温湿独立控制的工位空调

1 工位空调产生的背景

传统的舒适性空调系统为了满足室内大多数人的需要，力图营造一种大而化之的室内空气环境，将新风与一部分室内回风混合起来集中处理送入室内，努力使送风与室内空气完全混合。但是随着由空调导致的健康问题、生产效率降低的投诉越来越多，空调系统耗能量居高不下，人们发现这种传统的混合式空调存在着不小的缺陷：

1) 空气品质的改善能力弱。一般混合式空调的新风量约为10(l/s人)，其中只有约0.1(l/s人)即1%，被人吸入，其余99%的新风没有有效利用，而且这1%的空气在吸入之前已与室内污染物混合。

2) 不能满足所有人的喜好。由于人与人之间生理心理状况、衣着、活动量等不同，室内人员在感知室内空气环境上有着较大的差别。混合式空调即便能够满足现行的暖通标准，但仍有20-40%的人觉得室内空气品质难以接受，又有20-40%的人患有病态建筑综合症。个人对空气温度偏好的个体化差异最高可以达到10℃。对气流的偏好可能变化4倍以上。传统的混合式空调显然不可能同时满足所有人的喜好。

3) 热湿处理过程能耗大。不仅仅是混合式空调，目前大多数集中空调的空气热湿处理过程都是耦合的，即利用表冷器降温的同时除湿。由于冷凝除湿要先将空气处理到露点温度，所以需要温度较低的冷冻水，大量的显热负荷也用这样的低温冷冻水处理，导致了能源利用上的浪费。

置换式空调的出现改变了混合式空调改善空气品质能力弱的状况，具有较高的通风效率，但新风由下而上不可避免地受到人体散发物的污染之后再进入呼吸区。如果设计不合理，产生的垂直温度梯度将引起人体局部不舒适感，而且也没有很好的解决混合式空调的第2、3个问题。

在这种情况下，工位空调应运而生。所谓工位空调即是以工作台为单位形成个人的工作区域，把空调系统细分到每个工作位上，控制工作区域内的温度、湿度和产生的污染源，在保证工作区小环境的同时有效利用能源的空调系统。与上述空调存在的问题相比，工位空调具有明显的优势：

1) 空气品质、可感知的空气品质优异。工位空调将清洁、低焓值的空气直接送入室内人员的呼吸区，空气未经室内污染物的污染，空气品质优异。低焓值的空气冷却能力强，呼吸道特别是鼻粘膜的对流和蒸发冷却作用显著，使人感觉空气新鲜通透，可感知的空气品质较高。

2) 个体满意度提高。室内人员对个人工作位的送风速度、角度可以自行调节，对局部环境的温度可以自主控制，因此使每个人都对室内空气环境感到满意成为可能。从心理学上讲，当一个人感到他可以对周围环境参数有着某种程度的控制，可以按照自己的意愿去调整的时候，他会更容易对此环境感到满意和舒适。

3) 具备温湿独立控制的先天优势。工位空调可以由背景空调-工作位送风-个人热控系统三部分组成，如果采用温湿独立控制，可以对各部分进行分工：工作位送新风，承担室内潜热负荷；背景空调采用辐射或对流的形式承担室内显热负荷。显热和潜热负荷分离，自然使温度和湿度的处理解耦。个人热控系统调节个人局部环境的温度，这一部分负荷是否要考虑，仍有待进一步研究。

4) 节能。由于工作区送风以及个人热控系统可以显著改善工作区微环境，室内背景温度可以适当提高，室内负荷大大下降。有研究表明，如果人体上半部分的风速控制到1m/s或者更高，则有可能将背景温度提高到31℃或29℃。当室内温度设定值从24℃提高到30℃时，总的冷负荷最大能够降低35%-50%。而且采用热湿独立控制后，与传统的冷凝除湿相比，也可以节省不必要的能耗，提高能源利用品位。

2 温湿独立控制的必要性

假设夏季室内设计干球温度为24℃，相对湿度60%，露点温度15.7℃。利用表冷器冷凝除湿，考虑冷冻水的传热温差5℃和输送过程的温差5℃，则所需冷冻水温度为5.7℃。如果只是消除显热负荷，在空调排热温度24℃的情况下，采用14℃的高温冷水就可以了。一次回风的热湿处理过程的焓湿图如图1所示，将潜热负荷和显热负荷在图中分别标示出来，可见显热负荷占了冷负荷50%以上。这一部分负荷不得不用5.7℃的冷冻水冷却降温，如果送风温差要求较小，还需要额外的再热，能量利用品位低下，甚至存在不必要的消耗。

从负荷变化的动态角度来看。显热负荷的主要来源是室外新风和室内人员。新风的潜热负荷随室外气候变化较大，室内人员引起的潜热负荷与室内人数有关。显热负荷则随室外气候、室内设备的状况的变化而变化。而由图1可见，对于冷凝除湿，潜热负荷和显热负荷只能按照一定比例变化。两者之间的变化关系实际上不耦合，如果处理过程耦合，这显然是不合理的。如果按照基本不变的潜热显热之比处理，当动态的热湿负荷之比与这个比例不符的时候，一般是优先消除显热负荷，于是导致室内相对湿度与设计值相比或大或小。相对湿度过大，人体容易感觉不舒适；相对湿度过小，处理新风的能耗增大，造成不必要的能源消耗。

从人体舒适感与送风温度速度之间的关系来看。送风要承担室内冷负荷，风速较大的地方室内温度也较低，容易产生冷吹风感；风速较小的地方室内温度也较高。这种送风温度与速度的耦合关系与人体的舒适感正好相反，于是在同一个房间，有的地方由于吹风感而不适，有的地方由于空气沉闷而不适。即便送风速度和温度均匀分布，由于个体的差异，对温度和速度的感受力不同，这种热环境的满意度也不会太高。

由此可见，新型的空调方式必须打破送风温度与速度的耦合关系，将温度和湿度控制分离开来。新风负责消除室内潜热负荷，显热负荷由辐射或对流的方式承担。

而温湿独立控制的工位空调与这种思想正相适应。

3 温湿独立控制与工位空调的结合

工位空调按照工作位的送风位置可以分为地板式，桌面式和隔断式系统。地板式系统不同于地板送风， 它的送风口不是均匀布置的，而是根据室内人员的位置确定，一般没有工作区和背景区之分。桌面式系统送风位于桌面或以上， 可以通过水平桌面格栅VDG(VerticalDesk Grill)、垂直桌面格栅HDG(Horizontal Desk Grill)、可移动式风口MP(Movable Panel)、电脑显示器风口CMP(ComputerMonitor Panel)或个人环境单元PEM(Persona l Envir onmentsModule)送风，送风位置如图2所示。隔断式系统即送风口设在个人工作区之间的隔断上。图3所示是中原信生博士提出的一种隔断式机组的工作位送风方式。桌面式和隔断式系统容易形成工作区微环境，如果由这些送风单元承担室内全部负荷，则每个单元承担的负荷过大， 有时会出现空调运行不均匀的现象，所以最好有背景区和工作区之分。再加上Fanger 教授提出的个人热控系统，工位空调比较完整的组成是：背景空调-工作位送风-个人热控系统。

对于有背景区和工作区之分的工位空调适于采用温湿独立控制。显热负荷以辐射或对流的方式，即背景空调，来消除。末端装置有辐射顶板或辐射墙，干式风机盘管或自然对流冷却器等，采用18℃-20℃的高温冷水吸收显热。由于水温一直高于室内空气的露点温度，所以不存在结露的问题。高温冷水的来源可以是地下循环水，土壤源换热得到的冷水，或者制冷机。从理论上讲制取这种高温冷水的制冷机COP会很高，但此时压缩比很低， 一般的压缩机在低压缩比时效率不高， 从而不能达到高效节能的效果。为此需要专门研究开发可工作于这一工况的高效制冷机。

潜热负荷依靠送至工作位的新风来消除，新风事先经过外部低湿源的除湿。按照外部低湿源的种类，除湿的方法可以分为膜法除湿和吸附除湿。膜法除湿即将待处理空气与低湿源用一层薄膜隔开，在低湿源侧采取一定的物理化学手段，使空气析湿。按照在低湿源一侧采取的处理方法又分为两种，真空法和加热法。真空法即在膜的低湿源侧抽真空，依靠两侧水蒸气的分压力差使空气中的水分析出。这种方法所需能耗大，对膜的强度要求也较高。加热法即在低湿源侧加热，一般是通热空气，依靠两侧水蒸气的化学势差使新风析湿。这种方法由于膜两侧温差较小，形成的水蒸气化学势差小，析湿的效果很差。

吸附除湿按照吸附剂的种类，分为固体吸附除湿和液体吸附除湿。

固体吸附除湿常见的是固体转轮除湿。空气处理过程的焓湿图如图4所示。室外新风经前置表冷器降温除湿后进入除湿转轮，忽略转轮轮毂带到吸湿段和再生段的热量，除湿过程近似等焓升温的过程。然后经后置表冷器或热交换器降温至与室内状态等焓的状态点。W点为室外计算点。W1点是前置表冷器所能达到的机器露点，由进入前置表冷器冷水温度决定。W2为除湿转轮出口的状态点 由除湿转轮的性能决定。W3为后置表冷器或热交换器出口状态点。减湿后的空气利用高温冷源冷却降温，后置表冷器通18℃-20℃高温冷水，也可利用室内排风，让减湿后的空气与排风通过热交换器换热。

这种方法吸湿材料为多孔材料如硅胶、活性炭、沸石、氧化铝凝胶，或有机物及盐类，吸湿能力较强。但是转轮除湿运行过程是动态的，混合损失大，影响效率。而且很难实现等温除湿，除湿过程释放出的潜热使除湿剂的温度升高，吸湿能力下降，整个过程传热传质的不可逆损失大，效率不高。液体吸附除湿是空气直接与易吸湿的盐溶液相接触，空气中的水分被吸附于盐溶液中，从而达到除湿的目的。当高浓度的盐溶液常温下的水蒸气分压力低于空气中的水蒸气分压力时，溶液就可吸附空气中的水分，溶液浓度降低。溶液再生时即向稀溶液中通入高温空气，蒸发掉溶液中的部分水分，溶液浓度升高。空气处理过程的焓湿图如图5所示。液体吸附除湿可以只用一种处理过程就把室外新风由状态点W处理到送风状态点W3。常用的液体吸湿剂由氯化钙、氯化锂和三甘醇等的水溶液。由于可以改变溶液的浓度、温度和气液比， 因此可以对空气进行加热、等温、降温的减湿，减湿的幅度大，可达到较低的含湿量。但是它的能源利用率较低，盐水溶液的再生设备比较复杂，设备管道必须进行防腐处理。

在湿度的处理上，目前常用的是吸附除湿。针对吸附除湿的效率不高的问题， 国内外进行了一系列的研究。华南理工大学的除湿转轮有多项创新，清华大学对溶液除湿进行了改进，都可以实现较高的能源利用率，这也使温湿独立控制的工位空调得到进一步推广成为可能。

4 讨论和展望

工位空调的出现是对传统的混合式和置换式空调的一次革新，它将使室内空气品质发生从一般到优异的范式转变，并且提高个人满意度，使室内空气环境满足每个人的舒适成为可能。由于工位空调具有与温湿独立控制相结合的先天优势，两者的结合能够大幅度降低空调系统的能耗，提高能源的利用品位。温湿独立控制的工位空调被普遍认为是未来主流的空调形式。但是就目前工位空调的应用情况来看，采用本文提出的温湿独立控制的并不多。首先是初投资的问题，目前工位空调的初投资比传统集中式空调要大，但是整个系统的运行经济性预期优于传统空调，需要作全面的系统分析才能得到明确的结论。其次是在局部微环境的调节上仍有大量值得研究的内容，微环境调节装置的设计生产、整体系统运行策略的选择等问题都需要明确的理论依据来指导。第三是空气吸附除湿与冷凝除湿相比，不可逆损失大，能源利用率不高，相关设备的生产尚未形成较大的规模，制约了温湿独立控制的应用。这一领域需要继续研究的方向主要有以下几点：

1) 个人热控系统与工作位送风的配合。工作位送风的目的在于向呼吸区提供清洁、低焓值的空气，个人热控系统提供的热流不能干扰这部分敏感气流，为避免吹风感，要以辐射或传导的方式发挥作用。

2) 背景空调与局部微环境调节的配合。作为对非工作区环境的基本控制，背景空调的任务是使人员在进出工作区时不会因为较大的温差而产生不适。对此，背景温度可接受范围以及能耗，背景空调与微环境调节系统共同作用下人体的传热传质特性，都是需要近一步进行研究的。

3) 工作位送风的气流运动、人体体表对流和呼吸导致气流运动相互耦合的气流状况。工作位送风的气流运动、体表对流和呼吸导致的气流运动相互之间具有很强的耦合作用，这是影响人体热感觉和空气品质的主要因素。

4) 模拟随室外气候变化的动态送风。在自然通风的条件下人们能接受的舒适区要比空调条件下（ASHRAE标准）宽得多，模拟随室外气候变化的送风可以提高送风的可接受度。这一动态的送风参数（平均速度、速度分布、脉动频率及强度、温度等）的变化范围以及这种变化的控制策略等问题仍有待研究。

5) 高效除湿设备的研究与开发。如何得到最大的除湿效果，如何减少除湿设备内部的空气压降，是研究开发新型除湿设备的重点方向。如何提高传统除湿剂的性价比，寻找性能更优良的除湿剂，也是影响温湿独立控制应用的重要因素。