溫濕分控空調系統在華南地區住宅的應用研究

梁江 王瑋 張碧婷 左建波 童球

1 北京金茂綠建科技有限公司

2 中國金茂控股集團有限公司

華南地區屬于典型的夏熱冬暖氣候區，受 限于氣候特點和熱工條件，僅 靠自然通風難以使室內環境長時間維持在人體舒適區間，需 要使用空調進行溫濕度調節。隨著生活水平的提高，人 們對于住宅的舒適品質要求日益提高，常 規空調在溫濕度精準控制、噪 音風感等方面存在不足，而溫濕度獨立控制空調系統（以下簡稱THIC 系統）可 以在高濕地區提供更舒適安靜的生活環境[1]，在 華南已有少量公建項目[2-3]和住宅項目應用，但是尚缺少針對住宅的THIC 系統運行模式和末端方案研究。本文將以廣州為代表城市分析華南地區氣候特點，提出對應的 THIC 系統方案及逐月運行模式，并 結合某住宅項目案例分析研究適合的顯熱末端方案。

1 氣候特點分析

廣州是華南區域的典型城市，因 此本文采用廣州的氣象參數為例進行氣候特點分析。根據廣州全年各月平均溫度和相對濕度（圖 1）可 以看出：

1）若 按照平均溫度大于 22 ℃考慮，廣 州從 4 月到10 月均有制冷需求。其余月份較為溫暖，1 月平均氣溫也達到了15 ℃，供 暖需求較小。總 體而言，全 年的制冷需求遠大于制熱需求。

2）廣州從 1 月到 10 月的平均相對濕度都大于70%，因此全年存在較長時間的除濕需求。其中，1～4月份平均溫度雖然不高，但 是相對濕度較高，從 濕冷工況轉化到濕熱工況的過渡季較長。

3）從 3 月到9 月的平均相對濕度變化較小，基 本都在 80%～85%之間，但是平均溫度變化范圍相對較大，覆 蓋了從20 ℃至30 ℃的區間，說 明室外濕負荷與顯熱負荷并非同步變化。

圖1 廣州全年各月平均溫度和相對濕度

圖2 一月室外逐時參數點分布

圖3 二月室外逐時參數點分布

如果以干球溫度22 ℃、相對濕度 40%（絕對含濕量 6.6 g/kg）的舒適工況點為分界線，可以進一步對1～4 月份的室外逐時工況的參數進行分區分析。由圖2～圖 5 可看出，從 1 月到 4 月，低溫低濕工況逐漸減少，高溫高濕工況逐漸增多。1 月～4 月均有較多時段處于低溫高濕區間，而且從1 月到4 月同溫度區間工況點的濕度明顯增大。另外，3、4 月有大量時段溫度適宜，但是濕度較大。

圖4 三月室外逐時參數點分布

圖5 四月室外逐時參數點分布

對比各圖可發現3 月工況最為復雜，不僅低溫高濕工況最多，而且還存在較多高溫高濕和少量低溫低濕工況。通過研究3 月的典型氣象年逐時溫度與濕度曲線（圖 6、圖7）看出，本月的溫濕度波動區間較大，且變化頻繁。這段時間還會出現回南天工況，在長時間（3月11 日～16 日）的低溫之后，氣溫突然回暖且濕度同步回升（3 月18 日～19 日）。這種情況下由于建筑本體溫度相對較低，容易造成大量結露。居民在此期間只能通過門窗緊閉方式，避免家中過分潮濕。

圖6 三月室外逐時干球溫度曲線

圖7 三月室外逐時相對濕度曲線

總體而言，華南地區與其它地區相比除了炎熱期較長、寒冷時間極少之外，還有全年濕度較高、過渡季長且天氣變化大、溫濕度較少同時處于舒適區間的明顯特點。

2 空調系統方案

通過以上氣候特點分析，可看出華南地區住宅對于空調系統有如下幾方面需求：

1）以供冷功能為主，適當兼顧供熱。從平均氣溫可知4 月～10 月的供冷需求較為明顯，應通過制冷除濕提供舒適的室內環境。同時，1 2 月～2 月的平均氣溫約為 15～18 ℃，部分時段（如雨天、夜間等）較為濕冷導致人體舒適感較差，可以適當供熱予以改善。

2）具備多樣的濕度調節功能，實現溫濕分控。華南地區全年濕度較高，但是不同季節適用的處理過程不一樣，例如在夏季需要冷卻除濕，在冬季則是加熱調濕。而對于過渡季的回南天氣候，雖然濕負荷較大，但是顯熱負荷并不大（室外氣溫約為25～30 ℃），在此條件下如果采用常規的溫濕一體調節方式，僅依靠增大冷卻能力除濕，會使室內溫度和舒適度降低。只有通過溫濕分控，即溫度控制末端處理顯熱負荷，并搭配等溫除濕或者冷卻除濕再熱措施，才能匹配溫度適合、濕度較大的工況。實際上不僅是在回南天，3 月～9月也存在顯熱負荷變化較大、濕負荷變化不大的工況，只有溫濕分控才能實現精準調節。

3）系統應調節靈活，具備個性化運行能力。華南地區的冬季和過渡季會有晝暖夜涼的情況，還存在幾天內甚至一天之中溫濕度相差較大的工況。因此，空調系統需要能適應各種熱濕工況，而且冷熱源及末端系統的調節性能應能滿足快速響應的需求。

4）采用高能效系統，減少運行費用。華南地區一年之中室外溫濕度舒適的時段較少，住宅空調系統需要運行的時間較長，應盡量采用高能效系統，降低業主的后期使用成本。

針對以上需求，可在高舒適度住宅中考慮采用戶式風冷熱泵+THIC 系統，原理圖見圖8：

圖8 戶式THIC 系統原理圖

戶式系統的水容量比集中系統少，便于及時響應室外溫濕度變化的負荷波動，包括實現冷熱模式的快速切換。通過除濕新風搭配顯熱控制末端實現溫濕分控，針對華南地區不同月份氣候特點靈活采用不同的工況模式（見表 1），可以很好地滿足對溫度和濕度的調節需求。此外，溫濕分控系統采用高溫水承擔室內顯熱負荷，能耗比常規系統低。在溫度不太高的天氣還可以單獨運行新風除濕系統，進一步減少系統能耗。

表1 不同月份的溫濕分控運行模式

3 顯熱末端方案分析

華南地區的住宅由于氣象條件不利且圍護結構熱工性能不高，房間的顯熱負荷較大，如果僅用輻射空調系統，需要有低能耗的圍護結構熱工條件匹配 [4]。同時，住宅空調個性化的運行要求較多，并且與公建的作息時間不一樣。如何結合現有的熱工條件及住宅作息特點進行顯熱末端方案選擇，是華南地區住宅 THIC系統的設計的重要問題。

顯熱控制末端包括對流和輻射兩類形式，對流末端（風機盤管等）已有廣泛應用，其優點在于制冷、制熱速度快，缺點是存在噪音和風感，運行壽命較短，且后期維護工作較多。輻射末端由于輻射空調表面與人體的傳熱溫差較小，且房間垂直溫差小，具有體感舒適、無風感和噪音、無需維護等優點，但是也有溫度調節較慢、供冷（熱）能力受限于鋪設面積等不足。因此，可以通過將對流與輻射末端相結合實現優勢互補，更好的適應華南地區實際熱工情況及負荷需求。為了進一步說明，可以用廣州某住宅項目為例具體分析，戶型參見圖9。

圖9 廣州某住宅項目戶型圖

本項目采用了典型的夏熱冬暖地區居住建筑圍護結構熱工參數設定，其中外墻傳熱系數K=2.22 W/(m2· ℃)，外 窗傳熱系數K=3.46 W/(m2· ℃)，遮 陽系數Sc=0.6。針對南向的客廳和主人房，室內設計溫度取25℃，新 風量分別為 150 m3/ h 和 50 m3/ h，根 據精裝圖可鋪設毛細范圍及設計日工況逐時負荷計算進行設計選型的結果如表2：

表2 客廳及主人房的顯熱處理末端負荷分配

從表 2 看出，由 于圍護結構熱工條件不利，且 室外氣溫較高，華 南地區的房間顯熱負荷較大，單 獨依靠輻射空調及新風的顯熱處理能力無法滿足最大負荷工況，必 須設置干式風盤等對流末端作為輔助控溫手段。但 是，根 據主人房的逐時負荷曲線（圖 10）可 見，輻射空調系統及新風系統的供冷能力之和（931 W）大于晚上20 點到早上8 點的顯熱負荷（如圖 10 中虛線所示），在這個時段可以僅運行輻射空調系統及新風系統，提 供無風無噪的舒適睡眠環境。另外，考 慮到住宅在工作日的日間時段常常處于無人狀態，可 以只開啟輻射空調及新風系統維持一個基礎室溫（例如28 ℃），待 業主回家后開啟風盤快速降低至 24～26 ℃，進 入夜間時段再關閉風盤。因此，在 復合末端系統中，風 盤的實際運行時段較少，延 長了風盤運行壽命和維護周期。而且，由 于輻射空調系統承擔了 55%～65%的基礎負荷，干 式風盤的規格較小，進 一步降低了風盤能耗及運行時的吹風感及噪音?？傊?，復 合顯熱末端方案既避免了輻射空調系統溫度供冷能力受限、變 化響應慢的不足，又 改善了風盤系統的常見問題，能 夠較好匹配華南地區住宅的負荷和作息需求。

圖10 主人房逐時顯熱負荷曲線圖

4 結語

根據本文對華南地區氣象特點及適應空調方案的分析研究，可以得出如下結論：

1）華 南地區全年冷負荷需求較多，且 全年濕度較高，空 調系統的主要工況為制冷及除濕。同時，2～ 4 月的溫濕工況較為復雜，尤 其應注意對回南天工況處理。

2）戶 式 THIC 系統具有調節便利、溫 濕度控制靈活精準、系 統節能等優點，可 以根據不同月份的氣候工況匹配不同的運行模式，滿 足華南地區住宅對于高舒適空調系統的需求。

3）受 限于氣象條件和圍護結構熱工特性，華 南地區住宅的顯熱冷負荷較大，建 議采用輻射 +對流空調復合末端系統，充 分發揮二者的優勢，更 好地適應不同時刻的運行舒適性與調節性需求。

綜上所述，戶式 THIC 系統可以為華南地區住宅提供較高的室內環境舒適度，并 且已在深圳海境界二期及佛山當代萬國府等住宅項目得到應用。目前此類系統成本高于常規空調系統，且 對溫濕聯動自控的要求較高，尤 其在華南地區高溫高濕環境下更需要有良好的防結露控制措施。隨著技術發展與產品更新，THIC 系統成本會逐步下降，自 控系統也更加成熟，在 華南地區將會有更好的應用前景和推廣價值。