溫濕分控空調(diào)系統(tǒng)在華南地區(qū)住宅的應(yīng)用研究

梁江 王瑋 張碧婷 左建波 童球

1 北京金茂綠建科技有限公司

2 中國金茂控股集團(tuán)有限公司

華南地區(qū)屬于典型的夏熱冬暖氣候區(qū)，受 限于氣候特點(diǎn)和熱工條件，僅 靠自然通風(fēng)難以使室內(nèi)環(huán)境長時間維持在人體舒適區(qū)間，需 要使用空調(diào)進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)。隨著生活水平的提高，人 們對于住宅的舒適品質(zhì)要求日益提高，常 規(guī)空調(diào)在溫濕度精準(zhǔn)控制、噪 音風(fēng)感等方面存在不足，而溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)（以下簡稱THIC 系統(tǒng)）可 以在高濕地區(qū)提供更舒適安靜的生活環(huán)境[1]，在 華南已有少量公建項目[2-3]和住宅項目應(yīng)用，但是尚缺少針對住宅的THIC 系統(tǒng)運(yùn)行模式和末端方案研究。本文將以廣州為代表城市分析華南地區(qū)氣候特點(diǎn)，提出對應(yīng)的 THIC 系統(tǒng)方案及逐月運(yùn)行模式，并 結(jié)合某住宅項目案例分析研究適合的顯熱末端方案。

1 氣候特點(diǎn)分析

廣州是華南區(qū)域的典型城市，因 此本文采用廣州的氣象參數(shù)為例進(jìn)行氣候特點(diǎn)分析。根據(jù)廣州全年各月平均溫度和相對濕度（圖 1）可 以看出：

1）若 按照平均溫度大于 22 ℃考慮，廣 州從 4 月到10 月均有制冷需求。其余月份較為溫暖，1 月平均氣溫也達(dá)到了15 ℃，供 暖需求較小?？?體而言，全 年的制冷需求遠(yuǎn)大于制熱需求。

2）廣州從 1 月到 10 月的平均相對濕度都大于70%，因此全年存在較長時間的除濕需求。其中，1～4月份平均溫度雖然不高，但 是相對濕度較高，從 濕冷工況轉(zhuǎn)化到濕熱工況的過渡季較長。

3）從 3 月到9 月的平均相對濕度變化較小，基 本都在 80%～85%之間，但是平均溫度變化范圍相對較大，覆 蓋了從20 ℃至30 ℃的區(qū)間，說 明室外濕負(fù)荷與顯熱負(fù)荷并非同步變化。

圖1 廣州全年各月平均溫度和相對濕度

圖2 一月室外逐時參數(shù)點(diǎn)分布

圖3 二月室外逐時參數(shù)點(diǎn)分布

如果以干球溫度22 ℃、相對濕度 40%（絕對含濕量 6.6 g/kg）的舒適工況點(diǎn)為分界線，可以進(jìn)一步對1～4 月份的室外逐時工況的參數(shù)進(jìn)行分區(qū)分析。由圖2～圖 5 可看出，從 1 月到 4 月，低溫低濕工況逐漸減少，高溫高濕工況逐漸增多。1 月～4 月均有較多時段處于低溫高濕區(qū)間，而且從1 月到4 月同溫度區(qū)間工況點(diǎn)的濕度明顯增大。另外，3、4 月有大量時段溫度適宜，但是濕度較大。

圖4 三月室外逐時參數(shù)點(diǎn)分布

圖5 四月室外逐時參數(shù)點(diǎn)分布

對比各圖可發(fā)現(xiàn)3 月工況最為復(fù)雜，不僅低溫高濕工況最多，而且還存在較多高溫高濕和少量低溫低濕工況。通過研究3 月的典型氣象年逐時溫度與濕度曲線（圖 6、圖7）看出，本月的溫濕度波動區(qū)間較大，且變化頻繁。這段時間還會出現(xiàn)回南天工況，在長時間（3月11 日～16 日）的低溫之后，氣溫突然回暖且濕度同步回升（3 月18 日～19 日）。這種情況下由于建筑本體溫度相對較低，容易造成大量結(jié)露。居民在此期間只能通過門窗緊閉方式，避免家中過分潮濕。

圖6 三月室外逐時干球溫度曲線

圖7 三月室外逐時相對濕度曲線

總體而言，華南地區(qū)與其它地區(qū)相比除了炎熱期較長、寒冷時間極少之外，還有全年濕度較高、過渡季長且天氣變化大、溫濕度較少同時處于舒適區(qū)間的明顯特點(diǎn)。

2 空調(diào)系統(tǒng)方案

通過以上氣候特點(diǎn)分析，可看出華南地區(qū)住宅對于空調(diào)系統(tǒng)有如下幾方面需求：

1）以供冷功能為主，適當(dāng)兼顧供熱。從平均氣溫可知4 月～10 月的供冷需求較為明顯，應(yīng)通過制冷除濕提供舒適的室內(nèi)環(huán)境。同時，1 2 月～2 月的平均氣溫約為 15～18 ℃，部分時段（如雨天、夜間等）較為濕冷導(dǎo)致人體舒適感較差，可以適當(dāng)供熱予以改善。

2）具備多樣的濕度調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)溫濕分控。華南地區(qū)全年濕度較高，但是不同季節(jié)適用的處理過程不一樣，例如在夏季需要冷卻除濕，在冬季則是加熱調(diào)濕。而對于過渡季的回南天氣候，雖然濕負(fù)荷較大，但是顯熱負(fù)荷并不大（室外氣溫約為25～30 ℃），在此條件下如果采用常規(guī)的溫濕一體調(diào)節(jié)方式，僅依靠增大冷卻能力除濕，會使室內(nèi)溫度和舒適度降低。只有通過溫濕分控，即溫度控制末端處理顯熱負(fù)荷，并搭配等溫除濕或者冷卻除濕再熱措施，才能匹配溫度適合、濕度較大的工況。實際上不僅是在回南天，3 月～9月也存在顯熱負(fù)荷變化較大、濕負(fù)荷變化不大的工況，只有溫濕分控才能實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

3）系統(tǒng)應(yīng)調(diào)節(jié)靈活，具備個性化運(yùn)行能力。華南地區(qū)的冬季和過渡季會有晝暖夜涼的情況，還存在幾天內(nèi)甚至一天之中溫濕度相差較大的工況。因此，空調(diào)系統(tǒng)需要能適應(yīng)各種熱濕工況，而且冷熱源及末端系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能應(yīng)能滿足快速響應(yīng)的需求。

4）采用高能效系統(tǒng)，減少運(yùn)行費(fèi)用。華南地區(qū)一年之中室外溫濕度舒適的時段較少，住宅空調(diào)系統(tǒng)需要運(yùn)行的時間較長，應(yīng)盡量采用高能效系統(tǒng)，降低業(yè)主的后期使用成本。

針對以上需求，可在高舒適度住宅中考慮采用戶式風(fēng)冷熱泵+THIC 系統(tǒng)，原理圖見圖8：

圖8 戶式THIC 系統(tǒng)原理圖

戶式系統(tǒng)的水容量比集中系統(tǒng)少，便于及時響應(yīng)室外溫濕度變化的負(fù)荷波動，包括實現(xiàn)冷熱模式的快速切換。通過除濕新風(fēng)搭配顯熱控制末端實現(xiàn)溫濕分控，針對華南地區(qū)不同月份氣候特點(diǎn)靈活采用不同的工況模式（見表 1），可以很好地滿足對溫度和濕度的調(diào)節(jié)需求。此外，溫濕分控系統(tǒng)采用高溫水承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷，能耗比常規(guī)系統(tǒng)低。在溫度不太高的天氣還可以單獨(dú)運(yùn)行新風(fēng)除濕系統(tǒng)，進(jìn)一步減少系統(tǒng)能耗。

表1 不同月份的溫濕分控運(yùn)行模式

3 顯熱末端方案分析

華南地區(qū)的住宅由于氣象條件不利且圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能不高，房間的顯熱負(fù)荷較大，如果僅用輻射空調(diào)系統(tǒng)，需要有低能耗的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工條件匹配 [4]。同時，住宅空調(diào)個性化的運(yùn)行要求較多，并且與公建的作息時間不一樣。如何結(jié)合現(xiàn)有的熱工條件及住宅作息特點(diǎn)進(jìn)行顯熱末端方案選擇，是華南地區(qū)住宅 THIC系統(tǒng)的設(shè)計的重要問題。

顯熱控制末端包括對流和輻射兩類形式，對流末端（風(fēng)機(jī)盤管等）已有廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)在于制冷、制熱速度快，缺點(diǎn)是存在噪音和風(fēng)感，運(yùn)行壽命較短，且后期維護(hù)工作較多。輻射末端由于輻射空調(diào)表面與人體的傳熱溫差較小，且房間垂直溫差小，具有體感舒適、無風(fēng)感和噪音、無需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但是也有溫度調(diào)節(jié)較慢、供冷（熱）能力受限于鋪設(shè)面積等不足。因此，可以通過將對流與輻射末端相結(jié)合實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，更好的適應(yīng)華南地區(qū)實際熱工情況及負(fù)荷需求。為了進(jìn)一步說明，可以用廣州某住宅項目為例具體分析，戶型參見圖9。

圖9 廣州某住宅項目戶型圖

本項目采用了典型的夏熱冬暖地區(qū)居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)設(shè)定，其中外墻傳熱系數(shù)K=2.22 W/(m2· ℃)，外 窗傳熱系數(shù)K=3.46 W/(m2· ℃)，遮 陽系數(shù)Sc=0.6。針對南向的客廳和主人房，室內(nèi)設(shè)計溫度取25℃，新 風(fēng)量分別為 150 m3/ h 和 50 m3/ h，根 據(jù)精裝圖可鋪設(shè)毛細(xì)范圍及設(shè)計日工況逐時負(fù)荷計算進(jìn)行設(shè)計選型的結(jié)果如表2：

表2 客廳及主人房的顯熱處理末端負(fù)荷分配

從表 2 看出，由 于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工條件不利，且 室外氣溫較高，華 南地區(qū)的房間顯熱負(fù)荷較大，單 獨(dú)依靠輻射空調(diào)及新風(fēng)的顯熱處理能力無法滿足最大負(fù)荷工況，必 須設(shè)置干式風(fēng)盤等對流末端作為輔助控溫手段。但 是，根 據(jù)主人房的逐時負(fù)荷曲線（圖 10）可 見，輻射空調(diào)系統(tǒng)及新風(fēng)系統(tǒng)的供冷能力之和（931 W）大于晚上20 點(diǎn)到早上8 點(diǎn)的顯熱負(fù)荷（如圖 10 中虛線所示），在這個時段可以僅運(yùn)行輻射空調(diào)系統(tǒng)及新風(fēng)系統(tǒng)，提 供無風(fēng)無噪的舒適睡眠環(huán)境。另外，考 慮到住宅在工作日的日間時段常常處于無人狀態(tài)，可 以只開啟輻射空調(diào)及新風(fēng)系統(tǒng)維持一個基礎(chǔ)室溫（例如28 ℃），待 業(yè)主回家后開啟風(fēng)盤快速降低至 24～26 ℃，進(jìn) 入夜間時段再關(guān)閉風(fēng)盤。因此，在 復(fù)合末端系統(tǒng)中，風(fēng) 盤的實際運(yùn)行時段較少，延 長了風(fēng)盤運(yùn)行壽命和維護(hù)周期。而且，由 于輻射空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)了 55%～65%的基礎(chǔ)負(fù)荷，干 式風(fēng)盤的規(guī)格較小，進(jìn) 一步降低了風(fēng)盤能耗及運(yùn)行時的吹風(fēng)感及噪音?？傊?，復(fù) 合顯熱末端方案既避免了輻射空調(diào)系統(tǒng)溫度供冷能力受限、變 化響應(yīng)慢的不足，又 改善了風(fēng)盤系統(tǒng)的常見問題，能 夠較好匹配華南地區(qū)住宅的負(fù)荷和作息需求。

圖10 主人房逐時顯熱負(fù)荷曲線圖

4 結(jié)語

根據(jù)本文對華南地區(qū)氣象特點(diǎn)及適應(yīng)空調(diào)方案的分析研究，可以得出如下結(jié)論：

1）華 南地區(qū)全年冷負(fù)荷需求較多，且 全年濕度較高，空 調(diào)系統(tǒng)的主要工況為制冷及除濕。同時，2～ 4 月的溫濕工況較為復(fù)雜，尤 其應(yīng)注意對回南天工況處理。

2）戶 式 THIC 系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)便利、溫 濕度控制靈活精準(zhǔn)、系 統(tǒng)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可 以根據(jù)不同月份的氣候工況匹配不同的運(yùn)行模式，滿 足華南地區(qū)住宅對于高舒適空調(diào)系統(tǒng)的需求。

3）受 限于氣象條件和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性，華 南地區(qū)住宅的顯熱冷負(fù)荷較大，建 議采用輻射 +對流空調(diào)復(fù)合末端系統(tǒng)，充 分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，更 好地適應(yīng)不同時刻的運(yùn)行舒適性與調(diào)節(jié)性需求。

綜上所述，戶式 THIC 系統(tǒng)可以為華南地區(qū)住宅提供較高的室內(nèi)環(huán)境舒適度，并 且已在深圳海境界二期及佛山當(dāng)代萬國府等住宅項目得到應(yīng)用。目前此類系統(tǒng)成本高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，且 對溫濕聯(lián)動自控的要求較高，尤 其在華南地區(qū)高溫高濕環(huán)境下更需要有良好的防結(jié)露控制措施。隨著技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)品更新，THIC 系統(tǒng)成本會逐步下降，自 控系統(tǒng)也更加成熟，在 華南地區(qū)將會有更好的應(yīng)用前景和推廣價值。