趙玲玲，王輝濤，秦進(jìn)，葛眾，韓金蓉

(1.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，昆明 650093；2.云南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，昆明 650228);3.清華大學(xué) 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084

近年來(lái)，中國(guó)各地的酒店客房、多功能廳、餐廳、影劇院及商場(chǎng)等功能性房間加設(shè)中央空調(diào)系統(tǒng)，以保證房間溫度、濕度、新風(fēng)量等參數(shù)達(dá)到室內(nèi)設(shè)計(jì)要求。相對(duì)濕度是影響人體舒適性的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，主要影響人體皮膚表面的蒸發(fā)散熱[1]，尤其在冬季，當(dāng)室內(nèi)相對(duì)濕度太低時(shí)，一方面會(huì)使人體的皮膚因缺少水分而變得粗糙甚至開(kāi)裂，降低人體對(duì)疾病的免疫力[2]；另一方面使人體產(chǎn)生靜電，靜電可能引起人體心率異常，誘發(fā)早搏[3]，也可能使血液中的堿性升高，影響人的機(jī)體生理平衡[4]，還可能引起腦神經(jīng)細(xì)胞電流傳導(dǎo)異常，影響人的中樞神經(jīng)，使人感到疲勞、煩躁等。當(dāng)室內(nèi)濕度太高時(shí)，會(huì)影響人體舒適感以及為室內(nèi)環(huán)境中的細(xì)菌、霉菌及其他微生物提供了生長(zhǎng)繁殖條件，加劇室內(nèi)微生物污染，導(dǎo)致人體容易患呼吸道或消化道疾病[5]。冬季室內(nèi)相對(duì)濕度若能在不加濕的情況下達(dá)到設(shè)計(jì)要求，一方面能降低設(shè)備造價(jià)，另一方面能節(jié)省運(yùn)行維護(hù)成本，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)具有較大益處。

學(xué)者們對(duì)空調(diào)系統(tǒng)加濕特性做了大量研究，劉乃玲等[6]用實(shí)驗(yàn)法研究了風(fēng)機(jī)盤(pán)管加濕膜空調(diào)系統(tǒng)對(duì)房間溫濕度的影響規(guī)律及該系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)溫濕度的改善程度；徐宏慶等[7]根據(jù)風(fēng)機(jī)盤(pán)管熱濕交換機(jī)理，對(duì)空調(diào)變工況運(yùn)行時(shí)房間的含濕特性進(jìn)行了分析；Ghazikhani等[8]選取特定房間研究了通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中等焓加濕和等溫加濕過(guò)程中的能量消耗量和有效能損失；Sobrinho等[9]采用實(shí)驗(yàn)的方法量化研究了相對(duì)濕度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)的影響；Shailendra等[10]針對(duì)炎熱干燥地區(qū)蒸汽蒸發(fā)-壓縮的組合式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)及舒適性分析；Zhang等[11]研究了冬季太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的熱濕交換系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)溫度及濕度的影響機(jī)理。通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知，目前尚缺乏針對(duì)中國(guó)各氣候區(qū)冬季空調(diào)系統(tǒng)不加濕對(duì)室內(nèi)含濕量及相對(duì)濕度影響方面的研究。

中國(guó)的氣候多樣化，按氣候不同將中國(guó)分為嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)以及溫和地區(qū)，各氣候區(qū)室外環(huán)境各不相同，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)空調(diào)時(shí)，應(yīng)該充分考慮當(dāng)?shù)貧夂騾^(qū)的特殊性，分析空調(diào)系統(tǒng)的熱濕性，爭(zhēng)取在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，盡量簡(jiǎn)化空調(diào)系統(tǒng)，降低系統(tǒng)造價(jià)。本文基于房間內(nèi)濕空氣含濕量質(zhì)量守恒方程分析空調(diào)房間內(nèi)含濕特性，并對(duì)中國(guó)不同地區(qū)功能房間冬季空調(diào)系統(tǒng)不加濕的條件進(jìn)行探討。

1 冬季空調(diào)系統(tǒng)不加濕應(yīng)滿足的條件

取空調(diào)系統(tǒng)及房間為控制體，如圖1所示。

圖1 全新風(fēng)(一次回風(fēng))空調(diào)系統(tǒng)Fig.1 Fresh air (return air) air-conditioning system

以空調(diào)房間為開(kāi)式系統(tǒng)進(jìn)行濕量質(zhì)量守恒分析，忽略房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鳚駮r(shí)

(1)

(2)

導(dǎo)出室內(nèi)含濕量的計(jì)算式為

(3)

1)空調(diào)房間內(nèi)濕負(fù)荷[12]

G=Gr+Gs+Gz

(4)

其中：

Gr=nβg

(5)

Gs=3.33n·β×10-6

(6)

Gz=0.278Fτ·gz×10-3

(7)

式(4～7)中：Gr為室內(nèi)人員散濕量，kg·s-1；Gs為食物散濕量，kg·s-1，一般除餐廳外，其余房間的Gs=0[12]；Gz為敞開(kāi)水表面蒸發(fā)量，kg·s-1，對(duì)于敞開(kāi)水表面積較大的房間(游泳池)需要計(jì)算敞開(kāi)水表面蒸發(fā)量，其余房間Gz=0；g為室內(nèi)單個(gè)人員的散濕量，kg·s-1；β為群集系數(shù)，取值見(jiàn)表1[12]；n為室內(nèi)總?cè)藬?shù)；Fτ為蒸發(fā)表面積，m2，3星級(jí)及以下酒店餐廳中Fτ=2.5，4星級(jí)及以上酒店餐廳中Fτ=4[12]；gz為水面的單位蒸發(fā)量，kg·m-2·h-1。

表1 空調(diào)建筑物內(nèi)的群集系數(shù)Table 1 The cluster coefficient in air conditioning buildings

2)新風(fēng)、排風(fēng)量

(8)

式中：ρg為新風(fēng)空氣密度，kg·m-3；Vmin為最小新風(fēng)量，m3·h-1·人-1。

3)空調(diào)房間內(nèi)總空氣質(zhì)量

MN=AN·h·ρN

(9)

式中：AN為房間的面積，m2；h為房間的高度，m；ρN為室內(nèi)空氣的密度，kg·m-3，計(jì)算式為[13]

(10)

式中：Pbq為干球溫度下水蒸汽的飽和壓力，Pa；B為當(dāng)?shù)卮髿鈮海琍a；T為房間內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃。得出非餐廳類(lèi)房間的含濕量的函數(shù)表達(dá)式為

(11-1)

餐廳內(nèi)的含濕量函數(shù)表達(dá)式為

(11-2)

式中：PF為室內(nèi)人員密度，人·m-2；α為新風(fēng)空氣密度與室內(nèi)空氣密度之比；g′=g+3.3×10-6；當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度且室內(nèi)參數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)，非餐廳類(lèi)房間含濕量為

(12-1)

餐廳類(lèi)房間含濕量為

(12-2)

由式(12)可知，對(duì)不加濕的空調(diào)房間，影響冬季室內(nèi)含濕量的因素有新風(fēng)含濕量、新風(fēng)空氣密度、群集系數(shù)、新風(fēng)量、室內(nèi)單個(gè)人員散濕量；新風(fēng)含濕量、群集系數(shù)及室內(nèi)單個(gè)人員散濕量越大，穩(wěn)定時(shí)含濕量越大；新風(fēng)空氣密度及新風(fēng)量越小，穩(wěn)定時(shí)含濕量越大；而影響含濕量增加速度的因素有初始時(shí)刻含濕量、新風(fēng)含濕量、群集系數(shù)、單個(gè)人員的散濕量、室內(nèi)外空氣密度、新風(fēng)量、室內(nèi)人員密度以及房間高度；新風(fēng)含濕量、群集系數(shù)、人員密度、室內(nèi)單個(gè)人員散濕量及新風(fēng)與室內(nèi)空氣密度比越大，含濕量增長(zhǎng)越快；初始時(shí)刻含濕量越小，房間高度越低，含濕量增長(zhǎng)越快。

房間濕空氣相對(duì)濕度的計(jì)算為

(13)

用Clapeyron方程[14]計(jì)算濕空氣的飽和蒸汽壓力與溫度的關(guān)系。

(14)

式中：tc=647.35 K，Pc=22 103 000 Pa。

根據(jù)規(guī)范要求的冬季空調(diào)房間室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)范圍：30%≤φN≤60%，以設(shè)計(jì)范圍的中點(diǎn)45%為設(shè)計(jì)相對(duì)濕度，即可得到不加濕時(shí)若要達(dá)到室內(nèi)設(shè)計(jì)要求，室內(nèi)相對(duì)濕度需要滿足的條件。

|φN-φ0|≤15%

(15)

式中：φ0為室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度。

故可得非餐廳類(lèi)房間相對(duì)濕度要滿足的條件為

15%

(16a)

餐廳類(lèi)房間相對(duì)濕度要滿足的條件為：

15%

(16b)

由此可見(jiàn)，若不加濕室內(nèi)相對(duì)濕度滿足條件(16)，則空調(diào)系統(tǒng)可以不加濕便能滿足設(shè)計(jì)要求，反之，若不滿足該條件，則空調(diào)系統(tǒng)必須加濕方能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 各氣候區(qū)典型房間冬季空調(diào)系統(tǒng)不加濕的分析

通過(guò)對(duì)各建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)的地域特點(diǎn)進(jìn)行分析，嚴(yán)寒地區(qū)選取哈爾濱市和烏魯木齊市兩個(gè)代表城市，寒冷地區(qū)選取北京市為代表城市，夏熱冬冷地區(qū)選取武漢市為代表城市，夏熱冬暖地區(qū)選取廣州市為代表城市，溫和地區(qū)選取昆明市為代表城市以研究冬季不加濕對(duì)室內(nèi)參數(shù)的影響。按《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50736—2012)，查得不同氣候區(qū)代表城市的空調(diào)設(shè)計(jì)室外空氣計(jì)算參數(shù)。

假定房間初始含濕量與新風(fēng)含濕量相等，在式(16)的基礎(chǔ)上分別選取影劇院、商場(chǎng)、辦公室、餐廳(宴會(huì)廳)酒店客房及多功能廳等典型的功能性空調(diào)房間分析空調(diào)系統(tǒng)冬季不加濕時(shí)室內(nèi)含濕特性。不同功能性房間的設(shè)計(jì)參數(shù)不同，各空調(diào)房間室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2[15]。

表2 各房間室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 2 The design parameters of rooms

圖2～圖7是根據(jù)式(11)計(jì)算所得各氣候區(qū)典型房間的含濕量隨時(shí)間的變化曲線。

圖2 影劇院室內(nèi)含濕量隨時(shí)間的變化曲線Fig.2 The upward curves of moisture content in theater

如圖2，當(dāng)時(shí)間達(dá)到4 500 s時(shí)，影劇院內(nèi)空氣參數(shù)基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，雖然影劇院人員密度大，但因建筑高度高，最小新風(fēng)量大，故含濕量隨時(shí)間變化速度慢，曲線比較平緩，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)室內(nèi)含濕量較小。

圖3 商場(chǎng)內(nèi)含濕量隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 The upward curves of moisture content in mall

如圖3，當(dāng)時(shí)間達(dá)到4 000 s時(shí)，商場(chǎng)內(nèi)空氣參數(shù)基本趨于穩(wěn)定。商場(chǎng)的人員密度大，新風(fēng)量小，故含濕量隨著時(shí)間的增加速度較快，商場(chǎng)內(nèi)空氣參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)含濕量較大。

圖4 辦公室內(nèi)含濕量隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 The upward curves of moisture content in office

如圖4，當(dāng)時(shí)間達(dá)到4 400 s時(shí)，商場(chǎng)內(nèi)空氣參數(shù)基本趨于穩(wěn)定。辦公室的人員密度小，新風(fēng)量大，故含濕量隨著時(shí)間上升速度較慢，商場(chǎng)內(nèi)空氣參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)含濕量較小。

圖5 不同星級(jí)酒店客房含濕量隨時(shí)間變化曲線Fig.5 The upward curves of moisture content in rooms of hotel

如圖5，當(dāng)時(shí)間達(dá)到5 000 s時(shí)，酒店客房?jī)?nèi)空氣參數(shù)基本趨于穩(wěn)定。酒店客房?jī)?nèi)人員密度小，人員散濕量小，故含濕量隨著時(shí)間變化速度慢，曲線比較平緩；與四星級(jí)及以上酒店客房相比，三星級(jí)及以下酒店客房新風(fēng)量小，故三星級(jí)及以下酒店客房的室內(nèi)含濕量增長(zhǎng)速度更快，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)室內(nèi)含濕量也更大。

圖6 不同星級(jí)多功能廳內(nèi)含濕量隨時(shí)間變化曲線Fig.6 The upward curves of moisture content in the multi-purpose halls of hotel

如圖6，當(dāng)時(shí)間達(dá)到3 800 s時(shí)，酒店多功能廳內(nèi)空氣參數(shù)基本趨于穩(wěn)定。多功能廳內(nèi)人員密度及人員散濕量較大，房間高度低，故含濕量增長(zhǎng)速度較快；與四星級(jí)及以上酒店多功能廳相比，三星級(jí)及以下酒店多功能廳新風(fēng)量較小，故三星級(jí)及以下酒店多功能廳內(nèi)含濕量增長(zhǎng)速度更快，穩(wěn)定時(shí)含濕量更大。

圖7 不同星級(jí)餐廳(宴會(huì)廳)內(nèi)含濕量隨時(shí)間變化曲線Fig.7 The upward curves of moisture content in restaurant

如圖7，當(dāng)時(shí)間達(dá)到2 500 s時(shí)，餐廳(宴會(huì)廳)內(nèi)空氣參數(shù)基本趨于穩(wěn)定。一般的餐廳(宴會(huì)廳)都需要配備中西餐，餐廳濕負(fù)荷包括人員散濕量和食物散濕量，餐廳內(nèi)人員密度較大，房間高度較低，故含濕量隨著時(shí)間的增加速度較快；與四星級(jí)及以上餐廳相比，三星級(jí)及以下餐廳新風(fēng)量較小，故三星級(jí)及以下餐廳內(nèi)含濕量增長(zhǎng)速度更快，穩(wěn)定時(shí)含濕量更大。

對(duì)大多數(shù)功能房間來(lái)說(shuō)，當(dāng)室內(nèi)空氣相對(duì)濕度為30%≤φ≤60%時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求，本文將相對(duì)濕度φ<30%看作“干燥”，將相對(duì)濕度為φ>60%看作“濕潤(rùn)”。根據(jù)此界定，在冬季空調(diào)不加濕情況下，主要?dú)夂騾^(qū)各房間空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的相對(duì)濕度計(jì)算及評(píng)價(jià)情況見(jiàn)表3及表4。

表3 各氣候區(qū)影劇院及商場(chǎng)內(nèi)相對(duì)濕度及評(píng)價(jià)表Table 3 The relative humidity and evaluation table of mall and theater all around our country

續(xù)表3

表4 各氣候區(qū)酒店客房、多功能廳及餐廳內(nèi)相對(duì)濕度及評(píng)價(jià)表Table 4 The relative humidity and evaluation of bedrooms and multi-purpose halls of hotels and restaurants all around our country

由表3、表4可知，在廣州市設(shè)計(jì)影劇院空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，不加濕即可滿足設(shè)計(jì)要求；中國(guó)各地區(qū)的商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)冬季室內(nèi)濕度不加濕便可滿足設(shè)計(jì)要求；在武漢市、廣州市、昆明市不加濕時(shí)冬季商場(chǎng)相對(duì)濕度已超過(guò)設(shè)計(jì)范圍，需要采取適當(dāng)?shù)某凉翊胧┓侥苓_(dá)到設(shè)計(jì)要求；在廣州市及昆明市設(shè)計(jì)辦公室及三星級(jí)及以下酒店客房以及在廣州市設(shè)計(jì)四星級(jí)及以上酒店客房空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，不加濕即可滿足設(shè)計(jì)要求，在武漢市、廣州市、昆明市設(shè)計(jì)三星級(jí)及以下酒店多功能廳及餐廳空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，在廣州市及昆明市設(shè)計(jì)四星級(jí)及以上酒店多功能廳空調(diào)系統(tǒng)時(shí)不加濕即可滿足設(shè)計(jì)要求，除此之外的影劇院、辦公室、酒店客房及多功能廳以及餐廳空調(diào)系統(tǒng)冬季均需要加濕方能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

基于房間內(nèi)濕空氣含濕量質(zhì)量守恒方程分析空調(diào)房間內(nèi)含濕特性，并對(duì)中國(guó)不同地區(qū)功能房間冬季空調(diào)系統(tǒng)不加濕的條件進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)中國(guó)各氣候區(qū)的商場(chǎng)、以武漢為代表的夏熱冬冷地區(qū)的餐廳及三星級(jí)及以下酒店多功能廳，以廣州為代表的夏熱冬暖地區(qū)的影劇院、辦公室、酒店客房、酒店多功能廳及餐廳(宴會(huì)廳)以及以昆明市為代表的溫和地區(qū)的辦公室、三星級(jí)及以下酒店客房、多功能廳及餐廳(宴會(huì)廳)的空調(diào)系統(tǒng)不加濕時(shí)冬季室內(nèi)相對(duì)濕度便能滿足設(shè)計(jì)要求。

2)以武漢市為代表的夏熱冬冷地區(qū)、以廣州市為代表的夏熱冬暖地區(qū)、以昆明市為代表溫和地區(qū)商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)在冬季不加濕時(shí)室內(nèi)相對(duì)濕度已超過(guò)設(shè)計(jì)范圍，尚需采用適當(dāng)?shù)某凉翊胧┓侥苓_(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3)以哈爾濱市和烏魯木齊市為代表的嚴(yán)寒地區(qū)、以北京市為代表的寒冷地區(qū)的影劇院、辦公室、酒店客房、酒店多功能廳及餐廳(宴會(huì)廳)，以武漢市為代表的夏熱冬冷地區(qū)的影劇院、辦公室、酒店客房、四星級(jí)及以上酒店多功能廳，以及以昆明市為代表的溫和地區(qū)的影劇院、四星級(jí)及以上酒店客房等房間的空調(diào)系統(tǒng)需要設(shè)置加濕措施以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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