楼温湿度独立控制空调系统研究

作者：牧马人知识理论

摘

要：

　以华南地区一商业综合体为研究对象，以实体对象研究分析温湿度独立控制空调系统；以假设在改变传统空调的单一参数的送风方式前提下，实现温度、湿度分开控制，避免了能耗浪费。在广州某商业综合楼空调系统研究中采用了温湿度独立控制技术,本文重点介绍建筑中不同区域的具体空调系统，以及空调冷热源配置和新风系统的设计,并对设计中温湿度独立控制技术应用的优缺点进行分析,总结研究该类空调系统所需要注意的若干问题。

关键词：温湿度独立控制；高温冷冻水；干风机盘管；盐溶液；节能

TResearch on building temperature and humidity independent control air conditioning system

Mu ma ren zhi shi li lun

Abstract: At present, the common air-conditioning systems are processed through the room into the air, relying on the exchange with the indoor air temperature and humidity control to complete the task. However difficult to achieve a single parameter of air temperature and humidity control objectives with two parameters, which often leads to temperature, humidity can not simultaneously meet the requirements. As the temperature and humidity conditioning of different characteristics, both at the same time while dealing with this, it often results in unnecessary energy consumption. Temperature and humidity independent control air conditioning system, through a new commitment to indoor air independently of the wet load, chiller chilled water temperature prepared to bear the indoor sensible heat load, which the dew point to avoid the conventional air conditioning dehumidification system the unnecessary waste of energy.

Keywords: Energy conservation; Independent control temperature and humidity; High temperature of cooling water ; Dry fan coil ; The salt solution.

1 温湿度独立控制空调技术简介

目前，常见的空调系统都是通过向室内送入经过处理的空气，依靠与室内的空气交换完成温湿度控制任务。然而单一参数的送风很难实现温湿度双参数的控制目标，这就往往导致温度、湿度不能同时满足要求。由于温湿度调节处理的特点不同，同时对这二者的同时处理，也往往造成一些不必要的能量消耗。

根据气候差异，温湿度独立控制技术一般夏季对新风进行降温除湿处理，冬季对新风进行加热加湿处理，有发热地区新风全年需要降温除湿处理。在该空调系统中，新风不仅承担排除室内二氧化碳和VOC等卫生方面的要求，还要起到调节室内湿环境的作用。处理后的新风送至室内，由它独立处理承担室内湿负荷，而制冷机组制备的高温冷冻水只承担室内显热负荷，这就避免了常规空调系统露点除湿所造成的不必要的能量浪费

^[1]。系统的组成图如温湿度独立系统采用两套独立的系统分别控制和调节室内湿度和温度，从而避免了常规系统中温湿度联合处理所带来的能源浪费和空气品质的降低；由新风来调节湿度，末端调节温度，可满足房间热湿比不断变化的要求，避免了室内湿度过高过低的现象。

2

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空调系统介绍

空调设计的商城位于广东省广州市某商业地段，地下一层，地上九层，地下层设有设备用房和地下停车场等，地上一层至三层为商业用房，第四层至十层为办公用房，总建筑面积为16271m²，空调面积14344 m²。

2.

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空调负荷

为连续保持空调房间恒温、恒湿，在某一时刻需向房间供应的冷量称为冷负荷；为维持室内相对湿度恒定需从房间去除的湿量称为湿负荷。房间冷、湿负荷也是确定空调系统送风量及各种设备容量的依据。主要冷负荷由以下几种：

外墙及屋面瞬变传热引起的冷负荷；

玻璃窗瞬变传热引起的冷负荷；

透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷；

人体散热引起的冷负荷；

目前，冷负荷的计算方法主要有：谐波反应法、冷负荷系数法和概算指标法。本设计采用冷负荷系数法计算室内冷负荷。整幢建筑的冷负荷数值如表1所示，以逐时最大值为该建筑的设计冷负荷，即设计冷负荷为1043.97kw，其中总显热负荷为801kw。

表1 冷负荷数值

2.2 空调系统方案设计

本空调工程的空调方案是温湿度独立控制空调系统，其中独立新风除去室内湿负荷，高温冷冻水送到室内末端去除室内显热负荷。

根据不同的建筑功能，本工程对一至三层的商场采用全空气系统，新风通过独立处理后与处理过的回风混合后送到室内；四至十层的办公用房，由于使用的非统一性的，对该部分建筑采用风机盘管加独立新风的半集中式空调方式，新风经过独立新风机处理后直接送入室内，承担室内的湿负荷，而高温冷冻水送至室内末端承担室内显热负荷。现在的办公室大多数都会分租出去，这样的空调空调系统有利于能源的节约，并且有利于整栋大厦的空调能量计费管理。

2.3 空气处理设备选型计算

2.3.1 商场新风量确定及空气处理设备选型

根据满足处理湿负荷的原则，对商场的新风进行送风量设计及空气处理设备选型。

夏季空气处理过程的焓湿图和文字表示如2所示。商场的室内空调设计参数是室内干球温度t_R=25.5°C，相对湿度为φ=50%，查焓湿图可得知该室内空气状态的其他参数是：含湿量d_n=11.30g/kg干空气，焓值为i_n=54.54kJ/kg。

拟定的新风量是遵循新风量满足人体卫生条件要求原则，初步选择商场新风量为人均新风量为20m³/h，则商场建筑的新风量为44510m3/h。

在温湿度独立控制空调系统中，新风承担室内湿负荷，其他设备排除显热，因此对新风的送风温度要求不严格，只需通过下式验算的送风含湿量在机组处理能力范围之内，则新风风满足要求。

根据室内湿负荷和人员卫生要求所需新风计算送风焓湿量。取新风处理后干球温度为18°C，查焓湿图可得其他参数：相对湿度为φ=55.6%，含湿量d_n=7.18g/kg干空气，焓值为i_n=36.37kJ/kg。

由于送风含湿量为7.18g/kg，在机组处理能力范围之内，新风量满足除湿要求。因此，拟定的新风量不变，为44510m3/h。

通过室内外空气空气状态焓值和含湿量，可以得出新风机组的所需的冷负荷和湿负荷。由于商场每层楼将设置一台全空气空气处理器，这样便根据三层楼每层的新风量、新风冷负荷、新风湿负荷、新回风混合后处理的总送风量、总的冷负荷对各层空气处理设备进行选型，设计中选用的空气处理设备是热泵式溶液全空气机组表冷式机组，机组运行原理见图3。

表2 商场新风量、新风冷量、新风湿负荷

2.3.1办公室新风量的确定和新风处理设备选型

由于办公室和商场一样，所拟定的新风量也是遵循新风量满足人体卫生条件要求原则，初步选择新风量为30m³/h人，这样建筑中办公室部分的总新风量为17610m³/h。

由于办公室和商场的室内空调设计参数一样，新风送风状态也一样，根据以上商场采用计算送风焓湿量和新风量确定方法，计算得新风处理后的含湿量为8.27g/kg，在机组处理能力范围之内，即则新风量满足除湿要求。

各层新风机组的新风量、及其冷负荷和湿负荷见表3。

表3 各层新风机组新风量、冷负荷和湿负荷

根据溶液调湿新风机组的规格，选择3台风量为5000m³/h的热泵式溶液调湿预冷型新风机组HVF-PF-05，和一台风量为3000m³/h的热泵式溶液调湿预冷型新风机组HVF-PF-03。图4是热泵式溶液调湿预冷型新风机组原理图。

5．冷源设计

本设计的冷源由两方面组成，。对于商场，空气处理设备中的冷源来源于除显热所需的高温冷冻水和新风冷却所需的冷源，前者来自冷水机组，后者由空气处理设备自带的热泵机组提供；对于办公室，干式风机盘管所需的冷源来自于高温的冷冻水，由冷水机组提供，而新风处理设备-热泵式溶液调湿预冷型新风机组的新风预冷所需冷源由冷水机组提供。也就是说冷水机组提供冷量包括商场用全空气处理设备中的除去显热所需的冷源，和办公室用干式风机盘管除去显热用的冷源，但是由于两者的新风都被处理到18℃，所以新风承担着部分的显热，因此冷水机组的所需要的冷负荷应减去新风承担的显热部分负荷。盐溶液冷却的冷源由表冷式全空气机组和热泵式溶液调湿预冷型新风机组自带。

因此，冷机承担的总显热负荷为

由于商场和办公室的新风量分别是43880m³/h 和17790m³/h，商场和办公室的新风处理后温度是18 C，所以商场新风承担室内部分显热负荷Q₁为

办公室新风承担的显热负荷Q₂为

办公室部分的新风由室外计算温度预冷到25.5 C预冷量为

冷机承担的总显热负荷为：

其中Q_x为室内计算总显热负荷。

由温湿度独立控制空调系统的基本组成可知，它由处理显热的系统与处理潜热的系统组成，两个系统独立调节分别控制室内的温度与湿度。处理显热的系统包括：高温冷源、余热消除末端装置，采用水作为输送媒介。由于除湿的任务由处理潜热的系统承担，因而显热系统的冷水供水温度不再是常规冷凝除湿空调系统中的7C，而是可以提高到7C以上。

本设计由于室内露点温度是 ，所以冷冻水出水温度为 以上，由于供水管路中的冷损失， 所以供水温度定为15℃。若再提高，虽然冷水机组的制冷性能系数COP值会提高，但这将使送风温度升高，送风量提高，导致风机功率提高，风机运行费用提高；风管截面积在提高，风管投资增加，安装困难；风量大，噪声大。回水温度的确定，由文献[3]根据各方面的经济性考虑，回水温度定了18℃。根据室内露点温度、供回水温差的经济性、送风温度及送风量的经济性，将冷冻水供水温度确定为15℃。

由于冷水机组出水温度提高，和常规制取低温冷水的工况比，冷水机组的蒸发温度显著提高、耗功减小，机组性能系数COP可大幅度提高，根据有关 ，该机组的COP比原来工况的COP增加 。

商场的新风单独除湿后，其温度约为20℃，低于室内设计温度，新风可承担部分室内显热负荷。办公室部分的新风处理机采用预冷型新风机，新风的预冷冷量由高温冷源提供。

已知办公楼总新风量G=17790m³/h，商场总新风量G=43880m³/h。办公室新风承担室内部分显热负荷量为

商场新风承担室内部分显热负荷量为

办公室部分的新风预冷量为

冷机承担的总显热负荷为：

其中Q_x为室内计算总显热负荷。

冷源设备冷量

名义工况下制冷量换算

式中 Qoa—名义工况下制冷量；

Qob—任意工况下制冷量；

Ki—为压缩机制冷量换算系数，由《制冷原理与设备》表2-8可查得。

本系统取1.24。

所以所需冷机制冷量Qoa=670.87/1.24=540.96KW，相应制冷水机的参数如表5-1.

表5-1

续上表

6.风系统设计

6.1.风系统的布置及其附件

风管是中央空调系统必不可少的重要组成。空调送风和回风、排风、新风供给，正压防烟送风，机械排烟系统均要用到风管。风管系统的设计正确与否，关系到整个空调系统的造价、运行的经济性以及运行效果。风管系统的设计的基本任务是：布置合理的管线；经济合理的确定风管的形状及各段截面的尺寸，以保证实际风量符合设计得要求；并计算系统的总阻力。本系统的风力计算采用假定流速法。

风管用镀锌钢板制作，布置时应注意整齐，美观和便于维修、测试，应与其他管道统一考虑，以防止冷热源管道之间的不利影响，设计时应考虑各管道的装拆方便；布置时应还尽量使排风口与送风口远离，送风口应尽量放在排风口的上风侧；为避免吸入室外地面灰尘，送风口底部应距地面不宜低于2m。根据室内允许噪声的要求，风管干管流速取5～8m/s，支管取3～5m/s来确定管径。

圆形风管强度大耗材小，但是占用有效空间大，其弯头与三通需较长距离。矩形风管占用的有效空间小，易于布置，明装美观等优点，故本设计空调系统中采用矩形风管。

6.2风系统水力计算

6.2.1.计算方法

采用假定流速法,其计算方法如下：

1.绘制通风或空调系统轴测图，对个管段进行编号，标注长度和风量，确定最不利环路。

2.确定合理的空气流速。

3.根据各风管的风量和选择的流速确定个管段的断面尺寸，计算摩擦阻力和局部阻力。

沿程阻力的计算公式:ΔPm=RmL

式中： Rm——单位长度的比摩阻， Pa/m

L——管长，m

局部阻力的计算公式:Z=ξρv2/2

式中 ：Z——局部阻力，Pa；

ξ——局部阻力系数；

v——与ξ对应的风道断面平均速度,m/s。

4.并联管路的阻力平衡。

5.计算系统的总阻力。

6.选择风机。

6.2.2水力计算举例

以首层商场空调送风系统为例,风管布置如图所示

.AHU1-1送风管道布置图

1）、划分管段，对应编号，标管段长度和对应的风量；

2）、确定最不利环路；本系统确定的最不理环路管段为：1-2-3-10-11-14；根据各管道的分量及选定的流速，确定最不利管路各管段的断面尺寸及沿程阻力和局部阻力如下。

主管段1沿程阻力计算：

取管内流速V1=7m/s，则风管面积A=30455/=1.21 m2。取标准规格断面尺寸1600mm×800mm，故实际流速V1=6.61m/s。

当量直径

按流速当量直径Dv=1067mm及实际流速V1=6.61m/s，查通风管道单位长度摩擦阻力线算图并进行粗糙度修正和空气状态修正；

空气状态修正系数=ρ/1.2=1.13/1.2=0.94；

则修正后的比摩阻Rm=1.05*0.94*0.71=0.70Pa/m，该管道的沿程阻力为：

局部阻力计算：

从阻力设计手册、暖通设计手册等资料查出各管件的局部阻力系数。

带倒流叶片光滑弯头：ξ=0.5 个数n=1；

Y型分流三通：ξ=-0.05 个数n=1；

总的局部阻力系数为：

∑ξ=1*0.5-0.05*1=0.45

局部阻力按下式计算:

管段1的阻力：

同理可计算管段2、管段3、管段10、管段13和管段14的摩擦阻力和局部阻力，考虑篇幅情况，具体计算过程在此不一一阐述。

3）、并联支管的阻力平衡阀计算

系统中最有利的环路为1-24-25-27

分支管24-25-27的阻力计算详见附表，其中分支管2-3-10-13-14的阻力为42.42pa

管段24-25-27与管段2-3-10-13-14并联，故不平衡率为：

<15% ,故两并联支管阻力相当平衡；

若两并联支管的阻力不平衡，则需要增加并联支路24-25-27的阻力，主要的方法有减小支管尺寸而增大管内流速，或者通过调节平衡阀来增加阻力，而平衡之。

系统的最不利环路的阻力为56.70pa ,小于机外余压，故不需要增加额外送风机。

7.水系统设计

1)冷冻水系统设计：

根据回水方式的不同，空调水系统有重力式和压力式两种，本设计采用压力式，为封闭式回水系统。

封闭式回水系统中，空调水从末端装置后，利用剩余压力经回水管回到空调水泵，经水泵加压通过空调机组降温或升温后再经过供水管回到空调末段装置使用，如此形成一个封闭的循环系统。闭式系统中的空调水不与大气相接触，仅在系统的最高处设膨胀水箱，管路系统不易产生污垢和腐蚀，无须克服系统竟水压头，水泵能耗相对较少。

本设计中，水系统采用双管制。在水管布置上，供水立管采用同程式，各层支管采用异程式供水方式。水流量的控制方式为：单式泵变流量管道系统，末端通过电动阀调节水的流量。

2） 冷却水系统：冷却水系统采用冷却塔机械强制对流的冷却方式。

3） 水系统除污过滤：

为防止水管系统阻塞和保证各类设备和阀件的正常功能，在管路中应安装除污器或水过滤器，用以清除和过滤水中的杂物和粘混水垢。一般，除污器或水过滤器安装在水泵的吸入管和热交换设备的进水管上，除污器和水过滤器的型号都是按连接管管径选定的。

总结：

6

研究

总结

及结论

6. 1 　本项目设计系统的优点

本设计采用的基于水源热泵的温湿度独立控制空调系统,与常规空调系统相比较,有很多优点。所谓常规系统,即7 ℃/ 12 ℃冷水机组+ 冷却塔+ 普通新风机+ 普通风机盘管系统。相比常规系统,本设计有以下优点:

节能效果显著。本项目设计采用的基于水源热泵系统的温湿度独立控制空调系统，冷水温度由常规的7 ℃/ 12 ℃提高到15 ℃/ 18 ℃，该工况的水源热泵冷水机组COP 为7. 74，较之常规电制冷机组提高50 %以上。同时,溶液调湿新风机组采用了溶液式的新、排风全热交换技术，机组综合CO P 为4. 32 。因此，整个空调系统的综合CO P 约为4. 8 ，远高于常规空调系统的综合CO P ，运行费用相比常规空调系统至少可降低30 %～40 %左右，具有较好的经济性。

健康舒适。溶液式除湿方式可有效去除细菌和可吸入颗粒物、净化空气，室内干盘管运行时无冷凝水，杜绝了回风中病毒和霉菌的滋生，满足环境要求，保证室内人员健康舒适。

6. 2 　相比常规系统存在的不足及设计中应该注意的问题

1) 溶液调湿新风机组体积较大,且必须落地安装,需要一定面积的机房,在设计时要充分考虑机房位置，本设计。

2) 计算负荷时要分别计算室内的显热负荷和湿负荷,以便于准确选用新风机和末端盘管型号；确定冷热源容量时是以室内总显热负荷为依据，而非常规空调系统以室内全热负荷为依据。

3) 由于商场人员密度大，新风负荷大,总的冷负荷大，温湿度独立系统采用的较常规系统高的送风温度将导致送风量提高，将导致风机功率提高，风机能耗增加，风管截面积增加，风管投资增加，安装困难，并且存在风量提高后，噪声增加等问题。

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