温湿度独立控制空调系统的现状及发展

张鹏超 曹双华 吴 璐 吕 静

上海理工大学环境与建筑学院

温湿度独立控制空调系统的现状及发展

张鹏超 曹双华 吴 璐 吕 静

上海理工大学环境与建筑学院

综述温湿度独立控制空调系统的国内外研究现状，比较该空调系统与常规空调系统的优势。通过分析该系统的优缺点，论述该系统存在的主要问题，并对今后温湿度独立控制系统的发展提出了展望。

温湿度独立控制；溶液除湿；辐射供冷；节能

当前，就全国而言，建筑能耗约占总能耗的30%，而空调系统方面的能耗就占到建筑总能耗＞50%[1-3]，换言之，空调系统能耗大约是全国总能耗的15%，为了建立资源节约型社会，尽量降低集中空调系统的能耗迫在眉睫。

在传统空调系统中，对温度、湿度的控制是联合在一起的，这种处理空气的方式虽然应用成熟，但遭人诟病。其原因：（1）室内的显热负荷可采用高温冷源除去，而湿负荷采用冷凝除湿除去，但通常一起采用7℃的低温冷源，且对冷凝除湿后的室内空气进行再加热，这个过程造成了巨大的能源浪费。（2）采用冷凝除湿的方式不容易智能化控制，造成了能源浪费，影响室内舒适度[4]，并且室内表冷器表面有大量冷凝水，是细菌的“温床”，久而久之，会对人体健康造成危害[5]。

为了节能及了解决传统空调系统存在的问题，清华大学的江亿教授提出了温湿度独立控制空调系统（Temperature and Humidity Independent Control Air Condition System，以下简称“THIC”）。THIC是温度和湿度独立控制的两套系统，分别对室内温度、湿度独立控制调节，有效地避免了集中空调系统的弊端，该系统在节能和提高空气品质方面具有特殊优势，在国内外正受到越来越多的关注，并且正逐步推广应用[6-7]。

1 THIC系统组成

温湿度独立控制空调系统主要有4套设备：出水温度为18℃左右的高温冷水机组、去除显热的室内末端装置、制备干燥新风的新风处理机组和去除潜热的室内送风末端装置。可分为两大主要系统：显热处理系统与潜热处理系统，分别控制室内温度与湿度，这2套系统独立调节。系统组成见图1。

显热处理系统包括夏季的高温冷源或者冬季的低温冷源、冷冻水输送系统和室内末端装置（辐射板或干式风机盘管等）。冷冻水温度采用18℃左右的高温，能充分利用多种天然冷源。高温冷水一般通过土壤源换热器、间接蒸发冷却、深井回灌和高温冷水机组制备。

潜热处理系统包括新风处理机组、新风管路和送风末端装置构成。新风用来除湿，不受温度调节的限制，新风处理可以考虑多种高效节能的方式，如：VAV空调系统。

图1 温湿度独立控制空调系统组成

2 THIC空调系统研究现状

2.1 溶液调湿新风系统

国内外对溶液调湿技术的研究主要集中在热泵驱动和余热驱动方面。

（1）热泵驱动。机组内置热泵系统，溶液除湿所需冷量来自蒸发器，冷凝器排出的热量用于溶液再生，冷凝器可回收部分的排热用于加热除湿后的空气。机组原理见图2（a）。

（2）余热驱动。余热驱动的机组需要外界额外提供的冷水和热水，分别用于溶液除湿和溶液再生。通过三通转换阀的切换，还可使用热水或冷水对除湿后的空气进行升温或降温。机组原理见图 2（b）[8]。

Lazzarin等人介绍了一种应用于超市的热泵驱动的可以自行再生的溶液除湿系统,通过模拟全年的室外工况得出其较常规系统节能[9]。

T Katejanekarnd等人利用太阳能驱动溶液除湿的空调系统，并对新风进行预处理。研究表明:在此系统中，当含湿量由0.42 kg/kg降低到相对湿度为11.1%时，送风温度可以降低1.2℃，由此相比常规空调系统能耗降低[10]。

Sayak等人利用燃气热电联产系统的余热作为再生器推动热源的溶液除湿空调系统，处理后将空气通过屋顶的制冷机降温再送入室内，研究结果表明：整个除湿系统的热力COP约为0.5，相比常规系统一次能源的利用率可提高16.3%[11]。

Yadav提出了以R11为制冷剂、LiBr为除湿溶液的热泵式除湿复合空调系统,在高温高湿的室外条件下,其效率优于传统空调[12]。

图2 热泵驱动/余热驱动溶液除湿机组原理

国内学者也取得了一系列研究成果。

（1）在余热驱动技术方面，张小松和殷勇高等人，提出了太阳能溶液除湿与蒸发冷却相结合的复合式系统，解决了对建筑内空气处理时热湿耦合问题，也进一步验证了利用溶液蓄能的效果好于常规蓄能方式[13-15]。

（2）在热泵驱动方面，代彥军等人提出了液体除湿和电压缩制冷的混合系统，该系统利用热泵冷凝器中的热量用于溶液再生，经过大量实验研究，得出该系统制冷量比传统蒸汽压缩制冷系统高20～30%[16]。

清华大学建筑节能研究中心进行大量理论和实验研究，李震等人首先提出了包含溶液全热回收装置、并将溶液的除湿和再生过程与热泵系统结合起来的复合式溶液除湿系统[17-18]。刘晓华对李震的系统进行改进，将系统中全热回收装置上下两级直接贯通，使改进后的系统热回收效率相比之前的提高10%[19]。刘栓强等人又综合了以上等人的研究，提出了双级除湿/再生溶液调湿新风机组[20]，其系统组成见图3。

2.2 末端显热处理系统

末端显热处理装置，可采用干式风机盘管、辐射板等多种形式，但目前应用最多的是辐射板，该方式舒适性好，并有广阔的发展前景，国内外也对此做了大量的研究工作，集中解决的问题有：

（1）结露问题。末端显热处理设备充满高温冷水，其表面一般不会结露，但空调系统刚启动，室内空气露点温度较高时、门窗偶然开启，造成室内露点温度升高时、室内人员增多或者设计时未考虑散湿源，而导致房间湿负荷突增时，都可能有结露现象。

图3 热泵驱动的双级除湿/再生溶液调湿新风机组原理

（2）供冷能力和节能要求调和问题。单一增加供冷量，必然要增加系统各方面能耗，这跟节能是矛盾的。要协调系统各方，使该系统既能增加性能，又能经济运行。

Surapong Chirarattananon和Prapapong Vangtook等人通过实验研究和仿真模拟，对高温高湿环境下的通风冷却辐射板进行了可行性研究。结果表明，只要满足渗透进风足够小并采用有效的防结露措施，送风就足以排除室内潜热[21-22]。

美国的Christopher.L.Conroy通过数值分析辐射板应用的经济性、可行性，并结合冷却顶板、独立新风和置换通风复合式系统

通过分析，得到结论：该系统的推广没有技术和经济方面的难度[23]。

江亿等以温湿度独立控制空调系统与毛细管辐射空调相结合为研究对象，设定了在高温水工况下，不同的安装方式、不同的水系统参数和不同的空气设定参数设定对毛细管辐射空调性能的影响。最终得出结论：裸露安装、增加泵耗、室内温度设定28℃时，供冷能力显著提高[24]。

郝晓丽针对我国热湿气候特性，设计了一种冷却辐射顶板、轮转除湿和置换通风三者相结合的空调系统。研究表明该系统可有效节省电能，且能显著提高室内环境品质，增加舒适性[25]。段凯及其团队则对夏热冬冷地区进行调研，开发了一套热泵式溶液除湿加辐射吊顶系统，研究表明：该系统节能效果显著，室内热舒适性稳定，特别适合夏热冬冷地区使用[26]。

3 THIC空调系统的问题

尽管温湿度独立控制空调系统优势明显，但实际运行过程中依然存在一些问题，需要进一步的优化予以解决，主要是：

（1）THIC系统在过渡季节不能利用风侧免费供冷，如果要充分利用，则需要配置排风机，这使系统复杂性增加。

（2）相比传统空调系统安装更加严格，测点更多、系统更复杂、造价更高，初始投资大约高出1/5[27]，增量回收年限不一。

（3）该系统采用溶液调湿新风机组，机组体积比传统空调大，安装时必须考虑一系列问题，如机房位置、大小和后期维护等。

4 结语

以上简单地对温湿度独立控制系统的发展背景、基本原理以及目前存在的问题进行了论述，可见温湿度独立控制空调系统能有效避免常规空调系统中温湿度联合处理带来的问题。

在经济指标方面，整个系统初投资较高，成本回收年限延长，这也是制约该系统的一项重要问题。此外，温度湿度独立空调系统发展迅速，相关配套设施，如高温冷水机组、毛细管辐射板、新风处理机等设备的研发也在迎头赶上。

该系统空气品质好、舒适性高、节能效果显著。如能进一步改善其存在的缺陷，与廉价的可再生、低品位能源配合使用，在今后空调界具有很大的市场价值和发展前景，值得推广应用。

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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

张鹏超：(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：温湿度独立控制空调系统。曹双华：男，博士，硕导，主要从事建筑物室内外微气候热环境特性的研究。