温湿度独立控制空调系统的理念

温度湿度独立控制的空调系统，就是向室内送入经过处理的新风，承担室内湿负荷，根据气候差异，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，有的地区新风全年需要降温除湿。在温湿度独立控制空调系统中，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；采用另外独立的系统夏季产生17~20℃冷水、冬季产生32～40℃的热水送入室内干式末端装置，承担室内显热负荷。系统的组成如图1所示。

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，显热末端调节温度，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。

图1 温湿度独立控制空调系统的基本组成

和常规空调系统的比较 

新风送风状态点的确定 

新风承担室内湿负荷（潜热负荷），而由其他设备排除其余显热，因此对新风的送风温度要求并不严格，只须按式（3-1）确定送风含湿量

其中，ρ为空气密度，kg/m3；G为人均新风量，m3/h?人；ωr为室内设计含湿量，g/kg；ωo为新风送风含湿量，g/kg；L为人均湿负荷，g/hr*人。

例如，当室内含湿量设定值为12.6g/kg，人均湿负荷为150g/hr*人，人均新风量为30m3/h*人，则根据上式计算得到的新风的送风含湿量为8.4g/kg。

高温冷源的选择

在温湿度独立控制空调系统中，只需要17~20℃的冷水来带走显热负荷，此温度的冷源可由多种方式提供：天然冷源（如土壤源换热器、水源热泵等），人工冷源（比如离心式冷水机组）。下面分别对几种高温冷源作介绍。

1.土壤源换热器

在我国有些地区可以在夏季采用土壤源换热器直接输送冷量，而无需开启制冷机。土壤源系统利用地下土壤作为空调系统的吸热和排热场所，研究表明：在地下10m以下的土壤温度基本上不随外界环境及季节变化而变化，且约等于当年平均气温。由附表2可知，我国不少地区的年平均气温低于15℃，夏季可以直接利用土壤源这一天然冷源去除室内的显热负荷，不必开启热泵，土壤源换热器的夏季运行模式见图2（a）。冬季时，需要开启热泵，从土壤中取热，经过热泵提升后供给用户使用；由管路实现冬、夏运行模式的切换，冬季运行模式见图2（b）。

图2 土壤源系统工作原理图

地下埋管换热器是土壤源系统的核心部件，按照埋地换热器的埋管形式不同，可分为水平埋管、垂直埋管和螺旋埋管三种类型，布置形式分别见图3。除埋管形式外，土壤温度、土壤的特性（比如土壤类型、热特性、热传导性、密度、湿度）等也是影响土壤源热泵系统的性能的主要因素，对于实际的建筑，应综合考虑各种因素来进行具体的设计选型。

图3 土壤源热泵系统埋管形式

2 水源热泵（深井回灌技术）

图4 水源热泵系统冬夏运行原理图

建筑所在地区的水文地质条件是采用水源热泵系统的先决条件，国内的地下水源热泵系统基本上都选择地下含水层为砾石和中粗砂地域，避免在中细砂区域设立项目。应根据所在地域的地质条件（含水层深度、厚度、含水层砂层粒度、地下水埋深、水力坡度和水质等），合理选择地下水回灌方式，并综合考虑系统的运行模式进行具体的设计。

3.人工冷源

由于天然冷源的利用往往受到地理环境、气象条件以及使用季节的限制，有些场合还不得不采用人工冷源。对于温度湿度独立控制空调系统，冷水机组制备高温冷水，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，可以有效地提高机组的性能系数COP。

与常规的冷水机组相比，高温冷水机组最大的特点为压缩机处于小压缩比工况下运行。这就需要对常规冷水机组（蒸汽压缩式制冷系统或吸收式制冷系统）采取相应措施来来提高蒸发温度，降低冷凝温度，满足输出高温冷水的要求。一方面可提高蒸发器的K值或增加蒸发器、冷凝器面积来提高蒸发器和冷凝器的传热性能，另外需要改善压缩机的性能来达到目的。比如对于活塞式机组，需尽可能选取内容积比较小的回转式压缩机，也可采用具有自适应特性的活塞式压缩机；对于离心式冷水机组，可以控制压缩机的转速、在压缩机进气口安装节流阀或控制进口导叶开度控制制冷剂流量。由于离心式压缩机制冷量随蒸发温度升高呈现比活塞式压缩机制冷量上升更快的趋势，离心式压缩机作为高温冷水机组比活塞式更加合适。

目前已有的高温冷水机组的产品：三菱重工微型离心式高温冷水机组[1]，采用双级压缩+经济器的蒸汽压缩式制冷循环和传热性能优异的高效传热管，优化设计离心式压缩机叶轮和轴承，并进行优化控制，使得离心式冷水机组小型化，并具有较高的性能系数COP。除三菱重工外，其他厂家的常规的冷水机组采用前述性能改善措施后，也可被选为温湿度独立控制的高温冷源。

上述人工冷源，对于不需要冬季供热或冬季采用集中供热的建筑，已经能满足温湿度独立控制空调系统的要求。但是，对于无集中供热的建筑，除3.5.1节所述土壤源热泵机组，3.5.2节所述水源热泵机组外，可采用空气源热泵机组，夏季制冷得到18℃高温冷水，冬季制热得到35℃低温热水。如此，对于寒冷地区，可以采用双级热泵系统或双级耦合热泵系统，既能良好得解决冬季供热问题，同时还能获得较高的COP。对于冬季环境温度不太低的温暖地区，可以采用双级压缩的离心式热泵冷水机组[1]，夏季通过冷却塔制取冷水，制冷系统制备高温冷水；冬季将冷却塔的冷却介质更换为不易结冰的载冷剂（比如乙二醇溶液），载冷剂在蒸发器和冷却塔中循环，在冷凝器中制备向建筑供热的热水。从而很好的满足温湿度独立控制系统冬、夏的冷、热源的需求。

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