潘云钢：温湿度独立控制空调系统的研究与发展

潘云钢 中国建筑设计研究院总工程师(中国)

  潘云钢：各位专家，大家下午好！

  很高兴，也很荣幸受主办单位的邀请，这个题目也是咱们主办单位给我指定的题目，因为我们的论坛是健康住宅的研讨，更多在住宅方面，我的演讲题目从现在中国的实际建筑情况来说，在现阶段更适合于公共建筑，在座各位各个行业的专家，有些内容也是相通的，尤其我们房地产开发商的各位同仁，不光仅做住宅，工建也会涉及到公建也会涉及到，总体的来说，因为各个方面的原因由于各方面的原因，应用的还是相对有限的。

  我演讲的题目名称是“温湿度独立控制空调系统的研究与发展”。我们为什么要做这样一个课题的研究？因为所有的科技进步都是基于一点，前面发现了问题，再通过研究，再解决问题，提出新的思路，这样来解决问题，推动我们国家各个行业，当然也包括我们的建筑业的科技进步，因为我的专业是暖通空调专业，美国凯立博士发明了空调，有100多年历史，传统空调的模式最主要的一点是降温和除湿是用同样的一个方法来解决。最简单的就是家里用的中央空调，都是用冷酶或者冷水，一种低温的冷水，在夏天对空气进行降温，降温的同时，也除去房间多余的水分，这样的话，保持使房间的温度和湿度在一个可以接受的范围。传统空调用了这么多年，现在还是作为主流的形式，它有什么问题，也是这十年二十年一直不断的进步，不断的探讨的话题，现在，在这个理念上有一个特别关键的问题，这个问题从两点来说，第一点就是对房间空气调节的特点，因为设计院设计空调系统，考虑的是夏季设计状态点，举个例子，这是我们的室内设计状态点，我们把冷风送到室内来，沿着这样一个路径线，这是相对湿度90%、95%的湿度线，这一点送风。但是从房间来说，比如说，我们以办公室为例，办公室到了春天或者到了秋季的时候，热量明显减少，房间的冷负荷也减少了，也就是人员的散湿量，我们现在在办公每个成年人每小时散湿量109克左右，如果你有十个人就是一公斤水，一小时出来一公斤水，因为它的热量是在不断的变化，而湿基本上不变，这个点，夏季的设计状态，这是叫做热湿比线，相当于夏季方房间的冷负荷，如果是我们的冷负荷不断的减少，但是湿负荷不变的情况下，这个线就要求线不断的向上偏移，就是这个送风点，要求从这一点陆陆续续不断的往上升，从房间需求来说，这样才能保证房间的温度和湿度同时控制在一个合理的范围。如果你还是以这一点送风，本来需要这一点，还是以这一点送风，房间发现湿度的控制还是在50%，但是它的温度，这个纵坐标是温度，横坐标是空气的含湿量。它的湿度是可以保持不变，但是它的温度，比如说需要20度的风送进去就可以了，但是我现在送到15度的风，它的湿度温度就会下降，。这个现象特别体现在江浙体现的比较明显，南方的潮湿地区到过渡季，就会出现阴冷空气，家里开空调，开空调制冷的时候，房间温度特别冷，不开空调，房间湿度很大，出现这种湿冷的状态，这是房间特性，。从房间需求来说，一定是随着不同的季节，随着不同的室外温度，可能需要不同的送风的温度，可是我们的除湿能力基本上是一个恒定的。所以对于传统的空调，到过渡季节的时候就会出现这样的问题。

  这个问题实际上从数学关系或者从物理学定义，就是叫做温度和湿度形成了耦合关系，相当于用一个功能的东西，一个设备来解决两个功能，又降温，又除湿，它必然就有一个优先的问题，保证优先除湿还是保证优先降温，这对于一个设备来说，可能就有一个很难的难点，我们选择中的一个难题。因为耦合的关系，在数学里边，大家都知道耦合，耦合以后，如果用数学方法解析很困难，从工程来说，我们想到用另外一种解耦的方式，把它变成这样一个方式，这样一个方式，把送风分成两部分，一部分是室内的送风，管的只是室内的显热，没有除湿的问题。所以这个设计状态点可能在这儿，但是我到了秋天，春秋过渡季的时候，这个点可以逐渐调整到让它上升，房间温度需求在这个点不断上升，需要15度送风就在这儿送风，房间的温度就能控制在合理的水平。

  房间湿度怎么控制呢？靠另外一个送风，新风控制房间的湿度，这个点含湿量的差值，现在的设计状态点，一旦人员少了，也可以把这个点往前推进，除湿量就少了，这样就可以解决了一个问题。当还是十个人不变的时候，新风送风点还是不变，但是这个室内送风点可以提到20度，在这样一个系统中是做不到的，这个系统可以做到的，这是一个理念上的区别。如果这个系统不能做到，我们有技术措施可以做到，这一点是冷风，冷风是用冷水、浮梁氟凉其他制冷剂把空气冷却下来的，再给它送进房间，我们如果把冷却的风再加热，不就可以做到了吗？很简单的想法，我把这个送风冷却以后再加热，肯定能做到。比如说我们的除湿机，就是以这样一个原理来做的。当然这样冷却以后又加热的结果，就一定是存在了空气处理过程中的冷热抵消，冷热抵消一定是耗费人员了，你为了实现达到这个标准，把空气先冷却，冷却完了再加热回来，这个过程中没有对外做出任何贡献，只是为了满足这个标准，这时候就导致了冷热抵消，浪费能源。

  因为这样一个原因正因为如此，我们能不能做到，最重要的制冷是好办的，房间比控制的温度低，把房间温度冷却，从新风来说，现在对于新风就有两个，对房间的温度小，空气新鲜度，从空调设计来说，总的以新风量为主要的评判标准，这个温度跟湿度是存在相关性的，空气新鲜度在我们这样一个湿度下，也和湿度有相关性，相关性的原因在哪里？我们刚才讲了余湿量是跟房间内的人员的数量有关的。新风量的要求，也是跟人员数量有关，现在一般的标准每人30立方米，这两个数都是跟人员数量是直接线性关系，反过来说，我们对房间的除湿量和新风量也是线性的关系，它们两个可以直接发生关系，新风量的大小直接可以决定新风对房间的除湿能力，这样，这个房间除湿能力，在这个状态下，新风量多大要求除湿再大的时候，就可以有一个明确的解析的关系，很容易得到的。这时候我们就要考虑新风量和新风处理方法，同时满足一个新风处理能耗最小，在这个过程中，新风多种处理方式，这里面提到了，我们做过四个分析，以哈尔滨为代表，寒冷地区以北京为代表，中部地区以上海为代表，南方以广州为代表，全年湿温在20度，对于严寒地区最低在16度左右，如果低于17度一定会出现房间过冷，还没有供热，室外天气又比较凉爽的情况。

  反过来看这个图，为什么我们设计一定要做到这一点呢，我们不把空气从别的地方直接处理到这点就可以了吗，所有冷却除湿的设备，冷却除湿的方法先把室内空气一定要先降到露点，水分才能凝结出来，最少把空气状态点处理到这个低温，才能够让空气接入，保证一定的除湿量处理到这个露点还不够，还要拉下来，用冷却或者冷凝除湿，这个点一定接近空气相对湿度百分之百的一条线上，现在我们没有设备和控制手段能够做到在这任意点上都能处理，但是这个冷却除湿，我觉得我们的空调行业人员，自动控制人员，研发企业，从我参加工作开始，很多人在研究无露点控制，到现在为止没有可靠的稳定的成果。这就是我讲的传统空调的存在的问题。这张图是温度、湿度、新风量之间对应的关系。

  我们再来说传统空调，把新风处理掉，这么低送进来，房间可能温度过低，尤其过渡季，我们也可以想，比如说新风送进来以后，先经过排风的热回收，相当于用室内排风新风进行了再热，室内肯定能够保证相应的温湿度，但是因为再热这一块热量没有带走的，这个制冷量存在了浪费，这种方式是经常做的。我们以前的传统系统在游泳池，空调房间里面都是这样的做法。这个方法很多企业设备也是这样做的，用自身的热量来再热，经过表冷器来处理，再热方法肯定没有能量的损失，但是它出现的一个问题，到了过渡季这个新风本身温度很低，它已经失去了再热能力。所以失去了再热能力，这一块没有了，结果跟以前一样，这也是它的难题。最传统、最简单的方法，先冷水加制冷，制冷后热水盘管对它进行加热，这是很多工厂标准做法，甚至后面还有电加热，这样既浪费了冷量也浪费了热量，这是为了实现这些目标来做的。

  还有一种方法，现在工厂做得很多的，就是冷却除湿加上除湿转轮，能够有效的把温度先除湿再冷却，但是这个模式有一个最大的缺点，这个除湿转轮，这一点的温度大概在50多度，正常情况下，从室外30来度，经过除湿以后一定是升温的，到了50多度，除湿转轮了运行过程中需要再升温，再升温一定要高于50多度，在民用建筑空调系统里面，夏天再送70多度的水进去，这种情况也是比较难的。对于工业建筑必须要求，因为再生的温度热源要求如果比较高，我们也是很难做到的。现在很多人研究了，用溶液除湿的方式，由于溶液除湿系统的特性，可以把那个点变成了无露点，不是一定要处理到饱和性，从室外直接处理到室内，这样可以既除湿也降温。当然，还有很多，比如固体绿化也可以用这个功能。总的来说，想把这个点直接从这儿处理到这儿，不要露点，包括日本企业都在进行研究。这是从室内空气处理来说的问题。溶液除湿可以组合成一些其他的方式，我待会儿再介绍。

  传统空调的第二个问题，我们知道这是一个传统的空调系统，常规的，现在假设集成空调，冷水机组，蒸发温度是零度或者二度，因为我们提供的冷水温度一般在7度左右，当你的温度在5度的时候，这个蒸发温度可能是零度，性能改变了，大部分提到2度的水平。但是室外空气在35度的时候，机组的冷凝温度是40度，否则是冷却不下来的。也就是说，传统空调冷水机组工作范围这么大，零度到40度这样一个工作范围，如果我们用新的理念，温湿度独立控制系统，我们同样做这样一个冷水系统，就会发现冷凝温度还是不变，因为冷凝温度跟室外温度是相关的，但是因为我可以将供水温度提到16度，冷水机组蒸发温度从原来的0度提到10度甚至12度左右，蒸发温度提高了，工作温差原来是40度变成了30度，冷凝温度和蒸发温度之间的工作温差越小，这个冷水机组的效率就越高，制冷系数就越大，相应来说它的冷却能力越好，冷水机组从显热角度来看，这样的情况下，理论上分析至少有25%的节能效果。

  由此，有两个因素，我们形成了这样的概念图，从湿度控制来说，主要是提供一个新风干燥空气送到室内，在控制室内湿度的同时保证了人体健康也控制了二氧化碳的浓度，室内的温度靠另外一套温度控制系统，温度控制，不要除湿了，就是高温的冷源，原来需要7度的冷水现在需要14度的冷水，通过辐射板，通过冷媒这样的方式对室内温度进行降温，形成了整个系统的概念图。

  这整个思路是国家“十一五”科技攻关课题2010年就完成了，这个课题是十家单位与中国建筑设计研究院和合肥通用机械研究院，包括大学、设备制造企业、设计院和工程公司一起参与的。我后面介绍有些课题的内容，完成以后，我认为课题值得总结。在这个理念下，假设作为集中空调系统，我们当时的课题名称叫降低大型公共建筑，这是高温的冷水机组，通过冷却塔散热，在室内，这是办公室，一个是通过除湿，对新风除湿的机组，现在用溶液新风机组，把干燥的新风送到了房间，同时室内通过末端的高温冷水机组提供的高温冷水通过室内的风机盘管，对室内进行降温，形成了这样完整系统的情况。这个系统里面有几件事情需要研究，这也是我们研究课题的内容，除了系统构成、系统应用以外，有些关键设备需要开发，比如说新风处理，要用刚才的思路除了新风，第三个是高温冷水机组，尤其这个设备，原来国内是没有的，这是我们需要研发的。

  我简单介绍一下研发的情况。在介绍之前，先把课题成果完成以后我们做了计算，设计状态下做的计算，我在北京，以北京地区为例，如果按照公共建筑节能标准来做的建筑，办公建筑，它的热工做得最好的时候，大概冷负荷每平方米70瓦左右，如果做得最差的时候是130瓦左右。把两个系统做了比较，最后红的就是对比结果，用温湿度独立控制系统和常规系统，两个同时设计完了做一些能耗的比较，如果用离心机和常规系统来比，常规是COP等于5.6的离心机，现在公共建筑冷水机组标准的二级能效，我们现在相当于节能级的，前面一级能效是属于投资不经济或者说目标值，这是非常节能的，这样比较以后，这个常规系统是很节能的系统情况下，大约有3%到8%的装机容量的节省，如果我们用入门级，公共建筑节能标准规定的入门级的常规系统的离心机，COP5.1来比较，节能率是9%到14%左右，这是离心机。

  我们也开发了螺杆机，节能率在10%到13%左右。这是我说的设计点，如果从运行来说，一定是温湿度独立控制系统更大，假设我们能够在这儿充分利用冷却，给它供冷水，这个系统没有做，如果在过渡季供冷水，供高温冷水，这个效率会更高，也可以说常规系统，我们也有很多系统采用了过渡季冷却，但是这个要求多少度，水温要求7度，冷却供冷水要求7度供水的时候，室外温度在3度左右才能做到，如果把这个水温提到了16度，室外的温度只要在10度以上都能够保证冷却它，提供16度的水。耗电量必然得到了大量的减少，这样全年来说，温湿度独立控制系统一定比常规系统更节能，我把整个思路介绍了，它和住宅为什么有关，总体来说，温湿度独立控制系统不是新的系统，大家可以看到，我们这些用的东西都还是一些常规的，还是基于常规的传热这样一个思路，因为这是改不了的，还是基于这样一个方式，但是它更多的是一种理念，我们对于处理空气的温度和湿度这两者分开用不同的手段，让每个手段发挥它的最大的作用，我们说一机多能肯定是好事儿，但是一机多能的坏事儿，你要完成多项任务的时候，一定有项是主任务，有一项是次要任务，你要优先保证的是主要任务，次要任务能做就做到，做不到就放弃，如果温度和湿度，哪个是主要和次要，温度更主要一些，湿度更次要一些，但是要求高了以后，两个同时要求了，这时候两个选择上存在一定的困难了。

  这是课题做的内容，我们的设备高温冷水机组，离心式、螺杆式都做了研发，在全世界范围内，这是最早做的研发，因为第一台产品也是中国的。我们也可以看到，一些企业可能制造冷水机组，包括美国企业，我们的机组常规7度、12度也可以做到这个工况，我是依照这个工况来设计效率和依照7度、12度在运行的工况，效率是有差距的，差距是在10%到15%，如果同样的机组，我说12%和15%，现在研究的设备跟主流的厂家能效最好的产品来比较，还有10%到15%的差距。如果拿我们这样的设备，这些厂家都是做低温的，如果他们两个自己来评价比较，有30%到35%的差距效率，因为这个COP从离心机提到了8.6，原来标准是五点几，螺杆提到了6.8，国家标准规定的是4.6，已经看到了这两个实际上有35%到40%的差距。这就是高温离心机组的性能参数，不详细介绍了。

  这是高温螺杆式的性能参数，我要特别介绍一下对于磁悬浮离心机来说更适合做这样一个系统，因为它是更合理的，驱动方式和冷却润滑方式更合理。

  这是我们研究的高式风机盘管，在国际上首次研发的，专门为干工况来研究。这些相应的设备我就不详细介绍了。这是机组的特点和机组的性能指标。这个课题做完了，我们认为还有一些内容需要再做，还需要做一些工作，一个是中小型的办公楼怎么去思考，因为刚才说了大型公共建筑，这是最重要的问题，一个是新风机组的控制，中小型的怎么做。中小型办公楼，如果都做集中空调，所谓的中央空调，可能有时候开发商不愿意或者浪费能耗，中小型办公楼我们也认为多联机有更大的适应性，最后是这样的思路，在办公层部分全部是多联机，但是整体思路是温湿度独立控制系统，新风，干湿新风用溶液调试机组，但是室内的温度控制用的是多联机系统，用的是干工况的多联机，不像常规的多联机是除湿的，这是我们厂家一起研发，更进一步深入，也是列入“十二五”课题的研发内容来进行的，产品基本上做完了，第一个会在我们院办公楼用，这是楼的整体情况。

  我们做一些地板送风的尝试。这是整个装机容量的情况，地源热泵系统情况，控制上是基于物联网的DBC系统。其实我们新风控制分了区域，这些圆圈都是电动阀，从室内多联机控制，只要你开窗就停空调，停新风，基本上是这样的。为了结合这个课题，我们做了很多专项的研究，包括地源热泵的研究，自然通风的研究，整个能耗分析做了这样一些工作，都是专项研究，有专项的研究成果和结论，这些结论在这里边地道风供冷建议不使用，研究的结果给了我们真正指导设计，在设计中可以落实相关的一些参数。我的介绍就到这儿，谢谢各位！