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热流体·空调模拟器

冷却线圈热负荷模拟器 — 显热·潜热·除湿

从入口和出口空气状态,实时计算冷却线圈处理的显热负荷、潜热负荷、全热负荷、除湿量、显热比SHF。在空气线图上绘制冷却过程,直观学习空调设计基础。

参数设置
入口干球温度 Tin
°C
入口相对湿度 RHin
%
出口干球温度 Tout
°C
风量 V
m³/min

出口相对湿度按线圈表面附近的饱和状态固定为 RHout=95%,大气压 patm=1013 hPa 固定。

空气流过冷却线圈的动画
入口 T / RH
出口 T / RH
入口 绝对湿度 w
出口 绝对湿度 w
显热负荷 Q_s
潜热负荷 Q_L
全热负荷 Q_t
显热比 SHF

左=暖湿空气(红)经线圈冷却除湿后在右侧变为冷干空气(蓝)。底部条=显热(红)与潜热(蓝)的比例。低于露点时,凝结水从线圈滴下。

计算结果
显热负荷 Q_s
潜热负荷 Q_L
全热负荷 Q_t
除湿量 dW
显热比 SHF
空气质量流量 m_a
简化空气线图与冷却过程

横轴=干球温度 T (°C)/纵轴=绝对湿度 w (g/kg DA)。红圆=入口(In)、蓝圆=出口(Out)。水平分量=显热变化、竖直分量=潜热变化、蓝曲线=饱和线。

理论与主要公式

从饱和水蒸气压 es(T) 和相对湿度 RH 求得水蒸气分压和绝对湿度 w,计算干空气基准焓值 h。

饱和水蒸气压(Magnus公式):

$$e_s(T) = 6.112\,\exp\!\left(\frac{17.62\,T}{243.12+T}\right)\ \text{[hPa]}$$

绝对湿度(干空气基准):

$$w = 622\,\frac{e}{p_\text{atm}-e}\ \text{[g/kg DA]}$$

湿空气的比焓:

$$h = 1.006\,T + \frac{w}{1000}\,(2501 + 1.86\,T)\ \text{[kJ/kg DA]}$$

空气质量流量及各热负荷:

$$m_a = V \cdot \rho \approx V \cdot 1.2\ \text{[kg/s]}$$ $$Q_s = m_a\,c_p\,(T_\text{in}-T_\text{out}),\quad Q_L = m_a\,\frac{w_\text{in}-w_\text{out}}{1000}\,L_v$$ $$Q_t = m_a\,(h_\text{in}-h_\text{out}) \approx Q_s + Q_L,\quad \text{SHF} = \frac{Q_s}{Q_t}$$

其中 cp=1.006 kJ/(kg·K)、Lv≈2501 kJ/kg、ρ≈1.2 kg/m³。除湿量为 dW = ma(win-wout)/1000 × 3600 [kg/h]。

冷却线圈热负荷模拟器简介

🙋
夏天选空调能力时,说"××kW",这不是只是降低温度所需的热量吗?
🎓
好问题!实际上空调冷却线圈从空气中吸收的热量分为两部分:"降低温度的部分(显热)"和"使水蒸气冷凝除湿的部分(潜热)"。简单来说,在潮湿的夏日降低室温时,除湿所需能量比降温所需能量还要大。在模拟器中使用初始值(入口28°C、湿度65%、出口16°C、风量100m³/min),你会看到显热负荷Q_s和潜热负荷Q_L几乎相等。
🙋
这样的话,湿度高的日子空调线圈工作就更辛苦了?
🎓
完全正确。试试把"入口相对湿度"从65%改为85%。你会看到潜热负荷Q_L和"除湿量dW"大幅增加。空气线图上蓝圆(出口)和红圆(入口)之间的竖直距离变大——这表示"挤出了大量水蒸气"。在梅雨季或湿热的沿海地区,即使室温设定为28°C也感觉冷不下来,就是因为线圈在忙着除湿,没有余力来降温。
🙋
结果里出现的"显热比SHF"是什么指标呢?
🎓
SHF = Q_s / Q_t 表示线圈工作中"用于降温的比例"。一般办公楼约0.7左右,湿度大的厨房或外气导入多的系统会低于0.5。SHF越低(潜热比例越高),就需要设置更低的冷水温度或增加线圈层数。在实务中,根据SHF值和机器特性,在空气线图上重叠室内负荷线和设备特性线来进行选型,这是基本操作。
🙋
风量加倍的话负荷也加倍了。这个很直观。
🎓
对,Q_t = m_a(h_in - h_out) 与风量成正比。所以减少风量负荷也会降低,但是考虑到室内通风和吹出温度下限(一般不低于14°C),不能随意减少。在实务中的流程是"确定所需冷却能力 → 决定风量 → 设定出口温度",最后用这个工具和空气线图验证过程线是否合理。这是很好的入门工具。

常见问题

从物理学上讲这是"加热"过程,超出冷却线圈的设计范围,本工具会将负负荷显示为0。请选择低于入口温度的出口温度。滑块范围限制入口为20~40°C,出口为10~25°C,如果入口温度高于出口温度,计算结果会显示为0。
实际线圈选型时,旁路因数(BF=0.05~0.20)会导致出口空气无法完全饱和。本工具采用RH_out=95%的理想化模型,用于设计早期评估。详细选型需要使用厂家手册中的旁路因数,重新计算装置露点ADP。
焓值法 Q_t = m_a(h_in - h_out) 包含了水蒸气比热和凝结潜热的温度依存性,更为准确。而 Q_s + Q_L 是使用干空气比热和常数潜热的近似方法。两者偏差通常在2~3%以内,设计上可以忽略。本工具用焓值法计算Q_t,单独计算Q_s和Q_L,因此会有微小误差。
可以做概算,但最终选型还需考虑线圈列数、翅片间距、冷水进口温度、冷水流量、旁路因数、空气侧压力损失、冷水侧压力损失等。本工具用来确定全热负荷Q_t和除湿量dW,然后将这些数据输入设备厂商的选型软件才是实务流程。如果SHF极低(低于0.5),还需考虑双重处理或低温送风空调方案。

实际应用

办公楼、商业设施空调设计:从室外条件和室内设定条件计算冷却线圈所需能力是基本流程。例如室外32°C/RH70%条件下,要维持室内26°C/RH50%,用本工具先算出室外处理线圈的全热负荷和除湿量,用来决定冷冻机容量和年耗电量估算。当SHF低于0.6的湿度高地区,还需考虑冷却除湿后再加热的"再热空调"方案。

数据中心、服务器机房精密空调:服务器散发的热主要是干燥的显热(SHF接近1.0),但外气导入部分会带来潜热负荷。用本工具分离外气处理部分的Q_s和Q_L,优化CRAC精密空调的冷水温度设定和除湿运行模式。为防止结露,可以研究"高温运行设定"方案。

食品工厂、洁净室环保管理:食品加工车间需严格控制温湿度,潜热处理能力成为关键。用本工具掌握除湿量dW(kg/h),据此确定排水管口径、坡度、冷凝水盘容量。洁净室进一步复杂化,可能需要冷水线圈+除湿转轮组合设计。

HVAC CFD分析的边界条件设定:在CFD模拟中,用本工具的h_out和w_out直接作为吹出口边界条件。通过对比Q_t/SHF来验证CFD模型(墙体传热、人体发热等)的合理性。实务上先用一维焓值法验证总体热平衡,再转入CFD深化分析,这样效率最高。

常见误解与注意事项

最常见的误解是"只用温度差来决定线圈能力"。实际上在高湿度空气中,潜热负荷与显热负荷相当甚至更大,所需热量可能是温度差估算的两倍。在本工具中比较入口湿度50%和90%的情况,温度差相同但全热负荷Q_t差异巨大。仅用"温度×风量×空气比热"计算的能力,在潮湿季节必然出现能力不足。

其次是显热比SHF与设备特性的失配。室内负荷的SHF(比如0.85)与线圈能提供的装置露点SHF(比如0.70)不一致时,会导致过度除湿或除湿不足,室内湿度偏离设计值。用本工具确认Q_s与Q_L的比例,当SHF极低时考虑增加再热线圈或减少外气导入。空气线图上过程线的斜率与设备特性线重合才是正确的选型方法。

最后是假设出口空气总是饱和的错误。本工具为早期设计用,采用RH_out=95%固定模型,但实际线圈因为旁路因数(典型0.05~0.20)无法完全饱和。旁路因数大的线圈(层数少、风速高)出口湿度达不到本工具预测值,除湿量会偏低。最终选型必须用厂家的BF值进行详细计算。本工具用于"概算和直感养成"。

使用指南

  1. 设置入口空气温度(Tin)和相对湿度(RHin)。例:25℃、60%RH
  2. 将出口空气温度(Tout)设为冷却后的目标值。例:12℃
  3. 输入空气体积流量(V)单位为m³/h。例:3000 m³/h
  4. 模拟器自动计算显热负荷Q_s、潜热负荷Q_L、除湿量dW、显热比SHF并显示
  5. 空气线图上显示入出口状态点和冷却过程,可验证相对于饱和曲线的轨迹

具体计算示例

办公楼中央空调系统冷却盘管示例:入口空气25℃、70%RH,出口12℃,体积流量4500 m³/h 在本 UI 中应输入为75 m³/min。计算结果为显热负荷Q_s≈19.617 kW、潜热负荷Q_L≈21.048 kW、全热负荷Q_t≈41.357 kW、除湿量dW≈30.297 kg/h、显热比SHF≈0.474。

实务中的注意事项