石俊龍,張寶剛,郭 陽(yáng),王紅梅

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué),沈陽(yáng)110168;2.大連理工大學(xué),大連116024)

當(dāng)代社會(huì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高是以嚴(yán)重的能源消耗為代價(jià)的,然而過(guò)度的能源消耗使得當(dāng)前國(guó)際社會(huì)面臨著嚴(yán)峻的 “能源危機(jī)”。冰蓄冷空調(diào)技術(shù)作為 “削峰填谷”的有效措施,已經(jīng)受到世界各國(guó)的重視并得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)增加了蓄冷設(shè)備,使其初投資增加。而低溫送風(fēng)系統(tǒng)與冰蓄冷系統(tǒng)相結(jié)合能夠充分利用冰蓄冷系統(tǒng)所產(chǎn)生的低溫冷凍水,使其能以13～20℃的大溫差送風(fēng),減小風(fēng)管截面尺寸及設(shè)備容量,節(jié)省建筑空間,從而在一定程度上彌補(bǔ)了系統(tǒng)初投資及運(yùn)行費(fèi)用。但是,大溫差送風(fēng)勢(shì)必會(huì)對(duì)室內(nèi)氣流組織及熱舒適產(chǎn)生影響。本文主要探討由于較低的送風(fēng)溫度對(duì)風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)管及保溫層的影響。

1 低溫風(fēng)管及保溫

1.1 低溫風(fēng)管

常用的風(fēng)管一般分為矩形風(fēng)管和圓形風(fēng)管2種。圓形風(fēng)管的強(qiáng)度大,消耗的材料少,沿程的阻力、壓降、漏風(fēng)量小,且便于安裝。不過(guò),圓形風(fēng)管及它的局部設(shè)備占的有效空間大。大多數(shù)的工程中,用于安裝設(shè)備的吊頂空間是很局促的,因此在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中常使用占空間小的矩形風(fēng)管,而不是圓形風(fēng)管[1],盡管前者在其他方面的性能不如后者,但在低溫送風(fēng)系統(tǒng)中,送風(fēng)量的減少導(dǎo)致了風(fēng)管尺寸的降低,這就允許設(shè)計(jì)者選用性能較好的圓形風(fēng)管,這對(duì)于提高整個(gè)送風(fēng)系統(tǒng)的性能也是十分有利的。

1.2 低溫風(fēng)管的得熱及溫升

風(fēng)管得熱是指氣流在風(fēng)管內(nèi)流動(dòng)時(shí),通過(guò)風(fēng)管壁面與外界氣流進(jìn)行傳熱而得到的熱量。由此而引起的氣流溫度變化稱為風(fēng)管溫升。風(fēng)管得熱也是系統(tǒng)負(fù)荷的一部分。若不加考慮的話,它會(huì)影響送風(fēng)溫度,最終會(huì)干擾室內(nèi)參數(shù)。

由于低溫送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度低 (一般認(rèn)為6～8℃的低溫送風(fēng)是最理想的方式),其風(fēng)管內(nèi)部空氣與周?chē)h(huán)境的溫差大于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng) (送風(fēng)溫度13℃),而溫差的大幅度增加意味著傳熱驅(qū)動(dòng)力的增強(qiáng),低溫風(fēng)管溫升明顯;此外,由于低溫送風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量的降低,相同溫升引起的送風(fēng)溫度及室內(nèi)參數(shù)的波動(dòng)將大于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。因此,要格外引起注意。

1.3 低溫風(fēng)管的保溫

保溫是送風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分。其形式有內(nèi)壁保溫、外壁保溫、雙層風(fēng)管保溫等形式。我們常應(yīng)用的是外壁保溫。風(fēng)管保溫有兩個(gè)作用:一是減小送風(fēng)的冷量損失;二是防止風(fēng)管表面結(jié)露。在低溫送風(fēng)系統(tǒng)中,由于較低的送風(fēng)溫度而提高了保溫要求,與周?chē)諝獾妮^高溫差增加了風(fēng)管得熱的驅(qū)動(dòng)力,同時(shí)風(fēng)管壁面溫度的降低使結(jié)露的可能大大增加。因此,研究低溫送風(fēng)風(fēng)管的保溫有著切實(shí)的意義。

影響保溫效果的因素概括起來(lái)有以下3點(diǎn):保溫材料的性能,保溫層的厚度,保溫層的施工質(zhì)量。

在選定保溫材料及確保施工質(zhì)量后,確定保溫層厚度的依據(jù)有3個(gè):第一,保溫層外表面的溫度要高于周?chē)諝獾穆饵c(diǎn)溫度;第二,風(fēng)管的得熱小于預(yù)先設(shè)定值;第三,有關(guān)保溫的費(fèi)用盡可能小。一般總是先滿足前兩個(gè)要求,然后再考慮最后一個(gè)要求。

2 低溫風(fēng)管的得熱溫升計(jì)算與分析

2.1 風(fēng)管溫升的計(jì)算方法

根據(jù)文獻(xiàn)3,風(fēng)管的溫升計(jì)算公式:

圓形風(fēng)管

矩形風(fēng)管

式中,t1為某段風(fēng)管出口處的風(fēng)溫,℃;te為某段風(fēng)管入口處的風(fēng)溫,℃;ta為風(fēng)管外的空氣溫度,℃;△t為風(fēng)管溫升,℃;C1取常數(shù)2.01,W·m·s/(mm·kg);C2取常數(shù) 0.5,W·m·s/(mm·kg);A為風(fēng)管橫截面積,m2;V為平均風(fēng)速,m/s;D為風(fēng)管直徑,m;ρ為保溫層密度,kg/m3;U為傳熱系數(shù),W/(m2·℃);P為風(fēng)管周長(zhǎng),mm;L為風(fēng)管長(zhǎng)度,m。

其中U值可表示為:

式中,γsi為風(fēng)管內(nèi)氣流與管壁間的對(duì)流換熱熱阻,m2·℃/W,一般取 γsi=0.026;l為保溫層厚度,m,常規(guī)系統(tǒng)保溫層厚度為0.025～0.09m;k為保溫層導(dǎo)熱系數(shù),W/(m2·℃),它的取值范圍為0.03～0.07;γso為風(fēng)管外氣流與保溫層間的對(duì)流換熱熱阻,m2·℃/W,γso一般取=0.1。

由式 (5)可知,風(fēng)管的傳熱系數(shù)U取決于保冷材料的類型、密度與厚度。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),風(fēng)管的總傳熱系數(shù)可以用保冷層熱阻加上風(fēng)管內(nèi)外表面的對(duì)流換熱熱阻來(lái)計(jì)算。

2.2 風(fēng)管溫升的計(jì)算與分析

以單位長(zhǎng)度圓形風(fēng)管為例,對(duì)低溫風(fēng)管的溫升進(jìn)行計(jì)算分析。

為方便對(duì)比分析,將常規(guī)風(fēng)管的計(jì)算參數(shù)下標(biāo)記為 “c”,將低溫風(fēng)管的計(jì)算參數(shù)下標(biāo)記為“d”。

取 γsi=0.026,l=0.03,k=0.045, γso=0.1,根據(jù)公式 (5)計(jì)算出U=1.26W/(m2·℃),取ρ=1.165,計(jì)算得出y=465DV。

將y值代入式(2)得:

設(shè)定相同的風(fēng)速Vc=Vd,

由以上參數(shù)可求得,△td=1.58△tc。由此可見(jiàn),使用相同的保溫層厚度 (30mm)時(shí),低溫送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)管溫升是常規(guī)系統(tǒng)的1.58倍。繼續(xù)利用以上公式計(jì)算低溫送風(fēng)保溫層為40mm、50mm、60mm、70mm,常規(guī)送風(fēng)保溫層為30mm時(shí)的溫升比,由此可得出一條溫升比曲線,考慮最不利工況下,tad=tac=34℃,選取和以上計(jì)算相同的保溫層厚度,對(duì)其溫升比進(jìn)行計(jì)算,也可得到一條溫升比曲線,見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn),當(dāng)?shù)蜏厮惋L(fēng)系統(tǒng)與常規(guī)送風(fēng)系統(tǒng)的保溫層厚度相同時(shí),前者的溫升大于后者。由于低溫送風(fēng)的送風(fēng)溫度低,溫升對(duì)送風(fēng)溫度的影響較常規(guī)空調(diào)大,因此需要格外注意,以免引起室溫偏離設(shè)計(jì)值。增加保溫厚度會(huì)減少兩者的溫升比。若保溫層繼續(xù)增厚,那么低溫送風(fēng)系統(tǒng)的溫升會(huì)小于常規(guī)系統(tǒng),當(dāng)保溫層厚度約為52mm時(shí)兩者的溫升就相同了。不過(guò),這樣的厚度不一定是經(jīng)濟(jì)的。一般以上的厚度都能保證不結(jié)露,所以確定最佳保溫層的厚度是通過(guò)額外保溫費(fèi)用與減少風(fēng)管得熱和降低室內(nèi)送風(fēng)溫度之間的經(jīng)濟(jì)分析獲得的。

在相同的保溫層厚度 (30mm)條件下,為了探究不同環(huán)境溫度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)溫升的影響,計(jì)算出了相同保冷條件下不同環(huán)境溫度 (27～37℃)下的低溫送風(fēng)與常規(guī)送風(fēng)的風(fēng)管溫升比,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出,在相同的保溫層厚度下,溫升比始終大于1。當(dāng)風(fēng)管周?chē)h(huán)境溫度在27～37℃范圍內(nèi)時(shí),低溫送風(fēng)的風(fēng)管溫升約為常規(guī)送風(fēng)風(fēng)管溫升的1.3～1.6倍。溫升比與環(huán)境溫度呈反比,隨著環(huán)境溫度的上升,溫升比的降低速度 (斜率)愈來(lái)愈慢,當(dāng)環(huán)境溫度與室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度相等時(shí),溫升比達(dá)到最大值。

2.3 風(fēng)管得熱的計(jì)算方法

從理論上講風(fēng)管的得熱量計(jì)算公式[3]為:

式中,q為單位長(zhǎng)度風(fēng)管的得熱,W/m;te、ta為風(fēng)管內(nèi)外的空氣溫度,℃;a1、a2為管內(nèi)外空氣與壁面間的對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2·℃);d1、dn+1為風(fēng)管或保溫層的內(nèi)外徑,m;Ki為風(fēng)管或保冷層的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m2·℃)。

可見(jiàn)風(fēng)管得熱受到管材、保溫材料、保溫層與管壁厚度、管內(nèi)外氣流的流動(dòng)狀況、溫差及管長(zhǎng)等眾多因素的影響。特別要注意的是,在其他條件變化不大時(shí),送風(fēng)溫差的大幅度增加就意味著傳熱的出力增大了,那么風(fēng)管溫升和風(fēng)管得熱就會(huì)隨之增加。為滿足同樣的冷量需求,在相等的保溫條件下,低溫送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)管得熱與常規(guī)送風(fēng)系統(tǒng)不同,實(shí)際計(jì)算時(shí),風(fēng)管的得熱可由下式[4]求得:

式中Q1為風(fēng)管的得熱或失熱 (負(fù)值為失熱),W;C3為常數(shù)1000,mm/m。

2.4 風(fēng)管得熱的計(jì)算與分析

將式 (7)整理得,

為方便對(duì)比分析,將常規(guī)風(fēng)管的計(jì)算參數(shù)下標(biāo)記為 “c”,將低溫風(fēng)管的計(jì)算參數(shù)下標(biāo)記為 “d”。低溫送風(fēng)與常規(guī)送風(fēng)風(fēng)管的得熱比Q1d/Q1c可表示成:

根據(jù)式 (9),選取不同的環(huán)境溫度 (27℃～37℃),可計(jì)算出相同保溫條件下低溫送風(fēng)與常規(guī)送風(fēng)風(fēng)管的得熱比,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同環(huán)境溫度下低溫送風(fēng)與常規(guī)送風(fēng)系統(tǒng)得熱比

由圖3可知,為滿足相同冷量需求,在相同條件下,低溫送風(fēng)與常規(guī)送風(fēng)風(fēng)管的得熱比較接近,低溫送風(fēng)風(fēng)管得熱量較常規(guī)風(fēng)管稍大。隨著風(fēng)管周?chē)諝鉁囟鹊牟粩嗌?其得熱比下降。當(dāng)風(fēng)管周?chē)諝鉁囟葹?0～45℃時(shí),其得熱量近似相等。

風(fēng)管得熱取決于風(fēng)管內(nèi)空氣與周?chē)諝庵g的溫差、風(fēng)管尺寸和傳熱系數(shù)U。在相同的保溫情況下,低溫送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)管得熱量,可以按從大于常規(guī)設(shè)計(jì)5%～20%的范圍內(nèi)變化。

3 低溫風(fēng)管防結(jié)露保溫層厚度的計(jì)算與分析

低溫風(fēng)管防結(jié)露保溫層厚度可由以下公式計(jì)算:

式中,TS1為風(fēng)管表面的溫度,℃;TS2為保溫層表面的溫度,℃;TA為周?chē)h(huán)境溫度,℃;R1為保溫層熱阻,(m2·℃)/W;RT為總熱阻,RT=R1+RF,(m2·℃)/W;RF為空氣側(cè)熱阻,(m2·℃)/W;l為保溫層厚度,m;k為保溫層導(dǎo)熱系數(shù),W/(m2·℃)。

現(xiàn)取正常工況參數(shù),TA=27℃,相對(duì)濕度為55%,根據(jù)焓濕圖查得其露點(diǎn)溫度為17.3℃。當(dāng)保溫層表面的溫度等于露點(diǎn)溫度時(shí),是風(fēng)管防結(jié)露保溫層厚度的臨界值。TS2=17.3℃,TS1=8℃,RF=0.126(m2·℃)/W(根據(jù)上文得到),求得R1=0.121(m2·℃)/W,根據(jù)式 (6),取k的較大值0.07W/(m2·℃),計(jì)算出防結(jié)露保溫層厚度l=8.47mm。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的保溫層厚度可以滿足其不結(jié)露的要求。

用以上方法計(jì)算夏季最不利工況下的風(fēng)管防結(jié)露保溫層厚度,計(jì)算參數(shù)TA=34℃,相對(duì)濕度為80%,根據(jù)焓濕圖查得其露點(diǎn)溫度為29.9℃,計(jì)算出保溫層厚度l=47.11mm。常規(guī)空調(diào)的保溫層厚度已不能滿足其不結(jié)露的要求。這就需要設(shè)計(jì)者在低溫送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加風(fēng)管保溫層的厚度,以滿足其絕大部分時(shí)間保溫層表面不結(jié)露的要求。具體增加的厚度還要考慮其他兩個(gè)確定保溫層厚度的依據(jù)。表1為在不同的環(huán)境溫度和典型低溫送風(fēng)溫度條件下,采用帶酚醛泡沫、鋁箔的離心玻璃棉、橡塑材料作為保溫材料時(shí)低溫送風(fēng)風(fēng)管所需的保溫層厚度。

表1 不同條件下低溫送風(fēng)風(fēng)管保溫層厚度(mm)

4 結(jié)論

(1)當(dāng)?shù)蜏厮惋L(fēng)系統(tǒng)與常規(guī)送風(fēng)系統(tǒng)的保溫層厚度相同時(shí),前者的溫升大于后者。由于低溫送風(fēng)的送風(fēng)溫度低,溫升對(duì)送風(fēng)溫度的影響較常規(guī)空調(diào)大,因此需要格外注意,以免引起室溫偏離設(shè)計(jì)值。增加保溫厚度會(huì)減少兩者的溫升比。若保溫層繼續(xù)增厚,那么低溫送風(fēng)系統(tǒng)的溫升會(huì)小于常規(guī)系統(tǒng),當(dāng)保溫層厚度約為52mm時(shí)兩者的溫升就近似相同了。

(2)在相同的保溫層厚度下,溫升比始終大于1。當(dāng)風(fēng)管周?chē)h(huán)境溫度在27～37℃范圍內(nèi)時(shí),低溫送風(fēng)的風(fēng)管溫升約為常規(guī)送風(fēng)風(fēng)管溫升的1.3～1.6倍。

(3)在相同條件下,低溫送風(fēng)與常規(guī)送風(fēng)風(fēng)管的得熱量比較接近,低溫送風(fēng)風(fēng)管得熱量較常規(guī)風(fēng)管稍大。隨著風(fēng)管周?chē)諝鉁囟鹊牟粩嗌?其得熱比下降。當(dāng)風(fēng)管周?chē)諝鉁囟葹?0～45℃時(shí),其得熱量近似相等。

(4)當(dāng)采用冰蓄冷低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)時(shí),使用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)管保溫層厚度不能滿足其表面不結(jié)露的要求,需增加其保溫層厚度保證其絕大部分時(shí)間保溫層表面不結(jié)露。具體增加的厚度還要考慮其他兩個(gè)確定保溫層厚度的依據(jù)。

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