內(nèi)區(qū)新風機組盤管的選型設計
0 引言
隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展及人民生活水平的提高，暖通空調(diào)系統(tǒng)設計中內(nèi)區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的設計越來越多。在近幾年的一些工程中，內(nèi)區(qū)空調(diào)逐漸暴露出了一些問題，如內(nèi)區(qū)房間過熱和冬季新風機組加熱盤管凍裂等現(xiàn)象時有發(fā)生。產(chǎn)生這些問題的原因很多，其中內(nèi)區(qū)新風機組盤管選型不當，為其中的重要原因之一。
1 內(nèi)區(qū)新風機組盤管設計存在的問題
目前有些工程新風機組盤管的選型，以夏季工況設計為準，冬夏共用同一加熱冷卻盤管。空調(diào)水系統(tǒng)末端設備采用雙管制，空調(diào)水系統(tǒng)冬季供應熱水，夏季供應冷水。由于空調(diào)內(nèi)區(qū)房間，冬季沒有圍護結構傳熱引起的熱負荷，且人員、燈光、設備等還向室內(nèi)散熱，形成冷負荷，因此內(nèi)區(qū)新風要負擔室內(nèi)部分或全部冷負荷，要求送風溫度低。根據(jù)冷濕負荷計算，一般為10℃-16℃。若冬夏共用同一冷熱盤管，冬季盤管加熱面積余量過大，將導致加熱盤管凍裂或內(nèi)區(qū)房間過熱。
2 新風機組盤管凍裂原因
加熱盤管凍裂因水在盤管中凍冰引起。水在管道中凍冰的原因，物理方面是因為當室外空氣溫度低于0℃時，若水在管中呈層流狀態(tài)，即Re=vd管/γ〈2300，即可出現(xiàn)結冰[1]。如某新風機組，盤管內(nèi)管束直徑d=12.7mm，則其速度為0.19m/s時即為層流。在層流狀態(tài)下，流速的斷面分布不均勻，且又不會混合，靠管壁處的流速接近于0m/s,而管壁的熱阻又很小，故管壁處的水溫趨近空氣溫度。因而空氣加熱盤管接觸室外空氣一側(cè)的第一排盤管常會凍冰。在實際運行中，空調(diào)進行補水時，常溫水進入系統(tǒng)，進行加熱，加熱過程中一部分氣體被析出。在設計流速范圍內(nèi)運行時，這些氣體將隨水帶走，由系統(tǒng)最高點的自動排氣閥排出。若盤管內(nèi)水流速過低，一部分氣體將無法被帶走，形成氣阻，使一部分水成為死水。故實際運行中，當系統(tǒng)水流量低至層流狀態(tài)下對應的流量時，即可能出現(xiàn)結冰。
3 加熱、冷卻盤管選型計算
3.1冬季加熱盤管的計算
冬季加熱盤管的計算原則就是讓加熱盤管供給的熱量等于加熱空氣需要的熱量。
基本計算公式：
Q=Gcp(t2-t1)=Wc(tw1-tw2)
Q’=KF△tm/1000
Q=Q’
△tm =[(tw1- t2)-(tw2- t1)]/[ ln(tw1- t2)/(tw2- t1)]
式中 Q-加熱空氣所需熱量，KW;
Q’-加熱盤管供給的熱量，KW;
G-通過盤管的空氣量，Kg/s;
t1-空氣處理前的干球溫度，℃；
t2-空氣處理后的干球溫度，℃；
W-水流量，Kg/s;
c-水的質(zhì)量比熱，c=4.19KJ/Kg.℃;
tw1-進水溫度，℃;
tw2-出水溫度，℃;
K-加熱盤管的傳熱系數(shù)，W/m2.℃;
F-加熱盤管的傳熱面積，m2；
Δtm-熱媒與空氣之間的對數(shù)平均溫度，℃。
對于傳熱介質(zhì)為水的表面式換熱器，當其結構特性一定時，傳熱系數(shù)主要取于空氣流速Vy和水的流速ω。
K=(1/AVym+1/Bωn)-1 [2]
式中 A、B、m、n-由實驗得到的系數(shù)和指數(shù)。
3.2 夏季冷卻盤管的計算
夏季冷卻盤管的選型計算應滿足下列三個條件：
(1)冷卻盤管能達到的熱交換效率系數(shù)ε1應等于空氣處理過程需要的熱交換系數(shù)ε1；
(2)冷卻盤管能達到的接觸系數(shù)ε2應等于空氣處理過程需要的接觸系數(shù)ε2；
(3)冷卻盤管能吸收的熱量應等于空氣放出的熱量。
基本公式為：
ε1=（t1- t2）/（t1- tw1)=(1-e-β(1-γ))/(1-γe-β(1-γ))=f(Vy、ω、ζ)
ε2=1-（t2- ts2）/（t1- ts1)=1-exp(-αWF/Gcp)=f(Vy、N)
Q=G（i1-i2）=Wc(tw2- tW1)
γ=ζGcp/Wc
β= Ks F/ζ Gcp
Ks=(1/AVymζp+1/Bωn)-1 [2]
ζ=（i1-i2）/Cp（t1- t2)
式中 i1-空氣處理前的焓值，KJ/Kg；
i2-空氣處理后的焓值，KJ/Kg；
ts1-空氣處理前的濕球溫度，℃；
ts2-空氣處理后的濕球溫度，℃；
γ－水當量比；
β－傳熱單元數(shù)；
Ks－冷卻盤管的傳熱系數(shù)，W/m2.℃；
ζ－析濕系數(shù)；
αW-外表面的換熱系數(shù)，W/ m2.℃
N-冷卻盤管排數(shù)。
A、B、m、n、p-由實驗得到的系數(shù)和指數(shù)。
3.3 新風機組盤管選型計算實例
在加熱、冷卻盤管選型設計時，根據(jù)空氣量、進口空氣溫度、進口水溫、進口水量，應用某品牌新風機組選型計算程序，確定新風機組盤管的形式、排數(shù)；綜合本文3.1、3.2中所述計算公式，編制了新風機組盤管運行參數(shù)計算、校核程序，計算冬夏兩季不同工況下冷熱盤管的運行參數(shù)。表1、表2分別為北京地區(qū)風量2000 l/s、4000l/s的新風機組，冷熱盤管運行參數(shù)計算、校核結果。
從表中可以看出，內(nèi)區(qū)新風機組為滿足設計要求，冬季應選用一排或兩排加熱盤管，而夏季應選用六排冷卻盤管。若冬夏共用同一加熱冷卻盤管，冬季盤管加熱面積余量過大。當冬季水量與夏季水量相同時，其空氣出口溫度過高；當冬季水流量調(diào)至夏季水流量的一半甚至四分之一時，其空氣出口溫度仍遠遠超過設計溫度。為滿足送風溫度要求，繼續(xù)減少水流量，即使水流量減少到盤管內(nèi)水流呈層流狀態(tài)（表中*表示），管內(nèi)水流速0.17m/s，其空氣出口的理論計算溫度仍高于設計需要溫度，且此時盤管的出水溫度已遠遠低于系統(tǒng)設計值，有些甚至接近0℃。綜上所述，為內(nèi)區(qū)服務的新風機組，若冬夏共用同一加熱冷卻盤管，在冬季供水溫度不變的情況下，無論怎樣調(diào)節(jié)水量，其最終結果有兩種，或水量過少，造成盤管內(nèi)水流速過低，盤管凍裂；或送風溫度過高，內(nèi)區(qū)過熱。
表1 2000l/s風量新風機組冷熱盤管參數(shù)計算表
冬季工況
|
盤管排數(shù)
|
進風干球
溫度(℃)
|
出風干球
溫度(℃)
|
加熱量
(KW)
|
水流量
(l/s)
|
入口水溫 (℃)
|
出口水溫 (℃)
|
管內(nèi)水流速(m/s)
|
|
1排半回路
|
-12.0
|
12.0
|
58.2
|
1.63
|
60.0
|
51.5
|
1.22
|
|
2排全回路
|
-12.0
|
25.4
|
90.7
|
4.50
|
60.0
|
55.2
|
1.55
|
|
2排全回路
|
-12.0
|
23.0
|
84.8
|
2.25
|
60.0
|
51.0
|
0.78
|
|
2排全回路
|
-12.0
|
19.0
|
75.1
|
1.13
|
60.0
|
44.1
|
0.39
|
|
2排全回路
|
-12.0
|
11.7
|
57.4
|
0.48
|
60.0
|
31.4
|
0.17 *
|
|
6排全回路
|
-12.0
|
51.5
|
153.3
|
4.50
|
60.0
|
51.8
|
1.55
|
|
6排全回路
|
-12.0
|
48.5
|
146.6
|
2.25
|
60.0
|
44.4
|
0.78
|
|
6排全回路
|
-12.0
|
42.7
|
132.5
|
1.13
|
60.0
|
31.9
|
0.39
|
|
6排全回路
|
-12.0
|
28.8
|
98.8
|
0.48
|
60.0
|
10.7
|
0.17 *
|
夏季工況
|
盤管排數(shù)
|
進風干球溫度(℃)
|
進風濕球溫度(℃)
|
出風干球溫度
(℃)
|
出風濕球溫度
(℃)
|
全熱
(KW)
|
水流量
(l/s)
|
入口
水溫
(℃)
|
出口水溫(℃)
|
管內(nèi)水流速
(m/s)
|
|
6排全回路
|
33.2
|
26.4
|
15.8
|
15.3
|
94.1
|
4.50
|
7.0
|
12.0
|
1.55
|
注：1. 盤管內(nèi)管束直徑d=12.7mm；
2. 風量2000l/s，盤管面積1.05m2，斷面風速1.9m/s。
表2 4000升/秒風量新風機組冷熱盤管參數(shù)計算表
冬季工況
|
盤管排數(shù)
|
進風干球
溫度(℃)
|
出風干球
溫度(℃)
|
加熱量
(KW)
|
水流量
(l/s)
|
入口水溫 (℃)
|
出口水溫 (℃)
|
管內(nèi)水流速(m/s)
|
|
1排半回路
|
-12.0
|
11.8
|
115.5
|
6.00
|
60.0
|
55.4
|
2.93
|
|
2排全回路
|
-12.0
|
23.6
|
172.8
|
8.00
|
60.0
|
54.8
|
1.95
|
|
2排全回路
|
-12.0
|
21.3
|
161.4
|
4.00
|
60.0
|
50.3
|
0.98
|
|
2排全回路
|
-12.0
|
17.5
|
142.9
|
2.00
|
60.0
|
42.9
|
0.49
|
|
2排全回路
|
-12.0
|
8.2
|
98.2
|
0.68
|
60.0
|
25.5
|
0.17 *
|
|
6排全回路
|
-12.0
|
49.8
|
299.4
|
8.00
|
60.0
|
51.0
|
1.95
|
|
6排全回路
|
-12.0
|
46.8
|
285.0
|
4.00
|
60.0
|
43.0
|
0.98
|
|
6排全回路
|
-12.0
|
40.6
|
255.0
|
2.00
|
60.0
|
29.5
|
0.49
|
|
6排全回路
|
-12.0
|
21.4
|
161.9
|
0.68
|
60.0
|
3.0
|
0.17 *
|
夏季工況
|
盤管排數(shù)
|
進風干球溫度(℃)
|
進風濕球溫度(℃)
|
出風干球溫度
(℃)
|
出風濕球溫度
(℃)
|
全熱
(KW)
|
水流量
(l/s)
|
入口
水溫
(℃)
|
出口水溫(℃)
|
管內(nèi)水流速
(m/s)
|
|
6排全回路
|
33.2
|
26.4
|
17.2
|
16.6
|
167.2
|
8.00
|
7.0
|
12.0
|
1.95
|
注：1. 盤管內(nèi)管束直徑d=12.7mm；
2. 風量4000l/s，盤管面積1.68 m2，斷面風速2.38m/s。
4 結論
近幾年有多個工程涉及內(nèi)區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的設計，如北京飯店新中樓、海淀文化藝術中心、國家大劇院、美邦亞聯(lián)廣場等工程，內(nèi)區(qū)新風機組均是根據(jù)冬夏不同工況選型設計，新風機組分別設置加熱段和表冷段。有些已投入使用，運行滿足設計要求，用戶比較滿意。
內(nèi)區(qū)新風機組盤管選型設計時，為避免內(nèi)區(qū)房間過熱和冬季加熱盤管凍裂，當加熱冷卻盤管排數(shù)差別較大時，應分別設置加熱和冷卻盤管；且應對冬季室外空氣溫度低于0℃時進行校核計算，即校核盤管內(nèi)水流速是否大于層流狀態(tài)時流速，確保盤管在室外空氣溫度為0℃以下時，能正常運行，不會凍裂。
湘公網(wǎng)安備43011102000873號
