1引言
與一般舒適性空調(diào)系統(tǒng)相比，潔凈室空調(diào)系統(tǒng)具有工藝設(shè)備發(fā)熱量大、空氣循環(huán)量大、空氣輸送阻力大、排氣量大等特點(diǎn)，因此其能量消耗大并引起了廣泛關(guān)注?？諝鉄釢裉幚磉^程所消耗的能量是其中的重要組成部分之一。
2潔凈室空氣狀態(tài)和熱濕處理理論所需能耗
潔凈室空調(diào)系統(tǒng)的溫濕度設(shè)計(jì)參數(shù)常表示為溫度和相對(duì)濕度的形式，設(shè)溫度要求范圍為~，相對(duì)濕度要求范圍為，則在i-d圖中表示為圖1中的上述等溫線和等相對(duì)濕度線所包圍區(qū)域。圖3中S1為潔凈室要求空氣狀態(tài)點(diǎn)，S2為室外空氣狀態(tài)點(diǎn)，S3為潔凈空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)空氣狀態(tài)點(diǎn)。應(yīng)用種類有限的空氣處理設(shè)備使系統(tǒng)在滿足潔凈要求的基礎(chǔ)上對(duì)空氣進(jìn)行熱濕處理，使?jié)崈羰以谑彝鈿庀髤?shù)區(qū)域的任意狀態(tài)S2下和室內(nèi)設(shè)備、設(shè)施和人員等發(fā)熱、散濕變化的情況下保持S1狀態(tài)點(diǎn)在上述范圍內(nèi)，就是潔凈室空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)。
不失一般性，設(shè)潔凈室空氣狀態(tài)點(diǎn)為S1，相應(yīng)狀態(tài)參數(shù)為i1、d1、t1等；室外空氣狀態(tài)為S2，相應(yīng)狀態(tài)參數(shù)為i2、d2、t2等；潔凈空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為S3，相應(yīng)狀態(tài)參數(shù)為i3、d3、t3等。設(shè)潔凈室冷（熱）負(fù)荷為CL，濕負(fù)荷為DL，熱濕比ε=CL/DL。
設(shè)V1為由空氣潔凈需求所決定的空氣循環(huán)量（潔凈室送風(fēng)量），則S3狀態(tài)點(diǎn)由S1狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)和CL、DL確定，與選擇的空氣處理過程無關(guān)。該過程有熱濕平衡式（1），并可以導(dǎo)出狀態(tài)點(diǎn)S3的計(jì)算式（2）。
設(shè)V2為潔凈室需要的室外新鮮空氣量（新風(fēng)量），則V2僅由排風(fēng)量加維持室內(nèi)正壓補(bǔ)風(fēng)量所得的總風(fēng)量與室內(nèi)人員所需新風(fēng)量中的大者確定，與選擇的空氣處理過程無關(guān)。設(shè)V3為潔凈室內(nèi)空氣重復(fù)利用量（回風(fēng)量），則有V1=V2+V3。
熱濕處理系統(tǒng)需要將狀態(tài)為S1流量為V3的空氣處理至狀態(tài)S3、將狀態(tài)為S2流量為V2的空氣處理至狀態(tài)S3，再混合或分別送入潔凈室，使?jié)崈羰铱諝鉅顟B(tài)保持在狀態(tài)S1。在不考慮實(shí)際處理設(shè)備和過程時(shí)，理論上需要消耗的功率P可以通過式（3）計(jì)算。
式中：冷負(fù)荷CL單位為kW，流量V單位為kg/s，濕空氣焓值i單位為kJ/kg。式（3）的物理意義明顯，即所耗功率由克服潔凈室冷負(fù)荷CL耗能和處理V2流量新風(fēng)耗能兩部分構(gòu)成。
由于空氣熱濕處理設(shè)備的限制，實(shí)際上不能將S1和S2狀態(tài)的空氣直接處理到S3狀態(tài)。故實(shí)際的熱濕處理流程中所需要消耗的功率將大于或等于式（3）中P的理論計(jì)算值。
文獻(xiàn)[2]介紹了在潔凈空調(diào)系統(tǒng)中常用的幾種空氣熱濕處理流程，如一次回風(fēng)、二次回風(fēng)、干盤管+獨(dú)立新風(fēng)等，本文主要討論熱濕處理過程的選擇對(duì)能量消耗的影響。下文的分析與計(jì)算需考慮如下條件和說明：= 1 \* GB3①僅考慮熱濕處理過程中所發(fā)生的能量交換量，不考慮具體設(shè)備的效率等因素。= 2 \* GB3②潔凈室空氣輸送系統(tǒng)能耗功率比較大，能導(dǎo)致送風(fēng)干球溫度的顯著升高，風(fēng)道保溫系統(tǒng)也將引起送風(fēng)干球溫度的升高，但均不影響含濕量。故可以將此溫升考慮為潔凈室的顯熱負(fù)荷，對(duì)本文的分析計(jì)算過程和結(jié)論不存在影響。= 3 \* GB3③分析過程中只考慮設(shè)計(jì)工況，部分負(fù)荷時(shí)的調(diào)節(jié)方式和手段不在本文所討論的范圍內(nèi)。= 4 \* GB3④鑒于大多數(shù)潔凈室全年都為冷負(fù)荷，且干蒸汽加濕器能完成近似等溫加濕過程，不涉及到冷熱能量的抵消，分析與計(jì)算均以夏季為準(zhǔn)，冬季可參照進(jìn)行。= 5 \* GB3⑤冷卻過程計(jì)算時(shí)假設(shè)表面冷卻器的冷水溫度足夠低、換熱能力足夠大，且能達(dá)到露點(diǎn)溫度（相對(duì)濕度100%）。
3一次回風(fēng)系統(tǒng)
一次回風(fēng)系統(tǒng)指回風(fēng)與室外新風(fēng)在表面換熱器前混合，經(jīng)熱濕處理設(shè)備處理后送入潔凈室的工藝流程，其流程在i-d圖中的表示如圖2所示。圖中Sd狀態(tài)點(diǎn)為經(jīng)過表面冷卻器去濕冷卻后所達(dá)到的理論露點(diǎn)。
該系統(tǒng)的熱濕處理可分為如下過程：
= 1 \* GB3①狀態(tài)S1流量V3的回風(fēng)與狀態(tài)S2流量V2的新風(fēng)混合至狀態(tài)Sm流量V1；
= 2 \* GB3②狀態(tài)Sm流量V1的空氣經(jīng)表面冷卻器去濕冷卻至狀態(tài)Sd；
= 3 \* GB3③狀態(tài)Sd流量V1的空氣經(jīng)表面加熱器加熱至狀態(tài)S3；
= 4 \* GB3④狀態(tài)S3流量V1的空氣送入潔凈室，承擔(dān)潔凈室冷負(fù)荷CL和濕負(fù)荷DL，維持潔凈室空氣狀態(tài)S1。
消耗的功率P可以按式（4）計(jì)算，整理過程略。與式（3）對(duì)比，可知一次回風(fēng)系統(tǒng)需要多消耗功率，此多耗費(fèi)部分是因?yàn)槿襁^冷卻和再熱的抵消而產(chǎn)生，且與潔凈室空氣循環(huán)量V1成正比，與S3、S4狀態(tài)點(diǎn)焓差成正比。
4二次回風(fēng)系統(tǒng)
二次回風(fēng)系統(tǒng)指一部分回風(fēng)與室外新風(fēng)在表面換熱器前混合，經(jīng)熱濕處理設(shè)備處理后與剩余部分回風(fēng)再次混合，再經(jīng)過后續(xù)處理，最后送入潔凈室的工藝流程，其流程在i-d圖中的表示如圖3所示。根據(jù)潔凈室熱濕比ε的大小，將二次回風(fēng)系統(tǒng)的熱濕處理流程分為（a）和（b）兩種。
圖3（a）中流程為無再熱二次回風(fēng)系統(tǒng)。此流程適合潔凈室熱濕比ε值較大熱濕比線與飽和線有交點(diǎn)（濕負(fù)荷較?。┑那闆r。設(shè)一次回風(fēng)流量為V31，二次回風(fēng)流量為V32。該系統(tǒng)的熱濕處理可分為如下過程：
= 1 \* GB3①流量V31狀態(tài)S1的一次回風(fēng)與流量V2狀態(tài)S2的新風(fēng)混合至流量V31+V2狀態(tài)Sm1；
= 2 \* GB3②流量V31+V2狀態(tài)Sm1的空氣經(jīng)表面冷卻器去濕冷卻至狀態(tài)Sd；
= 3 \* GB3③流量V31+V2狀態(tài)Sd的空氣與流量V32狀態(tài)S1的二次回風(fēng)混合至流量V1狀態(tài)S3（Sm2）；
= 4 \* GB3④流量V1狀態(tài)S3的空氣送入潔凈室，承擔(dān)潔凈室冷負(fù)荷CL和濕負(fù)荷DL，維持潔凈室空氣狀態(tài)S1。
整個(gè)流程所消耗的功率P可以按式（5）計(jì)算，式（5）的整理過程略。與式（3）對(duì)比，可知無再熱二次回風(fēng)系統(tǒng)沒有冷熱抵消的處理過程，不需要多消耗功率。
若潔凈室熱濕比ε值較小，熱濕比線與飽和線無交點(diǎn)（濕負(fù)荷較大），則不能實(shí)現(xiàn)無再熱二次回風(fēng)系統(tǒng)。圖5中（b）為有再熱二次回風(fēng)系統(tǒng)。設(shè)一次回風(fēng)流量為V31，二次回風(fēng)流量為V32。該系統(tǒng)的熱濕處理可分為如下過程：
= 1 \* GB3①狀態(tài)S1流量V31的一次回風(fēng)與狀態(tài)S2流量V2的新風(fēng)混合至狀態(tài)Sm1流量V31+V2；
= 2 \* GB3②狀態(tài)Sm流量V31+V2的空氣經(jīng)表面冷卻器去濕冷卻至狀態(tài)Sd；
= 3 \* GB3③狀態(tài)Sd流量V31+V2的空氣與流量V32狀態(tài)S1的二次回風(fēng)混合至狀態(tài)Sm2流量V1；
= 4 \* GB3④狀態(tài)Sm2流量V1的空氣再熱至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)S3
= 5 \* GB3⑤狀態(tài)S3流量V1的空氣送入潔凈室，承擔(dān)潔凈室冷負(fù)荷CL和濕負(fù)荷DL，維持潔凈室空氣狀態(tài)S1。
整個(gè)流程所消耗的功率P可以按式（6）計(jì)算，整理過程略。與式（3）對(duì)比，可知有再熱二次回風(fēng)系統(tǒng)有部分冷熱抵消的處理過程，需要多消耗功率。
式（6）與式（4）比較可知，有再熱二次回風(fēng)系統(tǒng)減少了去濕冷卻的空氣流量和減少了再熱焓差，故有比一次回風(fēng)系統(tǒng)更少的能耗。當(dāng)選擇露點(diǎn)狀態(tài)Sd的含濕量dd=d3時(shí)，二次回風(fēng)流量V32=0kg/s，即成為一次回風(fēng)系統(tǒng)。
式（6）和式（5）對(duì)比可知，有再熱二次回風(fēng)系統(tǒng)有部分冷熱能量抵消。當(dāng)選擇露點(diǎn)狀態(tài)Sd的id值較小時(shí)，能減少去濕冷卻的空氣體積和減少再熱焓差值，即減少冷熱抵消量的大小。故在工程實(shí)際中，應(yīng)在條件許可時(shí)，選擇室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)S1與飽和線的切點(diǎn)作為露點(diǎn)，此時(shí)冷熱量抵消最少。
5回風(fēng)干盤管系統(tǒng)
回風(fēng)干盤管系統(tǒng)指回風(fēng)和新風(fēng)分別經(jīng)熱濕處理后再混合或分別送入潔凈室且回風(fēng)僅經(jīng)過干式冷卻的工藝流程，其流程在i-d圖中的表示如圖4所示，其中Sc為回風(fēng)干盤管干式冷卻終狀態(tài)點(diǎn)。本流程的顯著特征是潔凈室濕負(fù)荷全部由新風(fēng)熱濕處理過程承擔(dān)，新風(fēng)濕式冷卻露點(diǎn)Sd由濕平衡方程決定，含濕量dd的計(jì)算式見式（7）。由于新風(fēng)熱濕處理能承擔(dān)的濕負(fù)荷有限，當(dāng)潔凈室濕負(fù)荷DL較大和新風(fēng)量V2較小時(shí)，式（7）計(jì)算的dd值較小甚至可能出現(xiàn)負(fù)值，即本系統(tǒng)不能滿足潔凈室的熱濕處理要求，除非增大新風(fēng)量V2直至得到合適的dd值。潔凈系統(tǒng)中增大新風(fēng)量，會(huì)導(dǎo)致空氣過濾系統(tǒng)的更快消耗和新風(fēng)冷負(fù)荷的增加。實(shí)際潔凈室工程中使用增加新風(fēng)量來增大回風(fēng)干盤管系統(tǒng)的去濕能力的方法應(yīng)慎重。
該系統(tǒng)的熱濕處理可分為如下過程：
= 1 \* GB3①流量V2狀態(tài)S2的新風(fēng)經(jīng)空氣表面冷卻器去濕冷卻至露點(diǎn)Sd；
= 2 \* GB3②流量V3狀態(tài)S1的回風(fēng)經(jīng)表面冷卻器干式冷卻至狀態(tài)Sc；
= 3 \* GB3③流量V2狀態(tài)Sd的空氣與流量V3狀態(tài)Sc的回風(fēng)混合至流量V1狀態(tài)S3；
= 4 \* GB3④流量V1狀態(tài)S3的空氣送入潔凈室，承擔(dān)潔凈室冷負(fù)荷CL和濕負(fù)荷DL，維持潔凈室空氣狀態(tài)S1。
整個(gè)流程所消耗的功率P可以按式（8）計(jì)算，整理過程略。與式（3）對(duì)比，可知回風(fēng)干盤管系統(tǒng)沒有冷熱抵消的處理過程，不需要多消耗功率。
6熱濕處理流程計(jì)算實(shí)例
下面以參考文獻(xiàn)[2]中的潔凈室設(shè)計(jì)計(jì)算條件為例，設(shè)計(jì)計(jì)算本文討論的典型熱濕處理流程。設(shè)計(jì)參數(shù)復(fù)述如下：
室外參數(shù)：溫度t=33.5℃，焓i=88.2kJ/kg，含濕量d=21.23g/kg；
室內(nèi)參數(shù)：溫度t=23℃，焓i=43.2kJ/kg，含濕量d=7.84g/kg；
潔凈室循環(huán)風(fēng)量V1=220000m3/h=73.3kg/s，新風(fēng)量V2=8000m3/h=2.7kg/s；
潔凈室冷負(fù)荷CL=220kW，濕負(fù)荷DL=6.11g/s。
限于篇幅，具體計(jì)算過程省略。計(jì)算結(jié)果見表1~表3所示。表中計(jì)算了4種熱濕處理流程：一次回風(fēng)、無再熱二次回風(fēng)、有再熱二次回風(fēng)和回風(fēng)干盤管系統(tǒng)。計(jì)算有再熱二次回風(fēng)系統(tǒng)的目的是為了比較各種流程的能耗，其露點(diǎn)溫度選擇在一次回風(fēng)和無再熱二次回風(fēng)的算術(shù)中點(diǎn)。通過上節(jié)的分析可知，有再熱二次回風(fēng)系統(tǒng)露點(diǎn)選擇得越低，熱濕處理過程中的冷熱量抵消就越少。
表1熱濕處理相關(guān)濕空氣狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)
| 空氣狀態(tài)點(diǎn) | 干球溫度t（℃） | 含濕量d（g/kg） | 焓i（kJ/kg） | |
| 室外 | 33.5 | 21.23 | 88.2 | |
| 室內(nèi) | 23.0 | 7.84 | 43.2 | |
| 潔凈室送風(fēng) | 20.3 | 7.76 | 40.2 | |
| 一次回風(fēng) | 混合 | 23.5 | 8.33 | 44.9 |
| 露點(diǎn) | 10.3 | 7.76 | 29.9 | |
| 無再熱二次回風(fēng) | 一次混合 | 25.0 | 10.25 | 51.3 |
| 露點(diǎn) | 9.7 | 7.46 | 28.6 | |
| 二次混合 | 20.3 | 7.76 | 40.2 | |
| 有再熱二次回風(fēng) | 一次混合 | 24.2 | 9.26 | 48.0 |
| 露點(diǎn) | 10.0 | 7.61 | 29.3 | |
| 二次混合 | 18.6 | 7.76 | 38.4 | |
| 回風(fēng)干盤管 | 新風(fēng)露點(diǎn) | 5.5 | 5.58 | 19.6 |
| 干盤管終點(diǎn) | 20.9 | 7.84 | 41.0 | |
表2熱濕處理流程風(fēng)量
| 潔凈室循環(huán)風(fēng)量 | 220000 m3/h | 73.3 kg/s |
| 潔凈室新風(fēng)量 | 8000 m3/h | 2.7 kg/s |
| 潔凈室回風(fēng)量 | 212000 m3/h | 70.6 kg/s |
| 一次回風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)量 | 212000 m3/h | 70.6 kg/s |
| 無再熱二次回風(fēng)系統(tǒng)一次回風(fēng)量 | 37000 m3/h | 58.3 kg/s |
| 無再熱二次回風(fēng)系統(tǒng)二次回風(fēng)量 | 175000 m3/h | 12.3 kg/s |
| 有再熱二次回風(fēng)系統(tǒng)一次回風(fēng)量 | 68500 m3/h | 22.8 kg/s |
| 有再熱二次回風(fēng)系統(tǒng)二次回風(fēng)量 | 143500 m3/h | 47.8 kg/s |
| 回風(fēng)干盤管系統(tǒng)回風(fēng)量 | 212000 m3/h | 70.6 kg/s |
注：設(shè)空氣密度為1.2kg/m3。
表3熱濕處理流程能耗（kW）
| 熱濕處理流程 | 減濕冷卻 | 干式冷卻 | 再熱 | 合計(jì) | 冷熱抵消 |
| 理想 | 341 | – | |||
| 一次回風(fēng) | 1098 | 757 | 1855 | 1514 | |
| 無再熱二次回風(fēng) | 341 | – | – | 341 | – |
| 有再熱二次回風(fēng) | 475 | – | 134 | 609 | 268 |
| 回風(fēng)干盤管 | 186 | 155 | – | 341 | – |
7結(jié)語
通過本文的分析和計(jì)算，可以得出如下結(jié)論。
= 1 \* GB3①潔凈室熱濕處理過程不宜采用一次回風(fēng)系統(tǒng)。
= 2 \* GB3②潔凈室熱濕處理過程中的冷卻去濕和再熱流程所產(chǎn)生的能量抵消由潔凈室的濕負(fù)荷引起。合理設(shè)計(jì)二次回風(fēng)系統(tǒng)和回風(fēng)干盤管系統(tǒng)可以減少直至消除冷熱能量抵消，但需要更低的冷水溫度和更大處理能力的表面換熱器。
= 3 \* GB3③二次回風(fēng)系統(tǒng)有比回風(fēng)干盤管系統(tǒng)更強(qiáng)的熱濕處理能力。
= 4 \* GB3④有必要研究和開發(fā)更為有效的除濕工藝和設(shè)備以滿足潔凈室熱濕處理過程的需要。
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