基于膜的准等温加湿器：性能特性及其在暖通空调（HVAC）应用中的能量-熵分析

《Journal of Building Engineering》：Membrane-Based Quasi-Isothermal Humidifier: Performance Characteristics and Energy–Exergy Analysis for HVAC Applications

维持冬季室内适宜湿度对健康和舒适至关重要。本研究提出膜式准等温 humidifier (QIMH) 新方案，通过两维稳态热质传递模型验证其性能。结果表明，当进水温度接近空气温度且水流量足够高时，可满足|ΔTa|≤0.5℃的准等温条件，实现近理论热效率的加湿，且无需下游再热。Exergy分析显示QIMH效率最高（10.2%），优于蒸汽注入（5.4%）和蒸发再热（8.9%）方法。

　　

Seong-Yong Cheon|Hye-Jin Cho|Jae-Weon Jeong

韩国汉阳大学工程学院建筑系

摘要

在冬季保持适当的室内湿度对居住者的健康和舒适度至关重要。然而，传统的供暖、通风和空调（HVAC）加湿器，如蒸汽喷射、超声波雾化及直接蒸发系统，通常要么耗能较高，要么存在气溶胶携带问题，要么需要额外的再加热。本研究探讨了一种基于膜的准等温加湿器（QIMH）作为HVAC应用的替代方案。我们开发了一个用于交叉流空心纤维膜模块的二维稳态传热传质模型，并通过实验室规模的实验数据进行了验证。随后通过改变进水温度以及空气和水流速率进行了参数模拟，以确定满足研究定义的准等温标准（|ΔT_a| ≤ 0.5 °C）的运行区域。结果表明，当进水温度接近进气温度且水流速率足够高以提供潜热而不引起明显的空气显热或显冷时，可以实现准等温运行。在这种条件下，膜加湿器能够以接近理论的热效率提供加湿效果，同时避免了与蒸发加湿相关的下游再加热问题。在相同的出气条件下进行的能量效率比较显示，膜加湿器的平均能量效率最高（10.2%），其次是带有再加热功能的蒸发加湿器（8.9%）和蒸汽喷射加湿器（5.4%）。这些结果展示了基于膜的准等温加湿技术在冬季HVAC应用中的热力学潜力。

引言

保持适当的室内湿度对居住者的健康和舒适度至关重要，尤其是在干燥的冬季[1]、[2]、[3]、[4]。低湿度会导致眼睛、皮肤和呼吸道干燥，降低黏膜保护作用，并降低室内环境质量和工作效率[3]、[4]。另一方面，过高的室内湿度会增加建筑物内潮湿、冷凝和霉菌相关问题的风险[8]。因此，HVAC系统中的冬季加湿不仅需要提供水分，还需要仔细控制加湿过程中的热效应和卫生问题。

HVAC系统中使用的传统加湿技术，包括蒸汽喷射、超声波雾化和直接蒸发加湿器，存在明显的缺点。蒸汽加湿器虽然能产生卫生的水蒸气，但需要消耗大量热量，从而导致较高的能量损失[10]。超声波加湿器在设备层面较为节能，但如果水质管理不当，可能会通过雾化滴液释放矿物质或微生物污染物[11]、[12]、[13]。直接蒸发加湿器避免了蒸汽生成，但在加湿过程中会冷却空气，通常需要下游再加热来达到目标供气温度[10]。

基于膜的加湿技术作为一种替代方案应运而生。膜加湿器利用半透膜将水源与气流分离，该膜通常由疏水性微孔材料制成。这种结构确保只有水蒸气通过膜进入空气，而不会传递液态水或颗粒物。由于液滴不会被雾化，几乎不会将颗粒物或水传播到空气中，因此在卫生方面具有明显优势。先前的研究表明，空心纤维膜接触器可以有效防止水与空气的直接混合，同时实现高效的水分传输[13]。此外，其能效较高，因为膜加湿过程使用低品位热源进行水分蒸发。当干燥空气通过膜的一侧时，膜两侧存在水蒸气浓度差，而水则从另一侧流过，使得只有水蒸气能够通过膜并蒸发到空气中。因此，膜加湿不需要大量的热源来产生水蒸气[14]。

鉴于这些优势，许多研究通过实验和模拟模型分析了膜加湿器在空调系统中的应用。Zhang和Huang[15]提出了一种用于逆流配置的水-空气空心纤维膜模块的一维数值模拟模型，研究了操作参数和膜特性（如导热性和有效水分扩散性）对传热传质效率的影响。他们的研究发现，膜特性和操作参数对传热传质效率有显著影响，整体热传递主要受空气侧对流热传递系数的影响，总传质速率则受膜的水分扩散性影响。Zhang[16]开发了一个用于空气加湿的应用规模交叉流空心纤维膜模块的二维数学模型，并通过实验验证了模型的准确性，结果表明空心纤维膜模块的填充密度是影响加湿性能的主要因素。相比之下，纤维阵列对性能影响不大，这与传统的显热交换器不同。Cho等人[17]发现进水温度是导致性能变化的主要因素，最大变化可达31.3 °C和0.0269 kg/kg。他们证明，使用36 °C的水和NTU_m为0.25的系统可以在60分钟内满足室内湿度要求，且不会降低供气温度。研究人员制作了膜模块的实验室原型，并进行了加湿性能测试[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。Jo等人[18]证明空心纤维膜加湿器可以向室内空气中添加水分，他们发现该设备可以在典型通风条件下将室内湿度提高约4 g/kg，相对湿度从干燥状态提升到60%或更高。Kadylak和Mérida[19]在等温条件下验证了膜加湿器模型，表明提高进水温度可能会由于热力学效应而减少净水分传输。Zhang[20]通过实验研究了加湿性能，特别是不同条件下的水蒸气传输情况，得出膜加湿器可以满足HVAC应用湿度要求的结论。

一些现有研究基于水分传输速率或在名义等温假设下评估了膜加湿器的加湿效果[16]、[17]、[18]、[19]。然而，很少有研究明确将准等温（QI）运行作为HVAC过程的目标，即空气侧温度变化几乎可以忽略的加湿方式，或在相同出气条件下比较膜加湿与蒸汽加湿和带有再加热方式的熵变效应。这一差距很重要，因为不仅水分传输速率，过程路径也决定了冬季HVAC加湿中的下游再加热需求和能量损失。

本研究定义了基于膜的加湿器在准等温运行下的传热传质特性，并对其进行了评估，以适用于HVAC应用。基于局部热质平衡开发了详细的二维膜加湿器模型，并通过实验室数据进行了验证。随后通过全因子参数模拟确定了满足研究定义的准等温标准的运行区域，并从能量效率的角度比较了膜加湿器与蒸汽喷射和带有再加热的蒸发加湿器的性能。

本文的其余部分结构如下：第2节描述了膜加湿器系统，定义了准等温加湿器，并提出了用于预测其性能的数值模型及实验验证。第3节基于模拟分析了加湿器在不同操作条件下的性能特征。第4节从能量效率的角度比较了准等温膜加湿器（QIMH）与传统加湿方法（蒸汽喷射、绝热和再加热）的性能。第5节总结了这项技术对建筑节能湿度控制的意义。

系统概述

系统概述

图1显示了一个使用空心纤维膜模块的膜加湿系统示意图。该系统利用一组疏水性空心纤维膜将循环水流与气流分开。干燥空气流经膜的一侧（纤维的壳侧），而水则通过空心纤维的内部（纤维的管侧）。只有水蒸气能够通过膜孔结构进入气流。

参数分析：传热传质特性

加湿能力（潜热传递率）随着空气流速、水温和水流速率的增加而提高。随着空气流速的增加，停留时间减少，从而降低了进出口之间的湿度差。尽管湿度差减小，但由于经过加湿的空气量增加，总潜热传递率也随之增加。蒸发过程得到显著增强。

讨论：HVAC条件下的能量效率比较

本研究通过能量效率分析评估了HVAC系统中不同加湿方法的热力学性能。比较在相同的进出口空气条件下进行，以确保所需的总加湿量相当，差异主要源于供应能量的质量和过程路径。如图11所示，三种HVAC加湿器在达到相同出气条件（约40 °C和10.5%相对湿度）的情况下进行了对比。

结论

本研究探讨了一种基于膜的准等温加湿器，并分析了其在与HVAC应用相关的各种操作条件下的热力学和能量效率特性。在此研究中，准等温加湿的定义是|ΔT_a| ≤ 0.5 °C，即空气侧温度变化几乎可以忽略的加湿方式。利用这一定义，全因子模拟确定了四种加湿方式的运行区域，并明确了

作者贡献声明

Hye-Jin Cho：可视化、方法论。Seong-Yong Cheon：撰写初稿、验证、研究、数据分析、数据整理。Jae-Weon Jeong：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思

未引用参考文献

[5], [6], [7], [9], [25], [29], [30], [31].

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府提供支持（RS-2025-00518334）。