温湿分控空调系统在华南地区住宅的应用研究

梁江 王玮 张碧婷 左建波 童球

1 北京金茂绿建科技有限公司

2 中国金茂控股集团有限公司

华南地区属于典型的夏热冬暖气候区，受 限于气候特点和热工条件，仅 靠自然通风难以使室内环境长时间维持在人体舒适区间，需 要使用空调进行温湿度调节。随着生活水平的提高，人 们对于住宅的舒适品质要求日益提高，常 规空调在温湿度精准控制、噪 音风感等方面存在不足，而温湿度独立控制空调系统（以下简称THIC 系统）可 以在高湿地区提供更舒适安静的生活环境[1]，在 华南已有少量公建项目[2-3]和住宅项目应用，但是尚缺少针对住宅的THIC 系统运行模式和末端方案研究。本文将以广州为代表城市分析华南地区气候特点，提出对应的 THIC 系统方案及逐月运行模式，并 结合某住宅项目案例分析研究适合的显热末端方案。

1 气候特点分析

广州是华南区域的典型城市，因 此本文采用广州的气象参数为例进行气候特点分析。根据广州全年各月平均温度和相对湿度（图 1）可 以看出：

1）若 按照平均温度大于 22 ℃考虑，广 州从 4 月到10 月均有制冷需求。其余月份较为温暖，1 月平均气温也达到了15 ℃，供 暖需求较小。总 体而言，全 年的制冷需求远大于制热需求。

2）广州从 1 月到 10 月的平均相对湿度都大于70%，因此全年存在较长时间的除湿需求。其中，1～4月份平均温度虽然不高，但 是相对湿度较高，从 湿冷工况转化到湿热工况的过渡季较长。

3）从 3 月到9 月的平均相对湿度变化较小，基 本都在 80%～85%之间，但是平均温度变化范围相对较大，覆 盖了从20 ℃至30 ℃的区间，说 明室外湿负荷与显热负荷并非同步变化。

图1 广州全年各月平均温度和相对湿度

图2 一月室外逐时参数点分布

图3 二月室外逐时参数点分布

如果以干球温度22 ℃、相对湿度 40%（绝对含湿量 6.6 g/kg）的舒适工况点为分界线，可以进一步对1～4 月份的室外逐时工况的参数进行分区分析。由图2～图 5 可看出，从 1 月到 4 月，低温低湿工况逐渐减少，高温高湿工况逐渐增多。1 月～4 月均有较多时段处于低温高湿区间，而且从1 月到4 月同温度区间工况点的湿度明显增大。另外，3、4 月有大量时段温度适宜，但是湿度较大。

图4 三月室外逐时参数点分布

图5 四月室外逐时参数点分布

对比各图可发现3 月工况最为复杂，不仅低温高湿工况最多，而且还存在较多高温高湿和少量低温低湿工况。通过研究3 月的典型气象年逐时温度与湿度曲线（图 6、图7）看出，本月的温湿度波动区间较大，且变化频繁。这段时间还会出现回南天工况，在长时间（3月11 日～16 日）的低温之后，气温突然回暖且湿度同步回升（3 月18 日～19 日）。这种情况下由于建筑本体温度相对较低，容易造成大量结露。居民在此期间只能通过门窗紧闭方式，避免家中过分潮湿。

图6 三月室外逐时干球温度曲线

图7 三月室外逐时相对湿度曲线

总体而言，华南地区与其它地区相比除了炎热期较长、寒冷时间极少之外，还有全年湿度较高、过渡季长且天气变化大、温湿度较少同时处于舒适区间的明显特点。

2 空调系统方案

通过以上气候特点分析，可看出华南地区住宅对于空调系统有如下几方面需求：

1）以供冷功能为主，适当兼顾供热。从平均气温可知4 月～10 月的供冷需求较为明显，应通过制冷除湿提供舒适的室内环境。同时，1 2 月～2 月的平均气温约为 15～18 ℃，部分时段（如雨天、夜间等）较为湿冷导致人体舒适感较差，可以适当供热予以改善。

2）具备多样的湿度调节功能，实现温湿分控。华南地区全年湿度较高，但是不同季节适用的处理过程不一样，例如在夏季需要冷却除湿，在冬季则是加热调湿。而对于过渡季的回南天气候，虽然湿负荷较大，但是显热负荷并不大（室外气温约为25～30 ℃），在此条件下如果采用常规的温湿一体调节方式，仅依靠增大冷却能力除湿，会使室内温度和舒适度降低。只有通过温湿分控，即温度控制末端处理显热负荷，并搭配等温除湿或者冷却除湿再热措施，才能匹配温度适合、湿度较大的工况。实际上不仅是在回南天，3 月～9月也存在显热负荷变化较大、湿负荷变化不大的工况，只有温湿分控才能实现精准调节。

3）系统应调节灵活，具备个性化运行能力。华南地区的冬季和过渡季会有昼暖夜凉的情况，还存在几天内甚至一天之中温湿度相差较大的工况。因此，空调系统需要能适应各种热湿工况，而且冷热源及末端系统的调节性能应能满足快速响应的需求。

4）采用高能效系统，减少运行费用。华南地区一年之中室外温湿度舒适的时段较少，住宅空调系统需要运行的时间较长，应尽量采用高能效系统，降低业主的后期使用成本。

针对以上需求，可在高舒适度住宅中考虑采用户式风冷热泵+THIC 系统，原理图见图8：

图8 户式THIC 系统原理图

户式系统的水容量比集中系统少，便于及时响应室外温湿度变化的负荷波动，包括实现冷热模式的快速切换。通过除湿新风搭配显热控制末端实现温湿分控，针对华南地区不同月份气候特点灵活采用不同的工况模式（见表 1），可以很好地满足对温度和湿度的调节需求。此外，温湿分控系统采用高温水承担室内显热负荷，能耗比常规系统低。在温度不太高的天气还可以单独运行新风除湿系统，进一步减少系统能耗。

表1 不同月份的温湿分控运行模式

3 显热末端方案分析

华南地区的住宅由于气象条件不利且围护结构热工性能不高，房间的显热负荷较大，如果仅用辐射空调系统，需要有低能耗的围护结构热工条件匹配 [4]。同时，住宅空调个性化的运行要求较多，并且与公建的作息时间不一样。如何结合现有的热工条件及住宅作息特点进行显热末端方案选择，是华南地区住宅 THIC系统的设计的重要问题。

显热控制末端包括对流和辐射两类形式，对流末端（风机盘管等）已有广泛应用，其优点在于制冷、制热速度快，缺点是存在噪音和风感，运行寿命较短，且后期维护工作较多。辐射末端由于辐射空调表面与人体的传热温差较小，且房间垂直温差小，具有体感舒适、无风感和噪音、无需维护等优点，但是也有温度调节较慢、供冷（热）能力受限于铺设面积等不足。因此，可以通过将对流与辐射末端相结合实现优势互补，更好的适应华南地区实际热工情况及负荷需求。为了进一步说明，可以用广州某住宅项目为例具体分析，户型参见图9。

图9 广州某住宅项目户型图

本项目采用了典型的夏热冬暖地区居住建筑围护结构热工参数设定，其中外墙传热系数K=2.22 W/(m2· ℃)，外 窗传热系数K=3.46 W/(m2· ℃)，遮 阳系数Sc=0.6。针对南向的客厅和主人房，室内设计温度取25℃，新 风量分别为 150 m3/ h 和 50 m3/ h，根 据精装图可铺设毛细范围及设计日工况逐时负荷计算进行设计选型的结果如表2：

表2 客厅及主人房的显热处理末端负荷分配

从表 2 看出，由 于围护结构热工条件不利，且 室外气温较高，华 南地区的房间显热负荷较大，单 独依靠辐射空调及新风的显热处理能力无法满足最大负荷工况，必 须设置干式风盘等对流末端作为辅助控温手段。但 是，根 据主人房的逐时负荷曲线（图 10）可 见，辐射空调系统及新风系统的供冷能力之和（931 W）大于晚上20 点到早上8 点的显热负荷（如图 10 中虚线所示），在这个时段可以仅运行辐射空调系统及新风系统，提 供无风无噪的舒适睡眠环境。另外，考 虑到住宅在工作日的日间时段常常处于无人状态，可 以只开启辐射空调及新风系统维持一个基础室温（例如28 ℃），待 业主回家后开启风盘快速降低至 24～26 ℃，进 入夜间时段再关闭风盘。因此，在 复合末端系统中，风 盘的实际运行时段较少，延 长了风盘运行寿命和维护周期。而且，由 于辐射空调系统承担了 55%～65%的基础负荷，干 式风盘的规格较小，进 一步降低了风盘能耗及运行时的吹风感及噪音。总之，复 合显热末端方案既避免了辐射空调系统温度供冷能力受限、变 化响应慢的不足，又 改善了风盘系统的常见问题，能 够较好匹配华南地区住宅的负荷和作息需求。

图10 主人房逐时显热负荷曲线图

4 结语

根据本文对华南地区气象特点及适应空调方案的分析研究，可以得出如下结论：

1）华 南地区全年冷负荷需求较多，且 全年湿度较高，空 调系统的主要工况为制冷及除湿。同时，2～ 4 月的温湿工况较为复杂，尤 其应注意对回南天工况处理。

2）户 式 THIC 系统具有调节便利、温 湿度控制灵活精准、系 统节能等优点，可 以根据不同月份的气候工况匹配不同的运行模式，满 足华南地区住宅对于高舒适空调系统的需求。

3）受 限于气象条件和围护结构热工特性，华 南地区住宅的显热冷负荷较大，建 议采用辐射 +对流空调复合末端系统，充 分发挥二者的优势，更 好地适应不同时刻的运行舒适性与调节性需求。

综上所述，户式 THIC 系统可以为华南地区住宅提供较高的室内环境舒适度，并 且已在深圳海境界二期及佛山当代万国府等住宅项目得到应用。目前此类系统成本高于常规空调系统，且 对温湿联动自控的要求较高，尤 其在华南地区高温高湿环境下更需要有良好的防结露控制措施。随着技术发展与产品更新，THIC 系统成本会逐步下降，自 控系统也更加成熟，在 华南地区将会有更好的应用前景和推广价值。