第三节 空气的热湿处理

在大型民用建筑中，为了创造出适合人们生活、生产的工作环境，就需要对室内空气进行调节和处理。本节将结合中央空调系统中常用的空气调节设备，利用空气焓-湿图这一工具，对典型空气处理过程进行分析。

一、空气加热（冷却）处理

在空气调节中，加热与冷却空气是两种最常见空气处理方法和空调运行调节的手段。它们都遵循哪些规律呢，如图1-10所示。

图1-10 湿空气加热（冷却）处理

（一）等湿加热过程

空气调节中常用表面式空气加热器（或电加热器）来处理空气。如图1-10所示。当空气通过加热器时获得了热量，提高了温度，但空气的含湿量并没变化。因此，空气状态变化是等湿、增焓、升温过程，过程线为图1-10所示的A—B。在空气状态变化过程中，d_A=d_B，h_B＞h_A，故其热湿比ε为

（二）等湿（干式）冷却过程

如果用表面式冷却器处理空气，且其表面温度比空气露点温度高时。则空气将在含湿量不变的情况下冷却，其空气比焓值相应减少。因此，空气状态为等湿、减焓、降温过程，如图1-10所示的A—C。由于d_A=d_C，h_A＞h_C，故其热湿比ε为

二、空气加湿处理

在冬季，对于舒适性空调而言，由于室内外空气较为干燥，为了获得一个较为舒适的环境，需要对室内空气进行加湿处理。空气的加湿处理可以是在空气处理室（空调箱）或送风管道内对送入房间的空气集中加湿，也可以在空调房间内对空气局部补充加湿。

空气处理过程可分为等温加湿过程、等焓加湿过程、加热（冷却）加湿过程等，其空气加湿的方法有多种：喷水加湿，喷蒸汽加湿、电加湿、超声波加湿和远红外加湿等。

（一）空气加湿方法

1.等温加湿

等温加湿是目前中央空调系统最为常见的一种冬季室内空气加湿处理方法，比较容易实现。其共同特点为：借助外部热源产生蒸汽，然后把蒸汽混合到空气中进行加湿。这类方法在空气焓湿图上表现为等温加湿过程。

（1）蒸汽（干蒸汽）等温加湿

在空气焓-湿图上，如图1-11所示的A—F过程，也是一个典型的状态变化过程，是通过向空气喷蒸汽实现的。空气中增加蒸汽后，其焓和含湿量都将增加，焓的增加值为加入蒸汽的全热量，如果喷入蒸汽温度为100℃左右，则空气处理过程的热湿比ε为

式中 h_q，t_q——喷入单位质量蒸汽的比焓值和蒸汽温度。

图1-11 蒸汽等温加湿过程

在湿空气焓-湿图上，该过程近似于沿着等温线变化，因此将这种空气加湿方法称为等温加湿过程。类似的加湿的方法还可以是电极加湿或电热加湿等。

（2）电极加湿

电极式加湿器如图1-12所示。它是利用三根铜棒或不锈钢棒插入盛水的容器中做电极。将电极与三相电源接通之后，就有电流从水中通过。在这里水是电阻，因而能被加热蒸发成蒸汽。除三相电外，也有使用两根电极的单相电极式加湿器。由于水位越高，导电面积越大，通过电流也越大，因而发热量也越大。所以，产生的蒸汽量多少可以用水位高低来调节。电极式加湿器的功率（kW）应根据所需蒸汽量大小，按下式确定（考虑结垢影响可设安全系数）：

N=C₁W（h_q-ct_w） （1-20）

式中 W——蒸汽发生量（kg/s）；

h_q——蒸汽的比焓（kJ/kg）；

t_w——进水温度（℃）；

C₁——安全系数，取1.05～1.2。

（3）电热加湿

电热式加湿器是用管状电热元件置于水盘中做成的（见图1-13）。元件通电之后便能将水加热而产生蒸汽。补水靠浮球阀自动控制，以免发生断水空烧现象。此种电热式加湿器的加湿量取决于水温和水表面积。因这种加湿方法较少在中央空调系统中使用，本书不做详细介绍。

图1-12 电极式加湿器

1—进水管 2—电极 3—保温层 4—外壳 5—接线柱 6—蒸汽出口 7—溢水嘴 8—橡皮短管 9—补水管

图1-13 电热式加湿器

2.等焓加湿过程

这种加湿的特点是：水吸收空气的热量而蒸发为蒸汽，空气失掉显热量，温度降低，蒸汽到空气中使含湿量增加，潜热量也增加。由于空气失掉显热，得到潜热，因而空气焓值基本不变，所以称此过程为等焓加湿过程。由于没有热量交换，故又称为绝热加湿过程。喷水室喷循环水加湿、超声波加湿、板面加湿或透膜式加湿均属于这一类型的空气加湿方法。

（1）喷水室喷循环水加湿

如图1-14所示，在喷水室中采用喷循环水处理空气。此时，循环水温将稳定在空气的湿球温度上，如图1-14所示的A—E。由于状态变化前后空气比焓值相等，故空气处理过程热湿比ε为

此过程和湿球温度计表面空气的状态变化过程相似。严格地讲，空气的比焓值也是略有增加的，其增加值为蒸发到空气中的水的液体热。但因这部分热量很少，因而近似认为绝热加湿过程是等焓过程。

图1-14 喷水室喷循环水等焓加湿过程

（2）超声波加湿

利用高频电力从水中向水面发射具有一定强度的、波长相当于红外线波长的超声波，则在这种超声波作用下，水表面将产生直径为几微米的微细粒子，这些粒子吸收空气热量蒸发成蒸汽，从而能对空气进行加湿，这就是超声波加湿器的工作原理。超声波加湿器主要优点是产生的水滴颗粒细，运行安静可靠，目前这种产品应用很广。超声波加湿器的缺点是容易在墙壁或设备表面上留下白点，因此要求对水进行软化处理。

3.加热（冷却）加湿过程

如果在喷水室中不采用循环水，根据喷水温度可分为加热加湿和冷却加湿两种类型。

在喷水室中喷水温度高于空气干球温度这种加湿处理方法称为空气的加热加湿处理过程。如图1-15所示，其特征是，水温高于空气干球温度，显热交换量大于潜热交换量。在d₁增至d₂的过程中，空气温度相应由t₁升至t₂。

如图1-16所示，如喷水室内水温低于空气的湿球温度，高于空气的露点温度，这种加湿处理方法称为空气的冷却加湿处理过程。其特点是，水温低于空气的湿球温度，但又高于空气的露点温度。空气与水的接触过程中，空气失去部分显热，其干球温度下降；水由于部分蒸发，从而空气的含湿量由d₁增至d₂。

图1-15 空气加热加湿处理过程

图1-16 空气冷却加湿处理过程

（二）加湿方法对比

1.优缺点对比（见表1-3）

表1-3 加湿方法优缺点对比

2.加湿能力对比（见表1-4）

表1-4 加湿能力对比

三、除湿处理

对于我国大部分地区，中央空调在供冷季节运行时，通常室外空气较为湿润，为了创造一个令人舒适的工作、学习生活环境，通常要对室内的空气进行除湿处理。同加湿系统一样，空气的除湿处理可以是在空气处理室（空调箱）或送风管道内对送入房间的空气集中除湿，也可以在空调房间内对空气局部除湿处理。

（一）空气除湿方法

在中央空调系统中最常用的除湿方法有：固体吸湿法、液体吸湿法和空气冷却除湿法。

图1-17 固体除湿和冷却除湿过程

1.固体吸湿法（等焓除湿法）

利用固体吸湿剂干燥空气时，湿空气中的部分蒸汽在吸湿剂的微孔表面上凝结，蒸汽被吸附，空气的含湿量降低，空气失去潜热，而得到蒸汽凝结时放出的汽化热使温度增高，但焓值基本没变，只是略为减少了凝结水带走的液体热，空气近似按等焓减湿升温过程变化。图1-17所示的A—D，其热湿比ε为

在空调工程中，广泛采用的吸附剂是硅胶。硅（SiO₂）胶是用无机酸处理水玻璃时得到的玻璃状颗粒物质。它无毒、无臭、无腐蚀性、不溶于水。硅胶的粒径通常为2～5mm，密度为640～799kg/m³。1kg硅胶的孔隙面积可达40万m²，孔隙容积为其总体积的70%，吸湿能力可达其质量的30%。

硅胶有原色和变色之分，原色硅胶在吸湿过程中不变色，而变色硅胶，如氯化钴硅胶，本来是蓝色，吸湿后颜色由蓝变红逐渐失去吸湿能力。由于变色硅胶价格高，除少量直接使用外，通常是利用它做原色硅胶吸湿程度的指示剂。硅胶失去吸湿能力后可加热再生，使吸附的水分蒸发，再生后的硅胶仍能重复使用。如果硅胶长时间停留在参数不变的空气中，则将达到某一平衡状态。在这个状态下，硅胶的含湿量不再改变，并称之为硅胶平衡含湿量d_p，单位为g/kg_干硅胶。硅胶平衡含湿量d_s与空气温度t和空气含湿量d的关系如图1-18所示，它代表了硅胶吸湿能力的极限。

图1-18 硅胶平衡含湿量d_s与空气温度t和空气含湿量d的关系

如图1-18所示，硅胶的吸湿能力取决于被干燥空气的温度和原来的含湿量。当空气含湿量一定时，空气温度越高，硅胶平衡含湿量越小，通常对高于35℃的空气，最好不用硅胶减湿。

2.减湿冷却（或冷却干燥）除湿法

如果用表面冷却器处理空气，当冷却器的表面温度低于空气的露点温度时，空气中的蒸汽将凝结为水，从而使空气减湿（或干燥），空气的变化过程为减湿冷却过程或冷却干燥过程，此过程线如图1-17所示的A—G，因为空气焓值及含湿量均减少，故热湿比ε为

3.液体吸湿法

所谓液体吸湿法是指采用具有吸湿能力的盐溶液作为吸湿介质与空气接触。利用其表面蒸汽压力低于空气中的蒸汽分压力，实现水分由空气向溶液转移的一种空气除湿处理的方法。

图1-19 使用溶液处理空气（液体吸湿法）时的各种过程

使用溶液处理空气时，在理想条件下，被处理的空气状态变化将朝着溶液表面空气层的状态进行。根据盐水溶液的浓度和温度不同，可能实现各种空气处理过程，包括喷水室和表面式冷却器所能实现的各种过程（见图1-19）。空气的减湿处理通常多采用图1-19所示的A—1、A—2和A—3三种过程。其中，A—1为升温减湿过程，A—2为等温减湿过程，A—3为降温减湿过程。在实际工作中，以采用A—3过程的情况为多。

一般情况下，溶液吸收空气中蒸汽后，溶液浓度减小、溶液吸湿能力下降。因此当溶液浓度下降到一定程度后，需要对溶液进行再生。图1-20所示的蒸发冷凝再生式液体减湿系统。

图1-20 蒸发冷凝再生式液体减湿系统

1—空气过滤器 2—喷液室 3—表面式冷却器 4—送风机 5—溶液冷却器 6—溶液泵 7—溶液箱 8—热交换器 9—再生溶液泵 10—蒸发器 11—冷凝器

室外新风经过空气过滤器1净化后，在喷液室2中与氯化钠溶液接触，空气中的水分即被溶液吸收。减湿后的空气与回风混合，经表面式冷却器3降温后，由风机4送往室内。在喷液室中，因吸收空气中水分而稀释了的溶液流入溶液箱7中，与来自热交换器8的溶液混合后，大部分在溶液泵6的作用下，经溶液冷却器5冷却后送入喷液室2；一小部分经热交换器8加热后排至蒸发器10。在蒸发器10中，溶液被蒸气盘管加热、浓缩，然后由再生溶液泵9经热交换器8冷却后再送入溶液箱7。从蒸发器10中排出来的蒸汽进入冷凝器11，蒸汽冷凝后与冷却水混合，一同排入下水道。

4.其他除湿方法

除了以上三种除湿方法外，还有通风除湿、升温除湿和干式除湿等除湿方法，见表1-5。由于在中央空调系统中不常用，对这部分内容不作详细介绍。

（二）典型除湿方法对比（见表1-5）

表1-5 典型除湿方法的对比

四、空气净化处理

（一）空气的净化

通常向空调房间送的“风”是室外空气（新风）和室内再循环空气（回风）的混合空气，由于室外环境存在各种污染源，会产生悬浮微粒、有害气体、臭味、细菌等固态、气态和微生物等污染物；室内环境也会因人及活动、家具、陈设、装饰装修、设备装置使用等产生类似污染物。

对于取自室外的新风和室内的回风，在送入空调房间前必须先进行除去它们所含污染物的净化处理，然后再用此洁净空气来置换或稀释空调房间内的空气，从而使空调房间的空气质量满足要求。根据生产要求和人们工作、生活的要求，通常将空气净化分为以下三类：

（1）一般净化

对于以温、湿度要求为主的空调系统，通常无确定净化控制指标的具体要求。大多数舒适性空调工程均属于这种情况，采用粗效过滤器一次滤尘即可。

（2）中等净化

对空气中悬浮微粒的质量浓度有一定要求，一般除用初效过滤器还应采用中效过滤器，实际上这是一般净化的发展要求。

（3）超净净化

随着超级精密加工技术的发展，对空气中悬浮微粒的大小和数量均有严格要求，通常以颗粒计数浓度为标准，具体数据可查相关资料。

（二）空气过滤器

1.过滤器的分类

根据国家标准，空气过滤器按其过滤效率分为粗效（初效）、中效、高中效、亚高效和高效五种类型。其中，高效过滤器又细分为A、B、C、D四类。从粗效到亚高效统称为一般空气过滤器。工程中常见的有粗效、中效和高效过滤器。

（1）粗效过滤器

粗效过滤器的滤料多采用玻璃纤维、人造纤维、金属网丝和粗孔聚氨酯泡沫塑料等。粗效过滤器大多做成500mm×500mm×500mm的扁块。其安装方式多采用人字排列或倾斜排列，以减少所占空间，如图1-21、图1-22所示。

图1-21 抽屉式玻璃纤维过滤器

粗效过滤器适用于一般的空调系统，对尘粒较大的灰尘（大于5μm）可以有效过滤。在空气净化系统中，一般作为高效过滤器的预滤，起到一定的保护作用。

（2）中效过滤器

中效过滤器的主要滤料是玻璃纤维（比粗效过滤器的玻璃纤维直径小，约为10μm）、人造纤维（涤纶、丙纶、腈纶等）合成的无纺布和中细孔聚乙烯泡沫塑料等。这种滤料一般可做成袋式和板式，如图1-23所示。中效过滤器用无纺布和泡沫塑料作滤料时可以清洗后再次使用，而玻璃纤维过滤器则只能更换。中效过滤器主要用于过滤粒径大于或等于1.0μm的中等粒子的灰尘。在空气净化系统中用于高效过滤器的前级保护，也在一些要求较高的空调系统中使用。

图1-22 袋式泡沫塑料过滤器

图1-23 无纺布中效过滤器的结构形式

（3）高效过滤器

高效过滤器的滤料一般是用超细玻璃纤维或合成纤维加工制成的滤纸。空气穿过滤纸的速度极慢（通常为每秒几厘米），因而为了增大过滤面积而将滤纸做成折叠状。常见的带折叠状的过滤纸如图1-24所示。近年来发展的无分隔片的高效过滤器为多折式，厚度较小，依靠在滤纸正、反面一定间隔处贴线（或涂胶）保持滤料间隙，便于空气通过。高效过滤器可过滤0.5～1.0μm的微粒子灰尘，同时还能有效滤除细菌，用于超净和无菌净化。高效过滤器在净化系统中作为三级过滤的末级过滤器。

除上述各种过滤器外，为了减少过滤器的工作量，并提高维护运转水平，在工程中还可以使用自动清洗的浸油过滤器；在空气净化中，还有采用湿式过滤、静电过滤等其他类型的过滤装置。此外，在国外空气过滤技术中，还可把不同过滤机理的空气过滤器组装在一起，以获得某一过滤效率，供工程选用。

图1-24 高效过滤器的外形

1—滤纸 2—分隔片 3—密封胶 4—木外框

2.过滤器的选择原则

一般情况下，最末级的空气过滤器决定送风的洁净程度，前端各级空气过滤器对最末级的空气过滤器起保护作用，可延长最末级空气过滤器的使用寿命，确保其正常工作。在选择空气过滤器时，必须全面考虑，根据具体情况合理选择合适的空气过滤器。其选择原则如下：

1）根据室内要求的洁净净化标准，确定最末级空气过滤器的效率，合理地选择空气过滤器的组合级数和各级的效率。如室内要求一般净化，可以采用粗效过滤器；如室内要求中等净化，就应采用粗效和中效两级过滤器；如室内要求超净净化，就应采用粗效、中效和高效三级净化过滤，并应合理妥善地匹配各级过滤器的效率，若相邻两级过滤器的效率相差太大，则前一级过滤器就起不到对后一级过滤器的保护作用。

2）正确测定室外空气的含尘量和尘粒特征。因为过滤器是将室外空气过滤净化后送入室内，所以室外空气的含尘量是一个很重要的数据。特别是在多级净化过滤处理中，选择预过滤器时要将使用环境、备件费用、运行能耗、维护与供货等因素综合考虑后作出决定。

3）正确确定过滤器特征。过滤器的特征主要是过滤效率、阻力、穿透率、容尘量、过滤风速及处理风量等。在条件允许的情况下，应尽可能选用高效、低阻、容尘量大、过滤风速适中、处理风量大、制造安装方便、价格低的过滤器，这是在进行空气过滤器选择时综合考虑一次性投资和二次投资及能效比的经济性分析需要的。

4）分析含尘气体的性质。与选用空气过滤器有关的含尘气体的性质主要是温度、湿度以及含酸碱及有机溶剂的数量。这是因为有的过滤器允许在高温下使用，而有的过滤器只能在常温、常湿下工作，并且含尘气体的酸碱及有机溶剂数量对空气过滤器的性能、效率都有影响。

一般净化要求的空调系统，选用一道粗效过滤器；

中等净化要求的空调系统，可设置粗、中效两道过滤器；

超净净化要求的空调系统，则应至少设置三道过滤器，第一、第二道为粗、中效过滤器。

各种空气过滤器一般均按额定风量或低于额定风量选用。