室内空气湿度 —— 新的参比变量?

简介

如果不想在使用空调或 HVAC 系统制冷时出现结露现象,需要将室内空气温度保持在露点以上。这样会比较省电。但这是否合理?持续测量得到的室温和相对湿度究竟是不是合适的参比变量?

为房间、生产设施或仓储设施送风时,需要根据位置、季节和应用环境,以不同方式进行加湿或除湿。比如,对于人体,理想的室内空气相对湿度应尽可能接近 40% 这一恒定值。而对于纸张,在相对湿度 50% 至 55%、环境气温 20°C 至 23°C 的条件下储存最为适宜。

技术性加湿即在等温条件下喷射蒸汽,或者在绝热条件下通过蒸发、喷雾和雾化实现。除湿则通过吸附和冷凝实现。这些方法都需要消耗额外的能量,通常采用电能,但有时也使用气动的方式。然而,大家在规划通风或空调系统时,实际上很少把室内空气湿度视为一项重要的参比变量。如果在设计空调和通风系统之前可以与经营者共同确定需求,以及如何据此确保达到合适的室内空气湿度,岂不是更好?甚至能够做到恢复湿度。而如果预先考虑并连续测量相对湿度,并将室内相对湿度用作空调和通风技术的参比变量,能否在很大程度上节省能源、资金乃至减少二氧化碳排放?

控制电路原理:系统(被控系统)被控变量 (x) 由传感器连续记录,并将反馈值 (r) 与参比变量 (w) 相比较。若出现对照差 (e),控制器会以操纵变量 (y) 作出反应,使被控变量和目标变量再次匹配。

什么是参比变量?

“参比变量”是控制工程(隶属工程科学)中的一个基本术语。DIN IEC 60050-351《国际电工词汇》中的定义如下: “闭环控制是一个过程,其中,对一个变量(即被控变量)进行连续地测量,然后将其与另一个变量(即参比变量)相比较,并根据参比变量对其进行调整。闭环控制的特征是闭环操作,其中,被控变量会在闭环操作路径中对自身产生持续的影响。”

实际上,控制单个值(例如室内温度、二氧化碳含量或相对湿度)的情况非常普遍。如果室内出现干扰变量,控制器会作出反应。如果将室内空气湿度当作参比变量,则干扰变量可以是人、植物、水族箱、厨房、浴室或窗外吹来的干燥自然风。如果“干扰”得到补偿,控制电路就会产生作用。顺便一提,温度控制早在 17 世纪就已有应用。当时,荷兰科学家 Cornelis Jacobszoon Drebbel 发明了一种自动调控恒温器,将其用于孵化小鸡。

目前是否有控制系统规范?

“室内空气湿度”专题讲座的第 2 篇文章 全面介绍了它在国际规范中的重要性。但空气湿度控制呢?它是在 HVAC 系统中充当具体的参比变量,还是说其监测只发挥次要作用?

DIN 1946-6“住宅建筑通风 - 设计、施工、调试和交接及维护的一般要求”第 6 部分的注释提供了初步信息。规定中指出,也可以通过适当的参比变量(例如室内空气湿度及室内空气中的二氧化碳或混合气体含量)调节室内空气流量,即独立于用户或根据用户习惯或根据室内是否有人进行调节。这段表述表明控制属于自愿措施。DIN 中没有关于根据其中一个选定参比变量进行具体通风概念设计的其他信息。

另一个信息来源是德国《节能条例》(German Energy Saving Ordinance, EnEV),该条例目前仍然有效。这是因为它即将被纳入德国《建筑供暖制冷系统节能和可再生能源利用法案》(Energy Saving and Use of Renewable Energies for Heating and Cooling in Buildings Act, GEG)(联邦内阁于 2019 年 10 月底批准了该法案的草案,随后该法案在联邦参议院获得通过,视为被正式采用),并将于 2020 年完成。 不过,无论是 EnEV 还是 GEG,这两个条例中的以下内容均适用于室内空气湿度调控:如果室内湿度会因通风和空调系统送风而改变,则将这种系统安装在建筑中以及对其进行改造时必须为其配备自动控制装置。 它的作用是设置单独的加湿和除湿设定值。

至少直接测量的送风或排风湿度可以用作参比变量。如果现有系统中没有这种控制装置,经营者必须在六个月内对其进行改造。根据该定义,若规划专员或经营者决定安装可对送风或排风进行加湿或除湿的设备,则室内的空气湿度就是参比变量。实践证明,这样做的实质原因主要有三个:

  • 如果关注点放在过程控制或商品上,则可提供使全年室内相对空气湿度达到最佳值的准确建议。鉴于此,大型通风和空调系统通常会配备加湿和除湿系统。因此,除了温度以外,生产设施、洁净室、游泳池、计算机中心、博物馆、图书馆、实验室或仓储设施中的相对湿度也是最重要的参比变量,因而需要严格按照设定值控制送风湿度。在较小规模的私有建筑中也是如此,例如豪华住宅或别墅及其内部资产(家具、油画、古董或木质地板)需要加以保护,且有游泳池的更应如此。在所有这些情况下,首要任务都是全年保持室内湿度恒定。其次是实现节能。
  • 节能措施导致新建筑和翻新建筑中的住宅建筑围护结构越来越紧密。如果温度降到冷凝点以下,则在没有机械通风的情况下,室内的水蒸汽会在较冷表面上结露。结露会导致产生孢子、霉菌以及结构性损坏,而这种情况通常发生在冬季。因此,建筑建设必须符合欧盟建筑指令 2010/31 EU 整体能效监测要求,并在必要时调控室内和送风的相对湿度。
  • 如果关注点放在人上,则主要关注居住健康和安全问题。然而,到目前为止,室内空气湿度主动调控一直都只是选配。因此,雇主所遵循的现有建议一般来自于保险公司或雇员。建议仅指出,在私人住宅或出租房屋内,室内相对空气湿度应全年保持在 40% 左右。因此,建筑师或规划师仍然不太关注室内湿度水平是否合适。结果建筑透气性不足,经常导致健康问题,尤其在冬季,私人住宅中,室内空气干燥,很容易滋生病毒和细菌。具有集成湿气回收功能的住宅通风系统或具有湿度控制功能的独立室内解决方案正逐渐得到采用,但这种情况仍属于少数,并不普遍。顺便提一下,可以“轻度除湿”的室内空调系统使用“室内空气湿度”作为参比变量,这一点少有人知。在循环制冷模式下,该功能可以确保环境空气不会过分干燥。其原理是通过调整压缩机转速,从温度和湿度两方面控制制冷量。与无控制的制冷模式相比,这样可以在温度设定值不变的情况下减少蒸发器表面制冷结露,并使相对湿度最多提高 10%。而且,压缩机冷凝所需的能量更少,最终达到节能的目的。

该表提供了合适加湿空气条件的相关信息。这些条件会随着应用的不同而不同。机器和设备的变化方式相同。因此,需要在规划前就此与经营者进行详细商讨。

控制参比变量

如果送风受控制,则除了温度外,二氧化碳含量和室内空气湿度也可以用作参比变量。但是,将二氧化碳含量用作参比变量的缺点是只适合在室内有人时使用。如果室内无人,通风量会迅速减少,而导致湿度或温度变化。根据季节变化,房间如果长时间未使用,就会产生异味或出现湿气造成的损坏。这是因为植物、水族箱和浴室等湿气来源一直都在公寓或房屋内。

因此,可以将室内空气湿度用作参比变量,从而避免对建筑结构造成不利影响,防止产生危害健康的空气污染物;在寒冷的冬季,这甚至可以减少通风热损失,进而降低能耗,因为干燥的室外空气被纳入到了控制过程中。这可以使输入流量达到最小,不仅可以节省热能和电能,还能减少二氧化碳排放量,同时确保空气交换率不会低于最小值。因此,控制湿度回收的住宅通风系统在其效率评级上获得了额外的好处。目前,相关人士正试图将该原则作为新的修正要素纳入欧洲 HVAC 系统法规,这样可以通过湿气回收达到规定的热回收效率要求(请参阅第 2 篇文章)。

目前,带有集成湿度传感器的风扇已经问世。在小型分散式通风系统以及通风量超过 1,000 m³/h 的大型分散式通风系统中,这种传感器能够提高或降低风扇转速,从而直接通过送风气流影响室内相对空气湿度,直至湿度达到住宅、室内或送风管道的设定值。这样可以防止因湿度过大而导致结露或损坏,但无法防止空气湿度低于最低标准。因而需要在 HVAC 系统中或直接在室内加装一套加湿系统。最好使两个系统相互连接、相互控制。

适当的控制策略

空气加湿和除湿会改变水的物理状态。利用这种效应可以制定出适当的控制策略。可以使用等温和绝热解决方案 (请参阅第 1 篇文章) 进行空气加湿。等温加湿是指主要使用蒸汽对送风加湿,舒适区域的温度不会明显升高。因此,在控制系统中,通常只考虑将湿度值用作参比变量。而绝热系统则用冷水加湿,通过蒸发或喷雾将冷水融入空气中。这样会在加湿空气的同时使其温度降低。因此,除了湿度值外,还必须使用传感器测量空气温度,并使用控制器对其进行监测,防止结露。另外,也可以将绝热加湿器安装在排风口,用以蒸发冷却。通过热回收,相对湿度较高(高达 96%)的预冷排风进入暖风送风,并吸收送风中的热量,将其冷却。最好情况下,温差可以达到 8 至 10 K。在夏季,这可以减轻制冷设备的负荷,或者根据安装位置和应用环境,甚至可以免于使用制冷设备。这样不仅可以节省能源、减少机械制冷设备的二氧化碳排放量,而且还能节省投资成本。下表提供了各种加湿和除湿方案的适用控制策略。

资料来源:《卫生标准–加湿系统规划指南》(Hygiene Criteria – Planning Guidelines for Humidification);Condair GmbH

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我们消耗的空气

在空气流动较少、热辐射适宜、室内温度在 20°C 至 24°C 之间且相对湿度在 40% 至 60% 之间的环境中,人会感到舒适。这两个参数在客观环境中相互依存,并且根据季节和位置不同,随气压变化而变化。出于测试和记录目的 testo 400 智能型参比级环境测量仪 可以测量温度、湿度、压力、光线、紊流度、二氧化碳含量和一氧化碳含量。它为规划专员和工厂工程师提供了智能测量菜单,使他们能够通过触摸屏进行智能测量。工作人员可以根据测量结果进行规划,确定在下一个项目中是否要主动影响、控制和调控室内湿度以及相应的实现方式。此外,还能使用该测量仪持续监测和测试系统,以及预定义的参比和控制变量。于此同时,必须考虑居住者的舒适度和健康,这与商品、生产工艺或建筑结构同等重要,因此,通常需要保持室内湿度恒定,确保居住者安全,保护他们的身体健康。对参比变量“室内空气湿度”投资不仅仅是对技术投资。它还能调控我们的舒适度、健康水平以及所消耗空气的质量;毕竟我们每天大约要消耗 10,000 升或者说 14 公斤的空气。

您是否正在寻找一种可靠的方法来测量室内空气湿度?

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