風機盤管干工況運行的若干問題探討

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摘要：本文針對干工況風機盤管加新風的空調(diào)方式的幾個相關問題進行了討論，包括干工況風機盤管加新風的空調(diào)系統(tǒng)各種參數(shù)的確定、其節(jié)能情況和經(jīng)濟性，并提出了一種新型新風機組，用以實現(xiàn)我國風機盤管加新風系統(tǒng)從濕工況改造為干工況。關鍵詞：干工況風機盤管節(jié)能新風機組0引言在我國傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)很多都采用風機盤管加新風系統(tǒng)（濕工況），存在盤管表面積存濕垢、產(chǎn)生霉菌的問題。SARS疫情以后社會有關方面對現(xiàn)有空調(diào)方式的偏見，使得人們再次對風機盤管干工況運行的利和弊進行思考。實際上，除了干工況風機盤管空調(diào)系統(tǒng)在運行時對建筑空氣品質(zhì)、隔絕污染方面所應承擔的責任有意義以外，它在運行能耗的貢獻是明顯的。關鍵是針對我國現(xiàn)有的風機盤管加新風空調(diào)系統(tǒng)采用干工況運行時，出現(xiàn)的問題進行改造或在運行模式上進行必要的調(diào)整。1現(xiàn)有中央空調(diào)方式的弊病民用建筑的中央空調(diào)大部分是舒適性空調(diào)，過去我們偏重研究如何保證舒適度以及如何節(jié)能，而對室內(nèi)空氣品質(zhì)的研究往往只停留在理論研究上，在標準規(guī)范中也缺少明確的約束。因此，對空調(diào)方式進行審視，提出或重新認識新的，更安全的空調(diào)方式是極為有必要的。在我國傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)通常采用全空氣系統(tǒng)及風機盤管加新風系統(tǒng)（濕工況）。這里只討論風機盤管加新風系統(tǒng)。新風機組和風機盤管系統(tǒng)指在空調(diào)房間內(nèi)設置風機盤管，對室內(nèi)空氣進行處理，室外新風經(jīng)集中處理的新風機組處理后送入房間。國內(nèi)的該類系統(tǒng)在夏季通常將新風處理到室內(nèi)焓值，不承擔室內(nèi)負荷，由風機盤管承擔室內(nèi)的濕負荷和顯熱負荷，因此，風機盤管通常處于濕工況。風機盤管加新風的空調(diào)系統(tǒng)存在以下問題：1)新風機組通常采用冷卻盤管除濕，盤管表面長期帶水，在停止運行時（夜間及非工作日），表面溫度升高，并與空氣接觸，容易滋生細菌，污染新風。2)風機盤管根據(jù)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)，控制濕度的能力較弱。過渡季節(jié)中隨著顯熱負荷的減少，為保持室內(nèi)空氣溫度，風機盤管的水溫相應提高，除濕能力相應下降，室內(nèi)含濕量有所增加。3)風機盤管的凝結(jié)水。風機盤管承擔室內(nèi)的熱濕負荷，去濕過程有冷凝水產(chǎn)生，容易出現(xiàn)細菌滋生和漏水污染天花板的問題。潮濕的盤管表面往往成為細菌等致病微生物的滋生地，微生物又隨著空氣的送入污染整個建筑內(nèi)部環(huán)境。2干工況風機盤管系統(tǒng)相關參數(shù)的確定2.1確定新風加干工況風機盤管空調(diào)方式的相關參數(shù)2.1.1負荷1)室內(nèi)顯熱負荷Qx：室內(nèi)顯熱負荷包括圍護結(jié)構(gòu)冷負荷，室內(nèi)燈光產(chǎn)生的冷負荷，室內(nèi)設備散熱產(chǎn)生的冷負荷，以及人員顯熱負荷。2)室內(nèi)潛熱負荷Qq及室內(nèi)散濕量W：對一般民用建筑來說，室內(nèi)潛熱負荷和濕負荷主要是由人員產(chǎn)生的潛熱負荷及散濕量。3)新風負荷Qw：其中，Qw：新風負荷，W；Gw：新風量，kg/s；iw：室外空氣焓值，kJ/kg；iN：室內(nèi)空氣焓值，kJ/kg；2.1.2風機盤管參數(shù)1)風機盤管風量GF：其中，GF：風機盤管風量，kg/s；Qx：由風機盤管負擔的室內(nèi)顯熱負荷，W；to：風機盤管送風溫度，oC；tN：室內(nèi)空氣溫度，oC；c：干空氣定壓比熱，kJ/kg.oC，計算中取c=1.012)風機盤管進出水溫度：室內(nèi)風機盤管在干工況下運行，冷凍水溫度必須高于室內(nèi)露點溫度。當室內(nèi)干球溫度25℃，相對濕度50%，含濕量為9.8g/kg，露點溫度為13.85℃。，考慮一定的安全因素，風機盤管送水溫度可定為15℃，回水溫度定為18℃。2.1.3新風機組參數(shù)1)新風量Gw：新風量對改善室內(nèi)環(huán)境的空氣品質(zhì)起著重要的作用，但它也是增加建筑能耗的不利因素。房間新風量的合理確定應滿足：a滿足人的衛(wèi)生要求；b補充房間局部排風量并維持其正壓要求。對多數(shù)采用風機盤管加新風系統(tǒng)的民用建筑來說，新風量主要是滿足人員的最小新風量。各國根據(jù)建筑中房間的用途，都制定了每人所需新風量的標準，如美國的ASHRAE62-1989標準、我國的《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》（GBJ19-87）。我國規(guī)定，影劇院、博物館、體育館、商店為8m3/（h·人）；辦公室、圖書館、會議室、餐廳、舞廳、醫(yī)院門診部和病房17m3/（h·人）；旅館客房30m3/（h·人）【2】。2)新風送風含濕量do：其中，do：送風含濕量，g/kg；dN：室內(nèi)空氣含濕量，g/kg；W：室內(nèi)濕負荷，g/s；G：送風量，m3/h。3)新風送風溫度新風送風溫度對風機盤管系統(tǒng)中諸多因素皆有影響，a送風溫度決定了新風可承擔室內(nèi)顯熱負荷，，新風溫度越低，承擔的顯負荷越多，可相應減少風機盤管的承擔量，節(jié)約風機盤管面積；b送風溫度越低，對風管的保溫要求越高，保溫的一次投入會增加；c送風溫度過低時，還可能出現(xiàn)由于低溫空氣易于下沉，使人有吹風不適感；送風裝置表面溫度低，稍不注意可能發(fā)生凝露現(xiàn)象。所以如果送風溫度很低時，新風系統(tǒng)應該采用誘導比較大的誘導風口，高的混合比使得冷空氣在0.3~0.4m處被加熱到室內(nèi)溫度，因此避免了吹冷風的不適感。2.2新風機組的設計與研制采用風機盤管干工況下運行的新風機組與一般的空氣處理設備相比，處理風量相對較小，但單位風量所承擔的熱濕負荷相對較大。因此，需確定新風機組的設備配比形式。有必要研制一種新風機組，而且在確定這種新型的新風機組中的各種參數(shù)時，應具體考慮到對現(xiàn)有建筑的原有系統(tǒng)改造，從而帶來更多的現(xiàn)實意義。

  圖1新風通過表冷器在h-d圖上的表示2.2.1表冷器的熱工計算新風機組處理的新風焓差較大，溫度也較低（見圖1），新風機組宜采用直接蒸發(fā)表冷器的空調(diào)機組處理新風。直接蒸發(fā)式表冷器即把制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器放在空調(diào)箱中直接冷卻空氣。進行直接蒸發(fā)式表冷器的熱工計算也應用到濕球溫度效率Es和通用熱交換效率E'。直接蒸發(fā)式表冷器的濕球溫度效率定義為：其中：t0是制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，ºCts1，ts2是處理前、后空氣的濕球溫度，ºC通用熱交換效率為：其中：t1，t2是處理前、后空氣的干球溫度，ºCt3是空氣處理的理想終溫，ºCEs的大小與蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式、迎面風速以及制冷劑性質(zhì)有關，可由實驗求得。有了生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)及Es,E’,就可以進行直接蒸發(fā)式表冷器的熱工計算。由于蒸發(fā)器是制冷系統(tǒng)中的一個部件，所以它能提供的冷量大小一定要和制冷系統(tǒng)的產(chǎn)冷量平衡，即被處理空氣從直接蒸發(fā)式表冷器得到的冷量應與制冷系統(tǒng)提供的冷量相等。應根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)熱平衡的概念對蒸發(fā)器進行校核計算，定出合理的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、冷卻水溫、冷卻水量等【1】。2.2.2表冷器的阻力計算表冷器的阻力分為空氣系統(tǒng)的阻力和水系統(tǒng)的阻力。1)空氣阻力表冷器作為空氣處理設備中的一個重要部件，對流經(jīng)其表面的空氣會產(chǎn)生一定阻力，這一阻力與換熱器型式、構(gòu)造、以及空氣流速有關，對于一定結(jié)構(gòu)特性的表冷器阻力可由實驗公式計算求出。但是由于表冷器有干、濕工況之分，而且濕工況的空氣阻力△Hs比干工況的△Hg大，并與析濕系數(shù)有關，所以應區(qū)分干工況與濕工況的空氣阻力計算公式【1】。新風機組中的表冷器為濕工況，△Hs=Bvy2)水阻力表冷器對冷熱媒介質(zhì)在管內(nèi)的流動也會產(chǎn)生阻力，△h=Cwq。對于直接蒸發(fā)式表冷器，它與制冷機是一個整體，它對與制冷機來說就是制冷機的蒸發(fā)器。B，C，q，y為實驗的系數(shù)和指數(shù)。2.2.3過濾段對于大多數(shù)工業(yè)與民用建筑空調(diào)都以溫濕度要求為主，對室內(nèi)空氣污染物濃度沒有具體要求，通常設置一道粗效過濾器，對送入的空氣只進行一般的凈化處理。SARS疫情以后，人們更關心室內(nèi)空氣品質(zhì)，對于多數(shù)設有空調(diào)系統(tǒng)的民用建筑在防止微生物的污染的問題上需要進一步研究并找到合理的解決辦法。   圖2紫外燈設在新風機組的過濾段紫外線照射滅菌對微生物有較好的殺滅作用。但是不同種的微生物或微生物不同的生長階段對紫外線的抵抗力是不同的。要想徹底滅菌需要有紫外線的充分照射和微生物在紫外線下的一定暴露時間，在濾料迎風側(cè)安裝紫外線照射滅菌系統(tǒng)（見圖2），使被過濾器阻留的微生物充分暴露在紫外線下徹底不能生存。3運行能耗分析與傳統(tǒng)的全空氣系統(tǒng)空調(diào)及新風加風機盤管（濕工況）的方式運行能耗比較如下：1)干工況風機盤管系統(tǒng)保持干工況運行，則送入風機盤管的冷凍水溫度需提高到處理空氣的露點溫度。相對于濕工況的運行狀態(tài)，冷凍水水溫提高，則冷水機組的COP值亦可相應提高，相同的冷量的能耗可相應的降低，甚至有可能采用其他自然冷源（如井水、自來水、冷卻塔供水、空氣源熱泵等）或更節(jié)能的制冷方式以挖掘更多節(jié)能潛力。2)全空氣系統(tǒng)由于在過渡季節(jié)采用全新風或大部分新風方式運行，來達到室內(nèi)降溫的目的，而不需要啟動人工冷源，有顯著的節(jié)能效果，并能顯著提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。而新風系統(tǒng)由于可送入的新風量有限，可利用的自然能源亦有限，加長了一年中人工冷源的運行時間，增加運行費用。為降低新風機組加風機盤管系統(tǒng)的能耗，應充分考慮自然冷源的使用。3)新風機組處理的新風焓差較大，溫度也較低。在采用冷水機組作冷源時，如為了給新風機組提供溫度較低的冷水而降低制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，會造成冷水機組的制冷效率下降，運行能耗增加。若在通常的冷水溫度下運行，就需增加盤管的排數(shù)來增大換熱面積，盤管排數(shù)的增加和迎風面風速的減小，使得表冷器的換熱效率降低，新風機組的體積增大，金屬耗費增加。因此，新風機組采用直接蒸發(fā)表冷器的空調(diào)機組處理新風，得到了低的送風溫度而且減少了機房的面積。4)其他減少能耗的途徑：有組織排風時采用適當?shù)臒峄厥昭b置回收排風能量。采用建筑能耗程序?qū)ㄖ照{(diào)能耗進行模擬計算，計算比較建筑內(nèi)區(qū)、外區(qū)的負荷差異。建立空調(diào)系統(tǒng)費用的合理數(shù)學模型，優(yōu)化運行參數(shù)：送風溫度、濕度、風機盤管送水溫度等。4經(jīng)濟分析1)新風系統(tǒng)承擔室內(nèi)全部的濕負荷和部分顯熱負荷，新風機組的處理焓差大，新風機組采用低溫送風機組送出的新風溫度較低，風機盤管只承擔部分顯熱負荷，這樣風機盤管可以保持干工況，可省去凝結(jié)水管路，減少了工程的設備投資和安裝造價，避免有凝結(jié)水產(chǎn)生，防止發(fā)生凝結(jié)水滴漏對建筑及裝修造成破壞的問題，并防止細菌滋生。室內(nèi)濕負荷和顯熱負荷分開處理，亦可避免顯熱負荷變化引起室內(nèi)空氣含濕量的不穩(wěn)定。2)新風系統(tǒng)送風溫度較低，空調(diào)機組規(guī)格縮小，機房面積相應縮小，節(jié)省了建筑空間。風道變小，吊頂凈空、風道占吊頂空間變小。3)新風系統(tǒng)送風量小，噪音低于常規(guī)空調(diào)機組。5結(jié)論采用新風加風機盤管干工況運行方式的系統(tǒng)，不僅可以解決濕工況下滋生細菌、污染新風所造成的建筑空氣品質(zhì)不佳的問題，并且在運行能耗和經(jīng)濟性方面也有一定的貢獻。1)相對于濕工況的運行狀態(tài)，冷凍水水溫提高，則冷水機組的COP值亦可相應提高，相同的冷量的能耗可相應的降低，甚至有可能采用其他自然冷源（如井水、自來水、冷卻塔供水、空氣源熱泵等）或更節(jié)能的制冷方式以挖掘更多節(jié)能潛力。2)為了獲得溫度較低的新風又避免冷水機組的制冷效率下降，新風機組宜采用直接蒸發(fā)表冷器的空調(diào)機組處理新風。3）風機盤管在干工況下運行，室內(nèi)無凝水，沒有細菌滋生的潮濕環(huán)境，改善了空調(diào)房間的空氣品質(zhì)。4)新風機組的過濾段引進了一種新型的空調(diào)過濾器，使對引進的室外空氣有很好的滅菌作用，并采用紫外燈殺菌，從風系統(tǒng)這個通道也切斷了微生物對室內(nèi)空氣的污染。參考文獻：【1】何天祺，康侍民，盧軍.供暖通風與空氣調(diào)節(jié).重慶：重慶大學出版社，2002【2】GBJ19-87采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范.北京：中國計劃出版社，1989【3】萬建武，鐘朝安.干工況風機盤管加新風系統(tǒng)的空調(diào)過程設計.建筑熱能通風空調(diào)，2001，（1），25～28【4】石顯能，劉剛.紫外線照射滅菌對空調(diào)環(huán)境微生物污染的防治.東華大學學報，2003，29（1）