貴陽地區(qū)溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)方案探究★

張航銘 毛瑞勇 何 波 莫金鳳 劉 雄

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)采用與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)不同的熱濕獨(dú)立處理方式，在很大程度上解決了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)能耗偏高，溫濕度控制失調(diào)、室內(nèi)空氣品質(zhì)欠佳等問題，可在改善室內(nèi)人員舒適度的同時(shí)大大降低對(duì)能源的消耗,非常順應(yīng)現(xiàn)階段國家節(jié)能政策的號(hào)召以及人們對(duì)舒適度越來越高的要求，在未來具有廣闊的發(fā)展前景。

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)將傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)分為溫度控制與濕度控制兩個(gè)部分，溫度控制部分由冷熱源，水輸配系統(tǒng)，室內(nèi)干式末端(干式風(fēng)機(jī)盤管、毛細(xì)管輻射板等)組成，濕度控制部分由新風(fēng)處理機(jī)組，新風(fēng)管路及送風(fēng)末端裝置組成(個(gè)性化送風(fēng)、置換通風(fēng)等)[1]。對(duì)新風(fēng)濕度處理的方式分為冷凍除濕、轉(zhuǎn)輪除濕與溶液除濕，冷凍除濕又包括雙冷源除濕與普通的冷凍除濕。轉(zhuǎn)輪除濕中加熱再生環(huán)節(jié)需蒸汽源或電力，耗能較大，不符合節(jié)能的目的，此處不予考慮。本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)雙冷源除濕加干式風(fēng)機(jī)盤管、雙冷源除濕加輻射板、溶液除濕加干式風(fēng)機(jī)盤管、溶液除濕加輻射板四種溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，通過系統(tǒng)能耗、初投資、運(yùn)行費(fèi)用及舒適度等方面的綜合比較，確定適用于貴陽地區(qū)的溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)方案。

1 貴陽地區(qū)的氣候條件

貴陽地區(qū)屬于溫和地區(qū)A區(qū)，地處低緯度高海拔的高原地帶，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度30.1 ℃，夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度23 ℃，夏季空調(diào)室外計(jì)算日平均溫度26.3 ℃，室外相對(duì)濕度62%，大氣壓力89.66 kPa[2]。

2 四種溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用分析

以貴陽地區(qū)某三層辦公樓項(xiàng)目為例，第一層層高為3.6 m,第二、三層層高均為3.3 m。房間主要功能為辦公室、會(huì)議室。建筑總高度為10.2 m，建筑總面積約為1 691.52 m2，空調(diào)面積約889.39 m2。經(jīng)計(jì)算：夏季總冷負(fù)荷119.4 kW，總濕負(fù)荷43.5 kg/h。會(huì)議室取2.5 m2/人，人均新風(fēng)量12 m3/(h·P)，辦公室取4 m2/人，人均新風(fēng)量30 m3/(h·P)，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度均取26 ℃，相對(duì)濕度均取60%。集中冷源采用高溫冷水機(jī)組，室內(nèi)末端送風(fēng)方式采用置換通風(fēng)形式。本文僅以夏季為例進(jìn)行計(jì)算。

2.1 溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組+毛細(xì)管輻射板

熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組利用鹽溶液的吸濕特性對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行集中處理，降低其含濕量與相對(duì)濕度。新風(fēng)處理機(jī)組承擔(dān)所有的新風(fēng)負(fù)荷、室內(nèi)的所有濕負(fù)荷及部分顯熱負(fù)荷，使送入房間的新風(fēng)與室內(nèi)的熱濕空氣混合后溫濕度在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，同時(shí)滿足人員的新風(fēng)量要求及衛(wèi)生要求。室內(nèi)干式末端則采用毛細(xì)管輻射板，通過輸配系統(tǒng)將高溫冷水機(jī)組產(chǎn)生的高溫冷凍水送入毛細(xì)管內(nèi)，承擔(dān)室內(nèi)剩余的顯熱負(fù)荷，降低室內(nèi)各表面及空氣的溫度，滿足室內(nèi)人員的需求(見圖1)[3]。

空氣處理過程：室外新風(fēng)先經(jīng)高溫冷水機(jī)組產(chǎn)生的高溫冷凍水預(yù)冷，到達(dá)機(jī)器露點(diǎn)，后經(jīng)溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組降溫除濕，由W點(diǎn)到W′點(diǎn)，同時(shí)室內(nèi)空氣回風(fēng)等濕冷卻由N點(diǎn)至N′點(diǎn)，二者混合后到達(dá)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，最終沿?zé)釢癖染€ε送入室內(nèi)(見圖2)。

空氣處理過程狀態(tài)點(diǎn)見表1。

表1 空氣處理過程狀態(tài)點(diǎn)(一)

新風(fēng)機(jī)組預(yù)冷負(fù)荷：

QX=ρLX(hW-hL)

(1)

新風(fēng)機(jī)組可承擔(dān)的顯熱負(fù)荷：

QXS=ρcpLX(tN-tO)

(2)

輻射板需承擔(dān)的負(fù)荷：

QFS=QS-QXS

(3)

高溫冷源提供的負(fù)荷：

QG=QX+QFS

(4)

機(jī)組的整體性能系數(shù)：

COP=ρLX(hW-hO)/E總

(5)

其中，ρ為空氣的密度，1.2 kg/m3；LX為新風(fēng)量，m3/h;cp為空氣的比定壓熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；QS為夏季顯熱冷負(fù)荷;E總為機(jī)組總能耗，主要包括外置冷源及風(fēng)機(jī)能耗。

經(jīng)計(jì)算，每層辦公樓選擇一臺(tái)額定風(fēng)量為2 000 m3/h，除濕量為40 kg/h的熱泵型溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組及尺寸為4.3 mm×0.8 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.21 W/(m·K)的毛細(xì)管輻射板。

能耗及機(jī)組性能系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 能耗及機(jī)組性能系數(shù)(一)

本文計(jì)算設(shè)貴陽地區(qū)夏季供冷期為5月～8月，共計(jì)123 d，每天運(yùn)行10 h，用電價(jià)格取0.6元/kWh計(jì)算。則本系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用為：0.6×10×123×9.1=6 715.8元。

2.2 溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組+干式風(fēng)機(jī)盤管

熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組排風(fēng)中設(shè)置熱回收裝置，用于對(duì)室外新風(fēng)的預(yù)冷處理以及溶液的再生環(huán)節(jié)，其余描述與2.1中新風(fēng)處理部分相同。室內(nèi)干式末端則采用干式風(fēng)機(jī)盤管，通過輸配系統(tǒng)將高溫冷水機(jī)組產(chǎn)生的高溫冷凍水送入盤管內(nèi)，承擔(dān)室內(nèi)剩余的顯熱負(fù)荷，降低室內(nèi)溫度，滿足人員需求(見圖3)[3]。

空氣處理過程：室外新風(fēng)先經(jīng)新風(fēng)機(jī)組中排風(fēng)熱回收提供的冷量進(jìn)行預(yù)冷，后經(jīng)溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組降溫除濕，由W點(diǎn)到W′點(diǎn)，同時(shí)室內(nèi)空氣回風(fēng)等濕冷卻由N點(diǎn)至N′點(diǎn)，二者混合后到達(dá)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，最終沿?zé)釢癖圈啪€送入室內(nèi)(見圖4)。

空氣處理過程狀態(tài)點(diǎn)見表3。

表3 空氣處理過程狀態(tài)點(diǎn)(二)

新風(fēng)機(jī)組預(yù)冷負(fù)荷：

QX=ρLX(hW-hL)

(6)

新風(fēng)機(jī)組可承擔(dān)的顯熱負(fù)荷：

QXS=ρcpLX(tN-tO)

(7)

干式風(fēng)機(jī)盤管承擔(dān)的負(fù)荷：

QFP=QS-QXS

(8)

高溫冷源提供的負(fù)荷：

QG=QX+QFP

(9)

機(jī)組的整體性能系數(shù)：

COP=ρLX(hW-hO)/E總

(10)

其中，ρ為空氣的密度，1.2 kg/m3；LX為新風(fēng)量，m3/h;cp為空氣的比定壓熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；QS為夏季顯熱冷負(fù)荷;E總為機(jī)組總能耗，主要包括外置冷源及風(fēng)機(jī)能耗。

經(jīng)計(jì)算，每層辦公樓選擇一臺(tái)額定風(fēng)量為2 000 m3/h，除濕量為40 kg/h的熱泵型溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組及17個(gè)名義制冷量為4.76 kW的干式風(fēng)機(jī)盤管，其中每個(gè)辦公室安裝一個(gè)，會(huì)議室安裝兩個(gè)。

能耗及機(jī)組性能系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 能耗及機(jī)組性能系數(shù)(二)

本文計(jì)算設(shè)貴陽地區(qū)夏季供冷期為5月～8月，共計(jì)123 d，每天運(yùn)行10 h，用電價(jià)格取0.6元/kWh計(jì)算。則本系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用為：0.6×10×123×10=7 380元。

2.3 雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組+毛細(xì)管輻射板

雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組利用兩種蒸發(fā)溫度不同的冷源對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行集中處理，降低新風(fēng)的含濕量與相對(duì)濕度。雙冷源中的高溫冷源(主冷源)承擔(dān)全部的新風(fēng)負(fù)荷與室內(nèi)的部分顯熱負(fù)荷，低溫冷源(輔助冷源)承擔(dān)室內(nèi)的全部濕負(fù)荷，使送入房間的新風(fēng)與室內(nèi)的熱濕空氣混合后溫濕度在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，同時(shí)滿足人員的新風(fēng)量要求及衛(wèi)生要求。排風(fēng)中設(shè)置熱回收裝置，用于對(duì)室外新風(fēng)的預(yù)冷處理。室內(nèi)干式末端則采用毛細(xì)管輻射板，通過輸配系統(tǒng)將高溫冷水機(jī)組產(chǎn)生的高溫冷凍水送入毛細(xì)管內(nèi)，承擔(dān)室內(nèi)剩余的顯熱負(fù)荷，降低室內(nèi)各表面及空氣的溫度，滿足室內(nèi)人員的需求[4]。

空氣處理過程：室外新風(fēng)先經(jīng)新風(fēng)機(jī)組中排風(fēng)熱回收提供的冷量進(jìn)行預(yù)冷，由W1點(diǎn)到W2點(diǎn)，后經(jīng)高溫表冷器降溫除濕處理至第一機(jī)器露點(diǎn)，由W2點(diǎn)到L1點(diǎn)，再經(jīng)低溫表冷器深度降溫除濕處理至第二機(jī)器露點(diǎn)，由L1點(diǎn)到L2點(diǎn)，經(jīng)過進(jìn)一步再熱，由L2點(diǎn)到O點(diǎn)，最終沿?zé)釢癖染€ε送入室內(nèi)(見圖5)[5]?？諝馓幚磉^程狀態(tài)點(diǎn)見表5。

表5 空氣處理過程狀態(tài)點(diǎn)(三)

新風(fēng)機(jī)組預(yù)冷負(fù)荷：

QX=ρLX(hw1-hw2)

(11)

新風(fēng)機(jī)組內(nèi)置冷源負(fù)荷：

QX=ρLX(hL1-hL2)

(12)

新風(fēng)機(jī)組可承擔(dān)的顯熱負(fù)荷：

QXS=ρcpLX(tN-tO)

(13)

輻射板承擔(dān)的負(fù)荷：

QFS=QS-QXS

(14)

高溫冷源提供的負(fù)荷：

QG=QX+QFS

(15)

機(jī)組的整體性能系數(shù)：

COP=ρLX(hW-hO)/E總

(16)

其中，ρ為空氣的密度，1.2 kg/m3；LX為新風(fēng)量，m3/h;cp為空氣的比定壓熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；QS為夏季顯熱冷負(fù)荷;E總為機(jī)組總能耗，主要包括外置冷源再熱能耗及風(fēng)機(jī)能耗。

經(jīng)計(jì)算每層辦公樓選擇一臺(tái)額定風(fēng)量2 000 m3/h,除濕量為45 kg/h的內(nèi)冷型雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組及尺寸為4.3 mm×1.0 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.25 W/(m·K)的毛細(xì)管幅射板。

能耗及機(jī)組性能系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 能耗及機(jī)組性能系數(shù)(三)

本文計(jì)算設(shè)貴陽地區(qū)夏季供冷期為5月～8月，共計(jì)123 d，每天運(yùn)行10 h，用電價(jià)格取0.6元/kWh計(jì)算。則本系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用為：0.6×10×123×12.3=9 077.4元。

2.4 雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組+干式風(fēng)機(jī)盤管

雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組的描述部分與2.3中新風(fēng)處理部分相同。室內(nèi)干式末端則采用干式風(fēng)機(jī)盤管，通過輸配系統(tǒng)將高溫冷水機(jī)組產(chǎn)生的高溫冷凍水送入盤管內(nèi)，承擔(dān)室內(nèi)剩余的顯熱負(fù)荷，降低室內(nèi)溫度，滿足室內(nèi)人員的需求[4]。

空氣處理過程：室外新風(fēng)先經(jīng)新風(fēng)機(jī)組中排風(fēng)熱回收提供的冷量進(jìn)行預(yù)冷，由W點(diǎn)到W′點(diǎn)，后經(jīng)高溫冷水預(yù)冷處理至第一機(jī)器露點(diǎn)，由W′點(diǎn)到L1點(diǎn)，再經(jīng)新風(fēng)機(jī)組內(nèi)置冷源的蒸發(fā)器除濕處理至第二機(jī)器露點(diǎn)，由L1點(diǎn)到L2點(diǎn)，經(jīng)過新風(fēng)機(jī)組內(nèi)置冷源的冷凝器進(jìn)一步再熱，由L2點(diǎn)到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，最終沿?zé)釢癖染€ε送入室內(nèi)(見圖6)[6]。

空氣處理過程狀態(tài)點(diǎn)見表7。

表7 空氣處理過程狀態(tài)點(diǎn)(四)

新風(fēng)機(jī)組預(yù)冷負(fù)荷：

QX=ρLX(hW-hW′)

(17)

新風(fēng)機(jī)組內(nèi)置冷源負(fù)荷：

QX=ρLX(hL1-hL2)

(18)

新風(fēng)機(jī)組可承擔(dān)的顯熱負(fù)荷：

QXS=ρcpLX(tN-tO)

(19)

干式風(fēng)機(jī)盤管承擔(dān)的負(fù)荷：

QFP=QS-QXS

(20)

高溫冷源提供的負(fù)荷：

QG=QX+QFP

(21)

機(jī)組的整體性能系數(shù)：

COP=ρLX(hW-hO)/E總

(22)

其中，ρ為空氣的密度，1.2 kg/m3；LX為新風(fēng)量，m3/h;cp為空氣的比定壓熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；QS為夏季顯熱冷負(fù)荷;E總為機(jī)組總能耗，主要包括外置冷源再熱能耗及風(fēng)機(jī)能耗。

經(jīng)計(jì)算，每層辦公樓選擇一臺(tái)額定風(fēng)量為2 000 m3/h，除濕量為45 kg/h的內(nèi)冷型雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組及17個(gè)名義制冷量為4.76 kW的干式風(fēng)機(jī)盤管，其中每個(gè)辦公室安裝一個(gè)，會(huì)議室安裝兩個(gè)。

能耗及機(jī)組性能系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 能耗及機(jī)組性能系數(shù)(四)

本文計(jì)算設(shè)貴陽地區(qū)夏季供冷期為5月～8月，共計(jì)123 d，每天運(yùn)行10 h，用電價(jià)格取0.6元/kWh計(jì)算。則本系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用為：0.6×10×123×13.4=9 889.2元。

2.5 四種系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較

采用費(fèi)用年值法進(jìn)行比較，計(jì)算公式：

(23)

其中，L1為費(fèi)用年值，萬元；L為系統(tǒng)初投資，萬元；n為設(shè)備使用壽命，取15年；i為年利率，取銀行利率5.94%。

計(jì)算結(jié)果如表9所示。

表9 經(jīng)濟(jì)比較分析

根據(jù)表9的數(shù)據(jù)，四種系統(tǒng)的總費(fèi)用大小關(guān)系為：溶液除濕+輻射板>溶液除濕+干式風(fēng)機(jī)盤管>雙冷源除濕+輻射板>雙冷源除濕+干式風(fēng)機(jī)盤管，可見雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組+干式風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的總費(fèi)用最少，即最經(jīng)濟(jì)。

2.6 四種系統(tǒng)舒適性比較

溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組內(nèi)部不存在濕表面，不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)期使用滋生細(xì)菌而導(dǎo)致的空氣品質(zhì)問題，同時(shí)機(jī)組所用的鹽溶液對(duì)空氣有消毒殺菌的作用，能一定程度上凈化空氣，消除空氣中的粉塵及顆粒物，舒適性要優(yōu)于雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組。另一方面，干式風(fēng)機(jī)盤管在干工況下運(yùn)行噪聲會(huì)較普通風(fēng)機(jī)盤管更大，而輻射板運(yùn)行則幾乎沒有噪聲，且房間內(nèi)溫度分布會(huì)較為均勻，比起干式風(fēng)機(jī)盤管的對(duì)流換熱，輻射板的輻射換熱室內(nèi)人員會(huì)感覺更加舒適。

因此四種系統(tǒng)的舒適性比較：溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組+輻射板>溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組+干式風(fēng)機(jī)盤管>雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組+輻射板>雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組+干式風(fēng)機(jī)盤管，可見溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組+輻射板系統(tǒng)的舒適性最好。

2.7 四種系統(tǒng)的適用范圍

溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜，機(jī)組體積較大，適用于機(jī)房面積較大且對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)要求較高的場(chǎng)合，如高檔酒店、高檔辦公樓、醫(yī)院等[7]。雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組系統(tǒng)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，布置靈活方便，適用于小型辦公樓、居民住宅等建筑[7]。輻射板受實(shí)際安裝空間的限制，適用于對(duì)舒適度要求較高且面積較大的建筑。干式風(fēng)機(jī)盤管與普通風(fēng)機(jī)盤管相比需加大盤管的換熱面積來提高供冷量，滿足室內(nèi)的除熱需求，安裝使用較為靈活，有一定的安裝面積要求。

3 結(jié)論

1)溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組在舒適性方面優(yōu)于雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組，輻射板在舒適性方面優(yōu)于干式風(fēng)機(jī)盤管。因此溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組+輻射板是舒適性最高的組合方式。

2)溶液除濕+輻射板系統(tǒng)總費(fèi)用：2.44萬元/夏季，溶液除濕+干式風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)總費(fèi)用：2.38萬元/夏季，雙冷源除濕+輻射板系統(tǒng)總費(fèi)用：1.65萬元/夏季，雙冷源除濕+干式風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)總費(fèi)用：1.62萬元/夏季?？梢钥闯鲭p冷源除濕新風(fēng)機(jī)組+干式風(fēng)機(jī)盤管是最經(jīng)濟(jì)的組合方式。

3)溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組適用于機(jī)房面積較大且對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)要求較高的場(chǎng)合。雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組適用于小型辦公樓、居民住宅等建筑。輻射板適用于對(duì)舒適度要求較高且面積較大的建筑。

綜合以上分析，得出雙冷源除濕新風(fēng)機(jī)組+輻射板是貴陽地區(qū)較為合適的溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)方案。但具體應(yīng)選擇何種新風(fēng)處理機(jī)組與室內(nèi)干式末端進(jìn)行搭配，需根據(jù)實(shí)際工程靈活選擇，與全年的負(fù)荷情況相適應(yīng)，且要考慮冷熱源機(jī)組、冷卻塔等其他設(shè)備的配置，因地制宜，綜合選擇合理的溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)方案。