基于冷冻水大温差的温湿度独立控制系统研究

舒志成 张光玉

浙江理工大学建筑工程学院

0 引言

暖通空调系统能耗在城市建筑能耗中占有重要比例，因此提高暖通空调系统能效是建筑节能的重要方向，成为近年来暖通空调领域研究重点之一。温湿度独立控制空调系统[1]和独立新风系统[2]采用热、湿独立处理的方式，提高空调制冷能效，这一新型空调技术已在不少暖通工程中得到应用，显示出良好的节能效益[3-4]。

新风除湿是温湿度独立控制空调系统中最重要的技术环节之一，由于冷却除湿技术成熟、初始投入较低，因此对于潜热负荷较低的情况，部分研究人员也进行了双温冷源的温湿度独立控制技术方案研究和尝试[5-8]。虽然双冷源形式提高了冷水机组能效，但是会增加冷冻水输送能耗和系统复杂性。鉴于此，刘晓华等[1]提出了冷水机组三级串联的冷冻水大温差系统[9-10]，不仅可以显著提高冷源能效，还可大幅降低冷水输送能耗。这是一种全新的系统，自提出以来，少数研究人员开展了相应的末端设备的研究[11-12]。

为了探讨三级串联冷水大温差系统适应性及其设计方法。本文拟针对不同地区、不同用途建筑进行15 ℃冷冻水大温差空调系统适应性的研究，以期为建筑节能和温显湿度独立控制空调系统提供新的技术方案和设计参考。

1 系统原理和模型构建

1.1 系统原理和构成

在基于冷水大温差的温湿度独立控制空调系统中，冷水机组以7 ℃出水采用水侧大温差三级运行，运行过程如图1 所示。制冷机1 换热的水温从22 ℃降温到17 ℃，制冷机2 为将水温从17 ℃降至12 ℃，制冷机3 的任务将水温从12 ℃降至7 ℃。与常规冷水机组相比，出水温度提高10 ℃。新风处理过程如图2 所示，新风由室外状态点W 和室内状态点N 全热回收后混合至O 点，经降温减湿后至送风状态点S，低温新风可通过诱导送风口送入室内。

图1 冷水与制冷机组的串联换热过程

图2 新风处理过程

图3 冷冻水大温差空调系统原理图

冷冻水末端水路运行过程如图3 所示，低温冷冻水先进入表冷器，对新风进行冷却减湿处理，升温后的冷水再进入各类显热末端[13-14]向房间供冷，处理显热。新风经全热交换器、表冷器处理后，达到送风要求[15-16]，承担室内全部潜热负荷和部分显热负荷。

1.2 分析框架和模型

根据前述原理介绍，低温段冷冻水处理新风，承担潜热负荷及部分显热负荷，高温显热段处理剩余显热负荷。不同用途的空调房间新风量不同，处理新风需要的冷量不同。房间在不同室内设计工况下，负荷不同。因此，需根据不同房间模型进行计算，分析冷水大温差温湿度独立控制空调系统的可行性。

按照中国建筑气候划分，选取寒冷地区，夏热冬冷地区和夏热冬暖地区中的几个典型城市，北京，上海，广州，西安和武汉为例进行计算。室内设计温度26 ℃，室内设计相对湿度在50%～60%。在计算过程中，在不同建筑用途环境下，人员密度以及人均新风量的的变化都会对新风除湿产生影响。因此根据人员密度及人均新风量的相对高低，构建了一～九号建筑模型。高中低人员密度分别为0.3 人/m2，0.2 人/m2和0.1 人/m2；高中低人均新风量分别为20 m3/h，30 m3/h 和50 m3/h。又以人员密度极高，新风量较大的观众厅为参考构建了十号模型。十种不同类型的建筑模型具体参数见表1。为了保证计算分析的准确性，统一采用一个相同房间参数进行计算。总建筑面积为400 m2，高度为5 m。

表1 人员湿负荷计算表

2 新风负荷及低温段冷水供冷量

三级串联的冷水机组提供的低温冷水，首先进入新风机组处理新风，以承担潜热负荷及部分显热负荷。故新风负荷计算是后续分析讨论的基础。

2.1 新风量与送风参数

温湿度独立控制系统中根据卫生标准来确定新风量，根据不同设计要求，室外气象参数，建筑参数计算室内湿负荷[19]。房间湿负荷一般由人体散湿量和新风渗透组成。在一些特殊建筑中，还包括食物散湿量和敞开水面的蒸发散湿量。在本文研究计算中，房间的模型正压设计，不考虑新风渗透影响。房建模型也不考虑食物散湿量和敞开水面散湿量，仅考虑人体的散湿。

根据已知房间面积，人员密度和群集系数。查文献[15-17]人员散湿量如式（1）计算：

式中：Dτ为人员产湿量，g/h；φ 为人员密度，人/m2；nτ为湿负荷指标，g/h；g 为群集系数。各类建筑用途的人员散湿量计算如表1 所示。

根据式（2）计算新风送风含湿量差，确定送风状态点的含湿量。

式中：ds为送风含湿量，g/kg；dn为室内含湿量，g/kg；Dτc为总湿负荷，g/h；Gc为新风量，m3/h；ρ 为空气密度，取1.2 kg/m3。

以全热交换器效率为60%计算，根据新风量，室内状态焓值与新风全热交换后的焓值差可得到新风负荷。新风除了承担潜热负荷，还承担部分显热负荷。杭州各个模型房间在60%室内设计湿度时，新风的供冷能力如图4 所示。

图4 各模型房间新风供冷量

2.2 低温段出水温度和供冷量

从冷水机组流出进入末端的低温冷冻水通常为7 ℃。三级串联冷水大温差空调系统中显热段进水温度即为低温段的出水温度，为防止显热段凝露，显热段进水温度需高于室内露点温度1～2 ℃，即低温段的出水温度也可确定。根据新风量，送风状态焓值与新风全热交换后的焓值差计算，可得到低温段的供冷能力。以杭州地区为例各模型房间的低温段供冷量如表2 所示。

表2 各模型房间低温段供冷量

3 显热段冷水供冷能力

低温冷水通过表冷器处理新风后，温度升高，进入显热段处理室内显热。由于室内设计温度通常在25 ℃左右，考虑到必要的传热温差，高温段冷水回水温度以不高于22 ℃为宜，此处采用22 ℃计算。由于低温段和显热段串联，其冷水流量相等，故冷水低温段供冷能力和显热段供冷能力由两段冷水温差决定。通过高、低温段冷水供冷量的计算可折合得到冷负荷指标。以杭州为例，不同设计湿度各模型系统分段供冷量如图5所示，各模型系统供冷能力如图6 所示。

图5 不同设计湿度各模型系统分段供冷量

图6 不同设计湿度各模型系统供冷能力

通过表2 和图5～6 可知，室内设计湿度对该冷水大温差空调系统有较大影响。随着室内设计湿度降低1%，需要低温段供冷加强约2%～3%，显热段供冷加强11%～23%。当室内设计湿度降低，室内露点温度降低，相应出口表冷器冷水温度也降低，低温段的冷水温差减小，导致低温段在大温差系统中的供冷占比降低。而显热段由于进水温度降低，显热段冷水温差增大，需供冷能力进一步加强，可见室内设计湿度变化对显热段的影响较大。

4 结果分析

前文得到了不同地区不同用途空调房间在不同设计湿度下，基于冷水大温差的温显度独立控制空调系统中，冷水低温段和显热段供冷能力，计算其面积冷负荷指标后再与常用建筑面积冷负荷指标[19-20]进行比较，判断该系统理论上的可行性。

4.1 人员密度及人均新风量的影响

图7 是杭州地区空调房间在室内设计湿度为60%时，不同人员密度和不同人均新风量下大温差系统的供冷能力。分析人员密度和人均新风量情况，该大温差系统比较适用于五～八号模型房间。当人员密度或人均新风量较低时，面积冷负荷指标较低，大温差系统难以承担所有冷负荷，此时需要通过增加回风或者增加供冷末端来解决供冷不足的问题。在人员密度或人均新风量较高时，新风承担了大部分负荷，高温段供冷能力已大于所需承担的剩余显热负荷，即高温段回水温度将低于22 ℃，低温段的占据了系统的大部分供冷，两段供冷不匹配。因此，该大温差系统适用于人员密度适中，在0.3 人/m2左右且人均新风量较高，至少30 m3/h 的建筑。

图7 不同人员密度人均新风量下大温差系统供冷能力

4.2 城市气候的影响

图8 是各个城市五号模型房间大温差系统的供冷能力。在相同室内设计湿度下，各个城市除西安外大温差系统的供冷能力差别不是特别明显。西安由于室外空气干燥，新风焓值较低，大温差系统的供冷能力相比武汉，供冷能力少18%左右。以办公建筑为标准，大温差系统适用于武汉，却不适用于西安，而大温差系统却适用于部分西安的四号建筑模型。因此该大温差系统的使用比较灵活，针对不同地区需要结合实际情况进行计算。

图8 不同城市五号模型房间大温差系统供冷能力

4.3 室内设计湿度的影响

图9 是在室内设计温度26 ℃下，杭州五～八号建筑模型在不同室内相对湿度下的大温差系统供冷能力。当室内设计湿度降低时，大温差系统的供冷能力需进一步增强。以五号模型举例，设计湿度降低1%，需要大温差系统的供冷加强约4%～8%，因此湿度变化对该大温差系统影响较为剧烈。

图9 五～八号模型不同设计湿度下的大温差系统供冷能力

4.4 综合分析

根据前述计算分析可知，大温差系统仅适用于部分建筑。其中一～四号房间模型，显热负荷占总负荷的比例很高，显热段无法满足供冷需求，针对这类建筑,可以另外配备供冷末端或增加回风来满足室内的负荷要求。九～十号模型类似于观众厅，休息厅等模型，这类房间模型人员密度较高，新风量很大，低温供冷段就承担了大部分负荷。针对这类建筑可以适当减小冷冻水的供回水温差。五～八号模型，系统低温段和显热段的供冷能较好的匹配，承担新风和室内的负荷。因此该系统适用于人员密度适中，人均新风量较大的建筑。

在不同城市中，需要该大温差系统的供冷能力也有差异，这主要与室外气象参数有关。在所选城市中，大部分城市除西安外差别不大。在考虑大温差系统在城市中的适用性时，需要考虑当地建筑的实际情况作出合理计算。

室内设计工况的变化也会对大温差系统产生影响。设计湿度改变对大温差系统影响较大。而设计温度相对于湿度而言，影响较小。因此，该大温差系统应运行在室内湿度相对恒定的环境中。

5 结论

本文对基于15 ℃冷冻水大温差的温显度独立控制空调系统进行了分析研究。针对不同类型、不同地区和不同室内设计条件的建筑房间，做了计算分析，得到了以下结论：

1）该系统适用于人员密度在0.3 人/m2左右，人均新风量至少30 m3/h 的建筑。

2）该系统在不同城市中的适应性有差异，需考虑建筑的实际情况。

3）室内设计湿度的改变对大温差系统影响较大。室内设计湿度变化1%，大温差系统的供冷能力变化4%～8%。

15 ℃冷冻水大温差空调系统可与串联三级冷水机组及大温差空调箱等其它末端形式一起配套，形成新型的高效节能空调系统，为减少空调能耗、推广建筑节能提供新的技术方案。