参数设置
回风相对湿度固定为50%,大气压为1013 hPa。OAF=0%表示全回风循环,100%表示全新风导入。
混合实时可视化:气流+湿空气线图
上方:新风(OA)和回风(RA)两股气流汇入混合箱,作为混合空气(MA)流出(颜色=温度)。下方湿空气线图中 OA·RA·MA 三点共线,绿色 MA 点随 OAF 在 OA–RA 之间实时滑动。
理论·主要公式
新风(流量 $m_\text{oa}$)和回风(流量 $m_\text{ra}$)混合时,新风比例 $x = m_\text{oa}/(m_\text{oa}+m_\text{ra})$ 下,混合空气的绝对湿度和比焓值为加权平均。
质量守恒定律(绝对湿度):
$$w_\text{ma} = x\,w_\text{oa} + (1-x)\,w_\text{ra}$$
能量守恒定律(比焓值):
$$h_\text{ma} = x\,h_\text{oa} + (1-x)\,h_\text{ra}$$
湿空气比焓值反演混合温度($w$ 单位 kg/kg,$h$ 单位 kJ/kg DA):
$$T_\text{ma} = \frac{h_\text{ma} - 2.501\,w_\text{ma}}{1.006 + 1.86\,w_\text{ma}}$$
饱和水蒸气压采用Magnus型式 $e_s(T)=6.112\exp[17.62\,T/(243.12+T)]$ hPa,绝对湿度采用 $w = 622\,e/(p-e)$ g/kg。
新风·回风焓值混合模拟器简介
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建筑物的空调不是全部吸入外面的空气吗?我听说室内空气和外风混合。
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对的。全部吸入外面空气冷却的话,电费会惊人,所以吸入的空气(回风)和外风按一定比例混合后再冷却、除湿。决定混合方式的叫"新风比例OAF",可以用上面的滑块调节。例如OAF=30%,表示混合空气的3成是新风,7成是回风。
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原则上是"比焓值"和"绝对湿度"的加权平均。湿度不同的两股空气混合时,空气的比热会变化,直接平均温度也不完全合理。但在常规空调范围内,湿度差异很小,温度的加权平均结果和焓值反演也几乎一致,差不到0.1°C。这个工具采用焓值反演的严密计算,但默认值(32°C和26°C按3:7)出来的27.8°C和简单平均也一样。
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湿空气线图上三个点在直线排列。这有什么意义吗?
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重要的一点。混合由质量守恒和能量守恒决定,所以湿空气线图上,MA必然出现在OA和RA的连线上。把OAF从0%改到100%时,MA从RA移到OA。中间按OAF比例内分。这叫"混合直线定律"。实务中看这个图时,夏天外气太热,把OAF降到最小换气量,秋冬外气温度低的时候把OAF升到100%,进行"外风冷房"判断。
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显示了"混合相对湿度"。新风60%、回风50%,混合后55%左右为什么?
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相对湿度不能用加权平均算出来。混合计算用绝对湿度(kg/kg)进行,混合后的温度下重新与饱和水蒸气压比较,算相对湿度。所以不能线性出来。混合温度降低的话饱和压也降低,同样的绝对湿度,相对湿度就会上升。"用相对湿度加权平均"简化的话会差几个百分点,特别是设计结露边界的时候,必须用绝对湿度基础思考,这是铁则。
常见问题
湿空气的能量表示为"干空气的显热"和"水蒸气的潜热·显热"之和,这个整体值就是比焓值。能量守恒定律对比焓值×质量流量成立,所以混合后的焓值是两股流体焓值的加权平均,计算一致。温度因热物性依赖湿度,严格上不成立加权平均。
由建筑基准法和ASHRAE 62.1等的换气标准规定的"每人必要新风量"和"在室人数"决定最低OAF。普通办公楼一般是20~40%左右。夏冬极端外气条件下,为了省能按最低值运转,中间期外气焓值低于室内时,把OAF升到100%进行"外风冷房(经济器)"运转,能大幅度省能。
高地点(例:海拔1000m约899 hPa,富士山顶约630 hPa)的绝对湿度和焓值计算结果会改变。因为 $w = 622\,e/(p-e)$ 的 $p$ 减小,相同温度相对湿度下绝对湿度也会变大。本工具面向平地(1013 hPa)最优化。高地用途需要另外考虑补正系数或参照高地用湿空气线图。
理论上有可能。例如"暖湿的新风"和"冷干的回风"混合时,混合直线暂时通过饱和线上方,混合空气会出现过饱和状态产生微小水滴(雾)。这叫"混合雾"。本工具的默认范围不会发生,但极端参数下混合点进入饱和域时,表示空调机内会发生结露产水。除湿盘管容量设计时这是很重要的现象。
现实应用
集中空调机(AHU)的混合室设计:建筑和工厂的中央空调在屋顶吸入的新风和各楼层回来的回风在混合室合流,其后用盘管冷却·除湿。正确预测混合空气的温度·湿度,需要的盘管容量和冷冻机能力就决定了。本工具正是实现这个"混合室出口"状态计算的基础公式。
外风冷房(经济器循环)的判断:春秋的中间期,外气焓值会低于室内目标焓值的时间段。此时把OAF升到100%进行全新风运转,不动冷冻机就能得到冷房效果。实现需要焓值比较,用本工具比较新风和回风的焓值,可以身临其境体会省能的余地。
数据中心·服务器室的温湿度管理:高密度发热机器冷却时,外风冷房(自由冷却)的效果很大,但湿度管理错误会有静电和结露风险。混合后的绝对湿度和相对湿度需要分别把握,事先用本工具理解湿度的动向,设计判断会加快。
CFD·BEM解析的边界条件设置:建筑物的能量模拟(BEM)和空调机内CFD中,AHU入口的空气状态作为"新风和回风的混合状态"给出。本工具的计算式和同样的加权平均模型在EnergyPlus·TRNSYS·Modelica等空调构件模型内部使用。
常见误解和注意事项
最常见的误解是"相对湿度也能用加权平均计算"这一错误想法。本模拟器改变OAF时,混合相对湿度不会成为新风和回风相对湿度的简单加权平均。例如新风60%·回风50%按3:7混合,混合相对湿度是54%左右。这是因为绝对湿度加权平均后,用混合后温度(饱和压不同)重新计算相对湿度的缘故。设计中看结露余裕度时,必须用绝对湿度基础思考,这是铁则。
次常见的是"提高新风比例必然改善空气质量"这样的单纯想法。新风比例增加对CO2和VOC的稀释有效,但夏天会增加冷房负荷,冬天会增加加湿负荷。把OAF从最低换气量增加的场合,能耗会二次方式增加,与CO2浓度传感器的需求反应制御(DCV)组合,只在必要时增加新风运转,从省能上讲是最优。本工具把OAF从30%改到80%时的焓值变化一目了然,能直观体会负荷增加。
最后是"混合雾"的存在被忽视的注意点。极端湿润的新风和冷干的回风混合时,混合直线暂时超过饱和线,会经历看不见的过饱和状态。这在空调机内成为结露水,湿润风扇和消音器造成实害。湿空气线图上OA和RA的连线是否超过饱和曲线,可以用本工具的混合线直观确认。设计时必须用极端的季节条件检查OA·RA。