危害[5]。

為了節(jié)能及了解決傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)存在的問題，清華大學(xué)的江億教授提出了溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)（Temperature and Humidity Independent Control Air Condition System，以下簡稱“THIC”）。THIC是溫度和濕度獨(dú)立控制的兩套系統(tǒng)，分別對室內(nèi)溫度、濕度獨(dú)立控制調(diào)節(jié)，有效地避免了集中空調(diào)系統(tǒng)的弊端，該系統(tǒng)在節(jié)能和提高空氣品質(zhì)方面具有特殊優(yōu)勢，在國內(nèi)外正受到越來越多的關(guān)注，并且正逐步推廣應(yīng)用[6-7]。

1 THIC系統(tǒng)組成

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)主要有4套設(shè)備：出水溫度為18℃左右的高溫冷水機(jī)組、去除顯熱的室內(nèi)末端裝置、制備干燥新風(fēng)的新風(fēng)處理機(jī)組和去除潛熱的室內(nèi)送風(fēng)末端裝置。可分為兩大主要系統(tǒng)：顯熱處理系統(tǒng)與潛熱處理系統(tǒng)，分別控制室內(nèi)溫度與濕度，這2套系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)節(jié)。系統(tǒng)組成見圖1。

顯熱處理系統(tǒng)包括夏季的高溫冷源或者冬季的低溫冷源、冷凍水輸送系統(tǒng)和室內(nèi)末端裝置（輻射板或干式風(fēng)機(jī)盤管等）。冷凍水溫度采用18℃左右的高溫，能充分利用多種天然冷源。高溫冷水一般通過土壤源換熱器、間接蒸發(fā)冷卻、深井回灌和高溫冷水機(jī)組制備。

潛熱處理系統(tǒng)包括新風(fēng)處理機(jī)組、新風(fēng)管路和送風(fēng)末端裝置構(gòu)成。新風(fēng)用來除濕，不受溫度調(diào)節(jié)的限制，新風(fēng)處理可以考慮多種高效節(jié)能的方式，如：VAV空調(diào)系統(tǒng)。

圖1 溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)組成

2 THIC空調(diào)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1 溶液調(diào)濕新風(fēng)系統(tǒng)

國內(nèi)外對溶液調(diào)濕技術(shù)的研究主要集中在熱泵驅(qū)動和余熱驅(qū)動方面。

（1）熱泵驅(qū)動。機(jī)組內(nèi)置熱泵系統(tǒng)，溶液除濕所需冷量來自蒸發(fā)器，冷凝器排出的熱量用于溶液再生，冷凝器可回收部分的排熱用于加熱除濕后的空氣。機(jī)組原理見圖2（a）。

（2）余熱驅(qū)動。余熱驅(qū)動的機(jī)組需要外界額外提供的冷水和熱水，分別用于溶液除濕和溶液再生。通過三通轉(zhuǎn)換閥的切換，還可使用熱水或冷水對除濕后的空氣進(jìn)行升溫或降溫。機(jī)組原理見圖 2（b）[8]。

Lazzarin等人介紹了一種應(yīng)用于超市的熱泵驅(qū)動的可以自行再生的溶液除濕系統(tǒng),通過模擬全年的室外工況得出其較常規(guī)系統(tǒng)節(jié)能[9]。

T Katejanekarnd等人利用太陽能驅(qū)動溶液除濕的空調(diào)系統(tǒng)，并對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理。研究表明:在此系統(tǒng)中，當(dāng)含濕量由0.42 kg/kg降低到相對濕度為11.1%時，送風(fēng)溫度可以降低1.2℃，由此相比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)能耗降低[10]。

Sayak等人利用燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的余熱作為再生器推動熱源的溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)，處理后將空氣通過屋頂?shù)闹评錂C(jī)降溫再送入室內(nèi)，研究結(jié)果表明：整個除濕系統(tǒng)的熱力COP約為0.5，相比常規(guī)系統(tǒng)一次能源的利用率可提高16.3%[11]。

Yadav提出了以R11為制冷劑、LiBr為除濕溶液的熱泵式除濕復(fù)合空調(diào)系統(tǒng),在高溫高濕的室外條件下,其效率優(yōu)于傳統(tǒng)空調(diào)[12]。

圖2 熱泵驅(qū)動/余熱驅(qū)動溶液除濕機(jī)組原理

國內(nèi)學(xué)者也取得了一系列研究成果。

（1）在余熱驅(qū)動技術(shù)方面，張小松和殷勇高等人，提出了太陽能溶液除濕與蒸發(fā)冷卻相結(jié)合的復(fù)合式系統(tǒng)，解決了對建筑內(nèi)空氣處理時熱濕耦合問題，也進(jìn)一步驗(yàn)證了利用溶液蓄能的效果好于常規(guī)蓄能方式[13-15]。

（2）在熱泵驅(qū)動方面，代彥軍等人提出了液體除濕和電壓縮制冷的混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用熱泵冷凝器中的熱量用于溶液再生，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究，得出該系統(tǒng)制冷量比傳統(tǒng)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)高20～30%[16]。

清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心進(jìn)行大量理論和實(shí)驗(yàn)研究，李震等人首先提出了包含溶液全熱回收裝置、并將溶液的除濕和再生過程與熱泵系統(tǒng)結(jié)合起來的復(fù)合式溶液除濕系統(tǒng)[17-18]。劉曉華對李震的系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，將系統(tǒng)中全熱回收裝置上下兩級直接貫通，使改進(jìn)后的系統(tǒng)熱回收效率相比之前的提高10%[19]。劉栓強(qiáng)等人又綜合了以上等人的研究，提出了雙級除濕/再生溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組[20]，其系統(tǒng)組成見圖3。

2.2 末端顯熱處理系統(tǒng)

末端顯熱處理裝置，可采用干式風(fēng)機(jī)盤管、輻射板等多種形式，但目前應(yīng)用最多的是輻射板，該方式舒適性好，并有廣闊的發(fā)展前景，國內(nèi)外也對此做了大量的研究工作，集中解決的問題有：

（1）結(jié)露問題。末端顯熱處理設(shè)備充滿高溫冷水，其表面一般不會結(jié)露，但空調(diào)系統(tǒng)剛啟動，室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度較高時、門窗偶然開啟，造成室內(nèi)露點(diǎn)溫度升高時、室內(nèi)人員增多或者設(shè)計時未考慮散濕源，而導(dǎo)致房間濕負(fù)荷突增時，都可能有結(jié)露現(xiàn)象。

圖3 熱泵驅(qū)動的雙級除濕/再生溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組原理

（2）供冷能力和節(jié)能要求調(diào)和問題。單一增加供冷量，必然要增加系統(tǒng)各方面能耗，這跟節(jié)能是矛盾的。要協(xié)調(diào)系統(tǒng)各方，使該系統(tǒng)既能增加性能，又能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

Surapong Chirarattananon和Prapapong Vangtook等人通過實(shí)驗(yàn)研究和仿真模擬，對高溫高濕環(huán)境下的通風(fēng)冷卻輻射板進(jìn)行了可行性研究。結(jié)果表明，只要滿足滲透進(jìn)風(fēng)足夠小并采用有效的防結(jié)露措施，送風(fēng)就足以排除室內(nèi)潛熱[21-22]。

美國的Christopher.L.Conroy通過數(shù)值分析輻射板應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性、可行性，并結(jié)合冷卻頂板、獨(dú)立新風(fēng)和置換通風(fēng)復(fù)合式系統(tǒng)

通過分析，得到結(jié)論：該系統(tǒng)的推廣沒有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的難度[23]。

江億等以溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)與毛細(xì)管輻射空調(diào)相結(jié)合為研究對象，設(shè)定了在高溫水工況下，不同的安裝方式、不同的水系統(tǒng)參數(shù)和不同的空氣設(shè)定參數(shù)設(shè)定對毛細(xì)管輻射空調(diào)性能的影響。最終得出結(jié)論：裸露安裝、增加泵耗、室內(nèi)溫度設(shè)定28℃時，供冷能力顯著提高[24]。

郝曉麗針對我國熱濕氣候特性，設(shè)計了一種冷卻輻射頂板、輪轉(zhuǎn)除濕和置換通風(fēng)三者相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)。研究表明該系統(tǒng)可有效節(jié)省電能，且能顯著提高室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)，增加舒適性[25]。段凱及其團(tuán)隊則對夏熱冬冷地區(qū)進(jìn)行調(diào)研，開發(fā)了一套熱泵式溶液除濕加輻射吊頂系統(tǒng)，研究表明：該系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，室內(nèi)熱舒適性穩(wěn)定，特別適合夏熱冬冷地區(qū)使用[26]。

3 THIC空調(diào)系統(tǒng)的問題

盡管溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，但實(shí)際運(yùn)行過程中依然存在一些問題，需要進(jìn)一步的優(yōu)化予以解決，主要是：

（1）THIC系統(tǒng)在過渡季節(jié)不能利用風(fēng)側(cè)免費(fèi)供冷，如果要充分利用，則需要配置排風(fēng)機(jī)，這使系統(tǒng)復(fù)雜性增加。

（2）相比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)安裝更加嚴(yán)格，測點(diǎn)更多、系統(tǒng)更復(fù)雜、造價更高，初始投資大約高出1/5[27]，增量回收年限不一。

（3）該系統(tǒng)采用溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組，機(jī)組體積比傳統(tǒng)空調(diào)大，安裝時必須考慮一系列問題，如機(jī)房位置、大小和后期維護(hù)等。

4 結(jié)語

以上簡單地對溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的發(fā)展背景、基本原理以及目前存在的問題進(jìn)行了論述，可見溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)能有效避免常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中溫濕度聯(lián)合處理帶來的問題。

在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，整個系統(tǒng)初投資較高，成本回收年限延長，這也是制約該系統(tǒng)的一項重要問題。此外，溫度濕度獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展迅速，相關(guān)配套設(shè)施，如高溫冷水機(jī)組、毛細(xì)管輻射板、新風(fēng)處理機(jī)等設(shè)備的研發(fā)也在迎頭趕上。

該系統(tǒng)空氣品質(zhì)好、舒適性高、節(jié)能效果顯著。如能進(jìn)一步改善其存在的缺陷，與廉價的可再生、低品位能源配合使用，在今后空調(diào)界具有很大的市場價值和發(fā)展前景，值得推廣應(yīng)用。

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Current Condition and Development of Dedicated Temperature and Humidity Control Air-Conditioning System

Zhang Pengchao, Cao Shuanghua, Wu Lu, Lv Jing
Shanghai Science and Technology University Environment and Architecture College

The article comprehensively introduces domestic and overseas research condition of dedicated temperature and humidity control air-conditioning system and compares advantages between dedicated temperature and humidity control air-conditioning system and traditional air-conditioning system. Through analyzing advantages and disadvantages of dedicated temperature and humidity control air-conditioning system, the author discusses main existing problems of dedicated temperature and humidity control air-conditioning system and puts forward prospect of dedicated temperature and humidity control air-conditioning system development.

Dedicated Temperature and Humidity Control Air-Conditioning System, Liquid Desiccant Dehumidification, Radiant Cooling, Energy Saving

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.10.005

張鵬超：(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)。曹雙華：男，博士，碩導(dǎo)，主要從事建筑物室內(nèi)外微氣候熱環(huán)境特性的研究。