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摘要：作为一种在节能方面优势明显的新型空调技术，对温湿度独立控制空调的性能、核心部件、现状、存在问题进行了综合分析，并提出展望。
关键词：温湿度独立控制 空调技术 优势 性能分析展望
1引言
随着国家进入能源短缺时代，节能降耗成为我国目前一个重要的战略目标。冬季采暖、夏季制冷作为建筑能耗的主体，除了使用外墙保温和先进的门窗系统以外，采暖和制冷方式的不断改进和创新，将是节能的关键所在[1]。完善的空调技术是节能的有力保障，温湿度独立控制空调技术作为一种新型空调技术优势明显。
2系统优势分析
2.1优势分析
温湿度独立调节空调技术对中央空调系统的设计具有很强的指导意义，并且该技术可以大幅度提高空调系统效率，市场前景广阔，具体表现如下[2]：
1.打破了传统舒适性空调的温湿度控制理念，确保空调房间的空气状态稳定和热舒适性， 其改变了传统空调系统室内空气状态的波动而造成的能源浪费或舒适性降低的现象。
2.该技术实现了按能量品位需求配置空调冷冻水，大大提高冷水机组的平均蒸发温度，制冷系统的节能效果非常明显，双冷源系统、单冷源大温差系统或单冷源加溶液调湿新风系统等节能技术均是很好的节能解决方案。
3.该技术实现了需求化通风（提供新风量)的节能理念，CO2浓度或相对湿度控制的变风量新风系统，根据房间内人员密度的变化调节新风量，节能效果明显。
4.对于热湿比较大的工艺性空调系统，该技术克服了“大马拉小车”的现象，既可以减小空气的输送能耗，也可以提高制冷效率。
5. 溶液调湿新风系统将空调排风热回收系统融合在一起，克服了传统热回收系统性价比不合理的缺点；其除湿深度大，可以适应人流密度较大的场所，克服了冷却除湿系统的局限性，为温湿度独立调节空调技术得以广泛应用提供了技术支持；另外该系统具有一定的杀菌作用。
2.2系统分析
温湿度独立控制空调系统中，采用温度与湿度两套独立的空调控制系统，分别控制、调节室内的温度与湿度，以溶液除湿空调系统为例进行系统分析。温湿度独立控制空调系统的工作原理参见图1[3]。
3温湿度独立控制空调系统性能分析
3.1除湿空调系统的性能分析
温湿度独立控制空调系统的工作原理参见图1，溶液除湿系统负责处理新风，使之承担建筑的全部潜热负荷、控制室内湿度；17℃左右的冷水送入辐射板或干式风机盘管等末端装置，
用于去除建筑的显热负荷、控制室内温度。
3.2与常规空调系统的性能比较
建筑的总负荷由潜热负荷与显热负荷组成，目前空调系统普遍采用冷凝除湿方式（采用7℃的冷冻水）实现对空气的降温与除湿处理，同时去除建筑的显热负荷与潜热负荷（湿负荷）。降温要求冷源温度低于空气的干球温度， 除湿要求冷源温度低于空气的露点温度， 占总负荷一半以上的显热负荷本可以采用高温冷源排走， 却与除湿一起共用7℃的低温冷源进行处理，造成了能量利用品位上的浪费[4]。而温湿度独立处理空调系统，是采用温度与湿度两套独立的空调控制系统，由于除湿的任务由湿度控制系统承担，温度控制系统所需的冷源温度可从原来的7℃提高18℃，为地下水等很多天然冷源的使用提供了条件[5,6]。
4 核心部件分析[7]
由图1可以看出: 温湿度独立控制系统的4个核心组成部件分别为：高温冷水机组（出水温度 18℃）、新风处理机组（制备干燥新风）、去除显热的室内末端装置、去除潜热的室内送风末端装置。下面分别介绍这几个核心部件以及在不同气候地区的推荐形式。
4.1温度调节系统- 高温冷源的制备
由于除湿的任务由处理潜热的系统承担，因而显热控制系统的冷水供水温度由常规空调系统中的7℃提高到18℃左右[8]。此温度的冷水为天然冷源的使用提供了条件，如地下水、土壤源换热器等。在西北干燥地区，可以利用室外干燥空气通过直接蒸发或间接蒸发的方法获取18℃冷水。即使没有地下水等自然冷源可供利用，需要通过机械制冷方式制备出18℃冷水时，由于供水温度的提高，制冷机的性能系数也有明显提高。
4.1.1深井回灌供冷技术
10m以下的地下水水温一般接近当地的室外年均温度，如果当地的年均温度低于15℃， 通过抽取深井水作为冷源，使用后再回灌到地下的方法就可以不使用制冷机而获得高温冷源。当采用这种方式时，一定要注意必须严格实现利用过的地下水的回灌和防止污染， 否则将造成巨大的地下水资源浪费。
4.1.2通过土壤换热器获取高温冷水
可以直接利用土壤中埋管构成土壤源换热器，让水通过埋管与土壤换热，使水冷却到18℃以下，使其成为吸收室内显热的冷源。土壤源换热器可以为垂直埋管形式，也可以是水平埋管方式。当采用垂直埋管形式时，埋管深度一般在100m 左右，管与管间距在5m左右。当采用土壤源方式在夏季获取冷水时，一定注意要同时在冬季利用热泵方式从地下埋管中提取热量，以保证系统（土壤）全年的热平衡。否则长期抽取冷量就會使地下逐年变热，最终不能使用。 当采用大量的垂直埋管时，土壤源换热器成为冬夏之间热量传递蓄热型换热器。此时夏季的冷却温度就不再与当地年平均气温有关，而是由冬夏的热量平衡和冬季取热蓄冷时的蓄冷温度决定。只要做到冬夏间的热量平衡[9,10]，在南方地区也可以通过这一方式得到合适温度的冷水。
4.1.3高温冷水机组
在无法利用地下水等天然冷源或冬蓄夏取技术获取冷水时，即使采用机械制冷方式，由于要求的水温高，制冷压缩机需要的压缩比很小，制冷机的性能系数也可以大幅度提高。如果将蒸发温度从常规冷水机组的2~3℃提高到14~16℃，当冷凝温度为40℃时，卡诺制冷机的COP将从7.2~7.5 提高到11.0~12.0。对于现有的压缩式制冷机，怎样改进其结构形式，使其在小压缩比时能获得较高的效率，是对制冷机制造者提出的新课题。
4.2湿度调节系统
对于我国西北干燥地区，室外新风的含湿量很低，新风处理机组的核心任务是实现对新风的降温处理过程，可通过直接或者间接蒸发冷却方式来实现。对于我国东南潮湿地区，室外新风的含湿量很高，新风处理机组的核心任务是实现对新风的除湿处理过程。对新风的除湿处理可采用溶液除湿[11]、转轮除湿等方式。转轮的除湿过程接近等焓过程，除湿后的空气温度显著升高需要进一步通过高温冷源（18℃）冷却降温。但转轮除湿的运行能耗难以与冷凝除湿方式抗衡，转轮除湿机除掉的潜热量与耗热量之比一般难以超过 0.6。溶液除湿新风机组以吸湿溶液为介质，可采用热泵（电）或者热能作为其驱动能源。
热泵驱动的溶液除湿新风机组，夏季实现对新风的降温除湿处理功能，冬季实现对新风的加热加湿处理功能，热泵的蒸发器对除湿浓溶液进行冷却，以增强溶液除湿能力并吸收除湿过程中释放的潜热；热泵冷凝器的排热量用于溶液的浓缩再生。
4.3 核心部件: 室内末端装置
余热消除末端装置可以采用辐射板、干式风机盘管等多种形式，采用较高温度的冷源通过辐射、对流等多种方式实现[12]。由于冷水的供水温度高于室内空气的露点温度，因而不存在结露的危险。当室内设定温度为 25℃时，采用屋顶或垂直表面辐射方式，即使平均冷水温度为20℃，单位面积辐射表面仍可排除显热40W/m2，已基本可满足多数类型建筑排除围护结构和室内设备发热量的要求。此外，还可以采用干式风机盘管排除显热， 由于不存在凝结水问题，干式风机盘管可采用完全不同的结构和安装方式，这可使风机盘管成本和安装费用大幅度降低，并且不再占用吊顶空间。这种末端方式在冬季可完全不改变新风送风参数，仍由其承担室内湿度和 CO2 的控制。
在温湿度独立控制空调系统中，由于仅是为了满足新风和湿度的要求，因而送风量远小于变风量系统的风量。这部分空气可通过置换送风的方式从下侧或地面送出，也可采用个性化送风方式直接将新风送入人体活动区。
5 现状及问题
5.1应用现状
现今温湿度独立控制空调技术应用方面的研究有不少的学者在做，技术比较成熟的是液体除湿温湿度独立控制技术。液体除湿温湿度独立控制技术吸湿溶液的浓缩再生可采用天然气、冷凝器排热、太阳能、城市热网热水等多种方式。有人提出了用太阳能再生的溶液除湿空调系统的构思。不少学者研究了基于溶液除湿方式的复合式空调系统的性能。
在我国东南潮湿地区，利用机械制冷方式的高温冷水机组制备出16~19℃冷水，送入室內风机盘管或辐射板等末端装置，控制室内温度；通过溶液除湿方式，实现对新风的降温除湿处理，将干燥的新风送入室内置换风口或个性化风口，控制室内湿度。相对于常规空调系统而言，此形式的温湿度独立控制空调系统可节能约30%。
在我国西北干燥地区，利用间接蒸发冷水机组制得16~19℃冷水，送入室内的风机盘管或辐射吊顶等显热末端，带走室内的显热负荷； 通过间接蒸发冷却或者多级蒸发冷却的方式处理新风，带走室内的湿负荷。相对于常规空调系统而言，此形式的温湿度独立控制空调系统可节能约 21.9% [13]。
5.2存在的问题
1. 溶液调湿新风机组的结构宜进一步优化，过大的体积对实际应用有一定困难。宜采取相应的技术措施避免溴化锂溶液的味道进入空调房间。
2. 两个独立系统如何配合。
3. 与其他技术的结合如何接入，经济性有待研究。
4. 如何市场化，如何大规模推广还有待研究。
6展望
6.1应用前景展望
温湿度独立控制空调系统目前还处于研究阶段，只在个别的实验性建筑中使用。以上分析得出，这种空调系统节能潜力在30%以上，并且能与多种技术结合使用，充分利用低品质能源。客观说有很大的应用前景，同时满足当前国家节能降耗的需要，提高能源的利用效率。提倡应用这项节能的空调技术，尤其是应用低温冷冻水除湿的温湿度独立控制空调系统，利用液体除湿可以较大幅度的降低能耗，但是不可避免的少量液体除湿剂的挥发会对室内环境造成一定的影响，而在该方面的研究还不够充分，同时液体除湿剂的腐蚀性也是一个不利因素。同时我们会想到，既然这项新技术很节能，而且这项技术经提出几年，为什么没有得到大规模的推广，所以说应用一定要慎重，试点推广很有必要。
6.2空调技术研究展望
作为暖通专业的一员，我认为当前空调技术研究之所以多年来没有取得较大进步，不仅仅是因为本专业的发展受到资金的局限，同时我们的研究仅仅局限在研究新型制冷剂，完善空调系统方面，而对其他技术的引入缺乏认识也是原因之一。空调技术的发展需要其他专业的支持，卡诺循环实现能量的搬运是一种空调方法，利用季节特点储能制冷供暖也是一种空调方法，新的更节能的空调方法一定存在，多种专业结合研究新型空调技术势在必行。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：温湿度独立控制 空调技术 优势 性能分析展望
1引言
随着国家进入能源短缺时代，节能降耗成为我国目前一个重要的战略目标。冬季采暖、夏季制冷作为建筑能耗的主体，除了使用外墙保温和先进的门窗系统以外，采暖和制冷方式的不断改进和创新，将是节能的关键所在[1]。完善的空调技术是节能的有力保障，温湿度独立控制空调技术作为一种新型空调技术优势明显。
2系统优势分析
2.1优势分析
温湿度独立调节空调技术对中央空调系统的设计具有很强的指导意义，并且该技术可以大幅度提高空调系统效率，市场前景广阔，具体表现如下[2]：
1.打破了传统舒适性空调的温湿度控制理念，确保空调房间的空气状态稳定和热舒适性， 其改变了传统空调系统室内空气状态的波动而造成的能源浪费或舒适性降低的现象。
2.该技术实现了按能量品位需求配置空调冷冻水，大大提高冷水机组的平均蒸发温度，制冷系统的节能效果非常明显，双冷源系统、单冷源大温差系统或单冷源加溶液调湿新风系统等节能技术均是很好的节能解决方案。
3.该技术实现了需求化通风（提供新风量)的节能理念，CO2浓度或相对湿度控制的变风量新风系统，根据房间内人员密度的变化调节新风量，节能效果明显。
4.对于热湿比较大的工艺性空调系统，该技术克服了“大马拉小车”的现象，既可以减小空气的输送能耗，也可以提高制冷效率。
5. 溶液调湿新风系统将空调排风热回收系统融合在一起，克服了传统热回收系统性价比不合理的缺点；其除湿深度大，可以适应人流密度较大的场所，克服了冷却除湿系统的局限性，为温湿度独立调节空调技术得以广泛应用提供了技术支持；另外该系统具有一定的杀菌作用。
2.2系统分析
温湿度独立控制空调系统中，采用温度与湿度两套独立的空调控制系统，分别控制、调节室内的温度与湿度，以溶液除湿空调系统为例进行系统分析。温湿度独立控制空调系统的工作原理参见图1[3]。
3温湿度独立控制空调系统性能分析
3.1除湿空调系统的性能分析
温湿度独立控制空调系统的工作原理参见图1，溶液除湿系统负责处理新风，使之承担建筑的全部潜热负荷、控制室内湿度；17℃左右的冷水送入辐射板或干式风机盘管等末端装置，
用于去除建筑的显热负荷、控制室内温度。
3.2与常规空调系统的性能比较
建筑的总负荷由潜热负荷与显热负荷组成，目前空调系统普遍采用冷凝除湿方式（采用7℃的冷冻水）实现对空气的降温与除湿处理，同时去除建筑的显热负荷与潜热负荷（湿负荷）。降温要求冷源温度低于空气的干球温度， 除湿要求冷源温度低于空气的露点温度， 占总负荷一半以上的显热负荷本可以采用高温冷源排走， 却与除湿一起共用7℃的低温冷源进行处理，造成了能量利用品位上的浪费[4]。而温湿度独立处理空调系统，是采用温度与湿度两套独立的空调控制系统，由于除湿的任务由湿度控制系统承担，温度控制系统所需的冷源温度可从原来的7℃提高18℃，为地下水等很多天然冷源的使用提供了条件[5,6]。
4 核心部件分析[7]
由图1可以看出: 温湿度独立控制系统的4个核心组成部件分别为：高温冷水机组（出水温度 18℃）、新风处理机组（制备干燥新风）、去除显热的室内末端装置、去除潜热的室内送风末端装置。下面分别介绍这几个核心部件以及在不同气候地区的推荐形式。
4.1温度调节系统- 高温冷源的制备
由于除湿的任务由处理潜热的系统承担，因而显热控制系统的冷水供水温度由常规空调系统中的7℃提高到18℃左右[8]。此温度的冷水为天然冷源的使用提供了条件，如地下水、土壤源换热器等。在西北干燥地区，可以利用室外干燥空气通过直接蒸发或间接蒸发的方法获取18℃冷水。即使没有地下水等自然冷源可供利用，需要通过机械制冷方式制备出18℃冷水时，由于供水温度的提高，制冷机的性能系数也有明显提高。
4.1.1深井回灌供冷技术
10m以下的地下水水温一般接近当地的室外年均温度，如果当地的年均温度低于15℃， 通过抽取深井水作为冷源，使用后再回灌到地下的方法就可以不使用制冷机而获得高温冷源。当采用这种方式时，一定要注意必须严格实现利用过的地下水的回灌和防止污染， 否则将造成巨大的地下水资源浪费。
4.1.2通过土壤换热器获取高温冷水
可以直接利用土壤中埋管构成土壤源换热器，让水通过埋管与土壤换热，使水冷却到18℃以下，使其成为吸收室内显热的冷源。土壤源换热器可以为垂直埋管形式，也可以是水平埋管方式。当采用垂直埋管形式时，埋管深度一般在100m 左右，管与管间距在5m左右。当采用土壤源方式在夏季获取冷水时，一定注意要同时在冬季利用热泵方式从地下埋管中提取热量，以保证系统（土壤）全年的热平衡。否则长期抽取冷量就會使地下逐年变热，最终不能使用。 当采用大量的垂直埋管时，土壤源换热器成为冬夏之间热量传递蓄热型换热器。此时夏季的冷却温度就不再与当地年平均气温有关，而是由冬夏的热量平衡和冬季取热蓄冷时的蓄冷温度决定。只要做到冬夏间的热量平衡[9,10]，在南方地区也可以通过这一方式得到合适温度的冷水。
4.1.3高温冷水机组
在无法利用地下水等天然冷源或冬蓄夏取技术获取冷水时，即使采用机械制冷方式，由于要求的水温高，制冷压缩机需要的压缩比很小，制冷机的性能系数也可以大幅度提高。如果将蒸发温度从常规冷水机组的2~3℃提高到14~16℃，当冷凝温度为40℃时，卡诺制冷机的COP将从7.2~7.5 提高到11.0~12.0。对于现有的压缩式制冷机，怎样改进其结构形式，使其在小压缩比时能获得较高的效率，是对制冷机制造者提出的新课题。
4.2湿度调节系统
对于我国西北干燥地区，室外新风的含湿量很低，新风处理机组的核心任务是实现对新风的降温处理过程，可通过直接或者间接蒸发冷却方式来实现。对于我国东南潮湿地区，室外新风的含湿量很高，新风处理机组的核心任务是实现对新风的除湿处理过程。对新风的除湿处理可采用溶液除湿[11]、转轮除湿等方式。转轮的除湿过程接近等焓过程，除湿后的空气温度显著升高需要进一步通过高温冷源（18℃）冷却降温。但转轮除湿的运行能耗难以与冷凝除湿方式抗衡，转轮除湿机除掉的潜热量与耗热量之比一般难以超过 0.6。溶液除湿新风机组以吸湿溶液为介质，可采用热泵（电）或者热能作为其驱动能源。
热泵驱动的溶液除湿新风机组，夏季实现对新风的降温除湿处理功能，冬季实现对新风的加热加湿处理功能，热泵的蒸发器对除湿浓溶液进行冷却，以增强溶液除湿能力并吸收除湿过程中释放的潜热；热泵冷凝器的排热量用于溶液的浓缩再生。
4.3 核心部件: 室内末端装置
余热消除末端装置可以采用辐射板、干式风机盘管等多种形式，采用较高温度的冷源通过辐射、对流等多种方式实现[12]。由于冷水的供水温度高于室内空气的露点温度，因而不存在结露的危险。当室内设定温度为 25℃时，采用屋顶或垂直表面辐射方式，即使平均冷水温度为20℃，单位面积辐射表面仍可排除显热40W/m2，已基本可满足多数类型建筑排除围护结构和室内设备发热量的要求。此外，还可以采用干式风机盘管排除显热， 由于不存在凝结水问题，干式风机盘管可采用完全不同的结构和安装方式，这可使风机盘管成本和安装费用大幅度降低，并且不再占用吊顶空间。这种末端方式在冬季可完全不改变新风送风参数，仍由其承担室内湿度和 CO2 的控制。
在温湿度独立控制空调系统中，由于仅是为了满足新风和湿度的要求，因而送风量远小于变风量系统的风量。这部分空气可通过置换送风的方式从下侧或地面送出，也可采用个性化送风方式直接将新风送入人体活动区。
5 现状及问题
5.1应用现状
现今温湿度独立控制空调技术应用方面的研究有不少的学者在做，技术比较成熟的是液体除湿温湿度独立控制技术。液体除湿温湿度独立控制技术吸湿溶液的浓缩再生可采用天然气、冷凝器排热、太阳能、城市热网热水等多种方式。有人提出了用太阳能再生的溶液除湿空调系统的构思。不少学者研究了基于溶液除湿方式的复合式空调系统的性能。
在我国东南潮湿地区，利用机械制冷方式的高温冷水机组制备出16~19℃冷水，送入室內风机盘管或辐射板等末端装置，控制室内温度；通过溶液除湿方式，实现对新风的降温除湿处理，将干燥的新风送入室内置换风口或个性化风口，控制室内湿度。相对于常规空调系统而言，此形式的温湿度独立控制空调系统可节能约30%。
在我国西北干燥地区，利用间接蒸发冷水机组制得16~19℃冷水，送入室内的风机盘管或辐射吊顶等显热末端，带走室内的显热负荷； 通过间接蒸发冷却或者多级蒸发冷却的方式处理新风，带走室内的湿负荷。相对于常规空调系统而言，此形式的温湿度独立控制空调系统可节能约 21.9% [13]。
5.2存在的问题
1. 溶液调湿新风机组的结构宜进一步优化，过大的体积对实际应用有一定困难。宜采取相应的技术措施避免溴化锂溶液的味道进入空调房间。
2. 两个独立系统如何配合。
3. 与其他技术的结合如何接入，经济性有待研究。
4. 如何市场化，如何大规模推广还有待研究。
6展望
6.1应用前景展望
温湿度独立控制空调系统目前还处于研究阶段，只在个别的实验性建筑中使用。以上分析得出，这种空调系统节能潜力在30%以上，并且能与多种技术结合使用，充分利用低品质能源。客观说有很大的应用前景，同时满足当前国家节能降耗的需要，提高能源的利用效率。提倡应用这项节能的空调技术，尤其是应用低温冷冻水除湿的温湿度独立控制空调系统，利用液体除湿可以较大幅度的降低能耗，但是不可避免的少量液体除湿剂的挥发会对室内环境造成一定的影响，而在该方面的研究还不够充分，同时液体除湿剂的腐蚀性也是一个不利因素。同时我们会想到，既然这项新技术很节能，而且这项技术经提出几年，为什么没有得到大规模的推广，所以说应用一定要慎重，试点推广很有必要。
6.2空调技术研究展望
作为暖通专业的一员，我认为当前空调技术研究之所以多年来没有取得较大进步，不仅仅是因为本专业的发展受到资金的局限，同时我们的研究仅仅局限在研究新型制冷剂，完善空调系统方面，而对其他技术的引入缺乏认识也是原因之一。空调技术的发展需要其他专业的支持，卡诺循环实现能量的搬运是一种空调方法，利用季节特点储能制冷供暖也是一种空调方法，新的更节能的空调方法一定存在，多种专业结合研究新型空调技术势在必行。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。