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热流体 / 空调模拟器

新风与回风焓混合模拟器

基于焓守恒计算新风(OA)与回风(RA)的混合空气状态。改变新风温度、湿度和新风比,焓湿图上的 OA、RA、MA 三点会实时移动。

参数设置
新风干球温度 T_oa
°C
新风相对湿度 RH_oa
%
回风干球温度 T_ra
°C
新风比 OAF
%

回风相对湿度固定为 50%,大气压固定为 1013 hPa。OAF=0% 表示全回风循环,100% 表示全新风运行。

计算结果
混合温度 T_ma
混合含湿量 w_ma
混合比焓 h_ma
混合相对湿度 RH_ma(计算值)
焓湿图上的混合(T–w)

红=新风 OA / 蓝=回风 RA / 绿=混合 MA。三点共线,MA 随 OAF 在 OA–RA 之间移动。

理论与主要公式

当新风(质量流量 $m_\text{oa}$)与回风(质量流量 $m_\text{ra}$)混合时,定义新风比 $x = m_\text{oa}/(m_\text{oa}+m_\text{ra})$,混合空气的含湿量和比焓由加权平均给出。

质量守恒(含湿量):

$$w_\text{ma} = x\,w_\text{oa} + (1-x)\,w_\text{ra}$$

能量守恒(比焓):

$$h_\text{ma} = x\,h_\text{oa} + (1-x)\,h_\text{ra}$$

由湿空气比焓反算混合温度($w$ 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 $e_s(T)=6.112\exp[17.62\,T/(243.12+T)]$ hPa,含湿量 $w = 622\,e/(p-e)$ g/kg。

新风与回风焓混合模拟器是什么

🙋
写字楼的空调不是把外面的空气全引进来,对吧?听说是和室内的回风混合后再处理的。
🎓
没错。全部用新风再冷却的话能耗会非常大,所以空调机会把室内的回风和新风按一定比例混合,再冷却、除湿。混合比例由「新风比 OAF」决定,可以用上面的滑块调节。例如 OAF=30%,就是新风占 30%、回风占 70%。
🙋
混合后的温度直接取平均就可以了吗?
🎓
原则上要对「比焓」和「含湿量」做加权平均,因为湿空气的比热随湿度变化,单纯平均温度并不严格。不过在常规空调范围内差异不到 0.1°C,工程上简单加权也够用。本工具采用焓反算的严格方法,默认值(32°C 与 26°C 按 3:7 混合)得到 27.8°C,恰好与简单加权的结果一致。
🙋
焓湿图上的三个点都在一条直线上,这有什么物理意义吗?
🎓
非常关键。因为混合只由质量守恒和能量守恒决定,所以在焓湿图上,MA 一定在连接 OA 和 RA 的直线上。OAF=0% 时 MA 与 RA 重合,OAF=100% 时与 OA 重合,中间则按 OAF 内分线段——这就是「混合直线法则」。实务中,看着这张图就能判断:盛夏外气太热时把 OAF 压到最小换气量,过渡季外气凉爽时把 OAF 拉到 100% 做「新风冷却」。
🙋
「混合相对湿度」也显示出来了。新风 60%、回风 50%,为什么混合后是 55% 左右?
🎓
因为相对湿度不能直接加权平均。混合计算在含湿量(kg/kg)上进行,然后在新的温度下用饱和水蒸气压重新比较,才能得到新的相对湿度。关系是非线性的。混合温度下降饱和压也下降,所以相同含湿量下相对湿度反而上升。如果偷懒直接「按相对湿度加权」,结果会偏差几个百分点。靠近结露界限的设计时,请务必以含湿量为基准。

常见问题

湿空气的能量由「干空气的显热」与「水蒸气的潜热和显热」之和构成,比焓把它们合为一个量。能量守恒在「比焓 × 质量流量」上成立,因此混合后的比焓正好是两股气流比焓的质量加权平均,计算自洽。而温度的热物性依赖湿度,严格加权并不成立。
最低 OAF 由建筑规范或 ASHRAE 62.1 等通风标准规定的「人均所需新风量」与「在室人数」决定。普通办公楼通常为 20〜40%。在夏冬极端外气条件下取最低值以节能;在过渡季当外气焓低于室内焓时,把 OAF 提高到 100% 实施「新风冷却(economizer)」,可获得显著节能。
在高海拔地区(例如海拔 1000 m 约 899 hPa,富士山顶约 630 hPa)含湿量与比焓的计算结果会发生变化。公式 $w = 622\,e/(p-e)$ 中的 $p$ 变小,相同温度与相对湿度下含湿量会变大。本工具针对平地(1013 hPa)优化,高海拔用途请另行考虑修正系数,或参考专用高海拔焓湿图。
理论上可能。例如把「温暖潮湿的新风」与「干冷的回风」混合,混合直线可能短暂经过饱和线上方,混合空气进入过饱和状态并产生微小水滴(雾),称为「混合雾」。本工具默认范围内不会出现,但在极端参数下混合点可能进入饱和区域,意味着空调机内会出现结露与冷凝水。在实际设计中,这一现象直接关系到除湿盘管容量的选定。

实际应用

集中式空调机(AHU)混合箱设计:大楼或工厂的中央空调系统中,屋顶引入的新风与各层回风在混合箱汇合,再经盘管冷却除湿。能否准确预测混合空气的温度与湿度,决定了所需的盘管容量和冷水机组的能力。本工具实现的正是「混合箱出口状态」的基本公式。

新风冷却(economizer cycle)判断:春秋过渡季节,有些时段外气焓低于室内目标焓。此时把 OAF 拉到 100% 进行全新风运行,无需启动冷机即可获得制冷效果。实现的核心是焓比较——通过本工具同时观察新风与回风的焓值,可以体感节能潜力。

数据中心与服务器机房温湿度管理:高密度发热设备的冷却中,自然冷却(free cooling)效果显著,但湿度管理不当会带来静电或结露风险。需要分别掌握混合后的含湿量与相对湿度,借助本工具理解湿度的演化规律,可以加快设计判断。

CFD 与 BEM 解析的边界条件设定:在建筑能耗模拟(BEM)和空调机内 CFD 中,AHU 入口的空气状态以「新风与回风的混合状态」给出。本工具所用的加权平均模型,正是 EnergyPlus、TRNSYS、Modelica 等空调组件模型内部使用的核心算法。

常见误解与注意事项

最常见的误解是认为「相对湿度也可以加权平均」。在本模拟器中改变 OAF,混合相对湿度并不是新风与回风相对湿度的简单加权。例如新风 60% 与回风 50% 按 3:7 混合,混合相对湿度大约是 55%,而非 53%。这是因为混合要在含湿量上进行质量平衡,再在新温度(饱和压不同)下重新计算 RH。设计中考虑结露余量时,必须以含湿量为基准。

第二个常见的简单化错误是认为「提高新风比就一定能改善空气品质」。增大新风比对稀释 CO2 和 VOC 有效,但夏季会增加冷负荷、冬季会增加加湿负荷。当 OAF 超过最低换气量时,能耗增加可能呈二次方式上升。结合基于 CO2 传感器的需求控制通风(DCV)——「需要时才增加新风」——通常是最佳的节能折中。在本工具中将 OAF 从 30% 调到 80%,观察焓的变化,便能直观感受负荷增加。

最后,注意「混合雾」的存在。在极端潮湿的新风与干冷的回风混合时,混合直线可能短暂越过饱和曲线,空气进入看不见的过饱和状态。这会在空调机内形成结露排水,浸湿风机和消音器,造成实际故障。OA–RA 连线是否穿过饱和曲线,可以在本工具的混合直线上直接读出。设计时务必用 OA、RA 的极端季节条件进行检查。