摘要 本文分析了高层建筑中常规空调系统存在的问题，提出将温湿度独立控制空调系统应用于高层建筑中。结合高层建筑的特点，从系统形式、水系统设计和风系统设计等方面详细探讨了温湿度独立控制空调系统的应用特点，与冰蓄冷新风加风机盘管系统和冰蓄冷新风加VAV系统进行了经济性对比。
关键词 高层建筑 温湿度独立控制空调系统 溶液调湿 冰蓄冷
0引言
随着我国经济的迅速发展，高层及超高层建筑日益增加。现代高层建筑普遍引入中央空调系统，高层建筑空调系统的特点在于：1）高层建筑的空间相对密闭，室内环境控制完全依赖于中央空调系统，中央空调对室内人员的舒适性、健康性至关重要；2）高层建筑空调负荷大、运行时间长、输配距离远，空调系统运行能耗大；3）高层建筑楼层多，高度大，系统承压大，给空调系统设计带来一定的难度[1]~[2]。
针对高层建筑的特点，在此提出将温湿度独立控制空调系统[3]（temperature and humidity independent control air conditioning system，以下简称THIC 空调系统）应用于高层建筑中，并结合高层建筑的特点分析了其适宜的系统应用形式，并以某项目为例，与冰蓄冷新风加风盘空调系统和冰蓄冷新风加VAV空调系统进行了经济性比较。
1常规空调系统形式及存在问题
1.1 常规系统应用形式
高层建筑的塔楼功能一般为办公或酒店。以办公为例，高层建筑办公楼的特点就是空间大、内部装修讲究、隔间的分隔要求能灵活多变。如果采用常规全空气系统，一方面送风管、回风管截面积大，很难适应高层建筑层高低的现状，一方面各分区温湿度控制困难，无法适应分区要求。国外（美国最为普遍）习惯采用单风道变风量的方式，即VAV方式，根据室温来控制送风量，由于部分负荷条件下可减少送风量，可降低风机能耗，有一定的节能效果。但是，由于VAV的控制方式是根据室内温度来调节送风量，并不能同时满足室内温湿度控制要求，尤其是室内湿负荷波动较大的区域。此外，该系统价格昂贵，控制系统要求较高，因此在国内高层建筑中很少使用。
另一种空调形式为新风加风机盘管空调系统，由于风机盘管体型小，布置安装方便，可独立启停，非常适合办公室和酒店的使用特点，该空调形式也是国内最广泛使用的空调形式。与VAV系统相比，风机盘管的单位风量耗功率更低。此外，风机盘管一般可设置为3档调节，部分负荷下可低档风量运行，也有着良好的节能性。但采用常规带独立新风的风机盘管系统，也会存在一定的问题，其中最大的问题就是滴水问题。引起滴水的原因很多，比如冷冻水供、回水管保温不好，冷凝水管安装坡度不够导致排水不畅，凝水盘排水口积灰堵塞等，这些因素都会导致冷凝水滴漏并污染吊顶。
1.2 水系统分区问题
高层建筑由于层数多，总高度大，所以将产生较大的静水压力。由于目前国产和进口设备承压能力最大值在1MPa左右，一般高层建筑在100m以下或左右，水系统竖向可不分区；如果需要超过1MPa表压的设备，需向制造厂家定做，才可不作竖向分区。但高度超过100m以上的超高层建筑的输配系统竖向必须分区。
考虑维修、更换存在诸多不便，超高层建筑的冷机一般不放置于楼顶或中间设备层，一般放置于地下室。高区水系统通常采用板换的方式实现水系统竖向分区，这种方式较为简单，保持闭式循环，但高区的冷冻水温度提高了，造成了能量品位的损失。此外，如果建筑层高较高，需要多次换热，常规空调系统的7/12℃冷冻水经两次换热后就提升至11/16℃（按2℃换热温差计），冷冻水除湿能力下降了，空调效果很难保证。
为了降低高区冷冻水温度，可以采用冰蓄冷空调系统[4]。冰蓄冷空调可以通过制取低温冷水来解决多次换热温升问题，同时可利用大温差供水的方式来减少水系统输配能耗。但这两种处理方式都存在自身的问题。制取低温冷水方面，如果冰蓄冷运行部分蓄冷策略（设计日非电力谷段时由双工况制冷主机与蓄冷装置联合供冷，蓄冷装置供冷量用于削峰），冷水出水温度降低，制冷主机的制冷效率随之降低，增加了系统能耗。如果冰蓄冷运行全部蓄冷策略（设计日非电力谷段时只运行蓄冷装置供冷），蓄冰槽体积大幅度增加，系统初投资昂贵。冰蓄冷大温差供冷时，将冷冻水供回水温差从5℃增加到7℃，输送相同的冷量时输配系统能耗可下降30%左右。但是，冰蓄冷空调系统增加了乙二醇供冷、放冷系统的输配能耗，总体来说输配系统的能耗与常规空调系统接近。另外，由于冰蓄冷系统较为复杂，蓄冰设备占用机房面积较大，与常规系统相比初投资较高，因此目前也仅在部分高层建筑中使用。
2 THIC系统原理
空调的目的是为了把室内的余热、余湿排出室外，并提供满足卫生要求的新风。THIC空调系统，就是将空调系统的排除余热任务（控制温度）与排除余湿（控制湿度）任务分开处理，新风机组处理出的干燥新风承担建筑的潜热负荷，同时满足新鲜空气的要求，高温冷源制备出的冷水用于承担建筑的显热负荷。
采用THIC空调系统后，空调系统中占总负荷一半以上的显热负荷部分，采用高温冷源进行处理，提高了能源利用品位，节能效果显著[5]~[6]。同时，采用THIC能适应不同的室内热湿比变化；能避免湿工况下盘管表面积存湿垢、产生霉菌等问题，从而改善空调房间的空气质量；防止凝结水滴漏对建筑及装饰品造成破坏。
图1 温湿度独立控制系统原理
3 THIC系统应用特点
3.1 THIC系统应用形式
对于高层建筑来说，为了降低输配系统能耗和减少对层高的影响，THIC空调系统可以考虑采用新风独立除湿加干式风机盘管的系统。新风除湿可以采用溶液除湿的处理方式，溶液除湿技术是利用盐溶液吸水的特性对空气进行除湿的技术，具有高效除湿的特点，同时盐溶液还具有杀菌作用，有益于提高室内空气品质，下文中均以采用溶液除湿技术为例进行分析。在此以采用热泵式溶液调湿新风机组[7]为例，系统原理如图1所示。由热泵式溶液调湿新风机组（HVF）对新风进行独立除湿，承担室内湿负荷，同时承担去除室内CO2、异味的任务，以保证室内空气质量。各空调房间内安装风机盘管，通入高温冷水，抽入室内空气进行冷却，承担室内显热负荷。
图2 THIC系统应用形式
采用THIC带独立新风的风机盘管空调系统，一方面可以避免全空气系统风管大影响层高和分区控制难的问题，另一方面由于采用高温水、末端干工况运行又可以解决常规空气-水系统的滴水问题。需要注意的是，THIC 空调系统是靠新风来除湿的，高层建筑中门窗相对密闭，围护结构气密性一般较好，室外渗风对室内湿负荷影响较小，室内湿度控制较为容易，干式末端不容易结露，能够更好的满足室内舒适性和健康性的要求。
高层建筑的裙房功能一般为商场或餐厅，此类区域一般采用一次回风全空气空调系统。在THIC空调系统中，可以采用独立新风除湿加干式风柜的方式，即溶液调湿全空气机组[8]，原理与图2中系统类似。
3.2 水系统特点
THIC空调系统中冷冻水只需承担室内显热负荷，冷冻水温度不受低温除湿要求的限制。因此，在高层建筑中采用THIC空调系统，可根据楼层分区选择适宜的供回水温度，即使冷冻水多次换热后也可满足使用要求（如图3所示）。系统水温提高后，高温冷机的制冷效率将大幅提升[9]，同时，冷机只需承担室内显热负荷，而显热负荷约占总冷负荷的50%~70%，因此冷水机组容量可以减少30%以上，相应的，水泵容量及输配能耗均显著下降。
图3 THIC系统水系统形式
3.3 风系统特点
对于不超过100m的高层建筑，裙房部分的全空气机组由于送风量较大，一般放在控制区域附近的本层位置，以减少风阻损失；塔楼的新风机组一般分上下两部分集中布置，设置于裙房的顶部与塔楼的顶部，利用风井送到塔楼各楼层，以节省机房面积。在超高层建筑中，一般是在设计上形成多个系统，分设几个设备层，新风机组则按所属系统集中安置在相应的设备层中。
需要注意的是，溶液调湿机组不同于常规新风机组，机组功能较多，体积和重量相对较大，机组高度为2.8m，如果将新风机组放置于设备层中，则设备层需留有足够的空间。另外，设备就位时，机组吊装至高层较为困难，实施过程中应与施工进度密切配合，在塔吊尚未拆除时利用塔吊吊至机房，同时机房内应加强承重，采取降噪减震的措施。
图4 THIC系统风系统形式
4结论
4.1 THIC空调系统应用于高层建筑，一方面可以解决常规全空气系统风管大影响层高、分区控制、风系统能耗大的问题，另一方面由于采用高温水、末端干工况运行又可以解决常规空气-水系统的滴水问题，这对于高层建筑节能减排、提高室内舒适度和空气品质等都有着积极的意义，尤其是能够解决常规空调系统中，空调冷冻水经多次换热后温度升高，导致高区除湿不利的问题，使得高层建筑水设计不再受制于低温冷水的限制。
4.2 冰蓄冷空调可以通过制取低温冷水来解决多次换热温升问题，同时可利用大温差供水的方式来减少水系统输配能耗。但由于蓄冷系统较为复杂，通过案例比较分析得到，THIC系统在初投资和运行费用方面经济性均优于冰蓄冷系统，尤其优于基于冰蓄冷的VAV系统，可降低初投资7%~25%，可降低运行费用19%~22%。
