本发明公开的基于能量梯级利用的温湿度独立控制空调系统，包括通过风管网连接的蒸发冷却高温冷水机组、新风除湿机组及空气‑空气换热器，蒸发冷却高温冷水机组、新风除湿机组分别与空调房间连接，蒸发冷却高温冷水机组与空调房间内的显热末端连接。本发明的温湿度独立控制空调系统将空调房间温度较低的排风用作蒸发冷却高温冷水机组的进风，有效回收排风冷量，能得到温度较低的冷水输送到显热末端带走房间显热负荷；有效利用蒸发冷却高温冷水机温度较低的排风对新风进行预冷，再进入风冷冷凝器带走冷凝热，提高冷凝效率，实现了能量的梯级利用；蒸发冷却高温冷水机组与新风除湿机组联合运行实现了温湿度独立控制。