温湿度独立控制的空调系统在中国的应用

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。