溫濕度獨立控制空調系統設計階段運維調試技術把控
——以夏熱冬冷地區凈零能耗示范建筑為例

鐘輝智 彭治霖

（中國建筑西南設計研究院 成都 610042）

0 引言

截止2018年，我國建筑95%以上是高能耗[1]、高碳排放建筑[2]。據統計，中央空調系統能耗約占公共建筑總能耗的40～50%[3]，既有建筑中央空調系統運行能耗普遍偏高[4]。其原因在于設計、施工、運行調適層層脫節，導致整個中央空調系統難以在實時負荷條件下發揮較高的運行能效。目前我國的電力主要還是依靠化石能源生產[5]，在“雙碳”背景下，降低建筑的空調運行能耗，是降低建筑行業碳排放的必然之路[6]。

本研究以夏熱冬冷地區某凈零能耗示范建筑為例，研究該氣候分區溫濕度獨立控制空調系統的運維調試技術在設計階段所需把控的技術要點，為運維調適把控好第一道技術關口，為后續凈零能耗目標的實現打下堅實的基礎。

1 項目概況及研究內容

夏熱冬冷地區“凈零能耗建筑”的示范區域如圖1所示，共2 層，建筑面積約2000m2，主要使用功能為辦公室。該示范項目預期實現建筑年綜合能耗≤65kWh/(m2·a)（包含供暖、通風、供冷和照明能耗，不含可再生能源），綜合節能率達到60%（以近零能耗建筑技術標準為參考）[7]；光伏裝機容量80kW，設計年發電量5.6 萬kWh。

圖1 “凈零能耗建筑”示范區域（虛線）Fig.1 Demonstration area of"net zero energy consumption building"

為順利實現能耗目標，本研究將明確空調系統在設計階段需要明確的監控參數、控制邏輯以及空調設備需要具備的自動控制功能，為運維調試做好前期準備。

2 空調冷熱源

本項目為提高能源利用的綜合效率，空調系統采用溫濕度獨立控制系統，冷源采用高低溫雙冷源；處理夏季室內顯熱冷負荷采用集中高溫冷源，處理夏季濕負荷的冷源采用分散式冷源；冬季的空調熱負荷由集中熱源提供。集中冷、熱源采用模塊式磁懸浮高溫冷水機組+低氮冷凝燃氣熱水機組，夏季提供15/20℃的高溫冷水，冬季提供50/40℃的空調熱水。該系統較常規冷水機組節能15%以上。

3 雙冷源新風系統+干式風機盤管末端空調系統

“凈零能耗建筑”示范區的一層功能為辦公室，采用雙冷源新風系統+干式風機盤管的溫濕度獨立控制空調系統，具體詳見示意圖2。

圖2 雙冷源新風系統+干式風機盤管末端系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of double cold source fresh air system+dry fan coil end air conditioning system

3.1 空調系統工作原理

濕度控制：濕度控制主要是夏季，本項目冬季不做加濕處理。夏季新風及室內濕負荷由新風系統全部承擔，優先利用高溫冷凍水對新風進行降溫、除濕，當需要進一步除濕時，開啟熱泵系統進行深度除濕。集中高溫冷源提供的冷凍水進入新風機組冷/熱盤管與新風（OA）進行預處理（W-L1），內置分散冷源再根據預處理后的新風狀態進一步的除濕（L1-L2），為了防止新風進入房間時結露，除濕后的新風需要用冷凝熱加熱到室內露點溫度以上再送入室內（L2-O）。具體過程如圖3所示。

圖3 雙冷源新風系統新風處理流程圖Fig.3 Flow chart of fresh air treatment of double cold source fresh air system

溫度控制：夏季工況，處理后的新風承擔全部新風及室內濕負荷、部分室內顯熱冷負荷，剩余的部分室內顯熱冷負荷由室內風機盤管處理；冬季新風承擔新風熱負荷及部分室內熱負荷，剩余的熱負荷由風機盤管系統處理。

3.2 空調系統監測、計量和數據存儲

實時了解空調系統各處理過程的運行狀態是進行故障及節能診斷、系統內部參數運算分析的關鍵；查閱歷史數據進行能耗分析都離不開系統監測、計量和數據存儲。

空氣狀態監測：室外空氣狀態參數W（干球溫度、含濕量、CO2濃度）、預處理狀態參數L1（干球溫度、含濕量）、送風狀態參數O（干球溫度、含濕量、風量）、室內空氣狀態參數（干球溫度、相對濕度、含濕量、CO2濃度、露點溫度）。

水系統監測：新風機組水管（供水溫度、回水溫度、水流量、供冷/熱量）、風機盤管環路水管（供水溫度、回水溫度、水流量、供冷/熱量）。

設備能耗監測：新風送風機（電耗獨立計量、風機風量、全壓、頻率）、深度除濕機（供冷量、電耗獨立計量、能效比）、風機盤管（獨立計量）。

其他監測：新風閥（開關狀態）、空氣過濾器（進出口壓差）、開窗監控（避免人為誤操作，造成室內風口結露）；高溫冷凍水回水管路上的電動二通調節閥開度。

數據存儲：對以上需要進行監測的數據以便于分析的格式進行存儲，以便后期能查閱分析。

3.3 空調系統節能運行管理

空調系統的運行管理不僅關系到空調區域人員的舒適性，更關系到整個空調系統的運行能耗；一個好的運行管理必須建立在合理、智能的系統上。

新風量的調節：夏季新風運行管理較復雜，先通過室內外CO2濃度、目前新風量計算室內CO2散發強度，然后計算滿足人員衛生條件的最小新風量；通過室內空氣的含濕量、目前新風量及新風機組送風含濕量計算室內散濕強度，然后根據新風機組送風含濕量調節范圍計算除濕新風量范圍，最后計算滿足風機和除濕壓縮機綜合能耗最低的新風量；將前面兩個風量計算值與風機最低設定頻率風量進行比較，以此確定新風機組的運行風量。

冬季運行管理較簡單，根據室內CO2濃度、風機最低設定頻率風量確定最小運行新風量。通過全年的新風量優化運行管理，可以節約新風能耗。

室內含濕量的調節：夏季根據新風量、新風送風含濕量、室內空氣含濕量計算室內散濕強度；根據室內空氣含濕量的設定值，調節除濕系統的除濕量和新風送風的含濕量。在運行過程中可以在滿足人員舒適性和室內風機盤管干工況的前提下盡量提高室內的相對濕度，不僅可以減少除濕系統的出力還可以減少防止新風口結露的再熱損失。本設計冬季不做加濕處理。

室內溫度的調節：根據人員的需求設定室溫，風機盤管自動運行控制室溫。

系統水流量的調節：夏季根據新風量、室外空氣狀態、新風預處理狀態、冷凍水供水溫度、具體盤管型號對應的參數計算出冷凍水最優經濟流量和供回水溫差，并以此水流量作為水管上電動調節閥的控制目標值，保證末端冷凍水按需分配；風機盤管的水環路可以采用溫差控制閥（控制溫差不低于5℃），實時控制該水環路上的流量避免大流量小溫差的現象；降低水流量可以節約冷凍水泵能耗。

冬季根據新風量、室外空氣狀態、新風送風狀態（不低于室溫設定值）、空調熱水供水溫度計算出熱水最優經濟流量和供回水溫差，并以此水流量作為水管上電動調節閥的控制目標值，保證末端空調熱水按需分配；風機盤管的水環路可以采用溫差控制閥（控制溫差不低于10℃），實時控制該水環路上的流量避免大流量小溫差的現象；降低水流量可以節約冷凍水泵能耗。

閥門聯動控制：新風入口的電動風閥、回水管上的電動二通調節閥與新風機連鎖啟閉；干式風機盤管送風機與回水管上電動二通閥連鎖啟閉。

3.4 空調系統自動控制功能

新風量自控功能：新風機組能對各種監測數據進行采集、記錄，并能夠將運行數據進行分析和計算，將計算出的最優新風量作為控制值控制送風機頻率，達到節能運行。

新風含濕量自控功能：新風機組能通過室內人員舒適性要求、室內風機盤管干工況和運行節能要求對室內空氣含濕量進行再設定，新風機組可以自動根據監測數據進行計算、控制新風除濕量。

冷熱水流量自控功能：新風機組能對各種監測數據進行采集、記錄，并能夠將運行數據進行分析和計算，將計算出來的最優空調冷熱水流量作為控制值控制新風機組回水管上的電動二通調節閥開度。

4 雙冷源全空氣系統+工位送風空調系統

“凈零能耗建筑”示范區的二層為開敞辦公區域，采用雙冷源全空氣空調系統+工位送風。夏季承擔室內及新風冷負荷；冬季承擔室內及新風熱負荷。

圖4 雙冷源全空氣系統+工位送風示意圖Fig.4 Schematic diagram of double cooling source all air system+station air supply

4.1 空調系統工作原理

濕度控制：夏季高溫冷凍水經過一級盤管將新風進行初步的降溫、除濕，熱泵系統再進行深度除濕，新風送風含濕量可以再設定；室外新風經過高溫冷水處理至（W→L1），新風經過深度除濕（L1→L2）后與室內回風進行混合（N+L2=C）后再降溫處理至送風狀態（O），最后送入室內（O→N），具體過程如圖5所示；過渡季通過、冬季不做控制。

圖5 雙冷源全空氣系統空氣處理流程圖Fig.5 Flow chart of air treatment of solution dehumidification all-air system

溫度控制：夏季室內回風與深度除濕后的新風混合以后，根據混合后溫度調節二級盤管回水管上的電動二通調節閥開度；冬季僅使用二級盤管進行供暖調節；室內溫度控制同時采用變送風量控制。

送風量控制：根據末端靜壓箱內靜壓控制點的靜壓設定值調節送風機頻率；結合室內工位送風一次風最小總風量、變頻風機特性、最小新風量要求設定最小頻率限值。

新風量控制：夏季根據室外空氣焓值與室內空氣焓值（空調回風）作比較，室外空氣焓值高于室內焓值時最小新風量運行；當室外空氣焓值位于室內空氣焓值與送風空氣焓值之間時，全新風運行；當室外空氣焓值低于送風空氣焓值時，回風與新風按送風溫度要求進行混合后送入室內。

工位送風控制：不同工況下，并聯風機動力型送風裝置根據送風溫度設定值自動調節一次風與室內回風的混合比例。

4.2 空調系統監測、計量和數據存儲

實時了解空調系統各個處理過程的運行狀態便于進行故障、節能診斷、系統內部參數運算分析；查閱歷史數據進行能耗分析都離不開系統監測、計量和數據存儲。

空氣狀態監測：室外空氣狀態參數W（干球溫度、含濕量、CO2濃度、新風量）、預處理狀態參數L1（干球溫度、含濕量）、深度除濕狀態參數L2（干球溫度、含濕量）、混合狀態C（干球溫度、含濕量）、送風狀態參數O（干球溫度、含濕量、送風量）、室內空氣狀態參數（干球溫度、相對濕度、含濕量、CO2濃度、露點溫度）。

水系統監測：一級盤管水管（供水溫度、回水溫度、水流量、供冷/熱量）、二級盤管水管（供水溫度、回水溫度、水流量、供冷/熱量）。

設備能耗監測：新風送風機（電耗獨立計量、風機風量、全壓、頻率）、深度除濕機（供冷量、電耗獨立計量、能效比）、送風機（電耗獨立計量、風機風量、全壓、頻率）。

其他監測：新風閥（OA-1、OA-2 開關狀態）、空氣過濾器（進出口壓差）、一級和二級電動二通調節閥的開度、靜壓箱壓力監控。

數據存儲：對以上需要進行監測的數據以便于分析的格式進行存儲，以便后期能查閱分析。

4.3 空調系統節能運行管理

空調系統的運行管理不僅關系到空調區域人員的舒適性，更關系到整個空調系統的運行能耗；一個好的運行管理必須建立在合理、智能的系統上。

新風量的調節：夏季采用最小新風量運行，先通過室內外CO2濃度、目前新風量計算室內CO2散發強度，然后計算滿足人員衛生條件的最小新風量（Lx）；通過室內空氣的含濕量、目前新風量及新風含濕量計算室內散濕強度，然后根據除濕熱泵的含濕量調節范圍計算除濕新風量范圍（Ls），找出Lx 與Ls 的交集（Lj）；最后在Lj 風量范圍內計算滿足風機和除濕壓縮機綜合能耗最低的新風量（Ly），以此作為新風機的運行風量。

過渡季根據焓值進行調節，當室外空氣焓值位于室內空氣焓值與送風空氣焓值之間時，全新風運行；當室外空氣焓值低于送風空氣焓值時，回風與新風按送風溫度要求進行混合后送入室內。

冬季運行管理較簡單，根據室內CO2濃度、風機最低設定頻率風量確定最小運行新風量。通過全年的新風量優化運行管理，可以節約新風能耗。

室內溫度的調節：夏季根據送風量、送風溫度、回風溫度計算顯熱負荷，根據人員再設定的室溫、含濕量計算送風溫度上限值及室內的露點溫度，以送風溫度高于露點溫度1℃[8]為送風溫度控制目標（當不滿足時，調節含濕量的設定值），最后根據室內顯熱負荷調節送風機風量（降頻調節）以達到室溫、節約風機能耗的目的。

過渡季全新風時，根據送風量、送風溫度、回風溫度計算顯熱負荷，當僅靠全新風無法帶走室內顯熱時，溫度調節與夏季最小新風工況一致；當全新風自然冷量可以帶走室內顯熱，可以全新風通風降溫；當全新風自然冷量大于室內需求時，可以根據室內CO2濃度、帶走室內顯熱所需風量取大值確定新風量，再與送風機最低設定頻率風量比較取大值確定送風機的風量和頻率，不僅高效利用室外風自然冷量，同時降低了風機能耗。

冬季采用最小新風量運行，通過調節二級盤管回水管上的電動水閥達到調節送風溫度的目的。

室內含濕量的調節：夏季根據新風量、新風送風含濕量、室內空氣含濕量計算室內散濕強度；根據室內空氣含濕量的再設定值，調節除濕系統的除濕量和新風送風的含濕量。在運行過程中可以在滿足人員舒適性以及避免送風口結露（根據送風溫度）的前提下盡量提高室內的相對濕度，可以減少除濕系統的出力，節約能耗。本設計過渡季、冬季不做加濕處理。

送風量調節：靜壓箱內設定靜壓控制值，該靜壓值可再設定，根據不同的熱濕負荷計算出不同的送風量需要，根據需要送風量以及工位送風末端的特性（流量-阻力特性）確定靜壓箱所需的靜壓控制值，并將此控制值作為風機頻率的控制信號控制風機變頻運行，節約風機能耗。

一級盤管水流量的調節：夏季根據新風量、室外空氣狀態、新風預處理狀態、冷凍水供水溫度、具體盤管型號對應的參數計算出冷凍水最優經濟流量和供回水溫差，并以此水流量作為水管上電動調節閥的控制目標值，保證末端冷凍水按需分配；降低水流量可以節約冷凍水泵能耗。冬季一級盤管關閉。

二級盤管水流量的調節：夏季及過渡季自然風冷量不滿足通風降溫的要求時，以低于顯熱負荷對應的送風溫度值且高于室內露點溫度1℃的溫度值作為送風溫度控制值調節二級盤管回水管上的電動調節閥及水量；冬季采用最小新風量運行，通過需要的送風溫度調節二級盤管回水管上的電動水閥。

閥門聯動控制：夏季新風OA2電動風閥關閉，新風OA1及回風電動風閥、一二級水盤管上的電動調節閥與新風機及送風機連鎖啟閉；冬季一級水盤管回水管上電動水閥關閉、新風OA1電動風閥關閉，新風OA2及回風電動閥、二級水盤管上的電動調節閥與送風機連鎖啟閉；過渡季一二級盤管回水管上電動水閥關閉、新風OA1電動風閥關閉、新風OA2及回風電動風閥與送風機連鎖啟閉。

4.4 空調系統自動控制功能

新風量自控功能：空調機組能對各種監測數據進行采集、記錄，并能夠將運行數據進行分析和計算，將計算出的最優新風量作為控制值控制新風機頻率，達到節能運行。

送風溫度、送風量自控功能：空調機組能對各種監測數據進行采集、記錄，并能夠將運行數據進行分析和計算，計算出的最優送風溫度、送風量，送風機能夠根據靜壓箱壓力設定值進行自動變頻調節。

含濕量的自控功能：空調機組能通過室內人員對含濕量的再設定、送風口防結露溫度要求，自動根據監測數據進行計算、控制新風除濕量。

冷熱水流量自控功能：空調機組能對各種監測數據進行采集、記錄，并能夠將運行數據進行分析和計算，將計算出來的最優空調冷熱水流量作為控制值控制空調機組回水管上的電動二通調節閥開度。

5 總結

（1）空調系統的運維調試技術不僅與后期的系統調適相關，設計階段、設備采購階段、系統安裝施工階段同樣重要；各個階段環環相扣，每一個環節出問題都不能將系統的能效和功能發揮到極致。

（2）溫濕度獨立控制系統需要監控的點位較常規系統多，控制邏輯、數據計算分析更復雜，設計階段對監控點位的梳理、控制邏輯的細化、自動控制功能的明確對后期整個系統的順利實施是必不可少的。