(廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，湛江 524088)

0 引 言

空調(diào)室內(nèi)(區(qū)域)冷負(fù)荷按其來源，可分為外擾冷負(fù)荷和內(nèi)擾冷負(fù)荷。外擾冷負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差傳熱形成的冷負(fù)荷和透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽輻射得熱形成的冷負(fù)荷。內(nèi)擾冷負(fù)荷包括室內(nèi)散熱形成的顯熱冷負(fù)荷和散濕形成的潛熱冷負(fù)荷。

對(duì)于空調(diào)房間來說，內(nèi)擾散熱屬于顯熱得熱，包括對(duì)流得熱和輻射得熱兩部分。其中對(duì)流得熱形成瞬時(shí)冷負(fù)荷，輻射得熱形成室內(nèi)冷負(fù)荷具有時(shí)間上延遲和峰值衰減的特性。某一時(shí)刻，內(nèi)擾顯熱得熱量大小不等于其形成的冷負(fù)荷大小。通常采用冷負(fù)荷系數(shù)計(jì)算顯熱得熱形成的逐時(shí)冷負(fù)荷?？梢?，確定冷負(fù)荷系數(shù)是室內(nèi)散熱形成冷負(fù)荷的關(guān)鍵。

潛熱得熱是指通過水蒸氣等進(jìn)入室內(nèi)的得熱量，它們直接形成瞬時(shí)冷負(fù)荷，即冷負(fù)荷等于得熱量。但是對(duì)于室內(nèi)濕源種類較多的空區(qū)域，并非所有的散濕都會(huì)形成室內(nèi)冷負(fù)荷。如果水蒸發(fā)所需要的熱量來自室內(nèi)的空氣，對(duì)空氣而言這相當(dāng)于近似等焓加濕過程，空氣在吸濕前后焓值基本不變，因此這種散濕不會(huì)形成室內(nèi)冷負(fù)荷。但是目前的資料，沒有對(duì)室內(nèi)散濕按照其蒸發(fā)熱量的來源進(jìn)行分類分析，從而會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)冷負(fù)荷計(jì)算不準(zhǔn)確，尤其是散濕量種類多、散濕量較大的空調(diào)場所，比如室內(nèi)游泳池(游泳館)，散濕源包括人體、池面以及水池周圍濕地等。

1 室內(nèi)散熱形成的冷負(fù)荷

空調(diào)區(qū)內(nèi)熱源主要包括人體、照明和設(shè)備。根據(jù)民用建筑空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50736-2012，人體、照明和設(shè)備形成的逐時(shí)冷負(fù)荷，等于三種熱源散熱量與其相應(yīng)的冷負(fù)荷系數(shù)的乘積[1]，而三種熱源的冷負(fù)荷系數(shù)可在文獻(xiàn)[1]的附錄H查得。下面以人體冷負(fù)荷系數(shù)為例，分析表中數(shù)據(jù)的查取方法。

表1是人體冷負(fù)荷系數(shù)的部分?jǐn)?shù)據(jù)。 “工作小時(shí)數(shù)(h)”，其含義是人員連續(xù)在室內(nèi)工作的時(shí)間；“從開始工作時(shí)刻算起到計(jì)算時(shí)刻的持續(xù)時(shí)間”，其含義是人員進(jìn)入室內(nèi)時(shí)刻與冷負(fù)荷計(jì)算時(shí)刻，這兩個(gè)時(shí)刻之間的時(shí)間。人體冷負(fù)荷系數(shù)大小與人員在室內(nèi)連續(xù)工作時(shí)間有關(guān)，也與計(jì)算時(shí)刻與人員進(jìn)入室內(nèi)時(shí)刻之間的持續(xù)時(shí)間有關(guān)。人員在室內(nèi)連續(xù)工作1小時(shí)，(表1中的第一行數(shù)據(jù)為例)，人體散熱量，在人員進(jìn)入室內(nèi)的第1小時(shí)內(nèi)，44%形成冷負(fù)荷；在第2小時(shí)，32%形成冷負(fù)荷；如果人員在室內(nèi)連續(xù)工作2 小時(shí)，(表1中的第二行數(shù)據(jù)為例)，人體散熱量，人員進(jìn)入室內(nèi)的第1小時(shí)，44%形成冷負(fù)荷；第2小時(shí)，77%形成冷負(fù)荷。在查取人體冷負(fù)荷系數(shù)時(shí)，需要注意，人員在室內(nèi)開始工作時(shí)刻對(duì)應(yīng)表1中的持續(xù)時(shí)間為1的冷負(fù)荷系數(shù)值。

表1 人體冷負(fù)荷系數(shù)[1]

從表1中還可以看出，人員在室內(nèi)連續(xù)工作小時(shí)數(shù)不同，冷負(fù)荷系數(shù)最大值對(duì)一個(gè)的時(shí)間不同。下面對(duì)表1中數(shù)據(jù)的形成的原理進(jìn)行分析研究。對(duì)于人員在室內(nèi)連續(xù)工作4小時(shí)的散熱，可以分解為散熱量相同，時(shí)間上連續(xù)的4個(gè)，工作1小時(shí)的散熱。對(duì)于第1個(gè)工作1小時(shí)散熱，它的作用從工作到計(jì)算時(shí)刻持續(xù)時(shí)間的第1小時(shí)開始計(jì)算，各個(gè)計(jì)算時(shí)刻的冷負(fù)荷系數(shù)如表2中的第1行數(shù)據(jù)；對(duì)于第2工作1小時(shí)的散熱，它的作用從工作到計(jì)算時(shí)刻持續(xù)時(shí)間的第2小時(shí)開始計(jì)算，各個(gè)計(jì)算時(shí)刻的冷負(fù)荷系數(shù)如表2中的第2行數(shù)據(jù)……依次類推。因此對(duì)于連續(xù)工作4小時(shí)散熱冷負(fù)荷系數(shù)，等于連續(xù)4個(gè)工作1小時(shí)顯熱冷負(fù)荷系數(shù)，按作用時(shí)刻進(jìn)行疊加，如表2中的第5行數(shù)據(jù)。

表2 連續(xù)工作4小時(shí)人體冷負(fù)荷系數(shù)計(jì)算

連續(xù)工作3小時(shí)的散熱，它對(duì)室內(nèi)冷負(fù)荷的影響持續(xù)時(shí)間是24小時(shí)[1]。對(duì)于工作時(shí)間是周期性的室內(nèi)熱源，如果每天連續(xù)工作時(shí)間超過3小時(shí)，就需要考慮24小時(shí)內(nèi)的冷負(fù)荷系數(shù)分布。連續(xù)工作4小時(shí)的散熱冷負(fù)荷系數(shù)，某一計(jì)算時(shí)刻的冷負(fù)荷系數(shù)，為表2中第1～4行對(duì)應(yīng)時(shí)刻數(shù)據(jù)相加，如第6行數(shù)據(jù)所示。

某空調(diào)房間有兩人，上午工作時(shí)間8∶00～12∶00，下午工作時(shí)間14∶00～18∶00。已知室內(nèi)每個(gè)成年男子顯熱散熱量qs=61 W，群集系數(shù)φ=1。8∶00～17∶00室內(nèi)人員散熱逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算公式如下：

CL=qsnφCcl=QrtCcl

(1)

其中，qs為每個(gè)成年男子顯熱散熱量，W；n為室內(nèi)全部人數(shù)；φ為群集系數(shù)；Qrt為人體顯熱散熱量；Ccl為人體顯熱冷負(fù)荷系數(shù)。

上午和下午連續(xù)工作時(shí)間均為4 h，上午“從開始工作時(shí)刻算起到計(jì)算時(shí)刻的持續(xù)時(shí)間(τ-T)”為1 h對(duì)應(yīng)的計(jì)算時(shí)刻τ為8∶00，下午“從開始工作時(shí)刻算起到計(jì)算時(shí)刻的持續(xù)時(shí)間”為1 h對(duì)應(yīng)的計(jì)算時(shí)刻為14∶00。查文獻(xiàn)[1]附錄H.0.5-1，人體冷負(fù)荷系數(shù)和冷負(fù)荷計(jì)算如表3所示，其中第4行數(shù)據(jù)為上午連續(xù)工作4小時(shí)，人體散熱在各個(gè)時(shí)刻形成的冷負(fù)荷CL1；第8行數(shù)據(jù)為下午連續(xù)工作4小時(shí)，人體散熱在各個(gè)時(shí)刻形成的冷負(fù)荷CL2；8∶00～17∶00室內(nèi)人員散熱逐時(shí)冷負(fù)荷CL為表3第9行數(shù)據(jù)，它是上午和下午散熱形成冷負(fù)荷的疊加。

表3 人體散熱形成的逐時(shí)冷負(fù)荷(單位：W)

本題工作時(shí)間內(nèi)人體顯熱散熱量是恒定的，都是122 W。對(duì)于14∶00～17∶00這四個(gè)計(jì)算時(shí)刻的人體散熱形成的冷負(fù)荷，可以對(duì)冷負(fù)荷系數(shù)相加。例如14∶00時(shí)，人體冷負(fù)系數(shù)總和為Ccl=0.08+0.45=0.53，則人體散熱冷負(fù)荷為CL=122×0.53=65 W。

如果在工作時(shí)間內(nèi)，人體散熱量不恒定，則需要按照形同的散熱量為一類，劃分多個(gè)不同強(qiáng)度的連續(xù)工作時(shí)間段，分別計(jì)算逐時(shí)冷負(fù)荷進(jìn)行疊加，而不能直接進(jìn)行冷負(fù)荷系數(shù)疊加。

2 室內(nèi)散濕形成的冷負(fù)荷

室內(nèi)散濕種類比較多的空調(diào)區(qū)域，最典型的代表就是室內(nèi)游泳池(或游泳館)。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，池廳空氣溫度應(yīng)高于池水溫度1～2 ℃，相對(duì)濕度一般為50%～70%，不應(yīng)超過75%。游泳館內(nèi)的散濕，包括水面散濕、池邊濕地散濕及人體散濕等[2-3]。

(1)人體散濕形成的冷負(fù)荷

人體散濕形成的潛熱冷負(fù)荷，可直接查閱相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊獲取，也可用公式(2)計(jì)算：

Q1=W1×(2 500-2.35t)=q1nφ

(2)

式中，Q1為人體散濕形成的潛熱冷負(fù)荷，W；W1室內(nèi)人體散濕量，g/s；t為室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度，℃；q1為不同室溫和勞動(dòng)性質(zhì)成年男子潛熱散熱量，W；其余參數(shù)同前。

(2)水面散濕形成的冷負(fù)荷

由于室內(nèi)空氣溫度比池水溫度高1～2 ℃，周圍空氣會(huì)向池水傳熱。泳池水面蒸發(fā)所需的熱量來自兩方面，室內(nèi)空氣和熱源。水面散濕形成的冷負(fù)荷為水蒸發(fā)帶入空氣中的潛熱量與空氣傳向水面的顯熱量之差[4]，可用公式(3)表示：

Q2=W2×(2 500-2.35tw)-α(t-tw)F

(3)

式中，Q2為水面散濕形成的潛熱冷負(fù)荷，W；W2為水面的散濕量，g/s；tw為池水溫度，℃；α為空氣與水面之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(K·m2)；F為水面面積，m2；其它參數(shù)含義同前。

(3)池邊濕地散濕形成的冷負(fù)荷

池邊濕地的水可以認(rèn)近似為它的溫度等于池水溫度，低于空氣溫度，但是它無加熱熱源，因此水蒸發(fā)所需要的熱量全部來自室內(nèi)空氣。對(duì)于空氣而言，池邊濕地水的蒸發(fā)過程，相當(dāng)于空氣近似等焓加濕過程。因此池邊濕地散濕形成的潛熱冷負(fù)荷等于進(jìn)入空氣中的液態(tài)水的焓值，可按公式(4)計(jì)算。

Q3=W3×4.19tw

(4)

式中，Q3為水面散濕形成的潛熱冷負(fù)荷，W；W3為池邊濕地的散濕量，g/s。

如果忽略液態(tài)水的焓，水蒸發(fā)過程可視為空氣等焓加濕過程，這時(shí)池邊濕地散濕形成的冷負(fù)荷Q3=0。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，某酒店五層760 m2的游泳館，水面散濕量W1=65.4 kg/h，池邊濕地散濕量W2=3.078 kg/h，人體散濕量W3=20.1 kg/h。夏季工況，室內(nèi)總冷負(fù)荷為Q=145.3 kW，如果不區(qū)分三種散濕的性質(zhì)，總散濕量W=88.578 kg/h，散濕形成的總冷負(fù)荷Qw=59.8 kW，占室內(nèi)總冷負(fù)荷41.1%。池邊濕地散濕形成的冷負(fù)荷占總散濕冷負(fù)荷的3.47%，占室內(nèi)總冷負(fù)荷的1.43%。

另外對(duì)于空調(diào)機(jī)組而言，它除了承擔(dān)室內(nèi)散濕，還需要承擔(dān)新風(fēng)帶入的散濕量[7]。因此在計(jì)算室內(nèi)散濕形成的冷負(fù)荷時(shí)，需要注意區(qū)別室內(nèi)散濕量和系統(tǒng)散濕量。

3 結(jié)束語

室內(nèi)散熱屬于顯熱得熱，形成冷負(fù)荷時(shí)，峰值大小有衰減、峰值時(shí)刻有延遲，利用相應(yīng)的冷負(fù)荷系數(shù)計(jì)算其形成的冷負(fù)荷大小。冷負(fù)荷系數(shù)的大小，與熱源散熱開始時(shí)刻和散熱持續(xù)時(shí)間等因素有關(guān)。需要特別注意，在某一連續(xù)的時(shí)間段內(nèi)，如果散熱量的強(qiáng)度周期性變化，需要?jiǎng)澐譃槎鄠€(gè)周期性的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行疊加計(jì)算。室內(nèi)散濕得熱，屬于潛熱得熱，但是并非所有散濕潛熱得熱都會(huì)形成室內(nèi)冷負(fù)荷，水蒸發(fā)的熱量不是來自室內(nèi)空氣的散濕才會(huì)形成潛熱冷負(fù)荷。因此對(duì)于濕源較多的空調(diào)區(qū)域，需要根據(jù)散濕熱量的來源分類處理，才能得到比較合理的數(shù)據(jù)，為空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)和高效運(yùn)行提供基礎(chǔ)支持。