温度湿度独立控制空调系统中冷却除湿方式的适应性分析

本刊特稿
暖均为Ⅰ级热舒适时，室内温度参数变化是连续性 的。这可以理解为：当室温为 ２２～２４ ℃时，系统为 供暖工况；当室温为 ２４～２６ ℃时，系统处于供冷工 况；２４ ℃则成为工况的转换点（既不需要供冷也不
需要供热）。而在冷暖均为Ⅱ级热舒适时，则问题 出现了：由 于 冷 暖 工 况 没 有 “交 集”，室 内 温 度 在
Keywords temperature and humidity independent processed air conditioning system， cooling dehumidification，cold and heat balance temperature，outdoor air，temperature range
显然，当室外温度 tＸ 在 tｒ 和 tｌ 之间时，该房间 只用新风就能满足室内温度的需求，而不需要额外 的冷、热源供应。而当室外温度 tＸ 低于 tｒ 或高于 tｌ 时，则需要向房间或新风提供额外的热量或冷 量。按此思路，是对新风作为自然冷源的最大程度 利用。
根据房间各项室内得热、新风热（冷）量及围护 结构传热，可以得出房间的热平衡方程： ρc pL Ｘ（tＮ －tＳ ）＋ （K ｃF ｃ ＋K ｑF ｑ ）（tＮ －tＸ）＝ QＮ
暖通空调 HV&AC ２０１４ 年第 ４４ 卷第 ８ 期
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温度湿度独立控制空调系统中 冷却除湿方式的适应性分析
中国建筑设计研究院 潘云钢☆
摘要 针对温度湿度独立控制空调系统中新风采用冷却除湿的方式，依据房间热湿平衡 原理和湿空气的焓湿图，对新风的全年运行参数及其对室内温湿度的影响进行了分析，给出了 新风冷却除湿后需要再热的室外参数区域、新风作为自然冷源最大可能的温度范围和冷却除 湿设计的建议措施。
By Pan Yungang ★
Abstract According to the balance principle of heat and humidity of the room and the psychrometric chart of moist air，analyses the operating parameters of outdoor air in a whole year and their influence on indoor temperature and humidity for cooling dehumidification in temperature and humidity independent processed air conditioning system．Provides outdoor parameter range needed to reheat after cooling dehumidification of outdoor air，possible maximum temperature range when outdoor air used as natural cold source and suggestion measures for design of cooling dehumidification．
２２～２６ ℃之间时，应该如何定义系统工况？同样 的问题也出现在对室内相对湿度的评价上：Ⅰ级供 暖工况时，只要求相对湿度不低于 ３０％，没有上限
要求（从舒适性看）；Ⅱ级供冷工况时，只要求相对 湿度不高于 ７０％，而没有下限要求。
从我国舒适性空调系统的全年实际运行情况
来看，即使是设计采用四管制系统的建筑，在全年
（１ ）
式中 ρ 为空气密度，ｋｇ／ｍ３ ；cp 为空气比定压热 容，Ｊ／（ｋｇ·℃）；LＸ 为送入房间的新风量，ｍ３／ｓ；tＮ 为房 间 温 度，℃；K ｃ 为 房 间 外 窗 传 热 系 数，Ｗ／ （ｍ２ ·℃）；F ｃ 为外窗传热面积，ｍ２ ；K ｑ 为房间外 墙传热系数，Ｗ／（ｍ２ ·℃）；F ｑ 为 外 墙 传 热 面 积， ｍ２ ；QＮ 为室内显热冷负荷，Ｗ。
★ China Architecture Design and Research Group，Bei ing，China
①
１ 温度湿度独立控制系统的理念
“独立新风系统 ＤＯＡＳ”的理念是类似的。
温度 湿 度 独 立 控 制 系 统 （ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ
从 ＴＨＩＰ 系统的理念来看，当新风送风状态点
① 供暖热平衡室外温度 tｒ ———采用室外新风 直接送风（房间的新风送风温度 tＳ 与室外温度 tＸ 相等）、且维持房间温度 tＮ ＝１８ ℃时，所要求的新 风送风温度。室外温度 tＸ 低于 tｒ 时，房间需要供 暖（或对新风采取加热措施）。
② 供冷热平衡室外温度 tｌ ———采用室外新风 直接送风（房间的新风送风温度 tＳ 与室外温度 tＸ 相等）、且维持房间温度 tＮ ＝２８ ℃时，所要求的新 风送风温度。室外温度高于 tｌ 时，房间需要供冷 （或对新风采取降温措施）。
实际运行中，除了有明显的供暖期和供冷期外，实
际上绝大多数也还存在既不供暖也不供冷的过渡
图 １ 新风处理焓湿图
来说，这也是冷却后再热的一种表现形式。 因此，对于整个系统或房间来说，上述两种空
气处理方式实际上都是冷却后再热；这是一个冷热 抵消过程，将造成能源的浪费。为了尽可能避免或 减少这一情况的发生，需要对冷却除湿方式的适宜 性进行深入分析。
关键词 温度湿度独立控制空调系统 冷却除湿 冷热平衡温度 新风 温度范围
Adaptabi l ity analysis of cool ing dehum id ification in temperature and hum id ity independent processed ai r cond itioning system
在建筑物 正 常 使 用 时，室 内 冷 负 荷 总 是 存 在 的。当室外气温低于室温时，新风直接送入室内就 可以起到一定的消除室内冷负荷的作用，只要室温 能保持在合理的范围即可。根据图 ２ 全年允许的 室温范围，也可以得到对于特定房间的新风送风温 度的范围，这一范围的上下分界线就是决定房间是 否供冷或供热的室外温度分界线。下面以图 ２ 中 的Ⅱ级热舒适为例来分析。这里先对分界线的两 个温度作如下定义：
期。以满足舒适性为主的建筑中，空调系统真正全 年供冷（或 部 分 区 域 供 冷 ）运 行 的 情 况 是 很 少 的。 显然，这是符合人体实际需求与节能运行、并值得 提倡的一种良好的行为模式。这一实际情况为我 们更深入理解表 １ 提供了现实基础。
综上所述，笔 者 认 为 从 人 员 的 热 舒 适 角 度 来 看，全年允许的室内参数可用图 ２ 来表述。
根据 tｒ 的定义，令式（１ ）中 tＳ ＝tｒ ，即可得到该 房间供暖热平衡室外温度 tｒ 和室内温度 tＮ 的关 系，为
［ρc pL Ｘ ＋ （K ｃF ｃ ＋K ｑF ｑ）］（tＮ －tｒ ）＝ QＮ （２） 同理，根据 tｌ 的定义，令式（１ ）中 tＳ ＝tｌ ，可以 得到该房间供冷热平衡室外温度 tｌ 和室内温度 tＮ 的关系，为
ＴＨＩＰ 系统理念设计的工程，对新风也采用了冷却 暖，也能实现对房间相对湿度的控制。其实对房间
除湿方式。在供冷设计工况下，比较常见的对新风
冷却除湿过程的焓湿图如图 １ａ 所示。 当根据卫生标准确定新风量之后，根据室内余
湿量，可计算出新风送风含湿量差 ΔdＳ ＝dＮ －dＬ ， 由此可以确定出新风设计送风状态点（图 １ 中表冷 器机器露点）。这一思路与近年来部分学者提出的
温度／℃
相对湿度／％
旅馆
２６
５５
１０９
３０
影剧院
２６
５５
６８
２０
商场
２６
５５
１８４
２０
办公楼
２６
５５
１０９
３０
注：室内空气含湿量为 １１ ．７ ｇ／ｋｇ。
送风含湿量／（ｇ／ｋｇ）
８．７ ８．９ ４．０ ８．７
２０１４（８）
潘云钢：温度湿度独立控制空调系统中冷却除湿方式的适应性分析
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实 际 系 统 设 计 中 ，也 可 能 存 在 所 选 择 的 室 内 末端的供冷能力无法满足消除室内全部显热的 情 况（例 如 末 端 设 备 安 装 空 间 受 到 较 大 限 制 的 旅 馆客房，或 者 采 用 辐 射 供 冷 方 式 时）。这 时 设 计 人员可能会考虑直接将机器露点状态的新风送 入 房 间（不 再 热 ），让 新 风 来 承 担 房 间 的 一 部 分 显 热。尽管这与 ＴＨＩＰ 系统的理念并不完全相符， 但 如 果 能 在 解 决 实 际 问 题 的 同 时 ，不 存 在 再 热 的 能源浪费，则 可 以 使 系 统 简 化，便 于 设 计 和 系 统 运行。但这一做法能否保证室内参数全年满足 图 ２ 的要求呢？ ３ ．２ 全年运行工况分析 １ ）冷热平衡时的室外温度
２ 房间的需求 大量人体科学的研究证明，一个维持全年恒温恒
湿的空调环境，对人的心理、生理健康是不利的，与自
然规律相协调的人体新陈代谢才是合理的。因此，允
许周围环境有一定的变化范围，那么就可以在适当减
少创造室内环境所耗费资源的同时，更有利于人的舒
适性。舒适性空调室内温湿度设计参数见表 １［１］。
图 ２ 室内空气参数全年允许范围
３ 新风送风点的设计参数 ３．１ 设计工况
ＴＨＩＰ 系统中的新风设计送风点，是以确保消 除房间内余湿为原则确定的。在夏季设计工况下，
冷）时的系统工作状况。从表 １ 中可以看出，在冷 新风送风含湿量见表 ２。
表 ２ 典型房间夏季设计工况下的新风送风含湿量
室内设计参数
人员散湿量／（ｇ／（人·ｈ）） 人员新风量／（ｍ３／（人·ｈ））
承担显热冷负荷。这样就把对房间空气冷却和除 处理到这一点，而是需要在除湿到机器露点后再
湿两个处理过程独立开来，用热力学分析方法实现 热，如图 １ｂ 所示。
了对温度、湿度控制的解耦。
除此之外，对房间提供热源———在室内设置散
由于冷 却 除 湿 方 法 比 较 简 单，目 前 一 些 以 热器等供暖系统，当室内相对湿度超标时开启供
表 １ 舒适性空调室内温湿度设计参数
热舒适等级 干球温度／℃ 相对湿度／％
供暖工况
Ⅰ级
２ ２ ～２４
≥３０
Ⅱ级
Fra Baidu bibliotek
１８～２２
供冷工况
Ⅰ级
２４～２６
４０～６０
Ⅱ级
２ ６ ～２ ８
≤７０
表 １ 中的供暖与供冷工况，直观的理解应该
是：在向 空 调 建 筑 提 供 热 量 （供 暖）或 者 冷 量 （供
以下结合图 ２，并采用以 ＴＨＩＰ 系统为理念的 新风冷却除湿方式来分析对新风的处理过程。
［ρc pL Ｘ ＋ （K ｃF ｃ ＋K ｑF ｑ）］（tＮ －tｌ ）＝ QＮ （３） 对于具体的房间，根据式（２ ），（３ ），即可求出相 应的 tｒ 和 tｌ 。 ２ ）室内相对湿度对送风参数的要求
上述的冷、热平衡的室外温度，仅仅是基于对
房间温度的要求来进行评价的，而没有考虑房间相
对湿度的问题。同样以图 ２ 中的Ⅱ级舒适度为例， 对于全年来说，相对湿度≤７０ ％就成为室内相对湿 度控制的高限值。以下从保证相对湿度的角度分
ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｓｙｓｔｅｍ，以下简称 参数为 dＬ ，tＮ 时，送风只承担室内湿负荷而不承担
ＴＨＩＰ 系统）的设计理念是：利用新风来消除房间 室内显热负荷，是最符合这一理念的。但冷却除湿
的余湿（潜热冷负荷），并利用室内干式末端设备来 的特点决定了表冷器无法将新风直接由室外参数
①☆ 潘云钢，男，１９６２ 年 ８ 月生，大学，教授级高级工程师，副总工 程师
１０００４４ 北京市西城区车公庄大街 １９ 号 （０１０）６８３４３８８２ Ｅ-ｍａｉｌ：ｐａｎｙｇ＠ｃａｄｇ．ｃｎ 收稿日期：２０１４ ０５ ０５ 修回日期：２０１４ ０６ ０４
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析对新风送风参数的要求。
１ ）新风送风含湿量的最大限值 dＳｍａｘ 在房间余湿恒定的条件下，新风对房间的除湿
能力任何时候都是相同的，即：在达到房间湿平衡
时，不 同 功 能 房 间 新 风 送 风 的 含 湿 量 差 ΔdＳ（＝ dＮ －dＳ）都是相同的。例如在表 ２ 中，对于旅馆客 房和办公室，ΔdＳ ＝３ ｇ／ｋｇ。