温湿度独立控制的空调系统在中国的应用

标签：      时间：2010-10-17 11:51:31

温湿度独立控制的空调系统在中国的应用

清华大学建筑节能研究中心

传统空调系统一般通过人工冷源-制冷机组产生7~12℃冷水，通入空气处理机组中，进而产

生低温干燥的送风送入房间，统一控制房间的温、湿度。在这种方式下，本来可用高温冷水（16~18

℃）处理的50%以上的显热负荷也须用低温冷水带走，冷机COP 低，耗电量大。同时由于在冷

凝除湿方式下，送风接近饱和线，使得空气处理的热湿比变化范围很小，无法适应室内任意变

化的热湿比。温度过低的送风还会造成不舒适，有时还必须再热，造成冷热抵消-能量的浪费。

且冷凝除湿的方式使得系统中存在湿表面-霉菌的滋生源，成为健康的隐患。

针对上述传统空调在室内环境控制、节能、健康等方面遇到的挑战，江亿教授[1]提出了温、

湿度独立控制的空调系统：将干燥的新风送入房间控制湿度，而由高温冷源产生16~18℃冷水

送入室内的风机盘管、辐射板等显热去除末端，带走房间显热，控制房间温度。从而实现房间

温、湿度的独立、灵活调节，营造节能、健康、舒适的室内环境。温、湿度独立控制的空调系

统革新了传统空调的环境控制理念，并使得我们有可能利用自然界的低品位能源（比如地下水，

冷却水，室外干空气等）来实现房间的空调，从而从源的选择到末端的设计以及控制方案，发

展出一系列适用于不同地域，不同气候特点的新型空调方式。

首先，干燥新风的获取。我国幅员辽阔，距海远近差距较大，跨纬度较广，受季风活动影

响的差别大，使得中国东、西部的干、湿状况差异很大。图1 列出中国东、西部主要城市夏季

最湿月室外平均含湿量[2]，可以得到，新疆、西藏、青海、宁夏、甘肃、内蒙的最湿月平均含

湿量为10.6g/kg。而东南部比如北京、山东、上海、浙江、广东、广西等省市的最湿月平均含

湿量为18~20g/kg.图1 的红线为最湿月室外平均含湿量为12g/kg 的分界线。

图1. 中国各城市夏季最湿月室外平均含湿量[2]（红线为12g/kg 分界线）

在分界线的上方，即中国的西北部地区，室外的新风本来就是干燥的，可直接用来带走房

间湿负荷。此时新风的处理过程就是等湿降温，实现此功能的间接蒸发冷却新风机组已开发成

功，并已应用于十多个大型公共建筑中。

而在分界线的下方，主要是中国的东南部地区，室外的空气非常潮湿，要获得干燥的新风

送风就必须对新风进行除湿。可用的除湿方式：传统的冷凝除湿、转轮除湿和溶液除湿。其中

冷凝除湿要求冷源温度低，冷机COP 低，且存在潮湿表面；转轮除湿为等焓除湿过程，被除湿

后的送风温度高，还需冷却水来冷却；且转轮再生热源温度要求较高，一般>100℃；转轮的新、

排风间的漏风问题目前还是较难解决的工艺问题。溶液除湿方式，可实现等温的除湿过程，可

用（ 15~25℃）的冷源带走除湿过程释放潜热，且再生的热源温度要求低，可用低品位热能（60~70

℃）来驱动。溶液式全热回收方式，避免了新、回风间的交叉污染，能得到较高的热回收效率。

目前已有多种类型的溶液除湿机组问世，其中热泵驱动的溶液调湿机组COP 高于5.5[3]，热驱

动的溶液除湿机组COP 高于1.3[4]，已应用于多个实际工程中。综合比较，溶液除湿方式逐渐

成为中国东南地区处理新风的优选方式。

其次，高温冷源的获取。应用温湿度独立控制的理念，只需用16~18℃的高温冷水带走房

间显热，这就使得多种天然的免费冷源可供利用。

在图1 示分界线以下，中国的东南地区，长江流域以北的北京、河北、山西、陕西、河南、

山东等地，其年平均气温约为10~14℃。而研究表明，地下10m 以下的土壤温度基本不随外界

环境及季节变化而变化，且约等于当年年平均气温。这样，在长江流域以北的这些城市，夏季

就可以直接利用天然冷源-土壤源来去除室内的显热负荷，向土壤中排热。冬季，开启土壤源热

泵，从土壤中取热，经过热泵提升后供给用户使用。应用土壤源作为高温冷源的关键是冬、夏

热平衡，即夏天向土壤中的排热量和冬天从土壤中取热量平衡，保证土壤年平均温度恒定，这

就要求建筑的冷负荷和热负荷满足一定的关系。具体设计时要根据建筑的地理位置，建筑的冷、

热负荷关系合理应用土壤源热泵系统。

而在图1 示分界线以下，长江流域以北的地区，比如浙江、安徽、广西、广东、福建、湖

南、湖北等地，由于土壤温度较高，外界环境也很潮湿，只能通过电制冷的方式获取高温冷水。

和常规制冷机组相比，由于水温提高到18~21℃，蒸发温度随之提高，冷机COP 显著提高。目

前国内已有厂家研制出磁悬浮压缩机，实现了压缩机无油、无摩擦运行，部分负荷时压缩机变

频运行。高温冷水机组在满负荷时的COP 可以达到8.5，部分负荷时可以达到11.5，相对传统

冷机节能30%以上。

在图1 示分界线以上，中国的西北干燥地区，利用室外的干燥空气作为驱动源的间接蒸发

冷水机组问世[5,6]，实测机组的出水温度15~18℃，低于室外湿球温度，基本处在湿球温度和露

点温度的平均值。由于此制冷机组不再使用压缩机，运转部件只有风机和水泵，机组COP 高于10，

且室外越干，COP 越高，能达到20 或更高。由于不再使用制冷循环，机组成本降低。且不再使

用CFCs,对大气无污染。由此，应用间接蒸发冷水机组比传统空调节能60%以上，成为西北干燥

地区最适宜应用的冷源获取方式。

综上对温、湿度独立控制系统源的获取，在中国东南潮湿地区，采用溶液除湿机组产生干

燥的新风；同时，长江流域以北的部分地区，可应用土壤源作为夏季高温冷源；而长江流域以

南，适宜应用电驱动高温冷水机组作为高温冷源。而中国的西北干燥地区，采用间接蒸发冷水

机组制取高温冷水，而室外新风通过间接蒸发冷却新风机组等湿降温后送入室内。

最后，末端方式的设计。对于温、湿度独立控制系统显热去除末端，由于通入高于室内露

点的高温冷水，因此不会出现冷凝结露现象。可选用干式风机盘管或者辐射末端。首先，对于

干式风机盘管，不再需要凝水盘和凝水系统，风盘可以选用吊装、立装等灵活安装方式。同时，

由于通入冷水温度升高，风盘冷盘管表面和空气之间的换热温差减小，需要重新设计翅片和水

路，提高风机盘管的换热性能。若用原湿式风盘走干工况，不能沿用原风盘的样本，需要对干

工况的冷量重新校核。已有厂家研制出干式风盘，通过翅片和水路的特殊设计，保证了风盘在

干工况下的换热性能。

而对于辐射末端，由于房间的余热大部分以辐射方式而不是对流方式被带走，减少了换热

环节；同时没有吹风感，热舒适性高；除循环水泵外，末端不再需要任何运转设备，节省空间，

无噪音。这些优点使得辐射板受到越来越广泛的关注。当夏季通入18℃冷水时，辐射板（吊顶

和地板）带走的显热负荷约为40~50W/m2，需根据实际需要带走的负荷，确定铺设的辐射板面

积。而冬季通入热水时，热水温度约为35~40℃，即能满足冬季供暖的要求。

对于温、湿度独立控制系统的湿度送风末端，目前已有多种方式，包括地板送风口、个性

化送风口等等。怎样设计送风口，使得小风量下风口阻力小，怎样根据人员的多少控制送风口

的开启等，成为目前湿度送风末端设计的关键。

综上所述，在中国西北干燥地区和潮湿地区，温、湿度独立控制的空调系统有不同的干燥

新风和高温冷源的获取方式，从而能尽可能的利用自然界的可再生、低品位能源来解决大型公

共建筑的空调问题，节能潜力巨大，对减少我国的常规能源消耗，优化能源结构有着重要的意

义。且可根据室内的湿负荷、热负荷的变化进行温度、湿度的独立调节，从而真正实现室内热

湿环境的精确控制，营造了更加健康、舒适的室内环境。目前在中国东南潮湿地区和西北干燥

地区均已有十个以上的工程成功得应用了温湿度独立控制空调系统，工程运行效果良好，证明

了这种新的控制理念已成功的解决了传统空调的问题，成为未来中央空调的新起点。

参考文献

1． 江亿，李震，陈晓阳，刘晓华. 溶液式空调及其应用，暖通空调，2004 (34) 11

2． 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系，《中国建筑热环境分析专

用气象数据集》，中国建筑工业出版社，2005.4

3． 刘拴强,江亿,刘晓华热泵驱动的双级溶液除湿新风机系统原理及性能分析,全国暖通空调制

冷2006 年学术年会论文集,2006

4． 陈晓阳，江亿，李震，湿度独立控制空调系统的工程实践，暖通空调，2004(34)11

5． 江亿李震薛志峰，一种间接蒸发式供冷装置，中国专利，02202739.4，2002.12.11

6． 谢晓云, 江亿, 刘拴强,等. 间接蒸发冷水机组设计开发及性能分析.暖通空调,2007 年第7 期