江亿-温湿度独立控制空调系统研究成果及未来发展趋势分析

温湿度独立控制空调系统研究成果及未来发展趋势分析清华大学建筑节能研究中心江亿传统空调系统面临的挑战`节能，改善室内空气质量`空调的能源消耗：`制冷：40％～60％，温度越低能耗越高`冷量输送：风机消耗20％（仅新风）～60％（全空气）`温度湿度耦合：冷却除湿后再热，冷却除湿后再加湿`欧洲提出未来的节能方向：`高温供冷，低温供热（大幅度提高冷热源效率），低火用`温度控制与通风换气分别处理（仅按照新风要求确定风量，降低风机电耗）`欧洲几乎不存在湿度问题`有必要反思现有的空调系统方式，探讨新的思路风机盘管可实现的处理区域实际要求送风点传统空调系统面临的挑战传统空调系统面临的挑战`温度和湿度是两个相互独立的参数`室内热源变化和湿源变化不一致`热湿比变化范围：-∞，+∞`传统空调`系统效率低、难于满足热湿比的变化、再热再湿、输配能耗大冷机实际COP=5.5，冷机η=5.5/7.2=76%系统η=5.5/29.8=18%对空调系统的要求`精确控制室内温湿度`避免热湿耦合`提供足够的新鲜空气，满足室内控制质量要求`节省热源/冷源能耗`避免过度降温后的再热以及深度除湿后的加湿`提高排除显热的冷源温度，从而提高冷源效率`节省输配能耗`优先选用制冷剂，其次是水，最后是空气温湿度独立控制系统`湿度控制及室内空气品质:干燥新风`温度控制:高温冷源(冬季低温热源)`对照传统方式：温度、湿度、空气质量都依赖空气换气，很难兼顾，往往只保证温度，造成湿度不当、IAQ差16~20ºC,8g/kg高温冷源15~19ºC水或制冷剂风机盘管辐射板根据人员数量湿度控制控制风机盘管转速,i.e.-温度控制干燥新风显热末端送风末端低温热源房间温湿度独立控制系统特点`精确控制室内温湿度`避免热湿耦合处理`提高能源利用率`高温冷源:自然免费冷源,高COP的热泵`提高输运效率`只有新风需要空气输运`可利用水或制冷剂输运冷、热量`温湿度独立控制不是一种系统形式，而是一种新的设计理念16~20ºC,8~9g/kg高温冷源15~19ºC水或制冷剂风机盘管辐射板干燥新风显热末端送风末端低温热源潮湿地区除湿机;干燥地区蒸发冷却置换送风个性化送风辐射板干式风机盘管ヒートポンプ杭自然免费冷源,高温冷水机根据气候决定方式中国各地区室外空气湿度状况所示各地含湿量(g/kg)为最湿月室外含湿量的平均值分界线:室外含湿量：12g/kg9.97.610.711.511.412.915.018.217.119.416.020.319.513.8东南潮湿地区:™室外空气需要被除湿.™如何选择最佳除湿方式是关键东南潮湿地区:™室外空气需要被除湿.™如何选择最佳除湿方式是关键西北干燥地区:™室外空气本来就是干燥的!™新风不需湿度处理,应用间接蒸发冷却技术对新风等湿降温.西北干燥地区:™室外空气本来就是干燥的!™新风不需湿度处理,应用间接蒸发冷却技术对新风等湿降温.需要解决的关键设备`高温冷源：高效地获取18～20℃的冷水`新风除湿：高效地把新风处理到8g/kg.air`显热末端：在小温差(～5K)下释放冷量`新风送风散流器：怎样把较小的新风直接送到人附近？高温冷源的获取`利用间接蒸发冷却，可以获得仅比露点高3℃的水`利用地下水？`只适合上游地区（重庆）`利用地下埋管换热器？`加大埋管数量`每米约15～20W`冬季采用地源热泵供热`高温冷水机组`离心机：COP达到9`螺杆机：COP达到8dewpointofinletairwetbulbofinletairtemperatureofcoldwater10.0015.0020.0025.0006073117:0006073119:3006073122:0006080112:2006080114:5006080117:2006080119:5006080212:0006080214:3006080217:0006080219:3006080222:00time高温冷源的获取`统一的冷源，出水温度7℃，同时满足新风除湿和显热消除的需要。通过换热或混水获得18～20℃的高温冷水？`失去了通过提高冷源温度节能的潜力`为什么非要设置单一冷源？新风可以由高温冷水预冷，但应采用其它的低温冷源或其它方式除湿`新风和风机盘管串联连接，从新风机出来再进入风盘？`新风侧是大温差降温，因此冷水应该小流量、大温升`新风机出口水温随天气在大范围那变化，不应由它为FUC供水`冰蓄冷冷源`与冰蓄冷可采用低温送风等可能的措施相矛盾，丧失其优点`高蒸发温度的多联机方式（只解决显热）`大金正在开发，关键问题：小压差膨胀阀，末端大风量水系统及显热末端`采用一般的风机盘管？`送风温度20～21℃，送风温差只能5～6K，同样风量时，显热量仅为原来的～60％，冷量仅为原来的～40％`换热温差平均不到原来的一半，且为干工况，换热系数小`必须加大风量，加大换热面积或高效换热`显热风机盘管的有利条件`由于是干工况，无须考虑凝水问题，可采用新的高效换热`改变进出风方式、取消风道、大幅度降低风阻`风量加大一倍，风阻减少一倍，风机能耗不变？`需要研制开发新型的干式风机盘管水系统及显热末端`辐射式末端（同时承担夏季供冷、冬季供热）`地埋管方式，和地板采暖方式相同，但换热温差小`天花板毛细管，垂直表面毛细管`直接接收投过玻璃的太阳辐射，可达100W/m2`一般情况下，只能30～50W/m2`辐射对流混合末端`两个表面自然对流，投影面积冷量可接近100W/m2`供热系数小，供冷系数大正好符合工况需求安装效果图水系统及显热末端`供水18℃，回水21℃，尽可能也只有3K温差`为了避免结露，同时又获得较大的冷量，希望表面温度均匀，这也希望水侧小温差`这样高温冷水就要“大流量、小温差”`通过阀门调节流量不能解决冷量调节问题`末端最好的调节方式应该是“通断”式调节`取消各类调节阀门，加大管径`一次泵系统，扬程控制在20米以内，不使水泵能耗增加`阻力集中在冷源、过滤器和末端，干管压降很小，流量自然平衡新风处理方式`西部干燥地区，室外空气d总小于9g/kg.air，不需要除湿，甚至可以通过蒸发冷却降温，把一部分△d转换为△t`即使在北京，需要新风除湿的时间不超过3个月，远小于需要空调降温的时间`在长江流域和南方，新风需要除湿的时间超过6个月，湿度可超过25g/kg.air新风处理方式`除湿方式：`高温冷水预冷＋直接蒸发冷凝除湿`空气状态先降温到饱和线，再沿饱和线除湿`转轮除湿，另一侧加热再生`除湿过程：空气状态沿等焓线升温减湿`再生过程：空气状态沿等焓线降温加湿`溶液除湿，通过热泵，蒸发器侧除湿降温，冷凝器侧再生`空气状态沿等相对湿度变化`大金的固体除湿新风机`空气状态沿等相对湿度变化压缩机排风回风新风送风新风送风回风排风膨胀阀冷凝器蒸发器压缩机两级全热回收一些工程案例潮湿地区商业建筑`深圳招商地产`深圳夏季室外空气参数`温度:30ºC`含湿量:20g/kg-dryair`相对湿度:80%大约20,000m2CoolingwaterpumpOutdoorairOutdoorairprocessorSuppliedairReturnairExhaustairCoolingtowerChillerChilledwaterpumpFCU&radiantpanel1stfloor4thfloor2ndfloor3rdfloorOutdoorairprocessor17ºC`溶液除湿机新风送风回风排风膨胀阀冷凝器蒸发器压缩机两级全热回收`溶液除湿机组CoolingDehumidifyDeepDehumidifyTotalHeatRecoveryHumidifyFreshairt(°C)36.022.822.835.96.44.3Freshaird(g/kg)24.68.68.626.72.11.6Supplyairt(°C)17.316.111.930.422.525.6Supplyaird(g/kg)8.65.13.419.57.210.7Returnairt(°C)26.033.226.326.120.522.1Returnaird(g/kg)12.218.316.312.14.05.1Exhaustairt(°C)39.143.942.232.67.06.6Exhaustaird(g/kg)37.323.424.120.32.72.9COP5.002.321.7462.5%6.24.6极度潮湿条件下：COP=5.0能源利用率分析新风处理冷冻水系统OAHU风机冷机冷冻泵冷却泵冷却塔风机盘管系统供冷量/kW773.0446.11219.1耗电量/kW166.920.052.530.614.63.719.4307.7COP4.3(OAHU=4.6)3.7(冷机=8.5)4.0COP→4.8系统COP→4.4温湿度独立控制系统的能耗0 15,000 30,000 45,000 60,000 75,000 90,000 105,000 AprMayJunJulAugSepOct能耗/kWh年耗电量:32kWh/(m2空调面积)深圳普通建筑:~50kWh/(m2空调面积)干燥地区商业建筑`传统空调`新风进行加湿，回风采用7oC冷水进行降温除湿`THIC`间接蒸发冷水机组+间接蒸发新风机组，传统空调THIC`用于干燥地区的间接蒸发式冷水机组`间接蒸发式冷水机组`新疆地区应用：干球32.8ºC,湿球21.5ºCdewpointofinletairwetbulbofinletairtemperatureofcoldwater10.0015.0020.0025.0006073117:0006073119:3006073122:0006080112:2006080114:5006080117:2006080119:5006080212:0006080214:3006080217:0006080219:3006080222:00timeCOP10室外干球温度室外露点温度冷水温度干燥地区商业建筑`间接蒸发式冷水机组`新疆某医院`干球:30ºC,湿球:20ºC,露点:15ºC新疆某医院间接蒸发冷水机组间接蒸发新风机冷水：17~18ºC空气：21ºC干燥地区商业建筑`THIC能耗分析室外新风机高温冷水机OAHU风机总和冷机冷冻水泵风机盘管总合系统冷量/kW169.6218.8388.4嫩耗/kW13.528.341.813.814.919.247.989.7COP12.6--4.115.9----4.64.3系统COP=冷量/空调系统耗电量=4.3干燥地区商业建筑`THIC同传统空调能耗对比Conventionalsystem1:--冷机冷量：388kW,冷机COP=6--系统能耗：141kW,系统COP=2.8Conventionalsystem2:--冷机冷量：538kW(包括150kW潜热负荷),冷机COP=6--系统能耗：184kW,系统COP=2.9商业建筑中的应用总结北京印钞厂东区检封车间`项目概况`空调面积约10000m2，室内温湿度要求严格：温度24±2℃，相对湿度55±5%。需要解决的问题`室内温湿度参数失控`采用冷凝除湿，除湿效果严重依赖于冷冻水温度，夏季高温高湿天气时，冷冻水温度很难保证，导致室内温湿度失控。`为了控制湿度，只能采用再热，夏季专门开一台燃气锅炉`实测结果：`温度：21.5~25.5℃`相对湿度：47~59%2021222324252612345678910111213141516房间编号温度（℃）404550556012345678910111213141516房间编号相对湿度（%）需要解决的问题`室内油墨味浓重`夏季高温高湿条件下，新风除湿不利导致室内温湿度失控，为维持室内参数，不得已关闭新风。`现场勘查：`新风阀开度为0%`回风阀开度为100%。需要解决的问题`空调系统能耗大`室内要求恒温恒湿，采用冷凝除湿加再热的方式，造成冷热抵消，能耗较大。改造后温湿度独立控制空调系统全空气系统(HVA-PF)溶液调湿机