室内相对湿度对夏热冬冷地区新风耗冷量的影响

1 问题的提出

　　建筑节能以保证室内卫生舒适为前提，通过提高建筑的能源利用效率来满足人们迅速增长的健康和舒适感要求，进而提高室内工作效率和生活质量。建筑热环境质量标准的高低，对建筑、建筑供配电和采暖空调设备的投资、能耗、运行费用都有显著影响，需要相应的能源支撑和个人的经济承受能力。根据重庆地方标准[1]，达到小康水平的住宅应执行舒适性热环境质量标准。而影响热感觉的六个因素是：干球温度、空气湿度、风速、周围物体表面的平均辐射温度、人体活动强度和衣服热阻，前四个是热环境因素，后两个是个体人为因素。按热舒适方程将上述六个因素综合为PMV预期平均评价和PPD预期不满意百分率，形成PMV—PPD热环境指标综合评价体系。正由于PMV是由热感觉的六个因素共同决定的，同一个PMV值可由不同的六个因素组合而达到，在不同热环境参数组合下，所需能耗大小不同。
　　我国夏热冬冷地区，由于特有的地理位置而形成的气候特征，夏季气温高，气温高于35℃的天数有15—25天，最热天气温可达41℃以上，加上湿度大，给人闷热的感觉。全年湿度大是该地区气候的一个显著特征，年平均相对湿度在70%—80%左右，有时高达95%—100%[1]。高湿不仅影响到室内人员的热舒适感，而且影响到室内卫生条件，对人体健康和室内设备、家具的使用寿命带来不利影响。根据这一地区的气候高湿特征，夏季住宅要达到居住环境的热舒适和节能要求，就需要采取多种方法解决高温高湿带来的热环境质量和室内空气质量问题。为使住宅空调除湿的能耗降到合理的水平，住宅降温除湿方式应灵活多样，对新风能耗分析也应考虑气候资源的合理调配等因素[2]。由于夏热冬冷、气候潮湿的建筑室外热环境特征，新风能耗在空调总能耗中占较大比例，例如，重庆节能住宅的各项能耗中，夏季新风冷负荷占总冷负荷的29.61%，夏季新风用电量占夏季总用电量的44.54%，在全年采暖空调除湿用电量中新风占40.24%[1]。
　　所以，合理地确定该地区新风冷耗的计算方法对探讨新风节能途径有着重要意义。室内设计温度高低对新风能耗的影响作者已另文讨论，本文主要分析室内相对湿度对夏热冬冷地区新风耗冷量的影响。
2 夏热冬冷地区空调期、除湿期新风耗冷量分析方法

2.1 空调期、除湿期的确定方法
　　实验研究表明[1]，节能住宅采用间歇通风，室内日最高温度tn.max与室外日最高温度tw.max，室外日最低温度tw.min之间有如下关系：

　　这表明，对节能住宅，在采用间歇通风的前提下，当室内最高温度超过室内设定的热舒适温度上限值时，必须采用机械方式进行降温，即空调设备启动，进入空调期。
　　所以，夏热冬冷地区住宅空调期是指采用间歇通风等无能耗或低能耗的自然或被动冷却方式不能达到室内的舒适性热环境质量要求时空调设备运行的天数。对于住宅建筑，当室内热舒适参数设定值不同时，即使在相同的室外气象条件和通风方式条件下，空调运行时间也不同。因此，对不同住宅空调期长短的比较，为建立相同的比较基础，通常按该地区舒适性热环境质量标准允许的上限温度值为室内设定温度，以此判断是否属于空调期。若设室内热环境干球温度最高允许值为tn.c,设 为室外加权日平均温度，用符号tw.jp表示，则属于空调期天数的判断条件是：

　　对于夏热冬冷地区，室外空气湿度高且持续时间长，当室外空气日平均相对湿度超过室内空气设定相对湿度时，若不对室外空气进行处理而直接进入室内，会导致室内湿度超过热环境质量规定的上限值，影响室内热环境的热舒适性和室内空气质量。若此时室外气温不满足2-1-2，且高于采暖期室内最低温度tn.h，即在不属于空调期和采暖期的天数内，这时为保证室内环境质量需对室外空气进行除湿处理，能耗主要是新风的除湿能耗，因而我们把这样的天数单独作为除湿期天数。设Φw.p为室外空气日平均相对湿度，Φn.max为室内热环境上限相对湿度，其余符号同前定义。所以，除湿期天数的判断条件为：

　　所以，夏热冬冷地区除湿期是指一年中，除采暖期和空调期以外，需要对进入室内的室外空气进行除湿才能维持建筑室内所要求的热环境质量的天数之和。与空调期相比，除湿期内室外日平均气温较低，室内空气温度随室外气温波动，但从日平均温度来看，室内日平均温度与室外日平均气温比较接近，因而除湿期内室内空气温度不是定值，而是在tn.c和tn.h的范围内随室外空气温度变化的动态参数。采用当地室外逐时气象数据，可以求得室外tw.jp和Φw.p，判断是否属于除湿期，若属于除湿期，则设室内日平均温度等于室外日平均气温tw.p，再结合建筑室内允许的最大相对湿度和当地大气压力，按湿空气状态方程计算得到除湿期室内最大允许含湿量和最大允许焓值的逐日值，作为除湿期新风耗冷量计算的基础。
2.2 空调期、除湿期新风耗冷量计算基本公式
　　新风耗冷量是指在新风的处理过程中，需由制冷机或天然冷源提供的冷量，其大小取决于新风热湿处理过程前后的焓差和新风量。新风耗冷量不同于新风能耗，新风能耗与新风处理设备的能效比有关，在耗冷量相同时，能效比越高的新风处理设备能耗量小于能效比低的新风处理设备。空气处理设备的能效比是一个综合性概念，其大小既与设备自身性能有关，也与设备运行工况和调节方式有关。本文不涉及具体新风处理设备的能量转换效率，主要就新风耗冷量计算方法及其结果进行分析。
2.2.1 空调期新风耗冷量计算基本方法
　　在空调期内，新风被处理到低于室内设定空气状态焓值送入室内，此时处理单位质量的新风需消耗的冷量为室外空气焓值与新风处理后的露点焓值之差，这部分冷量除承当新风自身负荷以外还可承当部分室内显热冷负荷，相应减少了室内冷负荷的耗冷量，新风多承当的这部分室内冷负荷为显热冷负荷，数量上相当于室内空气焓值与露点焓值之差。对空调期整个空调系统或空调房间而言，新风独立处理至露点状态虽多消耗了冷量，但可作为承当室内冷负荷利用，新风降温除湿实际所需耗冷量仍然可由室内外空气焓差计算确定。空调期的新风总耗冷量为空调期每天耗冷量的总和，空调期一天中的新风耗冷量等于该日内空调运行逐时耗冷量之和。当室外空气焓值低于室内设定空气状态焓值时，该时刻新风耗冷量为零。所以，空调期内单位质量流量（kg（干）/h）新风耗冷量qc.1按下式计算：

　　式中
　　　　qc.1——空调期内单位质量流量的新风耗冷量，kW.h/（kg（干）/h）；
　　　　iw 、iN——分别代表室外、室内空气的焓值，kJ/kg（干）；
　　　　DNAC——为夏季空调期天数，天；
　　　　m——对应每个空调期天数中室外空气焓值高于室内空气焓值的小时数，h。
　　注：单位换算关系，1(kJ/kg（干）).h=1 kW.s/（kg（干）/h）=1/3600 kW.h/（kg（干）/h）。
2.2.2 除湿期新风耗冷量计算基本方法
　　在除湿期内，若采用常规的冷冻除湿，新风处理后的机器露点为室内空气允许的最大含湿量与相对湿度90%的交点。除湿期内室内冷负荷很小或为零，因而新风露点送风使室内空气温度降低。当室内空气温度已经在热舒适区域内时，这部分使室内空气降温的冷量实际上被浪费掉。从新风节能角度分析，除湿期采用冷冻除湿将新风处理至露点的耗冷量为最大理论耗冷量，简称除湿期冷冻除湿耗冷量。除湿期内采用冷冻除湿单位质量流量的新风总耗冷量为：

　　式中
　　　　　　qc.2——除湿期内单位质量流量的新风冷冻除湿耗冷量，kW.h/（kg（干）/h）；
　　　　iw——除湿期室外空气焓值，逐时值，kJ/kg（干）；
　　　　ik——除湿期机器露点焓值，机器露点含湿量dk=dn.max,相对湿度为90%， kJ/kg（干）；
　　　　DNDH——为除湿期天数，天；
　　　　n——对应除湿期每天中室外空气焓值高于机器露点焓值的小时数，h。 　　新风除湿方式很多，不同除湿方式的耗冷量大小不同。除湿期内，室内空气温度随室外气温波动，且室外空气日平均温度低于室内热环境质量允许的设定温度，所以，除湿期内可不考虑新风的显热冷负荷。当新风直接处理至室内热环境质量允许的热舒适范围时，新风耗冷量取决于新风湿负荷即潜热冷负荷的大小，此时新风耗冷量最小，称为除湿期最小理论耗冷量，用符号qc.min表示。所以，除湿期最小理论耗冷量按下式计算：

　　式中
　　　　qc.min——除湿期新风最小理论耗冷量，kW.h/（kg（干）/h）；
　　　　dw——除湿期室外空气含湿量值，逐时值，g/kg（干）；
　　　　dk——除湿期机器露点含湿量,dk=dn.max，逐日值，g/kg（干）；
　　　　rq——单位质量水在常温常压下的汽化潜热，取2440kJ/kg （对应饱和温度25℃）。 　　由上述分析，除湿期采用冷冻方式处理新风多消耗的冷量Δqc.2为：

　　式中，Δqc.2——采用不同新风除湿方式最大可节省的耗冷量，kW.h/（kg（干）/h）。
　　这表明，要减少新风除湿期耗冷量，降低新风能耗，应从新风除湿方式上寻求新途径。
2.3 单位质量新风冷热耗量的计算程序
　　全年新风冷热耗量的计算程序框图如图2-1所示，该程序中包含了采暖期的判断条件和采暖期新风耗热量。由于冬季在高湿气候下，室内不会出现相对湿度过低的情况，且冬季住宅的采暖方式比较单一，供暖量和能耗大小主要取决于室外气温，目前对住宅冬季的供暖能耗的计算采用当地的采暖度日数。夏热冬冷地区采暖期的判断方法和新风耗热量的计算可参见文献[4]，本文不再论述。空调期和除湿期新风耗冷量的计算子程序本文略去。

　　采用长江流域主要城市的TMY2逐时气象数据，按公式2-2-1和2-2-2分别计算单位质量新风全年的空调期耗冷量和除湿期耗冷量。为分析不同室内设定温度和相对湿度对新风耗冷量的影响，本文以室内最大相对湿度φN.c分别为70%、60%和50%为前提，分别计算室内设定温度tN.c为28℃、26℃和24℃时的单位质量新风的耗冷量。
3 夏热冬冷地区单位质量新风的冷热耗量计算结果与分析

　　采用TMY-2气象文件的逐时室外空气气象参数，按夏热冬冷地区住宅空调期和除湿期的判断条件和耗冷量基本计算公式，单位质量流量新风的耗冷量如表3-1所示。


　　注：除湿期新风耗冷量以冷冻除湿为比较基础，对夏热冬冷地区不同城市新风冷热耗量求平均。
　　表3-1计算结果表明：
　　（一）当室内热环境温度设定不变时，室内设定相对湿度降低时空调期和除湿期新风耗冷量都增加，并且室内设定温度越高，总耗冷量的增加就越明显。以夏热冬冷地区的平均耗冷量分析，室内温度分别为28℃、26℃和24℃时，室内相对湿度每降低10%，新风总耗冷量分别增加7.81、6.74和5.92 kW.h/（kg/h）。可见，当室内空气温湿度在满足PMV热舒适综合评价指标的前提下，为降低新风耗冷量，室内空气相对湿度应尽量取高值。
　　（二）当室内空气相对湿度一定时，室内设定温度降低时新风总耗冷量呈增加趋势，并且相对湿度设定值越高，干球温度设定值对新风总耗冷量得增加影响就越明显，按夏热冬冷地区新风耗冷量的平均值统计，当室内设定相对湿度分别为70%、60%和50%时，室内设定温度每降低1℃，新风总耗冷量平均增加1.15、0.90和0.73 kW.h/（kg/h）。可见，在满足PMV热舒适综合评价指标的前提下，当室内空气相对湿度越高，通过提高室内空气干球温度设定值来降低新风耗冷量的效果越明显。
　　（三）相对湿度作为室内热环境的基本参数之一，不仅对人的热舒适感有重要影响，而且对室内卫生条件和新风能耗大小直接相关，国内外建筑环境质量标准中都对室内相对湿度指标有明确规定。室内热环境相对湿度的控制比室温控制难度大，在室内设计温度高于26时，该地区新风除湿能耗大于降温能耗[4]。因此，为减少新风耗冷量，室内相对湿度应尽可能取高值，即热环境质量标准允许的最大值70%。
　　（四）除湿期新风处理采用不同方式的耗冷量相差较大，并且室内空气相对湿度越低，这一差异就越明显。从夏热冬冷地区除湿期新风平均耗冷量分析，通过改变新风除湿方式可使冷冻除湿的耗冷量最大程度降低50%左右。而且，室内热环境相对湿度指标越低或干球温度指标越高，采用新型除湿方式处理新风对降低除湿期新风耗冷量的作用就越显著。
　　此外，室内相对湿度指标的变化不影响空调期天数；而随着相对湿度指标下降，除湿期天数增加，但增加幅度较小。这是因为夏热冬冷地区气候潮湿，月平均相对湿度都在70%以上，在四月至十月室外日平均温度高于18℃的天数内其日平均相对湿度低于70%的天数也很少出现，因而当室内相对湿度指标从70%降到50%的过程中，对除湿期天数的影响很小，并且，对气候越潮湿的城市这一影响就越不明显。不同室内设定温度和相对湿度下各城市空调期、除湿期天数可参见文献[4]。
4 结论

　　4.1 空调期、除湿期的划分指标应当结合该夏热冬冷地区的气候特点和住宅热环境质量要求确定，住宅夏季空调期、除湿期是在充分考虑了当地多种可利用的天然冷源的前提下，必须依靠机械方式来达到室内热环境质量要求的时间，空调期和除湿期是以日为分析单位，以室外空气日平均参数为判断指标，避免了夏季新风能耗的重复计算。
　　4.2 空调期、除湿期内新风耗冷量利用逐时气象数据，对空调期、除湿期内每一天逐时计算，只分析对能耗有影响的高于室内设定参数对应值的时刻，并且根据新风处理方式选择新风耗冷量计算公式，使新风能耗计算更符合实际，并通过编制计算程序实现新风能耗的自动计算，通过改变设定参数的初始值，能够获得不同室内设定空气状态时新风能耗的比较。
　　4.3 室内相对湿度设定值对新风耗冷量影响较大，按夏热冬冷地区主要城市平均值分析，室内热环境设计温度分别为28℃、26℃和24℃时，室内相对湿度每降低10%，新风总耗冷量分别增加7.81、6.74和5.92 kW.h/（kg/h）。
　　4.4 除湿期新风耗冷量的计算应当结合新风除湿方式考虑，冷冻除湿耗冷量最大，为降低新风除湿的耗冷量，应改变新风除湿方式，通过新风湿度控制来实现新风除湿期的节能。