高杏存
中国电子工程设计院有限公司
摘 要： 为了研究喷水室的热平衡方程修正后对热工计算结果的影响， 本文详细分析了喷水室内空气与水之间的 热质交换和热平衡方程修正公式的推导过程。并利用不同的热平衡方程，对温水喷淋加湿喷水室进行了热工计 算。 结果表明， 在温水喷水室增焓加湿过程中， 利用修正后的公式计算出喷水初温比原公式低， 而且需要提供给喷 淋水加热的能量也少， 有利于空调系统节能降耗。本文可望为喷水室的热工计算提供指导意义。
关键词： 喷水室 热工计算公式 热平衡方程 热质交换 节能降耗
Study on Thermal Calculation of Warm Water Spray Chamber
GAO Xingcun
China Electronics Engineering Design Institute Co.,Ltd.
Abstract: In order to analyze the effect of the modified heat balance equation of the spray chamber on the thermal calculation results,in this paper,the heat and mass exchange between the air and water in the spray chamber and the derivation of the correction formula of the heat balance equation are analyzed in detail.The thermal calculation of warm water spray humidification spray chamber is carried out by using different heat balance equation modified formula.The results show that the spray water temperature calculated by the modified formula is lower than that of the original formula in the process of increasing enthalpy and humidification,and the energy needed to heat the spray water is lower, which is beneficial to energy saving and consumption reduction of air conditioning system.This paper is expected to provide guidance for thermal calculation of spray chamber.
Keywords:spray chamber,thermal calculation formula,heat balance equation,heat and mass exchange,energysaving
收稿日期： 202123
作者简介： 高杏存 （1990~）， 男， 硕士， 助工； 北京海淀区西四环北路 160号 （100142）； Email:**********************
0 引言
在空气调节工程中， 喷水室是空气与水直接接触 进行热质交换的最典型设备。根据喷水温度的不同， 喷水室可以完成加热、 冷却、 加湿、 减湿等各种处理过 程，
而且具有净化空气的能力， 因此被广泛应用在各 种空调建筑中 [13]
。
对于喷水室热工计算的研究，
国内外的一些学者 做了大量的工作， 目前被我国工程上广泛采用的热工
计算方法是卡尔皮斯
[4]
提出的， 以喷水室的热交换效 率浊
1 和热接触系数 浊
2 为基础的计算方法。使用该热 工计算方法需要满足以下三个条件：
1）喷水室能达到 的浊 1 应等于空气处理过程所需要的浊 1 。 2
） 喷水室能达 到的浊 2 应等于空气处理过程所需要的浊 2 。3)喷水室喷 出的水吸收 （或放出） 的热量等于空气失去 （或得到） 的
热量。但是张维功等 [57]
人认为该公式中的热平衡方程
中没有充分考虑喷水室中被处理空气的热湿交换， 在 考虑到空气流经喷水室后空气质量流量的变化以及 喷淋水量的变化后，对热平衡方程进行了修正。刘泽 华 [8] 从湿空气的概念出发， 提出在喷水室热工计算过 程中应采用干空气的质量流量来计算， 而不是湿空气 的质量流量， 也对热平衡方程进行了修正。
第41 卷第 3 期 2022 年3 月
建 筑 热 能 通 风 空 调
Building Energy &Environment Vol.41No.3 Mar.2022.65~67
文章编号： 10030344 （2022） 30654
. All Rights Reserved.
虽然这些学者对热平衡方程进行了修正， 但是公 式修正前、后对热工计算结果的影响还不是很明确。
尤其是近年来， 为了充分利用余热资源，
工厂经常采 用余热对喷淋水进行加热。这种温水喷淋系统
[9]
储热式电暖器
， 不同 于普通的喷淋循环水等焓加湿的过程， 可以通过调节
喷淋水的温度实现对空气的增焓加湿，
因此需要对喷 水室进行精确的热工计算， 才能达到要求的增焓加湿 过程。
本文首先介绍了温水喷水室内空气与水之间的 热质交换过程， 然后详细对不同的喷水室热平衡方程
进行了推导， 分析不同热平衡方程之间的区别。在此 基础上， 结合采用温水喷淋加湿系统的某工程设计实 例， 利用不同热平衡方程， 计算出了不同的结果， 并对
不同的结果之间进行了对比分析， 明确了不同热平衡 方程计算结果之间的误差。
1 温水喷水室热湿交换原理分析
由图 1 可知温水喷水室是在普通喷水室上增加 了一套板式换热器加热系统， 通过板式换热器为喷淋 水提供能量， 使流经喷水室的空气实现增焓加湿的过 程。在喷水室中， 喷淋水借助于喷嘴向流动空气中喷
洒细小水滴， 空气与水滴之间通过水滴表面饱和空气 边界层不断地进行对流热交换和对流质交换， 其中显 热交换取决于二者的温差， 潜热交换和质交换取决于
水蒸气分压力差。
图1 温水喷水室构造示意图
在冬季， 用喷水室对空气进行加湿时， 喷淋水滴 边界层内水蒸气分子浓度大于周围空气水蒸气分子 浓度， 则周围空气中的水蒸气分子水将增加， 空气经
过喷水室处理后的含湿量将增大， 空气的质量流量也 将增大， 而喷淋水量将减少。
2 喷水室热平衡方程的修正
喷水室的热工计算任务是对既定的空气处理过 程， 选择一个喷水室达到下列要求：
1）选择的喷水室能达到的 浊 1 应等于空气处理过
程所需要的浊
1 。 2）选择的喷水室能达到的 浊
2 应等于空气处理过
程所需要的浊
2 。 3）
选择的喷水室喷出的水吸收 （或放出） 的热量等 于空气失去 （或得到）
的热量。 上述三个条件用下面4个方程表示为：
由于滋 =W /G ， 所以上式可变为：
（4）
式中： 浊 1 —第一热交换效率 （又称热交换效率）； 浊 2 —第 二热交换效率（又称接触系数）； A ， A '， m ， n ， m '， n '均为 实验系数和指数， 可根据文献中查询； G —空气的质量
流量； W —喷水量； c —水的定压比热容； v籽 —空气质量 流速； 滋
—水汽比。 以上4 个方程式为工程中常用的热工计算公式， 但是公式3
（热平衡方程） 中忽略了喷水室前后空气质 量流量的变化， 以及喷淋水量的变化， 通过第一节的热 湿交换原理分析，如当用喷水式对空气进行加湿时， G 2 ＞G 1 ； W 2 ＜W 1
荸荠削皮机
。则修正后的热平衡方程1应为： （5）
设空气中干空气量为 G g ， 空气流经喷水室前后干 空气的质量流量不发生变化，
则有： 则空气中减少的水蒸气量为：
则喷淋水中增加的水量为：
则热平衡方程可推导为： 式中： G 1 、 G 2 表示的是湿空气的质量流量， 但是湿空气 的状态参数中焓的描述是以干空气质量流量为基准 的， 即 “kJ/kg 干空气” ， 因为水蒸气在湿空气中的含量 很小， 在工程中为了简便， 常将干空气的质量流量近似 于湿空气的质量流量。但在本文中为了获取热工计算
的准确值，需要考虑这一点。此时修正后的热平衡方
22
1 11
1() m n
s w s w t t A v t t h r m - =-= - 22
2 11
1() m n s s t t A v t t h r m ¢¢
- ¢ =-= - ) (
) ( 1 2 2 1 w w t t Wc h h G - = - （1） （2） （3）
) ( 1 2 2 1 w w t t c h h - = - m
1 1
2 2 2 2 1 1 w w ct W ct W h G h G - = - 2
2
双顶置凸轮轴1 1 1 1 d G d G G g + =
+ =
1
1
2
2 1 1 G d d G + + =
（6） （7）
1
1
2
1 2 1 1 G d d d G G + - =
- （8）
1
1
2
1 2 1 1 G d d d W W + - =
- （9）
1 1
2 1 1
2
1 1
2 1 2 1
1 1 ) 1 ( 1 1 w w ct w ct G d d d w h d d G h G - + - + = + + - （10） 2022年
建 筑 热 能 通 风 空 调 ·66·. All Rights Reserved.
程2应为：
（11）
根据式
（6） ~ （9）， 热平衡方程可推导为： 3 喷水室热工计算的比较
为了比较以上三个不同热平衡方程计算结果的 区别， 下面以某实验室工程的设计要求为例， 进行热 工计算结果的对比分析， 该实验室项目采用温水喷淋 系统， 在冬季使用喷淋水对空气进行增焓加湿， 需要
被处理的湿空气量为2400kg/h ， 含湿量为 2.3g/kg ， 而 且进风干球温度在20~30益之间变化；需要
处理的空 气终参数的干球温度为14.3 益，湿球温度为13.8 益。 计算喷水量W 、 喷水初温t w 2、 喷水终温t w 1、 板式换热器 需要提供的能量Q 。
首先根据文献[10]附录 51 选用喷水室结构为：
双排对喷， d 0 =5mm ， n =13个/(m 2 · 排)， v 籽
=1.5kg/m 2
· s 。 查得，在增焓加湿过程中： A =0.82，
A '=0.84， m =0.09， n =0.11，
m '=0.05， n '=0.21。可以求得喷水量 W 、 喷水初 温t w 1
、
喷水终温t w 2
如表1所示。 表1 喷水量尧喷水初温尧喷水终温计算结果
由计算结果纵向对比可知，随着进风温度的升
高， 为了达到设计的出风温度， 所需要的喷水初温逐 渐降低。由横相对比可知， 利用原热平衡方程计算出 来的喷水初温比修正后的热平衡方程计算出的结果 要高。
根据Q =w (t w 1 t w 2
)/1000可求得板式换热器所需要 提供的能量值如表2所示。
由计算结果纵向对比可知，随着进风温度的升 高，
为了达到理想的出风状态点， 所需要板式换热器 提供的能量逐渐减小。这是因为随着进风温度的升
高， 增焓加湿逐渐趋近于等焓加湿的过程， 需要板式 换热器提供的能量就越来越少。由计算结果横向对比
可知， 利用原热平衡方程计算出来的板换能量比修正
后热平衡方程1和2都要大，其中利用修正热平衡方 程2计算出来的板换能量最小。说明利用修正后的热 平衡方程进行喷水室的热工计算， 提供较少的能量即 可满足设计要求， 因此有利于空调系统节能降耗。
表2 板式换热器需提供能量值
修正热平衡方程1和2与原热平衡方程计算得出 的板换所需能量值的具体误差如图2所示。
图2 热平衡方程修正前后板换能量计算结果的误差 由误差计算结果可知， 在考虑到空气经过喷水室
处理后空气质量流量和喷水量的变化时，
蓄电池恒温箱修正后的热 平衡方程与原热平衡方程计算出的板换能量的误差 值在1%~5%之间。
在进一步考虑干空气流量与湿空气 流量的差值后， 修正后的热平衡方程与原热平衡方程 计算出的板换能量的误差在4%~16%之间。
4 结论
1）
在温水喷淋加湿系统中， 利用修正后热平衡方 程计算得到的喷水初温比原热平衡方程要低，
而且板 式换热器所需要提供的能量也少。因此，利用修正后 的热平衡方程进行喷水室的热工计算，
有利于空调系 统节能降耗。
2）利用修正热平衡方程 1 进行喷水室的热工计
算， 节能效果在1%~5%之间。利用修正热平衡方程 2
进行喷水室热工计算， 节能效果4%~16%之间。 参考文献
[1]
陈凯，苏秀, 鲍玲玲.立式高速喷水室热湿交换性能优化[J]. 西
1 1
2 2 2 1 ) ( w w g ct W ct W h h G - = - 1 1 2 1 1
2
1 1
2 1 1 1 ) 1 ( ) ( 1 w w ct w ct G d d d w h h d G - + - + = - + （12） 原热平衡方程
修正热平衡方程 1
修正热平衡方程 2
进风温度 出风温度
防盗井盖
喷水量 喷水初温 喷水终温 喷水初温 喷水终温 喷水初温 喷水终温 w 编
号 T /℃ T /℃ T /℃
T /℃ /kg/h t /℃ t /℃ t /℃ t /℃ t /℃ t /℃ 1 20 8.5 14.3 13.8 4045 16.422 14.586 16.397 14.584 16.347 14.579 2 21 8.9 14.3 13.8 4089 16.190 14.516 16.165 14.513 16.116 14.509 3 22 9.4 14.3 13.8 4122 15.958 14.439 15.934 14.436 15.886 14.432 4 23 9.8 14.3 13.8 4159 15.740 14.373 15.716 14.371 15.669 14.366 5 24 10.3 14.3 13.8 4188 15.519 14.300 15.495 14.298 15.449 14.293 6 25 10.7 14.3 13.8 4219 15.310 14.238 15.287 14.236 15.241 14.232 7 26 11.1 14.3 13.8 4249 15.106 14.178 15.083 14.176 15.038 14.172 8 27 11.5 14.3 13.8 4276 14.905 14.119 14.883 14.117 14.838 14.113 9
28 11.9 14.3
13.8 4301 14.708 14.062 14.686 14.060 14.642 14.055 10 29 12.3 14.3 13.8 4325 14.513 14.005 14.492 14.003 14.449 13.999 11 30 12.7 14.3
13.8
4347
14.321
13.949
14.300
13.947
14.258
13.943
进风温度
出风温度 编
号 T /℃ T /℃ T /℃ T /℃ 原热平衡方程 板换能量/kJ 修正热平衡方程1 板换能量/kJ 修正热平衡方程2
板换能量//kJ 1 20 8.5 14.3 13.8 31.117 30.725 29.963 2 21 8.9 14.3 13.8 28.683 28.296 27.540 3 2
2 9.4 14.3 13.8 26.249 25.868 25.117 4 23 9.8 14.3 13.8 23.814 23.438 22.693 5 24 10.3 14.3 13.8 21.380 21.010 20.270 6 25 10.7
14.3 13.8
18.946 18.580 17.846 7 26 11.1 14.3 13.8 16.512 16.151 15.422 8 27 11.5 14.3 13.8 14.078 13.721 12.998 9 28 11.9 14.3 13.8 11.644 11.291 10.573 10 29 12.3 14.3 13.8 9.209 8.861 8.149 11
30
12.7
14.3 13.8
6.775
6.431
5.725
修正热平衡方程1；
修正热平衡方程2 （下转23页）
高杏存： 温水喷水室热工计算的研究 第 41 卷第 3 期 ·67·
遥
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图14 最佳保温厚度取值
4结束语
针对单目标优化的局限性，提出采用基于 NSGAII算法的分层多目标优化方法，以被动房保温 层厚度为变量， 针对全生命周期能耗、 全生命周期碳 排放、 全生命周期总成本三个目标进行优化分析。以 夏热冬冷地区某被动式住宅为例， 基于全年能耗模拟 的手段， 通过先选取全生命周期能耗和全生命周期碳 排放两个目标函数， 运用 NSGAII算法进行两目标综 合求解， 得到 Pareto前端， 然后在这一组非劣解集中， 求取另一个目标——
—全生命周期总成本最优的点。对 于采用EPS板作为保温材料，使用年限为 20年的情 况，采用分层多目标优化得到的最佳保温层厚度为 121mm。这个优化结果是不同于针对单个目标获得的 优化结果， 单独考虑全生命周期能耗、 全生命周期碳 排放、 全生命周期总成本时的最佳保温层厚度分别为 110mm、 130mm、 110mm。分层多目标优化获得的结 果， 是介于多个单目标优化结果之间， 这也说明， 多目 标优化结果是在各个单目标中寻求平衡与折中， 通过 本文给出的优化方法， 能在综合考虑能耗、 碳排放和 总成本三个因素的条件下， 给出保温层厚度的唯一优 化结果， 方便使用者决策。
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（上接67页） 张浩杰等： 基于能耗模拟的被动房外墙保温厚度优化
第 41 卷第 3 期 ·23·
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