基于温湿度独立控制的养老院空调系统的设计

朱慧敏，武晔秋，丁 源

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003；
2.山西大同大学建筑与测绘工程学院，山西大同 037003）

养老是当下社会普遍关注的民生问题，“十四五”的养老服务规划，是以促进养老事业与产业协调发展为目标。当前大多数养老院通过空调来调节室内空气质量，如李国栋[1]等人是通过对VRV多联机空调和分体空调的研究解决养老院的通风和供暖问题；
周国平[2]通过研究空调冷热源以及水系统，设计出柜式空调机组全空气低速空调系统对医养结合大楼中的大区域进行通风；
百晓清[3]通过计算养老院的能耗，对空调系统中的变水量系统以及变风量系统进行节能改造，最终采用单体式空调加新风系统的方式改善养老院室内的空气质量；
陈琦珂[4]利用空调的冷却功能控制室内温度，对居住区域温度进行调节。由于普通空调系统是温湿度同期处理，故易滋养病菌，影响空气品质。为此，在普通空调系统的基础上，利用温湿度独立控制空调系统为整个房间提供足够的新风和调节室内热湿条件，可改善传统空调能耗大、易患空调病等弊端。

养老院中的老年人对室内热湿的适应性较差，若温湿度同期处理会滋生细菌，所以需采用温湿度独立控制系统，既可以节省大量能耗，还可以大大降低病原体滋生。养老院独立温湿控制系统主要由温度独立控制系统和湿度独立控制系统两部分组成（如图1），包括高温冷水机组、新风处理机组、去湿显热的室内末端装置和去潜热的室内送风末端装置这四大核心部件。

图1 温湿度独立控制空调系统原理图

整个系统是通过处理潜热的系统来对养老院室内环境进行除湿的，可选用16℃～18℃范围内的高温冷水，以减少显热负荷，达到节能降耗的目的。同时，高温冷水可以作为地下水、土壤以及湖水等天然冷源的补充。

2.1 温湿度独立控制系统装置设计

选择以光伏发电效率在12%左右的多晶硅太阳电池作为研究对象。这种电池的光伏发电效率相比于单晶硅太阳电池虽然要低一些，但是制作过程简单，能耗较低，整体制作成本也相对较低，适合于大规模应用。

太阳能电池板放置位置如图2。太阳能电池板沿养老院朝向安装于屋顶，根据安装要求，倾角应为当地纬度加减0°～5°，北半球向南，南半球向北。以大同市为例，大同位于北纬40°03′，确定安装角为45°，朝向为正南，以保证系统输出最多的电能。

图2 太阳能电池板放置位置

利用高温冷水取代传统空调系统中低温冷水所承担的大部分热湿负荷，可大大提高制冷效率，达到节能降耗的目的。在温湿度独立控制空调中，以高温冷源为主冷源，承担着室内所有的显热负荷和部分的新风负荷，其所占的比例超过50%。

养老院室内的潜热负荷由新风承担，新风处理方式主要是溶液除湿、固体除湿和冷凝除湿。通过对养老院环境特点进行分析，最终采用溶液对空气进行除湿处理，其优点在于除湿过程完全不产生潮湿表面，杜绝霉菌滋生，减少“病态建筑综合症”及各种空气传播疾病。

末端装置采用贴壁式散流器，并选择将其安装在墙壁底部，设计成下进风上出风的方式，工作原理如图3。因为出风口选择在上端会使引入的新风不受阻挡，并且在进出之间形成涡流，有利于室内污浊空气的排出。为防止老年人受风过凉并降低吹风感，控制散流器送风的风速为0.15～0.35 m/s，以此让独立湿度控制系统完全承担潜热负荷和部分室内的显热负荷。

图3 夏季下进上出的置换通风的工作原理图

风机盘管是一种空调设备，其工作原理较为复杂，但主要是通过风机的运转和热交换器的热传递来达到调节室内空气温度的目的。其主要由风管、风机、盘管及控制系统组成，如图4。

图4 干式风机盘管工作原理图

在风机盘管设备中，空气通过风机的吸入进入设备，然后通过热交换器进行加热或冷却。之后，这些经过处理的空气被吹入室内，使得室内的温度维持在舒适的范围内。为了实现精确的温度控制，往往需要使用控制系统进行智能调控，以保证室内温度始终维持在设定的范围内。在单独的温控系统中，夏天所选用的高温冷源是一台间接蒸发冷水机组，它利用室外的干空气来产生15℃～20℃的高温冷水，并将其输送到室内的末端装置中。

2.2 温湿度自动化检测设计

在温湿度独立控制空调系统的基础上，外加温湿度自动化检测调节装置（如图5）。这个装置可以实时监控并自动调整环境中的温度和湿度，使得整个设计在功能上更加全面，更加实用。温湿度独立调节装置的核心构造包括了温敏元件、湿敏元件、转换元件以及辅助电路和基本转换电路。这些元件和电路相互配合，共同实现了温湿度的自动化检测与调节。

图5 温湿度自动化检测设计图

养老院室内温湿度独立控制空调系统基本工作原理和各部分装置，如图6。该系统主要由太阳能电池板、干式风机盘管、贴壁散流器等组成，可有效改善养老院内的环境，避免过多能源的消耗，实现节能减排，还可以从源头防止病菌的滋生，提高室内空气品质，对老人的身心健康具有积极的影响。通过调节空调系统的温度和湿度，可以实现对室内环境的精确控制，同时可以避免传统空调系统存在的问题；
此外，该系统的智能化控制和调节功能也可以实现能源的节约和优化利用，进一步降低能源消耗。

图6 养老院室内环境改善装置

利用Space Claim 对养老院室内的送风口、出风口进行三维建模（如图7）。三维建模的关键是要确保模型的精确性和实用性。在建模过程中，需要充分考虑到送风口风速、风量大小以及环境等重要因素，以确保室内空气流通、舒适度和安全性。为达到预计目标，将送风口设置在房间的上部，出风口则设置在侧墙高处，这样一来就能实现均匀送风、充分通风及排除废气的目标。

图7 养老院室内模型图

在完成三维模型的构建后，将所构建出的图形导入FLUENT 软件中，对养老院温湿度独立控制空调的室内气体流动进行仿真。为了更准确地模拟实际情况，将入风口风速调节至5 m/s，仿真结果如图8。通过仿真，可以更加直观地观察到空调系统在不同条件下的运行效果，为养老院的运营和管理提供了重要的参考依据。

图8 流体仿真图

通过FLUENT 软件仿真模拟，明显看出温湿度独立控制系统在室内环境中形成旋涡。利用精密的空气动力学原理，将冷空气在整个室内环境中进行循环流动，确保室内的每个角落都能得到均匀且持久的通风，并且降温效果显著，从而达到改善养老院室内环境的效果。

独立温湿控制空调系统主要利用太阳能电池板改善了传统空调能耗大、易患空调病等弊端，该系统具有节能环保，污染小，能为室内通入高质量、洁净的自然风，并且能更快地除湿除热。通过FLUENT流体仿真的结果可以看出，该系统的环境改善效果显著，实用性强，可提供较为适合老年人居住的环境。

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