空气调节基础

1、第二章 空气调节基础(王宜义，王军编著 . 汽车空调 . 西安： 西安交通大学出版社， 1995.7)基本概念一、湿空气干空气：空气中除水蒸气以外的气体混合物湿空气：干空气和水蒸气组成的混合物(理想气体)湿空气的基本状态参数：温度 T或3压力p、比容v或密度p，服从理想 气体状态方程：pv RT 或 p/ RT式中：R表示气体常数kJ /(kg K),取决于气体性质。干空气Rg287J/(kg K)；水蒸气 Rq 461J/(kg K) 。大气压力是指地球表面上的空气层的重量对单位面积上所造成的压力。 定义 在纬度为45ox 105Pa。大气压力随地区的海拔高度不同而不同， 在同一地区， 由于

2、季节变化和天气晴雨变化也有差别。例如，上海市海拔为 4.5m,夏季大气压力为100.5kPa,冬 季为103.5kPa,而海拔为3658m的西藏拉萨地区，夏季大气压力仅为 69.19kPa, 冬季为65.07kPa。大气压力 B Pg PqgqPg 为干空气的分压力，Pq 为水蒸气的分压力。空气中水蒸气越多， 水蒸气的g分压力越大。二、含湿量 d含湿量 d： 每千克干空气中所含水蒸气的量。对于质量为 G 的干空气和水蒸气，由理想气体状态方程，可写出PgV GgRgT ，PqV GqRqT利用 BPgPq ，并将 Rg287J/(kg K) ， Rq461J/(kg K) 代入，得1000PqV

3、/RqT 622Pqg 丁og / kg干空气因为Pq qPgV/RgTB PqB,所以d几乎与水蒸气分压力成正比，与空气的压力成反比。对某一地区来说，大气压力基本上不变，可视为定值。因此含湿量就只与水 蒸气分压力有关。在空调计算中，往往以含湿量的变化量来表达加湿或除湿的程 度。例1-1已知某地区的大气压力 B = 99325Pa,空气中的水蒸气分压力 Pq= 1550Pa试求含湿量。解d9.86 g/kg干空气622Pq 622 1550B Pq 99325 1550 q三、相对湿度。在一定温度下，湿空气所含的水蒸气有一个最大限度， 超过这一限度，多余 的水蒸气就会从湿空气中凝结出来。含有最

4、大限度的水蒸气的湿空气称为饱和空气。饱和空气所具有的水蒸气分压力和含湿量，称为该温度下湿空气的饱和水蒸 气分压力和饱和含湿量。相对湿度小：空气中水蒸气分压力Pq和同温度下的饱和水蒸气分压力Pq,b之Pq Pq,b 100%=0 干空气，有很强的吸收水蒸气的能力;= 100% 饱和空气，不能再吸收水蒸气含湿量和相对湿度之间有联系，它们相互补充，但不能相互替代。含湿量只表示水蒸气的含量多少，不能反映空气达到饱和的程度；相对湿度 则说明湿空气接近饱和的程度，不表示水蒸气在湿空气中的含量。d f(Pg), f(T9 , d与小由露点结合四、其他状态参数(h、眺p)1、空气的始h空气的燃h是指湿空气所含

5、有的总热量，h Cp t定压比热容cp定义为在压力不变的条件下,lkg物质温度升高1OC所需要的热量，单位是kJ/(kg oQ。干空气的定压比热容cp,g1.005kJ/(kg OC)水蒸气的定压比热容 cp,q 1.84kJ/(kg OC)湿空气的始等于1kg干空气和0.001d千克水蒸气两者始之和，即h hg 0.001dhq 1.005t 0001d(2500 1.84t) kJ/kg式中 2500kJ/kg是在09时把1kg水变成0oC的水蒸气所需要的汽化热。由上式可知，在计算空气始时是以1kg干空气作为基数进行计算的，湿空气 的量是(1+0.001d) kg。h=(1.005+0.0

6、01*1.84d)t+2.5d kJ/kg第一部分直接与温度有关，为湿空气的显热部分，第二部分与温度无直接关 系，为湿空气的潜热部分。在空调计算中，用燃来表示空气是得热还是失热。2、空气的比容u和密度p比容u:单位质量的空气所占有的容积，m3/kg密度p：单位容积中所含有的空气质量，kg/m31 RTm3/kgP湿空气的密度由干空气和水蒸气组成, 有相同的容积和具有相同的温度，所以：两种气体是均匀混合的，并且共同占二旦 2q_ g q RT RJ将Pg B Pq, Pq Pqb以及Rg,Rq代入上式，径整理得到 .f，2kg/m30.00348B 0.00134 Pq,bTT湿空气的始湿图(h

7、-d图)及其应用一、始湿图在空调的计算中，为简便起见，通常将状态参数绘制成图线形式， 从而可将 冗长的计算工作转化为查图工作，方便很多。常用的空气状态图为始湿图。图1-1是始湿图的示意图。始湿图通常是针对某一特定的大气压力 B绘制而 成。以烙h为纵坐标，以含湿量d为横坐标。为使图线清晰和图面开阔起见，两 坐标轴之间的夹角为135。，图上参变量为温度t和相对湿度加图上有四组线：等含湿量线簇d、等始线簇h、等温线簇3等相对湿度线簇 小。等含湿量线（d=常数）为垂直线，等温线（t =常数）近乎为水平线（只有 t = 0c的等温线才是水平的），等相对湿度线（小=常数）为一组曲线。注意：图上 小=100

8、%的线是空气的饱和状态线，它将图分成两个区，上面 部分为未饱和空气区，下面部分为过饱和空气区（雾湿区） ，在这个区域内空气 状态是不存在的，因为空气的相对湿度不可能大于 100%。0102030 P/lOXPa)图1-1 湿空气熔显图二、始湿图的应用始湿图的应用十分广泛，并且直观，其计算方便而计算结果又是在工程允许 的偏差范围内。主要应用包括：确定空气的状态参数；求空气的露点温度；求空气的湿球温度等。.确定空气的状态参数前面介绍了湿空气的四个状态参 数：始h、含湿量d、温度t、相对湿 度加在四个状态参数中，只有两个是 独立的，即只要已知任意两个参数，其 他参数也就可以相应确定。如图1-2, h

9、-d图上的每一个点都代表了空气的一 个状态，这个点是由2个参数规定的， 一旦这个点确定下来，在这个点上的其 他状态参数也就相应地确定。ri1*1 -2确定空气欣念例：已知大气压为101.325kPa,室 内空气温度t = 26C,相对湿度 小= 55%,求空气的含湿量和始值。解选用 B=101.325kPa 的 h-d 图；在图上找出温度t = 26c的等值线和 -55%的相对湿度线，两条线的交 点A即为所求的空气状态点；从图上读出含湿量 dA干空气，始值hA=55.58 kJ/kg干空气。Pqb 3360.58Pa。 q ,.求空气的露点温度什么是露点温度？日常生活现象：冬季玻璃窗的玻璃内表

10、面上有结露现象，夏季在自来水管外表面上有滴水现象，它们属于物体表面 的温度低于空气的露点温度所致。空气中水蒸气含量达到饱和（最大 限度值）时的温度称为空气的露点温 度。在含湿量不变的条件下，温度高于 该露点温度，饱和空气变成未饱和空 气，温度降低，会有水蒸气不断地从空 气中凝结出来。露点温度可以在h-d图上很方便地 求得。如图1-3,图上A点处于未饱和 空气状态，具有某一温度tA和相对湿 度M。自A点作等含湿量冷却，即自 A点沿垂直线向下，经冷却后的空气相 对湿度增加，温度愈低相对湿度愈高。图干湿球温度计相交，交点为露点L,与之相应的温度即为露点温度ti露点温度与含湿量有关，含湿量大则露点温度

11、高，含湿量相同的湿空气有相 同的露点温度。.求空气的湿球温度在空调工程中，广泛地应用干湿球温度计来测量空气的相对湿度，进而计算 出其他参数。干湿球温度计是由两根相同的温度计组成，如图1-4。其中一根的感温包裸露在被测的空气中，其读数为干球温度，就是我们通常所讲的气温。另一根温度 计的感温包上裹以清洁的脱脂纱布， 纱布的一端浸入盛蒸储水的容器中， 在毛细 现象作用下，纱布被浸润，过了一段时间后这根温度计的读数低于干球温度，包有纱布的温度计测得的温度称为湿球温度。湿球温度也是空气的状态参数之一。湿球温度为什么会低于干球温度？可从热湿交换原理加以说明，具体参考王宜义编著汽车空调（西安交通大学出版社，

12、1995年）。干湿球温度之差反映了空气相对湿度的大小。如果干湿球温度差等于0,表明周围空气达到饱和。注意：空调技术中所定义的湿球温度要求流过湿球表面的风速为2.54m/s以上，因为风速太小时空气与湿球表面热湿交换不完善，湿球温度过高。.3汽车空调的舒适性（阙雄才，陈江平 主编.汽车空调实用技术.北京：机械工业出版社，2003.3 P5865）“舒适”是一个范围比较广的概念。汽车上的舒适性是指为乘员提供舒适、 愉快、便利的乘坐环境与条件，包括良好的平顺性、低的车内噪声、适宜的空气环境、良好的居住性能，以及良好的驾驶操作 性能。从上述定义中可见，空调的舒适概念是 指适宜的空气环境。空调的舒适度是一

13、个模糊 量，以往一直被人们作为精确量来处理，实际 上是不太科学的。如人体感觉的冷与热、干与 湿，风速的大与小，舒适程度的高与低，都是 一种模糊量。很难以一条明显界限来判断“是” 与“否”。影响舒适度的因素是很多的，不同 的年龄、性别、衣着、种族、习惯、健康状况、 动作状况、心理、情绪，对舒适性的感觉都是 不一样的，它们的关系可用图 4-4 表达。车室内舒适性是由乘员、司机、工作人员对温度、湿度、空气流速、车厢内空气的压力、洁净度、气味、噪声、振动等指标的感受和反映来决定的。经验表明， 在已给定的空调车室内， 并不是每一个人都能对某一组条件感到舒适， 其中包括每个人衣着、年龄、性别、国别、个人活

14、动量、身体素质等诸因素，舒适感由很多因素综合效果来决定， 热舒适理论及国际标准在分析室内环境的热舒适性时，提出六个要素，其中四个与环境有关，即空气的干球温度、房间的平均辐射温度、 空气中水蒸气分压力和空气的相对流动速度。 另外两个要素与人有关， 即人体的新陈代谢率和服装的热阻值。从影响舒适性重要性排列，其次序是温度、湿度、空气流速、噪声、压力、气味、灰尘、细菌等。一般情况下只控制上述前三个要素。热舒适性与热感觉1人体能量平衡人体连续不断地产生热量， 在不同的状态下产生的热量并不相同， 人体在静坐时产生的热量约为100W 左右， 在剧烈运动时产生的热量大约为 1000W 左右。人体靠摄取食物（糖

15、、蛋白质等碳水化合物）获得能量维持生命。食物在人体新陈代谢过程中被分解氧化 同时释放出能量。 其中一部分直接以热能形式维持体温恒定并散发到体外， 其它为机体所利用的能量， 最终也都转化为热能散发到体外。人体为维持正常的体温 必须使产热和散热保持平衡， 人体热平衡可用下式表示：S = MWERC（4-13）式中S人体蓄热率（W/吟;M 人体能量代谢率（W/nf）,它决定于人体的活动量大小；W人体所作的机械功（W/nf）;E汗液蒸发和呼出的水蒸气所带走的热量（ W/nf）;R穿衣人体外表面与周围表面间的辐射换热量（ W/吟;C穿衣人体外表面与周围环境之间的对流换热量（ W/ m2）o在稳定的环境条

16、件下， s 应为零，这时，人体保持了能量平衡。如果周围环境空气温度提高， 则人体的对流和辐射散热量将减少； 为了保持热平衡， 人体会运用自身的自动调节机能来加强汗腺分泌。 这样， 由于排汗量和消耗在汗分蒸发上的热量的增加， 在一定程度上会补偿人体对流和辐射散热的减少。 当人体余热量难以全部散出时，余热量就会在体内蓄存起来于是式（4-13）中 s 变为正值，导致体温上升，人体会感到很不舒适，体温增到40时，人即死亡。2人体与环境的热交换Fanger(1967 1970 年)，Hardy(1949 年)，Rapp and Gagge(1967), Gagge andHardy（1967年）等人，先

17、后给出了计算人体与环境进行热交换的方法。人体与环 境的热交换主要通过对流、辐射和水分蒸发散热的方式完成的。 这一传热过程受 活动强度、衣着情况、空气温度、空气湿度、空气流速、车厢壁体温度等6个热舒适度参数的影响。不同的传热机理对应着总负荷的不同部分。比值的大小因不同参数而异。随着空气温度的升高，对流换热减少，而蒸发造成的潜热却增加。温度较高时，蒸发散热有时必须用来抵消射入的辐射。 如在小轿车内，即使 温度较低，射入车厢的太阳辐射也可以使人体的得热达到必须加以考虑的程度。 这部分过高的得热，必须由体表水分的额外蒸发来加以平衡。 因此从人体传到空 气的热量可能会多于人体自身的产热量， 其差值是靠额

18、外蒸发来弥补的。因为与 对流传热有关的参数是完全稳定的， 又因为人体恒定的体温以及固定的衣着， 所 以通过改变热量损失的体温调节机制只能在潜热范围内。体表温度的升高只能在极小范围内发生，而且车室内空气温度和空气流速不能分别调整。 对于固定的车 体温度和给定的布局，辐射换热也随着不同的位置改变而改变。3.人体热调节机理在工程实际中，人体与环境的热交 换及其调节照例用简图4-5来描述。人 体的特点与其它脊椎（热血）动物一样，就 是恒温。但是，对于整个身体不能说是 恒温，因为内部器官的温度（内部温度） 与身体表面的温度有明显差别。通常， 恒温是指内部温度，在正常条件下，人 的肌体温度保持在37C的水

19、平上，为 了使人体产热量和散热量平衡，人的机 体应该具有相应的温度调节机构。在调 节人体温度的生理学过程中，保证维持控制制受楂体外郡干扰控制行为科感觉二热舒适行为调节自动调节体内感受器热交换调节产热词节血管扩张出汗衣著V|W I- I信号他意括的下下I部 千祝图$5人的自动行为厚度国节程图恒定体温的办法有：与产热量有关的化学调节过程；与散热量有关的生理学调节 过程。4.热舒适性与热感觉“热舒适”这一术语在研究人体 对热环境的主观热反应时已被广泛 应用。在美国供暖制冷空调工程师学 会的标准（ASHRAE Standard 55 一 1992）中，热舒适有明确定义，即热图. 热感觉m热舒适的差别示

20、童图舒适是对热环境表示满意的意识状 态。这一定义当前已被普遍接受。“舒 适” 一词解释是满意、高兴及愉快。但到目前为止，在对热舒适的解释上大致有两种不同的认识：一种认为热舒适和热感觉是相同的，或者热感觉处于中性（即不冷不热）就是热舒适。扩大一点，将微凉到微暖的主观反应区称为热舒适区， 当然，在具有这些热感觉的同时，空气湿度不应过高或过低，风速也必须维持在 较低的水平（如低于0.2m/s）;也有人解释热舒适为“一种对环境既不感到热也不 感到冷的舒适状态，也就是人们在这种舒适状态下会有中性的热感觉”。Fanger 在其热舒适一书的解释是“热中性和热舒适是一样的，且这两个概念以后以 同义来对待。”关

21、于热舒适和热感觉的区别，早在1917年，Ebbeke就提出“热感觉与皮肤 热感受器的活动有联系，而热舒适依赖于来自热调节中心的热调节反应”。从图4-6可以看出，热感觉主要是皮肤感受器在热刺激下的反应，而热舒适则是综合 各种感受器的热刺激信号，形成集总的热激励而产生。图 4-6中虚线表示一种可 能性，热舒适则包含舒适与不舒适两种可能性。但是，通常情况下热舒适和热感觉不作区分，认为热感觉和热舒适是一回事。稳态与非稳态热舒适性.稳态热舒适性评价方法：PMV-PPD方法和ET*方法稳态热舒适性是以稳态热环境为条件的，以人体的主观热感觉处于中性，风 速不大于0.15m/s,相对湿度为50%为最舒适的热环

22、境。P.O.Fange畋集了 1396 名美国与丹麦受试对象的冷热感觉资料，提出了表征人体热反应 （冷热感）的评价 指标，即预期平均评价PMV:PMV =（ （-0.O36M） + 0,02ft） M-103 x5733-6.99 （ - IF） - J -0,42 M - W -58.15-1.721c（5867-凡）-0.00141f （34-4）-.96x10 fl/tl l+理）=小儿（QT.）l式中M 人体能量代谢率（W/m2）,它决定于人体的活动量大小；W人体所彳的机械功（W/m2）;pa人体周围空气的水蒸气的压力（Pa）；ta人体周围空气温度（C）；fcl 穿衣服人体外表面积与裸

23、身人体表面积之比，称穿衣面积系数；Tcl一一衣服外表面温度（C）；tr 车室平土辐射温度（C）。PMV的热感觉标尺见表4-1霆，1 FMV希量鞋尺物Bit热 -1建中原,*30* 1-2-3PMV指标代表了对同一环境绝大多数人的冷热感觉，因此可用PMV指标预 测热环境下人体的热反应。由于人与人之间生理的差别，故用预期不满意百分率PPD指标来表示对热环境不满意的百分数。PPD和PMV之间的关系如图4-7所示。在PMV=0处，PPD为5%。这意 味着，即使室内环境为最佳热舒适状态，由于人们的生理差别，还有5%的人感网30鲍(求5dd到不满意。ISO7730对PMV-PPD指标的 推荐值为：PPD5

24、04.5125050 0.2轿车、旅游车3560 0.2准，夏季车室外空气计算参数空调室外空气参数采用由概率论和数理统计方法得出的简化公式103010301030夏季： 室外twx0.47trp 0.53tmax trp 历年最热月平均温度的平均值；tmax 历年极端最高温度冬季： 室外 twd 0.3tlp 0.7tmin tlp 历年最冷月平均温度的平均值；tmax 历年最冷月中最低的日平均温度或北方取 20为室外空气计算温度。（ 2）湿球温度夏季 北方t wb0.72twbp0.28twb.max南方t wb0.8t wbp0.2twb. maxtwp 一对应历年最热月平均温度trp和平

25、均相对湿度Mp的湿球温度；twb.max 一对应历年极端最高温度tmax和最热月平均相对湿度（|rp的湿球 温度。冬季因空气含湿量较小，且变化也小，不需给tw ，只给室外计算相对湿度值。 暖通规范中规定冬季空调室室外计算相对湿度采用历年一月份月平均相对湿度的平均值。热湿负荷计算汽车由于结构形式的复杂性，各部位所用材料尺寸、厚度及隔热方式各异，车速的变化致使汽车外壳与周围空气换热方式发生变化，再加上外界气候的变化、乘员出入等，因此很难算出汽车空调的热湿负荷。另外，由于车身材料的蓄热性， 某时得到的热量并不能马上引起空气温度的变化， 故制冷量应大于放热量（计算值） ，即QsKQeQs 为制冷能力（

26、额定值） ； Qe 为计算出的得热量（空调热负荷） ； K 为修正 系数。汽车空调室得失热量的计算是根据传热学原理进行， 一般采用稳定工况下的 计算。空调热负荷Qe与哪些因素有关呢？热源分析： 1. 车外温度大于车内 ; 2. 太阳辐射 ;3. 人体散热 ;发动机散热 ;5. 地面反射 ;6. 密封具体有 : QeQBQG QBi QE Qc QM QP QV （王宜义教材 P12）QB 通过车顶与车门传入车厢的热负荷；QG 通过各玻璃表面以对流方式进入车厢的热负荷；QBi 通过各玻璃表面以辐射方式直接进入车厢的热负荷；QE 从发动机室一侧传入车厢的热负荷；Qc 从行李厢及车厢地板处传入车厢的

27、热负荷；QM空调风机造成的热负荷；Q P 乘员散发的热负荷；QV由通风和密封性泄漏进入车厢的热负荷。Q B 通过车顶与车门传入车厢的热负荷在太阳辐射的作用下， 通过车顶与车门传入车厢的热量由两部分组成： 因车身内外空气的温差而产生的、 通过车身传入的热量； 车身外表面从太阳辐射中所吸收的热量。太阳辐射包括太阳直接辐射、天空散射辐射、地面反射辐射，大气长波辐射、来自地面的长波辐射。其中前两项（太阳直接辐射、天空散射辐射）为主，其他的辐射量很小，一般忽略不计。车身外表面从太阳辐射中所吸收的热量具体计算参见王宜义教材P15。热桥概念：由于车厢上有骨架（金属） ，骨架外有蒙皮，内有装饰材料，中间有隔热

28、层，热量传入时，主要从骨架上传入，形成“热桥” 。为了减少热桥传热， 可采用断热桥设计， 即将骨架分为主骨架和辅骨架， 前者以承载为目的，用钢材或铝型材，后者以断热为目的，主要用木材、胶合板、玻璃钢等。2通过窗玻璃传入车厢的热负荷太阳辐射到窗玻璃上的热分成三路： 一部分被反射、 一部分被吸收， 还有一部分透过玻璃以短波辐射的形式直接进入车室内。 吸收的这部分太阳辐射能量存贮在玻璃内，使之温度增高，当玻璃温度高于车内、车外温度时，就以对流的方式向室内、室外放热。而透过窗玻璃的太阳辐射能，被车厢内物体部分地吸收，部分地反射出去。因此， 通过窗玻璃进入车厢的热负荷由三部分组成： 由于车内外温差传入的热量； 由于窗玻璃吸收的那部分以对流方式进入车室内的热量； 透过窗玻璃直接 进入车室内的辐射能所形成的热量。3空气渗透进入车内的热负荷3/（h.