显热和潜热负荷分别补偿的空调系统

显热和潜热负荷分别补偿的空调系统

摘要：本文从空气调节的显热和潜热负荷的不同性质，结合传统空调方式普遍存在的技术问题，尤其是在节约能源上存在的困难，进行深入分析，提出了显热和潜热负荷分别补偿的概念，概括地叙述了显热和潜热负荷分别补偿空调系统目前可以实现的几种形式。

关键词：显热和潜热负荷分别补偿空调

显热和潜热负荷分别补偿的空调系统，就是新风经过单独处理补偿潜热负荷，满足空调环境湿度和空气质量要求，显热负荷单独补偿，满足室内温度要求的空调系统。

一，潜热负荷在空调总负荷中所占的比重

空气调节处理的介质是湿空气，设湿空气的焓为，它等于1(kg)干空气的焓与其共存的d(g)水蒸汽的焓之和，即

=+=（kJ/kg干空气）

式中：—干空气的定压比热=1.005(kJ/kg·℃)

—水蒸汽的定压比热=1.84(kJ/kg·℃)

2500—水蒸汽的汽化潜热（kJ/kg）。[注]

上述公式表明，从质量看，干空气以kg计，水蒸气以g计，后者只是个“小数”，二者差2~3个数量级，但是从能量看，由于存在一个2500kJ/kg的水蒸汽汽化潜热，后者实际是一个“大数”。从空气中除去或加进1g水蒸汽消耗的冷量或热量，足以使1kg干空气温度变化2℃以上。

上述情况说明，重新深入研究解决空调系统除湿和加湿问题，对节能减排，提高空调的能源利用水平是非常必要的。

潜热冷负荷主要包括人体散湿量、新风含湿量、食物散湿量、水面蒸发散湿量和工艺散湿量形成的冷负荷。冬季加湿（包括湿雾加湿）形成的热负荷，本文称潜热热负荷。潜热负荷量是十分可观的。

人体散湿量和潜热冷负荷

见下表

[注] 2500kJ/kg为水蒸气在常压下0℃时的汽化潜热，在通常空调工程计算的压力、温度范围内，采用此值进行计算，其误差约在3%以内。

一名成年男子的散热量和散湿量表1

按表1我们可以清楚的看出，当室内设计温度26℃时，人体潜热冷负荷占全热冷负荷的比例将由人员静坐时的42.5%到中等劳动时的68.6%。

人体潜热冷负荷等于潜热散热量、群集系数和计算时刻空调区内总人数之积，而人体显热冷负荷则等于显热散热量、群集系数、计算时刻空调区内总人数与持续时间相关的小于1的冷负荷系数之积，因此按表1分析，潜热与显热负荷之比，或潜热占全热负荷的百分比应该是可靠的。

新风潜热冷负荷

以天津地区为例，室外设计计算参数：干球温度=33.4℃，湿球温度=26.9℃，相对湿度约60%，含湿量约19.6g/kg。若按室内设计参数，干球温度=26℃，相对湿度=50%，含湿量=10.5g/kg，令空气密度=1.2kg/m3，比热=0.28w/kg℃，蒸汽汽化潜热=694W/kg，则1m3新风显热和潜热冷负荷分别为:

=0.28×(33.4-26)×1.2=2.49w/m3

=694×(19.6-10.5)×=7.58w/m3

计算结果说明：新风潜热冷负荷是其显热冷负荷的3倍，潜热冷负荷占全热冷负荷的75%。

食物、水面和工艺散湿量形成的潜热冷负荷

餐厅、游泳馆和造纸及印染等行业的散湿量均十分可观，在这样的环境设置空调系统，其潜热冷负荷很大，在全热冷负荷中占的比例将会更高。

空调系统冬季加湿的热能消耗也是较高的

按天津地区冬季室外计算参数：干球温度=-11℃，相对湿度=53%，含湿量=0.9g/kg。取室内计算参数：干球温度=20℃，相对湿度=50%，含湿量=7.3g/kg，考虑室内湿度少量的自我补偿，按新风加湿6g/kg计算，则每1m3新风显热和潜热负荷分别为：

=0.28×[20-(-11)]×1.2=10.4w/m3

=694×6×=5w/m3

计算结果说明，新风潜热热负荷是其显热热负荷的48%，占新风全热热负荷的32%。对公用建筑，冬季空调加湿潜热热负荷会占到建筑总热负荷的15%以上，工业建筑则由于工艺补风等原因此值将会更高。

二，目前常用空调方式处理潜热负荷存在的问题

现在广泛应用的全空气系统、空气—水系统和制冷剂系统等空调方式，它们的共同之处在于显热和潜热负荷统一补偿，普遍存在以下问题：1．应用同一冷媒统一补偿显热和潜热冷负荷，采用冷凝除湿方式，在除湿

过程中，系统不断有冷凝水排放。显然，随着每一滴冷凝水排放，均无偿消耗了系统的供冷量，带来能源的浪费。统计表明，在我国东部潮湿地区的潮湿季节，由于补偿潜热冷负荷带来的这种能源浪费会占到40%，有的甚至更高。现在，空调系统排放冷凝水似乎成为一种司空见惯的“常态”，殊不知这是空调系统实现节能减排必须抓紧解决的重要问题。

2．为达到冷凝除湿，冷媒温度需要低于室内空气露点温度，为此当前冷媒入口温度一般多选择7℃，由于冷媒温度低，欲提高制冷设备能效比以利节约能源非常困难。另一方面补偿显热冷负荷可以选择较高冷媒温度，如其入口温度可选择15℃，从而为制冷能效比提高提供很大空间，但是由于冷凝除湿的限制，这种能源利用品位上的限制和浪费，不能改变。

3．当前空调系统设计计算，在空气处理过程分析中，习惯寻求一个统一的热湿比。但是通过冷凝方式对空气进行冷却和除湿，其补偿的显热和潜热比只能在很小的范围内变化，而空调环境实际的热湿比却在较大的范围内随时变化。显热既随气候、照明和设备使用情况等发生大幅度改变，也随在场人员数量而变化；潜热负荷除随在场人员数量变化外，还与散湿设备工作状况有关，同时新风的含湿量在空调季节具有显著变化。因此按统一热湿比设计的空调系统经常出现以下问题：

（1）在潜热负荷较高的条件下，往往为满足室内湿度要求而增大除湿量，在这种情况下出现处理后空气温度过低现象，需要进行再热。对相对湿度要求较高的空调系统，通常在机组内设置再热盘管或者电加热装置。显然这是能源的进一步浪费。

(2)按统一的热湿比设计，在显热和潜热负荷不匹配时，一般空调系统往往放宽对环境的湿度控制，仅满足温度要求。造成相对湿度过高，人体舒适度很差。

（3）研究表明，在常温条件下，相对湿度=30%~60%为最佳区域。相对湿度过高，细菌、病毒、霉菌对人体的感染程度增加，呼吸系统疾病传染几率增加。相对湿度作为影响人体健康的重要因素，往往未引起人们足够的重视。

（4）空调自控系统受温度参数和湿度参数干扰，对于用冷凝方式对空气同时进行除湿和冷却的空调系统，两类很难确定其关联性的随机因素干扰同时存在，增大了自控系统设计复杂性和不确定性，很难保障系统运行的稳定性和可靠性。

4．冷凝除湿不可避免地会在空调系统内产生潮湿甚至积水表面，滋生细菌，同时这些潮湿表面被粉尘烟气污染后，不易清除。这种不清洁的空调系统极易引发人们的健康问题。空调系统的清扫已成为当前一个普遍存在的难题。

5．冬季过于干燥的环境，使人们的呼吸道粘膜变薄，容易引发呼吸系统疾病，因此冬季加湿非常重要。前文所述，加湿热负荷占建筑总热负荷的15%或者更多，有蒸汽供应尚易于解决，当无蒸汽供应时，常规的电热加湿或者电极式加湿器耗能巨大，同时存在结垢问题，维护不便。

最近三十年来的经验说明，显热和潜热负荷统一补偿，已经成为空调技术发展的重要障碍，必须抓紧研发，予以解决。