室内空气湿度 —— 热力学和焓

简介

什么是“湿”空气?它什么时候或为什么会变成“干”空气?它含有多少热能?这一切与比焓有什么关系?物理学,更确切地说是热力学定律,诠释了这与室内空气湿度之间的相关性。只要掌握了这一点,哪怕只是了解一些简单的内容,就知道可以通过哪些方式处理蒸发冷却器中的水露点,可以毫不犹豫地说出湿球温度概念,并且对等熵变化有着充分的理解,更不用说,在没有准备说明视频的情况下,也能完全准确地看懂 h-x 图了。

但现在,空调机组、HVAC 系统或再制冷系统的设计经常通过计算机程序来完成。而这样会带来的危险是,了解空气湿度热力学行为的规划人员或工厂工程师会逐渐遗忘掉所获得的专业知识。而有时,在日常工作中根本没有足够的时间来研究节能替代方案。但也许再多深入研究一下空调技术或二级冷却机组,就可以节省一两千瓦的电,甚至无需使用制冷系统?在制冷温度极限范围方面,尤其如此。也就是说,只要同时理解绝热制冷和湿气回收即可。这时,热力学知识就能帮助“正确”处理室内空气湿度。

人体生理学

与温度不同,作为人类我们无法立即感觉到相对湿度的变化,只能感受到它带来的影响。如果太低(相对湿度远低于 30%),一段时间后,我们就开始感觉粘膜和皮肤干燥。而如果太高,我们会感觉闷热,并在某一时刻,开始觉得不舒服并出汗。健康体温约为 37°C。由于环境温度通常比这个温度低,因此我们会不断散发热量。这涉及热力学第二定律,其中指出“热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。”也就是说,人体自身的热传递基于物理学原理。当我们接触较冷表面时,会发生热“传导”;当空气经过我们的皮肤时,会发生热“对流”;温度不同的表面之间会发生热“辐射交换”。

然而,除了衣服外,我们还能通过其他方法调节体温,即主要是让湿气通过人体面积最大的器官“皮肤”蒸发出去。对流可以直接对该蒸发过程起到辅助作用。未饱和空气经过皮肤时,会吸收人体散发的水蒸气。因此,当我们自身的热量通过毛孔蒸发体内的湿气,汗液被空气吸收带走时,就是人体的热量散发过程,我们会感觉到温度变低,从而感到冷。当一公斤水通过人体皮肤蒸发时,人体每小时会失去不到 700 Wh 的能量,即大约 600 卡路里的热量。暖和干燥的空气会吸收我们散发的水蒸气,使其在皮肤上迅速蒸发。去桑拿房蒸桑拿就能很好地说明这一点。在相对湿度很低、温度高达 90°C 的环境中,我们能轻松适应,是因为人体能够在一定时间内自我降温。但是,如果房间的相对湿度是 100% 且温度与桑拿浴室的温度相同,我们会坚持不了一分钟,甚至会有生命危险。

湿度、温度、压力与莫利尔图

因此,除了传导、辐射、对流和衣服外,室内温度和空气湿度对舒适度和幸福感也起着决定性作用。由于这两个变量彼此关联,且我们的身体也受其影响,因此我们甚至在一定程度上会感觉到周围空气中的“焓”(用符号“h”表示)。在空调技术领域,焓被用来确定在一个过程中从空气中吸收或放出的热量。对于我们人体来说,也是如此。它表示我们周围一直存在的水气混合物中的热量。若有偏差,我们会不自觉地尝试根据室内空气焓值调整身体的热量平衡,确保体温正常。但是,当温度和湿度发生变化时会怎样呢?

我们都可以想象一下状态变量“温度”的含义。但涉及空气湿度或空气含湿量这种常见术语时,会困难一些。它是指房间气体混合物或我们呼吸的空气中的水蒸气(不是微滴、雾、雨或冰)的占比。该比例取决于温度和气压。比如,一定体积的空气可以吸收一定质量的水蒸气(可精确测量),以每千克干空气所含的水蒸气克数表示。这个值表示绝对湿度,并用符号“x”表示。如果空气饱和了,则表示它处于所谓的饱和状态或露点。此时,它无法再吸收水蒸气,相对湿度“ϕ”也达到了 100%。实际上,这种情况在自然界几乎不会发生。因此,空气中相对水蒸气体积百分比会随着温度或压力的变化在 0 至 100% 之间波动。该值对于空调技术非常重要。一方面,该值可与温度一起提供房间舒适度相关信息。另一方面,它可以计算蒸发和冷凝过程所需的能量。相关性很复杂,但可以计算。因此,可以使用计算机程序设计房间或通风机组的绝热和等温空气加湿工艺。绝热是指在恒定温度下对水进行雾化和蒸发。在此过程中,水滴极小,会立即变成蒸汽,而需要的热能则会从周围空气中获取。由此可以起到降温作用。而等温加湿则是指将水加热到沸点并达到焓值 (h = 419 kJ/kg)。在大气压 1,013 mbar 温度 100 ℃ 下蒸发。

德国哥廷根大学和德累斯顿大学(1897 至 1931 年)应用物理与机械工程教授 Richard Mollier 在 20 世纪初就发现了温度、绝对湿度、相对湿度、水蒸气压、焓和密度等状态变量之间的关系。在没有使用计算机的情况下,他凭借自身精湛的专业知识将这些变量添加到了湿空气 h-x 图中,后来该图表以他的名字命名。现在,借助该图表,仍能很容易地描述湿空气状态的变化(例如,加热、冷却、加湿、除湿和混合),并能快速读出空调所需的热功率。为说明这一点,我们来看一个简单的例子。

蒸发制冷效果

在炎热的夏天,经过长时间强降雨,温度为 32°C 且相对湿度为 40% 的室外空气(图 1 h-x 图中的点 1)被绝热加湿,(理论上)相对湿度达到 100%(图 1 中的点 2)。每公斤空气可吸收 4.5 克水;绝对湿度(横坐标)从 12 g/kg 增至 16.5 g/kg。在此过程中,空气温度降至 22°C(纵坐标)。如今,蒸发制冷这一原理已被用于通风和空调技术,用于在不使用技术的情况下对热空气进行加湿和冷却。通过湿球温度,可以更快地展现这种冷却效果。这是蒸发可以达到的最低温度,与相对湿度存在函数关系。在图 2 中,我们可以检测在上述环境条件下,夏季降雨前后的结果是否相同。

 

图 1:蒸发冷却 h-x 图。将室外空气(32°C,40%)湿度加湿到近 100% 后,空气温度沿着等焓线下降了近 10 K,降至约 22°C,即不供应蒸发热量(图中对角线)。(cci Dialog GmbH 供图)

图 2:在给定空气温度和相对湿度(在该示例中,是在海平面上)下,湿球温度能展现最大冷却效果。(cci Dialog GmbH 供图)

计算很重要,但知识更宝贵

借助 Mollier 的 h-x 图,规划专员或通风系统工程师可以检查加湿或除湿系统的规格是否合适。图 3 所示的图也适用于法兰克福机场城际特快干线火车站的“The Squaire”多功能大楼。这座大楼的总出租面积是 140,000 m2,涵盖办公室、会议室、酒店、零售店和餐饮店,配备了具有送风冷却功能的通风和空调系统。状态 1(32°C,相对湿度 40%,h = 62.5 kJ/kg)室外空气被吸入中央送风式空调机组,从中进行过滤。然后,新鲜空气在两个具有闭路系统 (CCS) 的耦合热交换器中被冷却为供气(状态 2)。

在 21.5°C 下离开中央排风机组中 CCS 热交换器的水在中间热交换器中使用 10°C 的冷水(来自制冷机组)被冷却至 13°C。这些水先流经热交换器 2,然后流经送风机组中的热交换器 1,接着再返回温度为 28°C 的中央排风机组。经过这种预冷却和后冷却,室外空气将会从 32°C 被冷却并除湿到状态 2(15.5°C,湿度 10 g/kg,焓值 40 kJ/kg)。

穿过其他空气过滤器和风扇机组(温度增加 1.5 K)后,状态 3 的送风温度是 17°C,相对湿度是 82%,焓值是 41.5 kJ/kg,这种空气将会被传送到该建筑的各个房间。然后,被加热到 26°C 的排风(状态 4)再次被中央排风机组吸入,并在过滤后穿过绝热蒸发冷却系统。这时,排风相对湿度将被加湿到近 100%,因而需要将其温度降至约 18.5°C (h = 52 kJ/kg)(状态 5)。然后,这些 18.5°C 的空气将 CCS 系统排风热交换器中 28°C 的热水冷却到 21.5°C。最后,温度约为 26°C 的排风(状态 6)以废气形式散到室外。

在冬季,通风和空调系统的系统技术保持不变,但需要更改一些运行参数。这时室外空气温度是 -12°C,相对湿度是 90%。即使在冬天,中央空调机组中经处理的送风目标温度仍要保持在 17°C。关闭排风机组中的绝热蒸发冷却功能。此时,使用热水(以 85°C 的流动温度进行局部加热)将 CCS 系统中的水调节到最高流动温度 60°C,升高送风温度,而不要使用制冷机组。如果室外空气太干燥,则在中央送风机组中将其加湿。顺便提一下,湿气回收系统(例如,膜式热交换器或吸附转子)也是通风机组中的一种主动加湿替代方案。它们从排风和大部分湿空气中吸收热量(焓),然后将其融入送风中。这种方法的优势是,需要的所有水蒸气都无需通过工艺过程产生,这不仅可以节省能源,还能降低成本,减少二氧化碳排放量。但是,该方法不像主动加湿那样可以轻松调节。

 

图 3:夏季送风(1 至 3)和排风处理(包括绝热蒸发冷却;4 至 6)h-x 图。图下半部分说明了送风机组和排风机组与循环复合热回收系统之间的耦合(图 2C:含量 + 传递)

精密测量

德图湿度测量仪系列不仅适用于专业人员,还适用规划专员、工厂工程师和操作员,他们可以使用仪器检查住宅区、生产车间、储藏室和服务器机房及博物馆或冷冻仓库的所有参数,以及状态变量湿度、温度或露点温度的准确值。比如,如果 testo 400 测量仪连接了湿度探头,则它不仅可以测量空气湿度和温度,还能测量室内空气的露点和含水量以及湿球温度。

你知道吗?

在德图室内空气湿度专业知识系列讲座最后,我们整理了关于整个主题领域的更多资料。这些资料是一些常识,但在日常工作中也很有用。

  • 如果在 100°C (1,013 mbar) 下将初始温度为 20°C 的 1 升水蒸发,需要约 700 W 的能量。
  • 冬季,环境空气在 -8°C 下的绝对湿度约为 2 g/kg,相对湿度为 100%。如果这种空气加热到舒适宜人的温度 22°C,则相对湿度最后只有 12%。这样的空气对我们人类来说太干燥了,因此需要加湿。
  • 而夏季,德国在 20°C 下的平均相对湿度是 60%,绝对湿度是 8.5 g/kg。若空间体积是 150 m³,这相当于空气中约含 2 升水。比如,如果温度下降到 0°C,则湿气进入冷藏室时,50% 以上会凝结成露或凝结成无用的冰。

图 5:(资料来源:信息手册:“Luftbefeuchtung”[空气加湿];EnergieSchweiz,Bundesamt für Energie BFE [瑞士联邦能源办公室],2016 年)

  • 每个健康的人自身都有“空调系统”,常常通过口、鼻、喉、气管和支气管中的粘膜将呼吸的空气加湿到最大相对湿度 100%,然后再将其送到肺泡。
  • 如果相对湿度低于 20%,则粘膜的免疫防御功能将失效,因为它们的自洁功能及细菌病毒清除功能会减慢,最终完全停止。
  • 而在大约 50% 的相对湿度下,病毒和细菌只能存活几分钟。如果在这个值的基础上明显下降,则它们的生存时间最多会增加到 2 天,并且包裹在盐硬壳中的病原体会保持悬浮状态。若相对湿度明显高于 60%,细菌也会在数小时内保持传染性,但在空气中只能存活很短时间,然后就会沉入地面。
  • 打喷嚏和咳嗽时,肺内气体喷射而出,微粒或病原体会随着急速冲出的气流经呼吸道排出体外。
  • 通常,人们多达 90% 的时间都是在封闭的房间里,也就是说,是在人工气候环境中。
  • 在任何活动中,人每小时会以湿气形式消耗 50 g 至 200 g 水。做饭、洗衣和洗澡时,最多会蒸发 1,500 g 水。优秀运动员比赛时甚至会消耗 2,000 g 至 3,000 g 水。
  • 在工作场所,大多数员工认为相对湿度明显低于 30% 的室内空气太干燥。这是弗劳恩霍夫工业工程研究所 (Fraunhofer Institute for Industrial Engineering) 为期 2 年的办公室湿度重要性研究的研究结果。

图 6:资料来源:《办公场所的空气湿度》(Air humidity in the office workplace);弗劳恩霍夫工业工程研究所与 IAO组织,斯图加特,2014 年


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