冬季空調(diào)不加濕對室內(nèi)參數(shù)的影響

趙玲玲 王輝濤 秦進 葛眾 韓金蓉

摘 要：基于質(zhì)量守恒方程導(dǎo)出了冬季空調(diào)系統(tǒng)不加濕時房間內(nèi)的含濕量計算式，綜合考慮影響室內(nèi)含濕量的主要因素，得出冬季空調(diào)可以不加濕時應(yīng)滿足的條件，考察了中國典型氣候區(qū)代表性空調(diào)房間冬季空調(diào)不加濕時室內(nèi)相對濕度能否滿足設(shè)計要求。研究表明：中國各地區(qū)的商場，夏熱冬冷地區(qū)的餐廳及三星級及以下酒店多功能廳，夏熱冬暖地區(qū)的影劇院、辦公室、酒店客房及多功能廳、餐廳，溫和地區(qū)的辦公室、三星級及以下酒店客房、酒店多功能廳及餐廳空調(diào)系統(tǒng)不加濕即可達到設(shè)計濕度要求；嚴(yán)寒地區(qū)及寒冷地區(qū)的影劇院、辦公室、酒店客房、酒店多功能廳及餐廳，夏熱冬冷地區(qū)的影劇院、辦公室、酒店客房、四星級及以上酒店多功能廳以及溫和地區(qū)的影劇院、四星級及以上酒店客房等房間的空調(diào)系統(tǒng)必須加濕才能達到設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量守恒；空調(diào)；加濕；相對濕度；氣候分區(qū)

中圖分類號：TU831.3

文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1674-4764（2018）04-0063-08

Abstract：Based on the mass conservation equation， the calculation formula of the moisture content in the air-conditioned room without humidification in winter are deduced. Synthetically considering major influencing factors of the indoor moisture content， the criterion used to estimate the relative humidity of air-conditioned rooms without humidification in winter are established. Furthermore， the relative humidity in typical air-conditioned rooms without humidification in typical climate regions in winter is checked against the criterion. The main conclusions are as follows： the relative humidity of air-conditioned supermarket all around our country， restaurants and the multi-purpose halls of 3-star and below 3-star hotel in the “hot summer and cold winter” climatic region， movie theaters，office， the bedrooms and multi-purpose halls of hotel， restaurants in the “hot summer and warm winter” climatic region， and office， the bedrooms of 3-star and below 3 star hotel， the multi-purpose halls of hotel and restaurants in the “mild” climatic region can meet the required value without humidification. But， the relative humidity of air-conditioned movie theaters， office， the bedrooms and multi-purpose halls of hotel and the restaurants in the “cold” and “severe cold” climatic region， movie theaters， office， the bedrooms of hotels， and the multi-purpose halls of 4 star and over 4 star hotels in the “hot in summer and cold in winter”， and movie theaters， the bedrooms and multi-purpose halls of 4-star and over 4-star of hotels in the “mild” climatic region can not meet the required value without humidification.

Keywords：mass conservation；air-conditioning；humidification；relative humidity；climatic regions

近年來，中國各地的酒店客房、多功能廳、餐廳、影劇院及商場等功能性房間加設(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)達到室內(nèi)設(shè)計要求。相對濕度是影響人體舒適性的一個重要設(shè)計參數(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)相對濕度太低時，一方面會使人體的皮膚因缺少水分而變得粗糙甚至開裂，降低人體對疾病的免疫力[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，影響人的機體生理平衡[4]，還可能引起腦神經(jīng)細胞電流傳導(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，會影響人體舒適感以及為室內(nèi)環(huán)境中的細菌、霉菌及其他微生物提供了生長繁殖條件，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)相對濕度若能在不加濕的情況下達到設(shè)計要求，一方面能降低設(shè)備造價，另一方面能節(jié)省運行維護成本，對空調(diào)系統(tǒng)具有較大益處。

學(xué)者們對空調(diào)系統(tǒng)加濕特性做了大量研究，劉乃玲等[6]用實驗法研究了風(fēng)機盤管加濕膜空調(diào)系統(tǒng)對房間溫濕度的影響規(guī)律及該系統(tǒng)對室內(nèi)溫濕度的改善程度；徐宏慶等[7]根據(jù)風(fēng)機盤管熱濕交換機理，對空調(diào)變工況運行時房間的含濕特性進行了分析；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程中的能量消耗量和有效能損失；Sobrinho等[9]采用實驗的方法量化研究了相對濕度對空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）的影響；Shailendra等[10]針對炎熱干燥地區(qū)蒸汽蒸發(fā)壓縮的組合式空調(diào)系統(tǒng)進行了熱力學(xué)及舒適性分析；Zhang等[11]研究了冬季太陽能驅(qū)動的熱濕交換系統(tǒng)對室內(nèi)溫度及濕度的影響機理。通過查閱文獻可知，目前尚缺乏針對中國各氣候區(qū)冬季空調(diào)系統(tǒng)不加濕對室內(nèi)含濕量及相對濕度影響方面的研究。

中國的氣候多樣化，按氣候不同將中國分為嚴(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)計人員在設(shè)計空調(diào)時，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，爭取在滿足設(shè)計要求的條件下，盡量簡化空調(diào)系統(tǒng)，降低系統(tǒng)造價。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，并對中國不同地區(qū)功能房間冬季空調(diào)系統(tǒng)不加濕的條件進行探討。

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。

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為敞開水表面蒸發(fā)量，kg·s-1，對于敞開水表面積較大的房間（游泳池）需要計算敞開水表面蒸發(fā)量，其余房間Gz=0；g為室內(nèi)單個人員的散濕量，kg·s-1；β為群集系數(shù)，取值見表1[12]；n為室內(nèi)總?cè)藬?shù)；Fτ為蒸發(fā)表面積，m2，3星級及以下酒店餐廳中Fτ=2.5，4星級及以上酒店餐廳中Fτ=4[12]；gz為水面的單位蒸發(fā)量，kg·m-2·h-1。

由式（12）可知，對不加濕的空調(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)單個人員散濕量；新風(fēng)含濕量、群集系數(shù)及室內(nèi)單個人員散濕量越大，穩(wěn)定時含濕量越大；新風(fēng)空氣密度及新風(fēng)量越小，穩(wěn)定時含濕量越大；而影響含濕量增加速度的因素有初始時刻含濕量、新風(fēng)含濕量、群集系數(shù)、單個人員的散濕量、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，含濕量增長越快；初始時刻含濕量越小，房間高度越低，含濕量增長越快。

由此可見，若不加濕室內(nèi)相對濕度滿足條件（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

通過對各建筑熱工設(shè)計分區(qū)的地域特點進行分析，嚴(yán)寒地區(qū)選取哈爾濱市和烏魯木齊市兩個代表城市，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)計室外空氣計算參數(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、辦公室、餐廳（宴會廳）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)冬季不加濕時室內(nèi)含濕特性。不同功能性房間的設(shè)計參數(shù)不同，各空調(diào)房間室內(nèi)設(shè)計參數(shù)見表2[15]。

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

如圖2，當(dāng)時間達到4 500 s時，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，故含濕量隨時間變化速度慢，曲線比較平緩，穩(wěn)定狀態(tài)時室內(nèi)含濕量較小。

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

如圖4，當(dāng)時間達到4 400 s時，商場內(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，故含濕量隨著時間上升速度較慢，商場內(nèi)空氣參數(shù)達到穩(wěn)定時含濕量較小。

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

如圖6，當(dāng)時間達到3 800 s時，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，故含濕量增長速度較快；與四星級及以上酒店多功能廳相比，三星級及以下酒店多功能廳新風(fēng)量較小，故三星級及以下酒店多功能廳內(nèi)含濕量增長速度更快，穩(wěn)定時含濕量更大。

如圖7，當(dāng)時間達到2 500 s時，餐廳（宴會廳）內(nèi)空氣參數(shù)基本趨于穩(wěn)定。一般的餐廳（宴會廳）都需要配備中西餐，餐廳濕負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，故含濕量隨著時間的增加速度較快；與四星級及以上餐廳相比，三星級及以下餐廳新風(fēng)量較小，故三星級及以下餐廳內(nèi)含濕量增長速度更快，穩(wěn)定時含濕量更大。

對大多數(shù)功能房間來說，當(dāng)室內(nèi)空氣相對濕度為30%≤φ≤60%時滿足設(shè)計要求，本文將相對濕度φ<30%看作“干燥”，將相對濕度為φ>60%看作“濕潤”。根據(jù)此界定，在冬季空調(diào)不加濕情況下，主要氣候區(qū)各房間空調(diào)系統(tǒng)達到穩(wěn)定時的相對濕度計算及評價情況見表3及表4。

由表3、表4可知，在廣州市設(shè)計影劇院空調(diào)系統(tǒng)時，不加濕即可滿足設(shè)計要求；中國各地區(qū)的商場空調(diào)系統(tǒng)冬季室內(nèi)濕度不加濕便可滿足設(shè)計要求；在武漢市、廣州市、昆明市不加濕時冬季商場相對濕度已超過設(shè)計范圍，需要采取適當(dāng)?shù)某凉翊胧┓侥苓_到設(shè)計要求；在廣州市及昆明市設(shè)計辦公室及三星級及以下酒店客房以及在廣州市設(shè)計四星級及以上酒店客房空調(diào)系統(tǒng)時，不加濕即可滿足設(shè)計要求，在武漢市、廣州市、昆明市設(shè)計三星級及以下酒店多功能廳及餐廳空調(diào)系統(tǒng)時，在廣州市及昆明市設(shè)計四星級及以上酒店多功能廳空調(diào)系統(tǒng)時不加濕即可滿足設(shè)計要求，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到設(shè)計要求。

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，并對中國不同地區(qū)功能房間冬季空調(diào)系統(tǒng)不加濕的條件進行分析，得出以下結(jié)論：

1）中國各氣候區(qū)的商場、以武漢為代表的夏熱冬冷地區(qū)的餐廳及三星級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（宴會廳）以及以昆明市為代表的溫和地區(qū)的辦公室、三星級及以下酒店客房、多功能廳及餐廳（宴會廳）的空調(diào)系統(tǒng)不加濕時冬季室內(nèi)相對濕度便能滿足設(shè)計要求。

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)商場空調(diào)系統(tǒng)在冬季不加濕時室內(nèi)相對濕度已超過設(shè)計范圍，尚需采用適當(dāng)?shù)某凉翊胧┓侥苓_到設(shè)計要求。

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)置加濕措施以達到設(shè)計要求。

參考文獻：

[1〕袁萌，王彥淞.室內(nèi)空氣溫濕度對人體熱舒適性影響的實驗研究[J].建筑節(jié)能，2014（8）：17-20.

YUAN M，WANG Y S.Experimental research on impact of indoor air temperature and humidity on Human thermal comfort[J].Building Energy Efficiency，2014（8）： 17-20.（in Chinese）

[2] 徐昆侖.低濕對人體舒適感影響的實驗研究[D] .重慶：重慶大學(xué)，2016：17-19.

XU K L.Effect of low air humidity on human comfort sensation[D].Chongqing：Chongqing University，2016：17-19.（in Chinese）

[3] 李金梅，朱鳴，李強，等.環(huán)境溫濕度對人體靜電電位影響的實驗研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2014（12）：1370-1373.

LI J M，ZHU M，LI Q，et al.Experimental study on human body electrostatic potential effect by environmental temperature and humidity[J].Fire Science and Technology，2014（12）：1370-1373.（in Chinese）

[4] 任召峰.靜電危害及防護[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（21）：203-206.

REN Z F.Damage and prevention of static electricity [J].Modern Electronics Technique，2010，33（21）：203-206.（in Chinese）

[5] 嚴(yán)漢彬，丁力行.控制空調(diào)系統(tǒng)微生物污染的溫濕度條件分析[J].制冷與空調(diào)，2011，11（2）：14-17.

YAN H B，DING L X.Analysis of conditions of temperature and humidity to control microbial contaminant in air-conditioning system [J].Refrigeration and Air-Conditioning，2011，11（2）：14-17.（in Chinese）

[6] 劉乃玲，蔡芳芳，呂金全.風(fēng)機盤管濕膜加濕器對房間溫濕度影響的實驗研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報，2012，27（2）：147-151.

LIU N L， CAI F F， LV J Q. Experimental re search on the influence of room temperature and relative humidity by fan coil unit with wet film humidifier[J]. Journal of Shandong Jianzhu University， 2012， 27（2）：147-151.（in Chinese）

[7] 宋陽光，吳志湘，王謙.傳統(tǒng)常用空調(diào)系統(tǒng)冬季新風(fēng)處理的分析與研究[J].發(fā)電與空調(diào)，2015（3）：40-43.

SONG Y G，WU Z X，WANG Q.Fresh air processed analysis and studies for common air condition system [J]. Refrigeration Air Conditioning & Electric Power Machinery，2015（3）：40-43.（in Chinese）

[8] GHAZIKHANI M， KHAZAEE I，VAHIDIFAR S. Energy analysis of two humidification process methods in air-conditioning systems[J].Energy and Buildings，2016，124：129-140.

[9] SOBRINHO P M，TUNA C E.Experimental research on the influence of the air humidity conditions in an air conditioning system[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2013，49：152-159.

[10] CHAUHANS S，RAJPUT S P S. Thermodynamic analysis of the evaporative-vapor compression based combined air conditioning system for hot and dry climatic conditions [J].Journal of Building Engineering，2015（4）：200-208.

[11] ZHANG J Y， GE T S， DAI Y J，et al.Experimental investigation on solar powered desiccant coated heat exchanger humidification air conditioning system in winter， Energy[S]. 2017， ISSN 0360-5442，

[12] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：1547-1548.

LU Y Q.Practical heating air conditioning design manual [M].2ed edition. Beijing：China Architecture & Building Press，2008：1547-1548.（in Chinese）

[13] PICARD A， DAVIS R S， GLlSER M， et al. Revised formula for the density of moist air （CIPM-2007）[J]. Metrologia， 2008， 45（2）：149.

[14] 章霆芳，章伯其.濕空氣飽和水蒸氣壓力與溫度關(guān)系式的改進與應(yīng)用[J].發(fā)電與空調(diào)，2005，26（4）：43-45.

ZHANG T F，ZHANG B Q.Improvement and application of the relationship between the water vapor saturation pressure and temperature of the moist air[J].Refrigeration Air Conditioning & Electric Power Machinery，2005，26（4）：43-45.（in Chinese）

[15] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范：GB 50736—2012 [S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：6-13.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People Republic. Design code for heating ventilation and air conditioning of civil buildings：GB 50736-2012[S]. Beijing：China Architecture & Building Press，2012：6-13.（in Chinese）

（編輯 胡玲）