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空气调节理论基础知识
引言
第一章湿空气的物理性质及其焓湿图
空气调节（AirConditioning）
●空气调节的任务：
采用技术手段，创造和满足一定要求的空气环境。
●一定要求的空气环境：
一般是指在某一特定空间内对其
空气温度——通过加温、降温，调节空气的温度
空气湿度——通过加湿或减湿，调节空气的湿度
空气清洁度——通过净化处理，使空气具有一定的洁净程度
空气流动速度——使空气具有一定的流动速度
（简称“四度”）进行调节，达到并保持满足人体舒适和工艺过程的要求。
●更高要求的空气环境：
除上述之外，有时还需对空气的压力、成分、气味和噪声等进行调节和控制。
关于工程热力学的几个基本概念：
1．理想气体与实际气体
理想气体——是一种实际上不存在的气体。
就是假定该气体分子是些弹性的、不占据空间的质点，分子相互之间没有作用力。
实际气体——理想气体实质上是实际气体在压力趋近于零（P→0），比容趋近于无穷大（υ→∞）时的极限状态。
2．湿空气与干空气
湿空气——是指含有水蒸汽的空气，它是干空气和水蒸汽的混合物。
存在于大气中的水蒸汽，
由于其分压力通常很小，并大都处于过热状态，比热容很大，因此湿空气可按理想
气体处理。
干空气——干空气是指完全不含有水蒸汽的空气。
在热力学中，常温常压下（空调属于此范
畴）的干空气可认为是理想气体。
3．绝热过程
是状态变化的任何一段微元过程中工质与外界都不发生热量交换的过程，即过程中每一瞬间都有
dq=0
整个过程与外界交换的热量当然亦为零
q=0
关于传热学的几个基本概念：
1．质交换
传质是在一个多组分的系统中进行的。
物质的分子总是处在不规则的热运动中，在有物质组成的二元混合物中，如果存在浓度差，由于分子的随机性，物质的分子会从浓度高处向浓度低处迁移，这种迁移称为浓度扩散或简称扩散，并通过扩散产生质交换。
2．产生质交换的动力
浓度差是产生质交换的动力，
温度差是传热的动力，
压力差导致压力扩散。
在没有浓度差的二元体系（即均匀混合物）中，如果各处存在温度差或总压力差，就会产生热
扩散或压力扩散，扩散的结果会导致浓度变化并引起浓度扩散。
3．质交换的两种基本方式
分子扩散——在静止的流体或垂直于浓度梯度方向作层流运动的流体以及固体中的扩散是由微
观分子运动所引起的，即为，它的机理类似于导热。
紊流扩散——在流体中由于紊流脉动（对流运动）引起的物质传递，即为，它比分子扩散传质
要强烈得多。
4．质交换的分析方法
质交换、热交换及动量交换三者在机理上是类似的，所以在分析质量交换的方法上也和热量交换及动量交换具有相同之处。
第一节湿空气的物理性质
1．湿空气的物理性质
湿空气由干空气和水蒸汽组成，遵循理想气体的变化规律。
2．湿空气的状态参数
主要状态参数——{大气压力B，温度t，相对湿度Φ，含湿量d，焓i}
（1）压力P——大气压力B，B=Pg+Pq（Pa）
水蒸汽分压力Pq
饱和水蒸汽分压力Pq,b
干空气的分压力Pg
要点：
◆水蒸汽分压力的大小直接反映了水蒸气的含量的多少；
◆在一定温度下，空气中的水蒸汽含量越多，空气就越潮湿，水蒸汽分压力也越大；
◆湿空气中的水蒸汽含量达到最大限度时，多余的水蒸汽就会凝结成水从空气中析出；
◆饱和水蒸汽分压力Pq,b是温度的单值函数，也即Pq,b值仅取决于温度，温度越高，Pq,b值越大。
（2）温度T
绝对温标T（K）
摄氏温标t（℃）
华氏温标t（℉）
（3）湿空气的密度ρ
湿空气的密度等于干空气的密度与水蒸汽的密度之和，即
ρ=ρg+ρq=Pg/RgT+Pq/RqT
=0.B/T-0.00134Pq/T（kg/m3）
要点：
◆湿空气的密度取决于Pq值的大小，它随水蒸汽分压力Pq的升高而降低。
由于Pq值相对于Pg值而言数值较小，湿空气比干空气轻；
◆空气越潮湿，水蒸汽含量越大，则空气密度越小，大气压力B也越低。
阴雨天气大气压力B比晴天低；
◆温度t越高，则空气密度越小，大气压力B也越低。
同一地区夏天比冬天大气压力B低。
（4）湿度——含湿量d，在湿空气中与1kg干空气同时并存的水蒸汽量。
d=0.622Pq/（B-Pq）（kg/kg干）
=622Pq/（B-Pq）（g/kg干）
饱和含湿量db，空气中水蒸汽量已达到最大限度，不再有吸湿能力，即不能再接
纳水汽。
相对湿度Φ，空气中水蒸汽分压力Pq和同温度下饱和水蒸汽分压力Pq,b之比。
Φ=Pq/Pq,bx100%
要点：
◆当大气压力B一定时，水蒸汽分压力Pq只取决于含湿量d。
含湿量d随水蒸汽分压力Pq的升高增大，反之亦然。
◆当含湿量d一定时，水蒸汽分压力Pq随大气压力B的增加而上升，反之亦然。
◆含湿量d能确切反映空气中含的水蒸汽量的多少，但不能反映空气的吸湿能力，不能表示湿空气接近饱和的程度。
◆相对湿度Φ能反映湿空气中水蒸汽含量接近饱和的程度，但不能表示水蒸汽的含量。
◆Φ值小，表示空气离饱和程度远，空气较为干燥，吸收水蒸汽能力强；Φ值大，表示空气更接近饱和程度，空气较为潮湿，吸收水蒸汽能力弱。
（5）湿空气的焓i——指每1kg干空气的焓ig和dkg水蒸汽的焓iq两者的总和。
i=ig+diq
=（1.01+1.84d）t+2500d（kJ/kg干）
要点：
◆湿空气的焓i随温度t和含湿量d的升高而加大，随其降低而减小。
（6）空气的露点温度tι——在含湿量d不变的条件下，湿空气达到饱和时的温度。
它只取决
于空气的含湿量d，含湿量d不变时，tι也为定值。
要点：
◆湿空气的露点温度tι是判断空气结露的判据。
湿空气的状态参数有：
{B，t，d，Φ，i}和{Pq,b，db，Pq，tι，ts}
当B=const时，（t，Pq,b，db）互为相关，
另外，（d，Pq，tι）互为相关，
（i，ts）互为相关。
湿空气的主要状态参数——{大气压力B，温度t，相对湿度Φ，含湿量d，焓i}
第二节湿空气的焓湿图
焓湿图可以直观的描述湿空气状态的变化过程。
我国现在采用的焓湿图以焓为纵坐标，以含湿量为横坐标的i-d斜角坐标图。
为了说明空气由一个状态变为另一个状态的热湿变化过程，在i-d图上还标有热湿比ε线。
热湿比ε——湿空气的焓变化与含湿量变化之比，即
ε=⊿i/⊿d=（iB-iA）/（dB-dA）=±Q/±W
ε=⊿i/⊿d/1000=（iB-iA）/（dB-dA）/1000=±Q/±W/1000
要点：
◆焓i的单位为kJ/kg干，含湿量的单位为kg/（kg干）或g/（kg干），
◆热量Q的单位为kJ/h，湿量W的单位为kg/h，
◆热湿比ε有正有负，并代表湿空气状态变化的方向。
◆i-d图可以表示的参数有
{B，t，d，Φ，i，Pq，ts，tι，Pq,b，db}
第三节湿球温度与露点温度
热力学湿球温度ts：
（1）定义——在定压绝热条件下，空气与水直接接触达到稳定热湿平衡时的绝热饱和温度。
（2）热湿交换机理——在绝热加湿过程中，水分蒸发所需的热量全部取自空气，空气失掉显热
后，温度t下降，焓i值减少；而空气得到水蒸汽带来汽化潜热和液体热
后，总的焓i值增加，且相对湿度Φ增大达到饱和。
（3）要点
在小室内空气状态的变化过程是水温的单值函数，空气达到饱和时的空气温度即等于水温度。
ε=（i2-i1）/[（d2-d1）/1000]=iW=4.19tW
绝热饱和温度ts完全取决于进口湿空气及水的状态和总量，它是湿空气的一个状态参数。
干湿球温度计：
（1）构造——干球温度计是一般的温度计，湿球温度计头部被尾端浸入水中的吸液芯包裹。
（2）原理——当空气流过时，大量的不饱和空气流过湿布时，湿布表面的水分就要蒸发，并扩散
到空气中去；同时空气的热量也传递到湿布表面，达到稳定后，水银温度计所指示
的温度即为空气的湿球温度。
水蒸汽分压力Pq与湿球温度ts的关系
Pq=P*q,b-A（t-ts）B
A=α/（rβx）
=（65+6.75/v）x10-5
干湿球温度计读数差值的大小，间接地反映了空气相对湿度的状况。
（3）要点
◆紧靠近湿布表面的饱和空气的焓就等于远离湿布来流的空气的焓，即湿布表面进行热、质交换过程中，焓值不变；
◆湿空气的焓是湿球温度的单一函数；
◆当气流速度在5~40m/s范围内，流速对湿球温度值影响很小；
◆在空调温度范围内可视作湿球温度与绝热饱和湿球温度ts数值相等。
◆i-d图上，在工程计算中，可近视认为等焓线即为等湿球温度线。
露点温度tι
第四节焓湿图的应用
湿空气的i-d图可以表示
空气的状态和各状态参数——{B，t，d，Φ，i，Pq，ts，tι，Pq,b，db}；
湿空气状态的变化过程；
求得两种或多种湿空气的混合状态。
CB（iC-iB）（dC-dB）GA
===
AC（iA-iC）（dA-dC）GB
第二章空调负荷计算与送风量
关于空调负荷的几个基本概念
得热（湿）量——在室内外热、湿扰量作用下，某一时刻进入一个恒温恒湿房间内的总热（湿）量。
耗热量——从空调房间散失出去的热量即为。
冷负荷——在某一时刻为保持房间恒温恒湿，需向房间供应的冷量即为。
热负荷——为补偿房间失热而需向房间供应的热量。
湿负荷——为维持室内相对湿度所需由房间除去或增加的湿量即为。
第一节室内外空气计算参数
室外空气计算参数和室内温湿度标准是空调房间冷（热）、湿负荷计算的依据。
空调房间的室内温度、湿度的要求，用两组指标来反映，
空调温度tn=空调温度基数+空调精度（室内温度允许波动范围）
相对湿度Φn=相对湿度基数+空调精度（相对湿度允许波动范围）
室内温、湿度设计标准的确定依据：
对于舒适性空调，主要从人体的舒适感来考虑，一般不提空调精度的要求；
对于工艺性空调，要考虑满足工艺过程对温、湿度基数和空调精度的特殊要求，同时兼顾人体的卫生要求。
人体的热平衡和舒适感
人体的舒适状态是由许多因数决定的，其中和热感觉有关的有：
室内空气温度tn及其在空间的分布和随时间的变化；
室内空气的相对湿度Φn；
人体附近的气流速度v；
围护结构内表面及其它物体表面的温度；
人体的温度、散热及体温调节；
衣服的保温性能及透气性。
人体热平衡
S=M-W-E-R-C（W/㎡）
S=0，人体状态正常，体温为36.5℃，
S〉0，人体状态不正常，体温上升，高于36.5℃，
S<0，人体状态不正常，体温下降，低于36.5℃。
室内空气状态变化与人体冷热感的变化关系
tn上升，人体对流热C减少——热感；
Φn增大，Pqb增大，人体汗液等蒸发热E减少——热感；
围护结构内表面和周围物体表面温度上升，人体辐射散热R减少——热感；
tn下降，人体对流热C增大——冷感；
周围空气流速增大，人体对流热C增大，人体水分蒸发热E增大——冷感。
有效温度图和舒适区
新有效温度ET*（effectivetemperture）——通过温度、湿度及气流速度3个要素的组合，表示人体感觉的特别温度。
等效温度线——在等效温度线上各个点所表示的空气状态的实际干球温度、相对湿度不相同，但各点空气状态给人体的冷热感相同。
美国供暖、制冷、空调工程师学会（ASHRAE）推荐的舒适标准55-74
ET*=22.5*~25*，
tn=22~27℃Φn=20%~70%
室内热环境的评价指标PMV-PPD
PMV-PPD综合考虑了人体活动情况、着衣情况、空气温度、湿度、流速、平均辐射温度等6各因素。
PMV（PredictedMeanVote预期平均评价）——代表了对同一环境绝大多数人的冷热感觉，可用PMV指标来表示对热环境下人体的热反应。
PMV值-3~+3
根据人体热平衡的原理，
人体产热-对外作功消耗-体表扩散失热-汗液蒸发失热-呼吸的显热和潜热交换
=通过衣服的换热
=在热环境内通过对流和辐射的换热
确定PMV的数学分析式。
PPD（PredictedPercentageofDissatisfied预期不满意百分率）——表示对热环境不满意的百分数，这是考虑人与人之间生理的差别。
PPD值0~100%
利用概率分析法确定PMV-PPD之间的关系。
舒适性空调的室内空气设计参数（做成表格形式）
季节温度/℃相对湿度/%工作区风速/（m/s）
夏季24~2840~60≤0.3
冬季18~22一般建筑可不做规定，高级建筑〉35≤0.2
工艺性空调有
一般降温性空调、恒温恒湿空调和净化空调。
室外空气计算参数
室外空气温、湿度变化规律
室外空气的干、湿球温度随季节、昼夜、时刻变化；
空气的相对湿度φ取决于空气干球温度t和含湿量d；
若视一昼夜含湿量不变，相对湿度φ的变化规律与干球温度t变化规律相反。
室外空气计算参数的确定：
设计规范中规定的设计参数是按全年少数时间不保证室内温湿度标准而制定的。
夏季空调室外计算干球温度tw,x——采用历年平均不保证50h的干球温度；
夏季空调室外计算湿球温度ts——采用历年平均不保证50h的湿球温度；
夏季空调室外计算日平均温度tw,p——采用历年平均不保证5天的日平均温度；
冬季空调室外计算温度tw,d——采用历年平均不保证1天的日平均温度；
冬季空调室外计算相对湿度φd——采用累年最冷月平均相对湿度。
第二节太阳辐射热对建筑物的热作用
夏季空调室外计算逐时温度tw,τ——室外逐时气温值受日照影响呈周期性变化，同时受到一系列
随机因素的影响。
m
tw,τ=A0+∑Ancos（ωnτ-Φn）（℃）
n=1
工程近似式tw,τ=tw,p+（tw,max-tw,p）cos（15τ-225）（℃）
室外空气综合温度tz——它相当于将室外空气温度tw,提高了一个由太阳辐射引起的附加值（ρI/
αw），并非实际存在的空气温度。
tz=tw+ρI/αw-εΔR/αw（℃）
第四节通过围护结构的得热量及其形成的冷负荷
得热量、冷负荷、制冷量三者的关系
得热量（HeatGain）——某时刻由室外和室内热源进入房间的热量的总和。
来自室外部分：
室内外温差传热、太阳辐射进入热；
来自室内部分：
室内照明、人体、设备散热。
得热量按随时间变化，可分为稳定得热和瞬时得热；
得热量按性质不同，可分为显热（对流热和辐射热）和潜热。
得湿量——主要为人体散湿和工艺过程与工艺设备散发出来的湿量。
冷负荷（CoolingLoad）——为了连续保持室温恒定，在某时刻需向房间供应的冷量，或需从室内排除的热量。
内容要点：
任一时刻房间瞬时得热量的总和不一定等于同一时刻的瞬时冷负荷；
瞬时得热负荷中的潜热和显热得热中的对流成分直接进入房间空气中，并立即构成瞬时冷负荷；显热得热中的辐射成分被将先蓄存到具有蓄热性能的围护结构和家具等室内物体表面上，不能立即成为冷负荷；
空调室内的得热量一般总是高于冷负荷，除非围护结构和家具完全没有蓄热能力时，得热量等于冷负荷。
得热量转化为冷负荷过程中，存在衰减和延迟现象。
实际冷负荷的峰值比太阳辐射热的峰值低，出现的时间也迟于太阳辐射热的峰值；
围护结构和家具的蓄热能力越强，冷负荷衰减越大，冷负荷峰值越低，延迟时间也越长；
重型结构的蓄热能力比轻型结构蓄热能力大得多。
制冷量——一座建筑物空调系统的制冷量，为以下各种因素形成的冷负荷之和，
建筑物的计算冷负荷；
新风计算冷负荷；
送风机的温升；
送风管道系统的温升；
水系统（水管、水泵和水箱等）的热损失；
供冷设备的效率等引起的附加冷负荷；
它们构成了该建筑物制冷机总容量，这一制冷机的总装机容量称为“制冷量”。
空调房间冷负荷（建筑物的计算冷负荷）的构成因素
外墙和屋面温差构成传热的冷负荷；
外窗温差传热的冷负荷；
外窗太阳辐射的冷负荷；
内围护结构传热的冷负荷；
人体散热的冷负荷；
照明散热的冷负荷；
设备散热的冷负荷；
食物散热的冷负荷；
散湿形成的潜热冷负荷；
空气渗透带入室内的冷负荷。
空调房间的冷负荷计算方法
（一）空调室内夏季冷负荷
夏季计算经围护结构传入室内的热量时，应按照不稳定传热过程计算；
空调负荷计算步骤：
a．在计算空调负荷时，必须考虑围护结构的吸热、蓄热和放热过程，不同性质的得热量形成的室内逐时冷负荷是不同步的；
b.在确定房间逐时冷负荷时，必须按不同性质的得热分别计算，然后取逐时各冷负荷分量之和。
空调冷负荷计算方法
20世纪40年代美国学者提出了当量温差法和20世纪50年代前苏联学者提出的谐波分解法——
计算通过围护结构的负荷，没有将得热量和冷负荷区分考虑，导致空调冷负荷量偏大；
20世纪60年代加拿大的学者提出了反应系数法——把得热量和冷负荷区别计算；
20世纪70年代同加拿大学者又提出了Z传递函数法——反应系数法的改进型；
进而同加拿大学者还提出了冷负荷系数法——适于手算。
20世纪80年代我国学者提出了谐波反应法和冷负荷系数法。
谐波反应法
基本思路——室外空气综合温度呈周期性波动，使得通过围护结构的热流从外表面逐层地跟
着波动，这种波幅是由外向内逐渐衰减和延迟的。
室内得热量中的对流部分，直接转变为室内冷负荷；
室内得热量中的辐射部分，经室内围护结构等的吸热——放热反应以后再
形成室内冷负荷。
相对于辐射得热量，该冷负荷有衰减和延迟。
几个名词解释：
传热衰减度ν——围护结构外侧综合温度的波幅与内表面波幅的比值；
传热延迟时间ε——内表面温度波对外侧综合温度的相应滞后；
放热衰减度μ——进入房间的辐射得热与室内冷负荷波幅的比值；
放热延迟ε'——室内冷负荷对辐射得热的相应滞后。
（插入空调图2-17，p36）
1）通过墙体、屋顶的得热量及其形成的冷负荷
综合温度作用下经围护结构传入热量
m
tw,τ=A0+∑Ancos（ωnτ-Φn）（℃）
n=1
在周期性外扰作用下的室内得热量包括两部分：
稳定得热量、附加不稳定传热量。
稳定得热量：
__
Q=KF（tz-tN）（W）
附加不稳定传热量：
~
Q=αNFΔτn,,,τ（W）
τ时刻的得热量：
_~
Qz=Q+Q=KF（twZ-tN+αN/KΔτn,,,τ）（W）
_
=KF（tZ-tN+αN/K∑[（ΔtZ,n/νn,,）cos（ωnτ-Φn-εn）]
=KFθ（W）
房间冷负荷：
得热量是由对流热成分和辐射热成分组成，各自所占比例βd、βf的和为1，即，
βd+βf=1
对流得热形成的冷负荷
_____
稳定得热量Q=Qd+Qf=βdQ+βfQ
~~~~~
附加不稳定得热量Q=Qd+Qf=βdQ+βfQ
对流得热量直接转换为瞬时冷负荷_~_~
CLQd=Qd+Qd=βd（Q+Q）=βdQ
辐射得热形成的冷负荷
稳定得热量部分直接转换为冷负荷___
CLQf=Qf=βfQ
辐射得热的不稳定部分不直接转换为冷负荷，有一个衰减和延迟的过程
~m
CLQf=βfαNF∑[（ΔtZ,n/νn,,μn,,）cos（ωnτ-Φn-εn-ε'n）]
n=1
τ时刻的总冷负荷_~
CLQτ=CLQd+CLQf+CLQf
=KFθι
内容要点
对于空调冷负荷而言，影响谐性辐射得热转换为冷负荷过程的主要因素是围护结构表面的热工特性，也即内表面对辐射热的吸热——放热过程；
影响房间冷负荷的主要围护结构是内墙和楼板；
不同材料的内围护结构具有不同的吸热——放热特性，重型结构的>轻型结构的放热特性。
冷负荷的形成过程：
外扰（室外综合温度，具有周期性）→室内得热量（内扰量，反应了围护结构对外扰量的衰减和延迟性）；
内扰量（室内得热量）→某时刻的总冷负荷=对流得热量→瞬时冷负荷的一部分；
辐射得热量→考虑房间总体蓄热作用后，转
化成的瞬时冷负荷。
2）通过窗户的得热量及其形成的冷负荷
通过窗户进入室内的得热量有：
瞬变传热得热和日射得热量
瞬变传热得热——由室内外温差引起的；
m
得热量Qτ=KF∑Ancos（ωnτ-Φn）（W）
n=1
相应冷负荷m
CLQτ=βdQτ+βfKF∑[（An/μn,,）cos（ωnτ-Φn-ε'n）]（W）
n=0
日射得热量——透过玻璃以短波辐射形式直接进入室内和被玻璃吸收的太阳辐射热传向
室内的热量之和。
m
得热量Qτ=CsCnF∑Bncos（ωnτ-Φn）（W）
n=1
相应冷负荷m
CLQτ=βdQτ+βfCsCnF∑[（Bn/μn,,）cos（ωnτ-Φn-ε'n）]（W）
n=1
谐波法的工程简化式
外墙和屋顶CLQτ=KFΔtτ-ε
外窗
瞬变传导得热形成的冷负荷CLQc·τ=KFΔt
日射得热形成的冷负荷CLQj·τ=xgxdCsCnFJj·τ
室内热源散热形成的冷负荷
室内散热热源包括工艺设备散热、照明散热、人体散热等。
室内散热=显热（对流热+辐射热）+潜热
对流热——即刻形成瞬时冷负荷；
辐射热——先被围护结构等物体表面吸收，然后再缓慢地逐渐散出，形成滞后冷负荷；
潜热——即刻形成冷负荷。
室内散热形成得热量≥冷负荷
在舒适性空调设计中，为了简化计算，
室内散热形成得热量≈冷负荷
工艺设备（用电设备）散热——主要考虑电热设备的散热量和电动设备的散热量，均为显热散
热。
显热散热形成的冷负荷LQ=Q•JEτ-T
JEτ-T：
设备的显热散热冷负荷系数
照明设备散热——室内照明设备散热属于稳定得热，只要电压稳定，这一得热量不随时间变化。
但形成的瞬时冷负荷低于瞬时得热。
照明散热形成的冷负荷LQ=Q•JLτ-T
JLτ-T：
照明散热冷负荷系数
人体散热——人体散热与性别、年龄、衣着、劳动强度以及环境条件（温、湿度等）等多种因素
有关
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