内区新风机组盘管的选型设计
0 引言
随着国民经济的不断发展及人民生活水平的提高，暖通空调系统设计中内区空调系统的设计越来越多。在近几年的一些工程中，内区空调逐渐暴露出了一些问题，如内区房间过热和冬季新风机组加热盘管冻裂等现象时有发生。产生这些问题的原因很多，其中内区新风机组盘管选型不当，为其中的重要原因之一。
1 内区新风机组盘管设计存在的问题
目前有些工程新风机组盘管的选型，以夏季工况设计为准，冬夏共用同一加热冷却盘管。空调水系统末端设备采用双管制，空调水系统冬季供应热水，夏季供应冷水。由于空调内区房间，冬季没有围护结构传热引起的热负荷，且人员、灯光、设备等还向室内散热，形成冷负荷，因此内区新风要负担室内部分或全部冷负荷，要求送风温度低。根据冷湿负荷计算，一般为10℃-16℃。若冬夏共用同一冷热盘管，冬季盘管加热面积余量过大，将导致加热盘管冻裂或内区房间过热。
2 新风机组盘管冻裂原因
加热盘管冻裂因水在盘管中冻冰引起。水在管道中冻冰的原因，物理方面是因为当室外空气温度低于0℃时，若水在管中呈层流状态，即Re=vd管/γ〈2300，即可出现结冰[1]。如某新风机组，盘管内管束直径d=12.7mm，则其速度为0.19m/s时即为层流。在层流状态下，流速的断面分布不均匀，且又不会混合，靠管壁处的流速接近于0m/s,而管壁的热阻又很小，故管壁处的水温趋近空气温度。因而空气加热盘管接触室外空气一侧的第一排盘管常会冻冰。在实际运行中，空调进行补水时，常温水进入系统，进行加热，加热过程中一部分气体被析出。在设计流速范围内运行时，这些气体将随水带走，由系统最高点的自动排气阀排出。若盘管内水流速过低，一部分气体将无法被带走，形成气阻，使一部分水成为死水。故实际运行中，当系统水流量低至层流状态下对应的流量时，即可能出现结冰。
3 加热、冷却盘管选型计算
3.1冬季加热盘管的计算
冬季加热盘管的计算原则就是让加热盘管供给的热量等于加热空气需要的热量。
基本计算公式：
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-加热空气所需热量，KW;
Q’-加热盘管供给的热量，KW;
G-通过盘管的空气量，Kg/s;
t1-空气处理前的干球温度，℃；
t2-空气处理后的干球温度，℃；
W-水流量，Kg/s;
c-水的质量比热，c=4.19KJ/Kg.℃;
tw1-进水温度，℃;
tw2-出水温度，℃;
K-加热盘管的传热系数，W/m2.℃;
F-加热盘管的传热面积，m2；
Δtm-热媒与空气之间的对数平均温度，℃。
对于传热介质为水的表面式换热器，当其结构特性一定时，传热系数主要取于空气流速Vy和水的流速ω。
K=(1/AVym+1/Bωn)-1 [2]
式中 A、B、m、n-由实验得到的系数和指数。
3.2 夏季冷却盘管的计算
夏季冷却盘管的选型计算应满足下列三个条件：
(1)冷却盘管能达到的热交换效率系数ε1应等于空气处理过程需要的热交换系数ε1；
(2)冷却盘管能达到的接触系数ε2应等于空气处理过程需要的接触系数ε2；
(3)冷却盘管能吸收的热量应等于空气放出的热量。
基本公式为：
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-空气处理前的焓值，KJ/Kg；
i2-空气处理后的焓值，KJ/Kg；
ts1-空气处理前的湿球温度，℃；
ts2-空气处理后的湿球温度，℃；
γ－水当量比；
β－传热单元数；
Ks－冷却盘管的传热系数，W/m2.℃；
ζ－析湿系数；
αW-外表面的换热系数，W/ m2.℃
N-冷却盘管排数。
A、B、m、n、p-由实验得到的系数和指数。
3.3 新风机组盘管选型计算实例
在加热、冷却盘管选型设计时，根据空气量、进口空气温度、进口水温、进口水量，应用某品牌新风机组选型计算程序，确定新风机组盘管的形式、排数；综合本文3.1、3.2中所述计算公式，编制了新风机组盘管运行参数计算、校核程序，计算冬夏两季不同工况下冷热盘管的运行参数。表1、表2分别为北京地区风量2000 l/s、4000l/s的新风机组，冷热盘管运行参数计算、校核结果。
从表中可以看出，内区新风机组为满足设计要求，冬季应选用一排或两排加热盘管，而夏季应选用六排冷却盘管。若冬夏共用同一加热冷却盘管，冬季盘管加热面积余量过大。当冬季水量与夏季水量相同时，其空气出口温度过高；当冬季水流量调至夏季水流量的一半甚至四分之一时，其空气出口温度仍远远超过设计温度。为满足送风温度要求，继续减少水流量，即使水流量减少到盘管内水流呈层流状态（表中*表示），管内水流速0.17m/s，其空气出口的理论计算温度仍高于设计需要温度，且此时盘管的出水温度已远远低于系统设计值，有些甚至接近0℃。综上所述，为内区服务的新风机组，若冬夏共用同一加热冷却盘管，在冬季供水温度不变的情况下，无论怎样调节水量，其最终结果有两种，或水量过少，造成盘管内水流速过低，盘管冻裂；或送风温度过高，内区过热。
表1 2000l/s风量新风机组冷热盘管参数计算表
冬季工况
|
盘管排数
|
进风干球
温度(℃)
|
出风干球
温度(℃)
|
加热量
(KW)
|
水流量
(l/s)
|
入口水温 (℃)
|
出口水温 (℃)
|
管内水流速(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 *
|
夏季工况
|
盘管排数
|
进风干球温度(℃)
|
进风湿球温度(℃)
|
出风干球温度
(℃)
|
出风湿球温度
(℃)
|
全热
(KW)
|
水流量
(l/s)
|
入口
水温
(℃)
|
出口水温(℃)
|
管内水流速
(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. 盘管内管束直径d=12.7mm；
2. 风量2000l/s，盘管面积1.05m2，断面风速1.9m/s。
表2 4000升/秒风量新风机组冷热盘管参数计算表
冬季工况
|
盘管排数
|
进风干球
温度(℃)
|
出风干球
温度(℃)
|
加热量
(KW)
|
水流量
(l/s)
|
入口水温 (℃)
|
出口水温 (℃)
|
管内水流速(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 *
|
夏季工况
|
盘管排数
|
进风干球温度(℃)
|
进风湿球温度(℃)
|
出风干球温度
(℃)
|
出风湿球温度
(℃)
|
全热
(KW)
|
水流量
(l/s)
|
入口
水温
(℃)
|
出口水温(℃)
|
管内水流速
(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. 盘管内管束直径d=12.7mm；
2. 风量4000l/s，盘管面积1.68 m2，断面风速2.38m/s。
4 结论
近几年有多个工程涉及内区空调系统的设计，如北京饭店新中楼、海淀文化艺术中心、国家大剧院、美邦亚联广场等工程，内区新风机组均是根据冬夏不同工况选型设计，新风机组分别设置加热段和表冷段。有些已投入使用，运行满足设计要求，用户比较满意。
内区新风机组盘管选型设计时，为避免内区房间过热和冬季加热盘管冻裂，当加热冷却盘管排数差别较大时，应分别设置加热和冷却盘管；且应对冬季室外空气温度低于0℃时进行校核计算，即校核盘管内水流速是否大于层流状态时流速，确保盘管在室外空气温度为0℃以下时，能正常运行，不会冻裂。