陳旭 舒志成 張光玉

浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

0 引言

在集中空調(diào)系統(tǒng)中，熱泵/冷水機組等冷熱源設(shè)備是主要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，其能耗占空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要部分。另一方面，隨著空調(diào)制冷技術(shù)的進步，冷水機組能效提高，泵、風(fēng)機等冷/熱媒輸送設(shè)備能耗所占比例越來越高，不可忽視[1]。減少冷媒輸送流量，采用大溫差設(shè)計，是降低空調(diào)系統(tǒng)能耗的重要途徑[2-5]。

目前，工程實踐中最常采用的冷水溫差多在5 ℃（7 ℃供、12 ℃回），部分采用大溫差的項目，冷水溫差也多不超過10 ℃[6-7]。但根據(jù)傳熱和熱力學(xué)原理，滿足室內(nèi)熱舒適要求前提下，冷水供回水溫差還可加大，以進一步降低冷水流量、節(jié)約輸送能耗。國內(nèi)學(xué)者基于溫濕度獨立控制空調(diào)理念，提出了超大溫差空調(diào)系統(tǒng)，通過冷水機組的三級串聯(lián)，可實現(xiàn)冷凍水15 ℃超大溫差，不僅大幅降低冷凍水流量、節(jié)約水泵輸送能耗，冷水機組能效也可以顯著提高[8]。目前基于15 ℃冷水供回水的大溫差末端設(shè)備還未見報道，欲充分發(fā)揮15 ℃超大溫差系統(tǒng)優(yōu)勢，急需開展相應(yīng)末端設(shè)備的研究開發(fā)。

風(fēng)機盤管機組是空調(diào)系統(tǒng)中最常用的末端設(shè)備，冷水大溫差空調(diào)系統(tǒng)中采用風(fēng)機盤管作為末端，不必擔(dān)心表面凝露等技術(shù)問題，具有較高的適應(yīng)性，便于工程應(yīng)用推廣。本文提出基于風(fēng)機盤管串聯(lián)組合實現(xiàn)15 ℃超大溫差末端的思路，并開展相應(yīng)的設(shè)計研究，與常規(guī)風(fēng)機盤管做對比分析，驗證其可行性，以期為暖通和建筑節(jié)能提供技術(shù)支撐。

1 串聯(lián)風(fēng)機盤管方案簡介

通過降溫、除濕維持室內(nèi)熱舒適是空調(diào)設(shè)備的主要功能。對降溫而言，冷水回水溫度可高至20 ℃左右，但為了滿足除濕要求，冷水供水溫度不能太高，約在7 ℃左右。目前已有不少廠家可以提供供回水溫差9 ℃的大溫差風(fēng)機盤管，另外一些廠家則開發(fā)成功進水溫度16 ℃、回水溫度21 ℃的干式風(fēng)機盤管，于是串聯(lián)常規(guī)大溫差風(fēng)機盤管和干式風(fēng)機盤管組成的超大溫差末端方案被提了出來[9]，將兩臺風(fēng)機盤管串聯(lián)運行，第一臺風(fēng)機盤管機組的出水進入第二臺風(fēng)機盤管，兩臺風(fēng)機盤管機組的水流量相等，這樣便得到一個超大溫差末端方案。

查閱風(fēng)機盤管機組資料[10-13]可知，常規(guī)低溫進水的大溫差風(fēng)機盤管與干式風(fēng)機盤管的冷水流量等參數(shù)不同，其熱工性能參數(shù)不能在實際工程中直接使用，不利于工程應(yīng)用，因此有必要進行串聯(lián)風(fēng)機盤管機組的設(shè)計研究。

2 串聯(lián)風(fēng)機盤管設(shè)計研究

2.1 設(shè)計方案

考慮到目前大多數(shù)冷水機組冷水供回水溫差是按5 ℃設(shè)計，三級串聯(lián)冷水供回水總溫差為15 ℃，因此按照15 ℃供回水溫差進行設(shè)計。又由于要滿足除濕要求，進水溫度選7 ℃，低溫風(fēng)機盤管做除濕盤管使用，承擔(dān)室內(nèi)全部潛熱負荷和部分顯熱負荷，按照除濕盤管出水溫度比室內(nèi)設(shè)計露點溫度高1～2 ℃，取出水溫度為16 ℃。低溫盤管出水進入高溫風(fēng)機盤管，進出水16～22 ℃左右，為干工況運行，可簡化設(shè)備，降低成本。

為降低成本，便于生產(chǎn)制造和工程應(yīng)用，串聯(lián)機組兩臺風(fēng)機盤管的管排數(shù)、孔數(shù)、管長等盤管參數(shù)相同，這樣的設(shè)計安排有利于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2.2 設(shè)計計算方法

根據(jù)前述方案，首先選取風(fēng)機盤管計算條件為干球溫度26 ℃，濕球溫度18.7 ℃。具體的兩種盤管的計算步驟如下。

2.2.1 除濕盤管計算

a）先確定盤管初始參數(shù)，然后對盤管基礎(chǔ)參數(shù)如盤管橫截面積、盤管換熱面積等進行計算。經(jīng)多次試算，要實現(xiàn)超大溫差機組的末端，將串聯(lián)盤管的盤管排數(shù)設(shè)定為4 排，并制定盤管的基本計算參數(shù)具體如表1 所示。

表1 串聯(lián)計算基本參數(shù)表

b）設(shè)定除濕盤管進水溫度為7 ℃，根據(jù)室內(nèi)空氣的相關(guān)參數(shù)及假定盤管的風(fēng)量，計算風(fēng)機盤管空氣側(cè)換熱系數(shù)。再根據(jù)假定水流量，流體物性參數(shù)及盤管基礎(chǔ)參數(shù)，計算風(fēng)機盤管流體側(cè)換熱系數(shù)。

c）計算盤管的接觸系數(shù)、進風(fēng)空氣的比焓，假定出風(fēng)空氣狀態(tài)，計算出風(fēng)空氣的比焓。再計算盤管的總換熱系數(shù)。其中盤管的接觸系數(shù)按照式（1）進行計算[14]：

式中：ε 為盤管的接觸系數(shù)；t1、t2分別為進風(fēng)空氣和出風(fēng)空氣的干球溫度，℃；ts1、ts2分別為進風(fēng)空氣和出風(fēng)空氣的濕球溫度，℃。

式中：h1、h2分別為進風(fēng)空氣和出風(fēng)空氣的比焓值；cp為空氣的定壓比熱，取1.01kJ/(kg·℃)。

全熱效率E2按照式（3）進行計算：

式中：tw1為冷水進水溫度，℃。

e）計算盤管的冷量和顯熱量，與出水溫度，計算出水溫度時通過調(diào)整風(fēng)量和水流量來保證除濕盤管的出水溫度與16 ℃誤差在0.5 ℃之間，盤管供冷量按照式（4）進行計算[15]：

式中：Q 為盤管全冷量，W；Gm為空氣的質(zhì)量流量，kg/s。

除濕盤管的盤管顯熱量按照式（5）進行計算：

式中：Qs則為除濕盤管顯熱供冷量及干盤管的全冷量，W。

盤管出水溫度按照式（6）進行計算：

式中：tw2為冷水出水溫度，℃；cpw為冷水的定壓比熱，取4.19 kJ/(kg·℃)；mw表示冷水的流量，kg/s。

f）根據(jù)表冷器的熱量交換對盤管冷量進行校核，并計算盤管的空氣側(cè)壓降以及流體側(cè)壓降。其中根據(jù)表冷器熱交換的冷量按照式（7）進行計算：

式中：Q'校核冷量，W；K 為盤管表冷器的傳熱系數(shù)；F為表冷器傳熱面積，m2；Δtm為對數(shù)傳熱溫差，℃。

對數(shù)換熱溫差按照式（8）進行計算：

式中：tw2為冷水出水溫度，℃。

2.2.2 干盤管計算

取干盤管進水溫度為16 ℃，取結(jié)構(gòu)參數(shù)與除濕盤管相同，水流量相同。由于干盤管只承擔(dān)顯熱負荷，因此不計算析濕系數(shù)，干盤管的冷量Q 按照式（5）進行計算，出水溫度按照式（6）進行計算。再通過調(diào)整風(fēng)量保證干盤管的出水溫度與22 ℃誤差在0.5 ℃之間。其他計算步驟與除濕盤管計算步驟類似。

3 設(shè)計案例

目前各風(fēng)機盤管機組制造商樣本中最常見的規(guī)格有10 種，因此本文以這10 種規(guī)格為參考，在冷量范圍為1.6～10.6 kW 的區(qū)間，每個規(guī)格選取一個進行15 ℃溫差串聯(lián)風(fēng)機盤管的設(shè)計研究，計算結(jié)果如表2所示（尺寸僅為換熱器數(shù)據(jù)，其中風(fēng)阻計算值根據(jù)廠家樣本資料進行修正）。

再將盤管1 和盤管2 組合起來，得出串聯(lián)組合機組規(guī)格參數(shù)，如表3 所示，其中風(fēng)機盤管水阻為盤管1與盤管2 的水阻之和，水泵能耗按照式（9）進行計算：

式中：WP為水泵功耗，W；G 為水的體積流量，m3/h；ΔP為風(fēng)機盤管水阻，kPa；η 為水泵效率，取0.6[16]。

風(fēng)機功率按照式（10）進行計算：

式中：WF為風(fēng)機功率，W；G1和G2分別為盤管1 和盤管2 的風(fēng)量，m3/h；ΔPa1和ΔPa2分別為盤管1 和盤管2的風(fēng)阻，Pa；P'為風(fēng)機盤管的余壓，取30 Pa；η1為風(fēng)機效率，取60%[17]；η2為電機效率，取80%。

表2 串聯(lián)風(fēng)機盤管設(shè)計計算結(jié)果

表3 串聯(lián)風(fēng)機盤管機組參數(shù)表

4 與常規(guī)風(fēng)機盤管機組的對比分析

4.1 對比樣本的選取

取較有代表性的新晃常規(guī)5 ℃溫差風(fēng)機盤管機組（三排管）為比較對象[18]，在相同室內(nèi)設(shè)計工況下（室內(nèi)進風(fēng)溫度DB=26 ℃，WB=18.7 ℃，進水溫度相同）進行對比。共選取9 種與串聯(lián)組合機組冷量相近的常規(guī)風(fēng)機盤管機組進行對比(冷量誤差在0.01%～3.5%之間)，這9 種與組合機組對比所對應(yīng)的常規(guī)5 ℃溫差風(fēng)機盤管機組相關(guān)規(guī)格及參數(shù)按供冷量從低到高排序如表4所示，其中水泵功耗按照式（9）進行計算。

對串聯(lián)組合機組與常規(guī)5 ℃溫差機組相關(guān)參數(shù)的對比，做水阻力，水流量，水泵功率，風(fēng)量，風(fēng)機功率，顯熱量，潛熱量折線對比圖及組合機組潛熱顯熱占比示意圖如圖1～圖8 所示。

表4 對比常規(guī)風(fēng)機盤管機組規(guī)格及參數(shù)表

4.2 水阻力

圖1～3 分別是串聯(lián)組合機組與常規(guī)機組在水阻力，水流量及相應(yīng)的功耗的對比。

圖1 組合機組與對比機組水阻力對比

圖2 組合機組與對比機組水流量對比

圖3 組合機組與對比機組水泵功耗對比

由對比圖可知：

a）在相近供冷量條件下，組合機組與常規(guī)機組相比較，可大大減少水流量，降低輸送能耗，串聯(lián)機組平均水流量降低62%，最高可降低達70%。

b）由于組合機組為兩臺風(fēng)機盤管串聯(lián)運行，水環(huán)路較為復(fù)雜，故組合機組的水阻力為兩臺機組的和，而常規(guī)風(fēng)機盤管溫差小，冷水流動路徑短，因此組合機組水阻力大于常規(guī)對比機組水阻力。而由于組合機組降低水流量較為可觀，雖然選取的常規(guī)機組水阻力小于組合機組，但卻致使水泵功耗整體上降低明顯，串聯(lián)機組整體上降低水泵功耗可達49%。如果在對比中加上大溫差機組及輸送水系統(tǒng)的功耗，相信整體上節(jié)約功耗會更為可觀。

4.3 空氣阻力

圖4、圖5 是串聯(lián)組合機組與常規(guī)機組的風(fēng)機功率及風(fēng)量對比。由圖可知，組合機組為兩臺機組串聯(lián)，風(fēng)量增加，相同供冷量下，串聯(lián)機組風(fēng)量較常規(guī)機組增加27%，而在30 Pa 余壓條件下，由于風(fēng)量和風(fēng)阻的變化，組合機組風(fēng)機功率與常規(guī)風(fēng)機盤管相比整體提高38%左右。

圖4 組合機組與對比機組風(fēng)量對比

圖5 組合機組與對比機組風(fēng)機功率對比

4.4 供冷量

圖6 及圖7 是串聯(lián)組合機組與常規(guī)機組的顯熱及潛熱量對比，圖8 為組合機組潛熱與顯熱占比示意圖。由圖可知，在相同供冷量條件下，組合機組的顯熱及潛熱量與常規(guī)機組基本持平，組合機組的潛熱量全部由盤管1 提供，組合機組提供的潛熱可占全熱的15%左右，整體上串聯(lián)組合機組的顯熱及潛熱都可以滿足使用需求。至于對潛熱量較高的特殊場合，還可以由新風(fēng)承擔(dān)部分潛熱負荷，而冷水大溫差對于處理新風(fēng)是非常合適的。

圖6 組合機組與對比機組顯熱量對比

圖7 組合機組與對比機組潛熱量對比

圖8 組合機組潛熱顯熱對比示意

4.5 綜合評估

根據(jù)前述計算分析可知，與常規(guī)風(fēng)機盤管系統(tǒng)相比，串聯(lián)風(fēng)機盤管自身在水泵能耗、風(fēng)機能耗等方面的增加并不十分明顯，而在冷水機組端，通過三組冷水機組串聯(lián)運行，可以有效提高制冷機組的蒸發(fā)溫度，從而使其運行在較高的COP 水平[8]，因此冷水機組端相比常規(guī)冷水機組節(jié)約能耗相當(dāng)可觀。此外，大溫差顯著地降低了冷水流量，冷水輸送能耗也可有相當(dāng)程度的降低。因為末端能耗只占整個空調(diào)能耗的很小一部分，所以大溫差末端在能耗方面即使小幅增加也可以接受。

在成本方面，由于串聯(lián)風(fēng)機盤管在末端數(shù)量上的增加，初投資不可避免的會增加。但對比常規(guī)系統(tǒng)，整個系統(tǒng)在運行過程中對能耗的節(jié)省相當(dāng)可觀，因此在綜合初投資和運行成本方面，有待進一步研究。

5 結(jié)論

本文進行了串聯(lián)風(fēng)機盤管組成的15 ℃大溫差末端的設(shè)計研究，進行了一系列計算和分析，并與常規(guī)風(fēng)機盤管機組進行了比較，結(jié)果表明：

a）在串聯(lián)風(fēng)機盤管機組后，冷凍水流量大幅度降低，在相同供冷量條件下，對比常規(guī)機組可降低水流量達52%～70%。

b）組合機組增加了風(fēng)量，在風(fēng)機功率、潛熱、顯熱等方面與常規(guī)機組均相差不大，可以達到使用要求。

綜上，本文提出的風(fēng)機盤管串聯(lián)方案可以做為供回水15 ℃大溫差的空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備，可與串聯(lián)三級冷水機組及大溫差空調(diào)箱等其它末端形式一起配套，形成新型的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，有望促進大溫差空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展，為減少空調(diào)能耗、推廣建筑節(jié)能提供有力支撐。