干盤管換熱器與濕盤管換熱器熱工性能試驗研究

 曹陽    劉剛

(中國建筑科學(xué)研究院北京100013)

    摘要：傳統(tǒng)空調(diào)末端換熱器的設(shè)計工況一般為濕工況，隨著建筑節(jié)能和室內(nèi)空氣品質(zhì)要求的提高，溫濕度獨立控制和水蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)的逐步推廣，干盤管換熱器開始在工程系統(tǒng)中直接進行應(yīng)用。這里利用銅管套翅片換熱器的實驗結(jié)果，采用綜合制冷性能系數(shù)評價方法對干盤管換熱器和濕盤管換熱器熱工性能進行了分析比較和評價，并提出在關(guān)注節(jié)能要求的同時，應(yīng)關(guān)注換熱器金屬材料的消耗問題，供廣大暖通空調(diào)行業(yè)人員參考。

    關(guān)鍵詞：熱工學(xué)；干盤管換熱器；濕盤管換熱器；能效

    中圖分類號：TB657.5;TQ051.6文獻標識碼：A

    1·概述

    傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)末端換熱器的設(shè)計工況一般為濕工況，在承擔(dān)室內(nèi)顯熱負荷的同時，還負擔(dān)一部分人員、設(shè)備所產(chǎn)生的濕負荷，因此在制冷運行時盤管會有凝結(jié)水產(chǎn)生，故稱為濕盤管。隨著建筑節(jié)能和室內(nèi)空氣品質(zhì)要求的提高、溫濕度獨立控制和水蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的逐步推廣，干盤管換熱器開始在工程系統(tǒng)中直接應(yīng)用。溫濕度獨立控制技術(shù)采用較高溫度的冷凍水來處理室內(nèi)冷負荷，水蒸發(fā)冷卻空調(diào)利用“干空氣能”制取溫度較高的冷凍水。這兩種技術(shù)的冷凍水溫度一般均高于室內(nèi)空氣的露點溫度，空調(diào)末端設(shè)備的盤管換熱器沒有凝結(jié)水產(chǎn)生，因此被稱為干盤管換熱器。干盤管換熱器僅承擔(dān)顯熱負荷，濕負荷由其他設(shè)備負擔(dān)。對比分析相同耗材制作的干、濕盤管熱工特性，合理設(shè)計空調(diào)通風(fēng)換熱器，在實現(xiàn)節(jié)能利用的同時最大程度減少有色金屬的消耗具有重要的意義。通過對銅管套翅片換熱器進行試驗，依據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析迎面風(fēng)速、盤管內(nèi)水速等對干盤管換熱器顯熱制冷量、濕盤管換熱器全熱制冷量和顯熱、全熱影響規(guī)律，利用綜合制冷性能系數(shù)評價方法對干盤管換熱器和濕盤管換熱器的能效進行分析，提出在關(guān)注節(jié)能要求的同時，應(yīng)同時關(guān)注換熱器金屬材料消耗的問題，供暖通空調(diào)行業(yè)工作者參考。

    2·試驗介紹

    2.1試驗原理和安排

    試驗在依據(jù)JG/T 21-1999《空氣冷卻器與空氣加熱器性能試驗方法》[1]建立的風(fēng)管式焓差法試驗裝置上進行，如圖1所示，換熱器試驗參數(shù)范圍如表1。

    采用風(fēng)管焓差法試驗臺測試干、濕盤管的熱工性能。通過測試換熱器進、出口空氣的干、濕球溫度和風(fēng)量，得到空氣側(cè)制冷量；測試水側(cè)進出口的水溫和水量，得到冷水側(cè)制冷量，兩側(cè)制冷量平衡則測試數(shù)據(jù)有效。

    在實驗過程中，表1的試驗參數(shù)范圍內(nèi)每種參數(shù)取五個水平。依次開啟實驗裝置的風(fēng)機、水泵，調(diào)節(jié)試驗裝置使空氣和水達到所需的參數(shù)，并符合JG/T 21規(guī)定的穩(wěn)定條件后開始測試。每隔10分鐘讀取一次數(shù)據(jù)，至少測定四次，即每次測試的延續(xù)時間不少于半小時，取讀數(shù)的平均值作為當(dāng)次試驗的測試結(jié)果。

    每次得到的測定值采用以空氣側(cè)的測定值計算換熱量和以水側(cè)的測定值計算換熱量兩種方法進行計算。兩種方法計算得出的換熱量偏差不超過5%時方有效，取二者算術(shù)平均值作為樣機換熱量。在測量換熱量的同時測量換熱器空氣側(cè)前、后的靜壓差和進出口水路的壓力差，確定空氣阻力和水阻力。

    2.2樣機描述

    試驗樣機的斷面尺寸為500mm×400mm，樣機具體的結(jié)構(gòu)特征見表2。

    2.3試驗結(jié)果

    按標準規(guī)定的方法[1]在表1的試驗參數(shù)范圍內(nèi)，完成25組實驗數(shù)據(jù)，對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得出如下熱工性能計算公式：

    3·試驗結(jié)果分析

    依據(jù)對樣機的熱工實驗結(jié)果，按照標準規(guī)定的標準工況[2~3]，進口空氣狀態(tài)干球溫度為27℃，濕球溫度為19.5℃和冷凍水的進口溫度分別為7℃、16℃，進出口溫差為5℃，分別對干盤管和濕盤管換熱器進行設(shè)計[4]，設(shè)計的干、濕盤管換熱器的斷面尺寸和金屬耗量相同(見表2)，對其熱工性能分析如下：

    3.1濕盤管制冷量

    1)在空氣進口的干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、冷凍水進口溫度為7℃條件下，改變盤管迎面空氣流速，得出濕盤管全熱、顯熱和潛熱的變化規(guī)律，如圖2所示。

    由圖2可知，濕盤管換熱器全熱、顯熱、潛熱制冷量隨著迎面風(fēng)速的增加而增大。標準進風(fēng)設(shè)計工況點下顯熱量與全熱量的比值為0.74，即總制冷量中74%是顯熱制冷量，只有26%為潛熱制冷量。潛熱制冷量在風(fēng)速大于1.7m/s后存在拐點，隨著風(fēng)速增大，空氣側(cè)換熱系數(shù)提高。顯熱與全熱的比例隨風(fēng)速的增加逐漸加大，從68%變化到76%。這是因為空氣側(cè)制冷量加大，冷凍水出水溫度提高，單位風(fēng)量的潛熱換熱能力降低，但對應(yīng)風(fēng)量下的總的潛熱換熱量沒有變化。

    2)在空氣進口的干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、冷凍水進口溫度為7℃條件下，改變盤管內(nèi)水速，得出濕盤管全熱、顯熱和潛熱的變化規(guī)律如圖3所示。

    從圖3可看出，濕盤管換熱器的全熱、顯熱、潛熱制冷量隨著管內(nèi)水流速的增加都增加，但顯熱與全熱換熱量的比例會隨著盤管內(nèi)水流速的加大而逐漸減小。在試驗范圍內(nèi)從78%變化到68%，減小10%，顯熱制冷量占總制冷量的比例也從78%減小到68%，這是因為隨著水速的增大，平均水溫降低，潛熱換熱能力增大。

    3.2干盤管制冷特性

    1)在空氣進口的干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、進口水溫控制在16℃條件下，干盤管迎面空氣流速從1.5m/s等量變化到3.0m/s，顯熱量與迎面風(fēng)速變化的關(guān)系曲線見圖4，隨著風(fēng)速的增加，干盤管顯熱制冷量逐漸增大。

    2)在空氣進口的干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、進口水溫控制在16℃條件下，水管內(nèi)流速從0.6m/s等量變化到1.6m/s，顯熱量與管內(nèi)流速變化的關(guān)系曲線見圖5，隨著管內(nèi)流速的增加，顯熱量逐漸增大。

    3.3干式盤管和濕式盤管比較分析

    1)空氣側(cè)阻力的變化

    在空氣進口干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、干盤管冷凍水進口溫度為16℃、濕盤管冷凍水進口溫度為7℃條件下，空氣通過濕盤管表面時，由于翅片表面存在凝結(jié)水，與干盤管相比濕盤管空氣阻力較高。試驗結(jié)果如圖6所示。

    在標準進口空氣狀態(tài)下，濕、干盤管換熱器空氣側(cè)的阻力分別為107Pa和85Pa，隨著迎面風(fēng)速的增加，干、濕盤管換熱器隨著迎面風(fēng)速增加空氣側(cè)的阻力增大，但濕盤管與干盤管的空氣阻力之比基本維持在1.23~1.28。

    2)風(fēng)速、水速變化對干盤管和濕式盤管換熱量比值的影響

    在空氣進口的干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、干盤管冷凍水進口溫度為16℃、濕盤管冷凍水進口溫度為7℃條件下，風(fēng)速變化對干盤管和濕式盤管換熱量及其比值的影響見圖7，水速變化對干盤管和濕式盤管換熱量及其比值的影響見圖8，隨著盤管內(nèi)水流速從0.6m/s變化為1.6m/s，干盤管制冷量與濕盤管制冷量之比為46%~44%，標準工況點下干盤管換熱器的制冷量僅為濕盤管制冷量的44%。

    在空氣進口的干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、干盤管冷凍水進口溫度為16℃、濕盤管冷凍水進口溫度為7℃條件下，風(fēng)速的變化對干盤管和濕式盤管顯換熱量比值的影響見圖9，水速變化對干盤管和濕式盤管顯換熱量比值的影響見圖10，隨著盤管內(nèi)水流速從0.6m/s變化為1.6m/s，干盤管制冷量與濕盤管顯熱制冷量之比為0.59~0.64，標準工況點下干盤管換熱器的制冷量僅為濕盤管顯熱制冷量的60%；隨著盤管風(fēng)速從1.3m/s變化為3.0m/s，干盤管制冷量與濕盤管顯熱制冷量之比為0.66~0.59，標準工況點下干盤管換熱器的制冷量僅為濕盤管制冷量的62%。這意味著負擔(dān)同樣的室內(nèi)冷負荷，雖然通過提高冷凍水溫度，可以減少冷凍機的電力消耗，但空調(diào)設(shè)備的末端用換熱器數(shù)量要增加38%~40%，加大了有色金屬耗量和相應(yīng)的能源消耗。

    3)風(fēng)速變化對干盤管和濕盤管綜合制冷系數(shù)的影響。

    空調(diào)系統(tǒng)的輸送能耗主要由水側(cè)和空氣側(cè)能耗組成。水泵消耗的電力主要用于克服換熱器、冷凍機蒸發(fā)器、水管路、水管路部件的阻力，其中換熱器在設(shè)計水流量下的阻力是水側(cè)電力消耗的重要部分。同時風(fēng)機電機消耗電量將處理后的空氣送到空調(diào)區(qū)域。綜合考慮克服盤管換熱器水側(cè)和風(fēng)側(cè)阻力所需風(fēng)機和水泵功耗，可采用單位綜合功耗制冷性能系數(shù)的方法，評價干盤管的熱工性能[4]。單位綜合功耗制冷性能系數(shù)定義式如式(7)：

    feer=QC/(NAC+NWC)(7)

    式中：QC—干盤管的制冷量(W)；NAC—制冷時干盤管風(fēng)側(cè)阻力消耗的風(fēng)機功率(W)；NWC—制冷時水側(cè)阻力消耗的水泵功率(W)。

    圖11、圖12分別為在空氣進口干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、干盤管冷凍水進口溫度為16℃、濕盤管冷凍水進口水溫為7℃條件下，風(fēng)速變化和水速變化對干式盤管和濕式盤管綜合制冷系數(shù)的影響。

    從圖中可看出，隨著迎面風(fēng)速的增加，綜合制冷系數(shù)減小；隨著管內(nèi)水速的增加，綜合制冷系數(shù)先有微小的增加，然后減小。變風(fēng)速下濕、干盤管換熱器制冷綜合能效比之比在1.99~1.79；變水速下濕、干盤管換熱器制冷綜合制冷系數(shù)之比在1.78~1.96，標準工況下的綜合制冷系數(shù)之比為1.86。由此可見，從空調(diào)末端的輸送能耗角度看，濕盤管優(yōu)于干盤管換熱器，消除相同的室內(nèi)冷負荷，采用的換熱盤管尺寸小，可有效節(jié)省金屬耗量和減少生產(chǎn)能耗。

    4·結(jié)論

    1)在空氣進風(fēng)參數(shù)為干球溫度27℃、濕球溫度19.5℃、冷凍水進口水溫7℃條件下，濕盤管顯熱制冷量占全熱制冷量的比例隨著盤管迎面風(fēng)速的加大而增加，隨著管內(nèi)水速的加大而減小。

    2)在標準進風(fēng)空氣狀態(tài)點下，濕、干盤管換熱器空氣側(cè)的阻力分別為107Pa和85Pa，隨著迎面風(fēng)速的增加，濕盤管與干盤管的空氣阻力之比維持在1.23~1.28。

    3)標準工況下，相同金屬耗量、相同換熱面積的干盤管換熱器的制冷量僅為濕盤管全熱制冷量的44%、顯制冷量的60%~62%。負擔(dān)同樣的室內(nèi)冷負荷，空調(diào)設(shè)備末端用干盤管換熱器金屬量要增加38%~40%，加大了有色金屬耗量和由此產(chǎn)生的能源消耗，對于低碳節(jié)能建筑設(shè)計時，應(yīng)綜合分析能耗。

    4)標準工況下的濕、干盤管換熱器綜合制冷系數(shù)之比為1.86，干盤管系統(tǒng)還需增加除濕設(shè)備，

    從空調(diào)末端的輸送能耗角度看，濕盤管優(yōu)于干盤管換熱器。

參考資料

[1]JG/T 21-1999《空氣冷卻器與空氣加熱器性能試驗方法》[S].北京:中國標準出版社,2001.

[2]GB/T14294-2008《組合式空調(diào)機組》[S].北京:中國標準出版社,2009.

[3]GB/T19232-2003《風(fēng)機盤管機組》[S].北京:中國標準出版社,2003.

[4]中國建筑科學(xué)研究院應(yīng)用基金項目《組合式空調(diào)機組性能檢測的計算機軟件》.

作者簡介：曹陽，男(1965-)，碩士，教授級高工，國家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心副主任，中國建筑科學(xué)研究院建筑環(huán)境與節(jié)能研究院。北京市北三環(huán)東路30#，100013，(010)64517653，caoyang@ncsa.cn.研究領(lǐng)域：采暖空調(diào)通風(fēng)設(shè)備和系統(tǒng)流程的檢測、節(jié)能控制，產(chǎn)品性能研究。