温湿度独立控制空调系统在某高层写字楼中的应用

陈伟青，张良明，金红波，丘 陵

( 广州瀚华建筑设计有限公司，广州 510665 )

引言

近年来，随着中国经济的突飞猛进，GDP的增长，“节能减排”、“可持续发展”也越来越得到了人们的重视。“十二五”规划中明确了节能减排目标，指出到“十二五”期末，全国实现节约能源6.7亿吨标准煤，其中建筑节能需形成1.16亿吨标准煤节能能力，占到了总节能目标的17%。中央空调系统耗电一般占建筑总耗电的40%～60%，要降低建筑能耗，空调系统作为建筑的用能大户，其节能减排理应首当其冲。

温湿度独立控制空调系统是一种新型的空调系统形式，该系统利用高温冷源控制室内温度，利用经过除湿处理的新风控制室内湿度，可以避免常规空调系统中热湿联合处理造成的能耗损失，并且可以利用天然冷源或者高温冷水机组制冷，从而带来良好的节能效果；该系统温度控制末端处于干工况运行，不会有潮湿表面滋生细菌、霉菌，提高了室内空气品质[1]。笔者在广州某高层写字楼中设计采用了温湿度独立控制空调系统，并在设计过程中积累了一些经验、体会，希望能够与广大设计师和研究人员共同探讨。

1 工程概况

本写字楼位于广东省广州市，总建筑面积约13万m2，建筑物总高度159.8m，属于超高层建筑，地面建筑共计35层，地下3层。地下三层为机动车库、非机动车库及设备用房，其中制冷机房位于地下一层。地上部分，首层为商业及大堂配套设施，二层至六层为餐饮功能，七层、二十二层为设备层兼避难层，其余均为纯写字楼功能。

其中，F8～F35层的办公区域采用了温湿度独立控制空调系统，该区域总空调面积约为65000m2，本文主要针对该部分空调区域的系统设计方法进行阐述。

2 空调设计参数与负荷计算

考虑到南方地区近期冬季频繁出现低温天气，在空调设计时同时考虑夏季供冷与冬季供暖工况。空调区域冬夏季室内参数要求见表1，夏季室内设计参数取26℃，55%。

在温湿度独立控制空调系统设计时，需将室内显热负荷与潜热负荷分开计算。系统冷热负荷计算结果如表2。

表1 室内设计参数要求

夏季冬季干球温度(℃)相对湿度(%)干球温度(℃)相对湿度(%)25～2740～60 >2040～55

表2 系统冷热负荷(单位:kW)

夏季室内显热负荷室内潜热负荷新风冷负荷70347855100冬季室内热负荷新风热负荷2672850

3 暖通新规范中关于温湿度独立控制系统的设计要求

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB50736-2012》增加了温湿度独立控制空调系统的内容，并对该系统的设计方法给出了指导意见。

1)条文7.3.14指出：空调区散湿量较小且技术经济合理时，宜采用温湿度独立控制空调系统。该条文说明指出：空调区散湿量较小的情况，一般指空调区单位面积的散湿量不超过30g/(m2·h)。

该项目人员密度约为0.16人/m2，室内设计温度为26℃，人均产湿量取109g/(h·人)，则单位面积产湿量为0.16×109=17.4g/(m2·h)<30g/(m2·h)，满足规范要求。

2)7.3.15(2)条文说明中指出：当室外新风湿球温度对应的绝对含湿量低于要求的新风送风含湿量时，宜采用直接蒸发冷却方式处理新风；当室外新风露点温度低于要求的新风送风露点温度时，宜采用间接蒸发冷却方式处理新风；当室外新风露点高于要求的新风送风露点时，宜采用冷凝除温、转轮除湿或溶液除湿等。

广州地区的室外新风露点高于要求的新风送风露点，因此在除湿方式选择时主要考虑冷凝除温、转轮除湿或溶液除湿三种方式。

7.3.15(3)条文说明中提到：采用冷却除湿方式时，由于除湿空气需被冷却到露点温度以下，才能除去冷凝水。为满足新风的送风要求，除湿后的新风需进行再热处理后送到空调去，造成冷热抵消现象，增加了系统能耗。转轮除湿则需要依靠蒸汽或电再生，能耗相比冷却除湿更大；溶液调湿的送风相对湿度在55%～70%之间，送风含湿量可做到4～8g/kg[2]，能够满足使用要求，送风不需要再热，溶液再生采用冷凝器排热，不需要额外消耗蒸汽或电能，能耗较小。因此，笔者在本项目中，湿度控制系统选择了溶液除湿方式。

3)条文8.5.1(3)指出：采用温湿度独立控制空调系统时，负担显热的冷水机组的空调供水温度不宜低于16℃；当采用强制对流末端设备时，空调冷水供回水温差不宜小于5℃。

条文中要求冷机的供水温度不低于16℃，主要是为防止室内末端结露。但是，当室内末端采用干式风机盘管时，室内末端是否结露不仅与供水温度相关，也与室内设计参数、盘管性能等因素相关。如果不考虑这些因素就将冷水供水温度确定为16℃，盘管单位风量供冷量较低，会增加室内盘管数量与风量，盘管造价、室内噪音也随之增加。因此，冷水机组供水温度宜根据项目具体情况确定。

本项目室内设计参数为26℃，55%，对应露点温度为16.3℃，湿球温度为19.5℃，末端采用干式风机盘管。盘管从由干工况到湿工况必然存在一个临界工况，该临界工况又称作湿工况的等价干工况，该工况也是干、湿工况的判据[3]。文献[4]基于该理论给出了干湿工况的判别方法，具体介绍如下。

在焓湿图上，定义盘管进出口参数连线与100%相对湿度线的交点的温度为t3，其计算方法为：

(1)

其中：t1为盘管进口空气干球温度，tL1为进口空气露点温度，ts1为进口空气湿球温度，tw1为冷冻水供水温度，ε1为盘管干球温度效率，ε2为盘管接触系数。对于一定型号的风机盘管机组，当风量、水量不变时，其干球温度效率与接触系数都是定值。

当t3>tL1时，盘管为干工况；当t3=tL1时，盘管为临界工况；当t3

(2)

表3 盘管临界工况对应的供水温度

干球温度效率接触系数临界供水温度(℃)0.600.9510.50.600.9011.30.600.8512.1

注：《干式风机盘管机组》(草拟稿)中，名义供冷工况条件下，对应盘管干球温度效率为0.60；草拟稿中未涉及到盘管的湿工况数据，无法直接计算出盘管接触系数。表中接触系数取经验值0.85～0.95。

参考规范《干式风机盘管机组》(草拟稿)中的盘管性能进行计算，对应高档风量条件下，保证本项目盘管不结露所需的冷冻水温度见表3。保证盘管为干工况的临界供水温度为10.5～12.1℃，考虑一定安全余量，本项目供水温度取为13℃。供回水温差取为5℃，即冷机供回水温度取13/18℃，该供回水温度能够保证盘管在高档风量下不结露，同时提高了盘管的供冷能力。

4 空调系统设计要点

4.1 冷热源设计

冷源方面，系统采用2台2814 kW(800RT)的高温水冷离心机组和1台1406 kW(400RT)水冷螺杆式机组供冷，冷冻水进、出水温度为13/18℃，承担室内显热负荷。新风负荷以及室内的湿负荷共计5885 kW，由热泵式溶液调湿新风机组承担。制冷机房位于地下一层，每台主机对应冷却水泵与冷冻水泵各1台(小螺杆冷机增设1台备用泵)，对应5台400m3/h的冷却塔安装于天面。

热源方面，采用2台1336 kW风冷热泵机组承担室内热负荷，新风加热加湿负荷850 kW由热泵式溶液调湿新风机组承担。风冷热泵机组设置于屋顶。

4.2 新风量取值

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB50736-2012)中的要求，公共建筑中办公室内每人所需最小新风量取30m3/(h·人)。采用温湿度独立控制空调系统后，除满足上述规范要求外，还需满足除湿新风量要求[5]。满足除湿要求的新风量按下式计算：

(3)

式中，Gw为满足除湿要求的新风量，m3/h；W为建筑室内产湿负荷，g/h；ρa为空气密度，kg/m3；dn为室内设计参数空气含湿量，g/kg；ds为溶液除湿后送风含湿量，g/kg，本项目取为8.0g/kg。

本项目室内设计参数为26℃，55%，对应室内含湿量为11.6g/kg。室内产湿量主要为人员产湿量，人均产湿量取109g/h，那么人均所需除湿新风量按上式计算，为109/1.2/(11.6-8.0)=25.2 m3/h。

新风量取规范中要求与除湿新风量中的较大值，即30m3/(h·人)。

4.3 风系统设计

系统形式选用干式风机盘管加新风系统，8～21层热泵式溶液调湿新风机组设置于7层和22层避难层，通过竖井送至每一层空调机房，再由离心风机送至每个房间；23～35层新风机组设置于偶数层，通过风道送至奇数层，再送至每个空调房间，每个房间支管设置电动蝶阀调节新风量。干式风机盘管均采用方形散流器上送方式。所选热泵式溶液调湿新风机组带全热回收，每层均设排风，排风量按新风量的72%计算。办公区域风机盘管及新风机送风管上安装PHT光氢离子空气消毒净化装置。

图1为建筑新风、排风系统示意图。在该系统中，热泵式溶液调湿新风机组对新风进行集中处理，承担所有新风负荷和室内潜热负荷；室内末端采用干式风机盘管，通入高温冷水机组提供的13/18℃冷水，承担室内显热负荷。

空调区域室内分区域安装CO2浓度传感器、露点温度传感器，控制系统检测室内CO2浓度及露点温度，任一条件不满足设定要求，则新风送风管电动调节阀全开；露点温度未达到设定要求时，干式风机盘管冷冻水供水管电动阀关闭；当露点温度达到设定要求后，冷冻水供水管电动阀开启，新风送风管电动阀开度随室内CO2浓度调节。

新风机组的新排风机为变频风机，根据风道压力与压力设定值，经DDC控制器PID运算输出信号，控制变频器频率给定，使风管静压保持在设定值；当风管静压高于设定值，调低风机频率，当风管静压低于设定值，调高风机频率。通过PI调节新/排风阀，使回风CO2浓度保持在设定值，当回风CO2浓度高于设定值，则增加新风阀开度，反之则减少新风阀开度；排风阀开度随新风阀开度等比例变化。

4.4 水系统设计

由于该建筑为超高层建筑，层数多，总高度大，冷冻水管道产生的静水压力也较大。该项目中，冷冻水系统静水压力在160m左右，工作压力为2MPa。如果采用普通承压设备，其承压能力最大值在1MPa左右，那么水系统就需要在竖向做高低分区，利用板换将低区供水换热后送往高区，这就造成了能量品位浪费。具体到本项目，如果采用高低压分区，高区冷冻水供水温度为13/18℃，考虑到板换造成的1～2℃换热温差，低区冷机就需要提供11/16℃的冷水，这将导致冷水机组制冷效率下降。

该项目制冷机房内冷却水、冷冻水系统设备和阀门均采用耐压2.5MPa设备，相比普通承压设备，该设备造价提高了15%，折合建筑单位面积多了6.5元/m2。但是，冷冻水系统取消了分区，冷机供水温度可提高2℃左右，其制冷效率可提高6%～10%[6]。

冷水机组的冷冻水泵采用一级泵变流量设计，泵与制冷机一对一布置，制冷机位于水泵吸入端，以降低制冷机组承压；冷却水泵也采用变频流量调节措施。为防止冷机蒸发器与冷凝器出现运行故障，冷冻水与冷却水的流量变化范围取50%～100%。

图1 新风、排风系统图

控制策略方面，冷冻水泵与冷却水泵均按定压变频设计。根据运行时间最短和设备无故障的情况排序，开启相应台数的水泵，并优先使用运行时间少的设备；当供水压力高于设定压力时，调小水泵频率；当供水压力低于设定压力时，调大水泵频率，若水泵达频率上限后则加开一台水泵。

5 设计体会与总结

本项目设计的优点：

1)采用温湿度独立控制空调系统，利用高温冷水机组制取13/18℃冷水供给室内干式风机盘管以控制室内温度，利用溶液调湿新风机组制取干燥新风以控制室内温度。这种空调形式一方面提高了冷机制冷效率，节省了系统能耗，另一方面消除了室内盘管的潮湿表面，提高了室内空气品质。

2)水系统采用高耐压设备，制冷机房内冷却水、冷冻水系统设备和阀门均采用耐压2.5MPa，取消了高低分区，避免了能量品位浪费。

3)水泵与风机均采用变频运行策略，可有效降低输配系统能耗。

设计时需注意事项与系统不足：

1)在温湿度独立控制系统设计时，高温冷水机组的供回水温度设定是系统设计的关键。选择水温过高，则末端盘管数量增加，系统初投资与室内噪音均会随之增加；选择水温过低，室内末端则会出现冷凝水问题，影响系统运行效果。冷水机组供水温度需根据项目具体情况进行校核与调整。

2)在高层建筑设计时，水系统可采用高耐压设备，可以避免高低分区，但是系统的初投资也随之上升，在使用需采用耐压范围合理的设备，以避免初投资大幅度上升。

3)在计算室内湿负荷时，本项目只考虑了室内人员产湿，但当用户开窗时，会引入大量渗风湿负荷，造成室内湿度失控，因此建筑(尤其是夏季湿热天气时)需尽量减少开窗时间；室内盘管也需要设置凝水管，以避免用户开窗时盘管结露出现滴水。

[1] 刘晓华,江亿,等.温湿度独立控制空调系统[M].北京:中国建筑工业出版社,2006

[2] 易晓勤.常用溶液除湿剂的性质研究[D].硕士学位论文.清华大学，2009

[3] 王晋生.水冷式表冷器传热研究(1)：用干湿转换法计算湿工况[J].暖通空调，2000，30(4)：78-80

[4] 倪美琴.风机盘管干工况时进水温度的确定[J].制冷与空调，2006，6(6)：83-85

[5] 刘拴强,刘晓华,江亿,等.温湿度独立控制空调系统中独立新风系统的研究(1)：湿负荷计算[J].暖通空调,2010,40(1)：80-84

[6] 田旭东，刘华，张治平，等．高温离心式冷水机组及其特性研究[J]．流体机械，2009，37(10)：53-56