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热流体·空调

显热比 SHF 计算工具 — 空调负荷平衡

汇总人体、照明、设备、外气导入产生的显热负荷 Q_s 和潜热负荷 Q_L,实时计算显热比 SHF=Q_s/Q_t。在空气线图上可视化为 SHF 线,用于冷却盘管设计的关键指标。

参数设置
人数 N
照明发热密度
W/m²
设备发热密度
W/m²
地板面积 A

外气导入率 OAF = 20%(人均 30 m³/h)、外气 32°C/60%RH、室内 26°C/50%RH、人体中等活动(显热 65W、潜热 60W)。

计算结果
合计显热负荷 Q_s
合计潜热负荷 Q_L
全热负荷 Q_t
显热比 SHF = Q_s/Q_t
室内负荷的构成与空气线图上的 SHF 线

上半部=负荷分层条形图(人体显热、人体潜热、照明、设备、外气显热、外气潜热)/下半部=简化空气线图和 SHF 线(室内点→盘管方向)

理论与主要公式

室内空调负荷分为改变温度的显热和改变湿度的潜热,其比值 SHF 是盘管设计的主要指标。

显热负荷 Q_s。m_a 为空气质量流量,c_p ≈ 1.006 kJ/(kg·K),ΔT 为温度差:

$$Q_s = m_a \, c_p \, \Delta T$$

潜热负荷 Q_L。Δw 为绝对湿度差,h_fg ≈ 2501 kJ/kg 为水的蒸发潜热:

$$Q_L = m_a \, \Delta w \, h_{fg}$$

全热和显热比 SHF:

$$Q_t = Q_s + Q_L, \qquad SHF = \frac{Q_s}{Q_t}$$

SHF 高(≈0.8)表示干负荷,SHF 低(≈0.5)表示湿负荷。在空气线图上,SHF 线的斜率决定了盘管的处理方向。

显热比 SHF 计算工具概述

🙋
设计前辈跟我说"这个办公室的 SHF 很低,要注意",但我不知道 SHF 是什么意思。
🎓
简单说,SHF 就是空调处理的总热量(全热 Q_t)中,用来降温的热量(显热 Q_s)所占的比例。用公式表示就是 $\mathrm{SHF}=Q_s/Q_t$。剩下的部分是用来除湿的潜热 Q_L。看看上面的模拟器,用默认数值时 SHF 约为 0.47,这说明"除湿工作量比降温工作量要大得多"。
🙋
为什么潜热这么多呢?办公室也不会产生那么多湿气啊。
🎓
秘密在于"外气导入"。这个模拟器设定每人导入 30 m³/h 的外气。夏季外气是 32°C、60%RH,绝对湿度约 18 g/kg。要把它处理到室内的 26°C、50%RH(约 10.5 g/kg),每千克空气需要凝聚 7.5 克水,这就是潜热负荷的主要来源。你看上面的负荷条形图,最大的红色段就是"外气潜热",这就是为什么 SHF 这么低。
🙋
如果改变人数滑块,SHF 会怎样变化?
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有个有趣的现象:人数越多,SHF 反而越低。人体发热大约是显热 65W、潜热 60W 各占一半,但人数增加时,外气导入量也会增加,外气潜热就会大幅增长。相反,如果增加地板面积,照明和设备的发热(全是显热)就会增加,SHF 就会上升。你试试拖动滑块,看看四个数值卡片怎么变化。
🙋
空气线图上的那条蓝色虚线是"SHF 线"吗?
🎓
对,那就是盘管设计的主角。从室内状态点(黄色圆)出发,按照 SHF 对应的斜率向下斜伸,就是 SHF 线。冷却盘管必须沿着这条线来处理空气。绿色的点是"ADP(装置露点)",是 SHF 线和饱和曲线的交点,大约就是盘管表面温度的理论值。SHF 越低,线的斜率就越陡,说明盘管表面温度设计得要越低。

常见问题

一般办公室和住宅的夏季冷房,SHF = 0.65~0.80 是比较标准的。会议室或人员密集的办公区,由于外气导入和人体发热的影响,SHF 会降到 0.55~0.65。健身房、厨房、潮湿工厂等,SHF 可能低至 0.40~0.55。相反,服务器机房或干燥工厂,SHF 可能超过 0.90。本工具的默认值设定外气导入比例较高,SHF ≈ 0.47,代表潜热负荷较大的典型场景。
在空气线图上从室内设计点出发,按照对应 SHF 的斜率绘制 SHF 线,将冷却盘管后的送风空气状态点放在 SHF 线上。一旦确定了送风温度和 SHF 线,盘管需要处理的温湿度变化就唯一确定了,据此可以选择盘管的显热、潜热能力。SHF 线陡峭时需要强除湿,SHF 线平缓时主要是冷却。
标准盘管最适合处理 SHF ≈ 0.7 左右的负荷,当 SHF 低于 0.5 时需要特殊处理。常见对策有:先用盘管过度冷却除湿,后用再热盘管加热的"再热方式";用固体吸附剂除湿的"干燥剂空调";或者设置独立的潜热处理系统的"混合式除湿空调"。这些方案都需要权衡省能性和除湿效果。
工具假定:外气 32°C/60%RH、室内 26°C/50%RH 的夏季标准条件;外气导入人均 30 m³/h(OAF ≈ 20%);人体中等工作强度(显热 65W、潜熱 60W);照明和设备全部按显热计算。实际设计还要考虑外壁传热、送风机发热、再热量、负荷变动等因素。本工具主要用于学习"SHF 和负荷构成"的概念,实际工程设计需要更精细的分析。

实际应用

办公楼和商业设施的空调设计:在选择空调机时,根据外气导入率和人员密度估算 SHF,判断是否需要再热盘管或除湿装置。当 SHF 低于 0.6 时,通常采用带再热盘管的空调机(CAV/VAV),防止室内湿度上升。会议室和礼堂等人员密度波动大的空间,SHF 也会变化,因此可变风量控制和运行模式切换尤为重要。

数据中心和精密空调:服务器发热几乎全是显热,人员很少,外气导入也很少,因此 SHF 接近 0.9~1.0。此时可采用"干盘管"运行,盘管表面温度高于露点,不会结露,既省能又防止设备腐蚀。SHF 的准确计算是选择盘管和设定冷水温度的起点。

厨房、体育馆、游泳池:厨房的蒸汽、健身房的汗液、游泳池的蒸发都会产生巨大的潜热负荷,使潜熱超过显热。SHF 经常低于 0.4,需要配合干燥剂除湿或再热式空调的特殊设计。本工具可以快速估算 SHF,判断是否能用标准空调机或需要特殊机器。

建筑热负荷仿真和 CAE:EnergyPlus、TRNSYS 等建筑热负荷仿真器都会输出每小时的 SHF 值。提前用本工具理解"人员、照明、设备、外气各自对 SHF 的影响",能大大提高对仿真结果的理解和空调机选型的准确性。

常见误区与注意事项

最常见的误区是认为"只要室内设计温湿度满足就可以,SHF 可以不管"。实际上 SHF 决定了"空气从哪里冷却到哪里"的路径方向,不仅影响最终状态,更影响中间的处理过程。如果 SHF 实际是 0.5,但选了按 SHF = 0.75 设计的标准盘管,虽然能达到设计温度,但除湿不足,室内会长期处于不舒适的高湿状态。所以要从负荷构成和内訳条形图都要看清楚,确保设计 SHF 与实际 SHF 匹配。

另一个常见问题是低估外气导入量。按法规最低外气量(人均 30 m³/h)供应的项目,外气潜热就可能占全热负荷的 40% 以上。在新风防疫要求下,这个数字可能翻倍或三倍。工具中拖动人数滑块时,你会看到红色的"外气潜热"段几乎等比例增长,SHF 随之下降。因此,越来越多的设计采用独立的新风处理系统(DOAS),专门处理外气,与内部空调分开。

最后,不能用单一 SHF 值来进行设计。SHF 会随时间、季节、在室人数、运行模式而大幅变化。早晨启动时外气温度低、潜热小,SHF 较高;中午高峰人多,SHF 较低;晚间停止新风、只有设备发热时,SHF 又会升高。有效的设计应该覆盖"全年 SHF 变化范围",采用变容量控制(变频、VAV、再热量调节)等手段,让空调系统在宽范围 SHF 下都能保证舒适性和省能性。

使用指南

  1. 用滑块或输入框设置人员数、照明容量、设备负荷和室面积。人均 100W 显热、60W 潜热;每 kW 照明产生 900W 显热;每 kW 设备产生 800W 显热、200W 潜热是标准参考值。
  2. 根据外气导入量和室内条件调整各负荷,实时显示合计显热负荷 Q_s、合计潜热负荷 Q_L、全热负荷 Q_t。
  3. 计算显热比 SHF = Q_s / Q_t,据此确定冷却盘管出口空气在空气线图上的饱和相对湿度。

计算示例

某办公室 100 m² 地板、30 人、15 kW 照明、10 kW 设备的情况:显热负荷 Q_s = 30×100 + 15×900 + 10×800 = 20,500 W;潜热负荷 Q_L = 30×60 + 10×200 = 3,800 W;全热负荷 Q_t = 24,300 W;SHF = 0.844。此时冷却盘管出口露点约 12°C,送风温度设定 18°C 时可满足此负荷。

工程实务注意

  1. SHF 值低于 0.7(潜热负荷大)时,需要外气导入比率 25% 以上,盘管选型要带加湿功能。
  2. 人体潜热基于室内相对湿度 45~55% 标准;在高湿环境(工厂、厨房)要将潜热系数增加 1.2~1.5 倍后重算。
  3. 当照明改为 LED(功率从 900 W/kW 降到 700 W/kW)时,需要重新计算 SHF 并优化盘管能力选型。