干盤(pán)管換熱器與濕盤(pán)管換熱器熱工性能試驗(yàn)研究

 曹陽(yáng)    劉剛

(中國(guó)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(jì)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(dú)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(pán)管換熱器開(kāi)始在工程系統(tǒng)中直接進(jìn)行應(yīng)用。這里利用銅管套翅片換熱器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用綜合制冷性能系數(shù)評(píng)價(jià)方法對(duì)干盤(pán)管換熱器和濕盤(pán)管換熱器熱工性能進(jìn)行了分析比較和評(píng)價(jià)，并提出在關(guān)注節(jié)能要求的同時(shí)，應(yīng)關(guān)注換熱器金屬材料的消耗問(wèn)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(pán)管換熱器；濕盤(pán)管換熱器；能效

    中圖分類號(hào)：TB657.5;TQ051.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

    1·概述

    傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)末端換熱器的設(shè)計(jì)工況一般為濕工況，在承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷的同時(shí)，還負(fù)擔(dān)一部分人員、設(shè)備所產(chǎn)生的濕負(fù)荷，因此在制冷運(yùn)行時(shí)盤(pán)管會(huì)有凝結(jié)水產(chǎn)生，故稱為濕盤(pán)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(dú)立控制和水蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的逐步推廣，干盤(pán)管換熱器開(kāi)始在工程系統(tǒng)中直接應(yīng)用。溫濕度獨(dú)立控制技術(shù)采用較高溫度的冷凍水來(lái)處理室內(nèi)冷負(fù)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(diǎn)溫度，空調(diào)末端設(shè)備的盤(pán)管換熱器沒(méi)有凝結(jié)水產(chǎn)生，因此被稱為干盤(pán)管換熱器。干盤(pán)管換熱器僅承擔(dān)顯熱負(fù)荷，濕負(fù)荷由其他設(shè)備負(fù)擔(dān)。對(duì)比分析相同耗材制作的干、濕盤(pán)管熱工特性，合理設(shè)計(jì)空調(diào)通風(fēng)換熱器，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能利用的同時(shí)最大程度減少有色金屬的消耗具有重要的意義。通過(guò)對(duì)銅管套翅片換熱器進(jìn)行試驗(yàn)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析迎面風(fēng)速、盤(pán)管內(nèi)水速等對(duì)干盤(pán)管換熱器顯熱制冷量、濕盤(pán)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(píng)價(jià)方法對(duì)干盤(pán)管換熱器和濕盤(pán)管換熱器的能效進(jìn)行分析，提出在關(guān)注節(jié)能要求的同時(shí)，應(yīng)同時(shí)關(guān)注換熱器金屬材料消耗的問(wèn)題，供暖通空調(diào)行業(yè)工作者參考。

    2·試驗(yàn)介紹

    2.1試驗(yàn)原理和安排

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

    采用風(fēng)管焓差法試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試干、濕盤(pán)管的熱工性能。通過(guò)測(cè)試換熱器進(jìn)、出口空氣的干、濕球溫度和風(fēng)量，得到空氣側(cè)制冷量；測(cè)試水側(cè)進(jìn)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(cè)試數(shù)據(jù)有效。

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

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

    2.2樣機(jī)描述

    試驗(yàn)樣機(jī)的斷面尺寸為500mm×400mm，樣機(jī)具體的結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)表2。

    2.3試驗(yàn)結(jié)果

    按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法[1]在表1的試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，完成25組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出如下熱工性能計(jì)算公式：

    3·試驗(yàn)結(jié)果分析

    依據(jù)對(duì)樣機(jī)的熱工實(shí)驗(yàn)結(jié)果，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工況[2~3]，進(jìn)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(jìn)口溫度分別為7℃、16℃，進(jìn)出口溫差為5℃，分別對(duì)干盤(pán)管和濕盤(pán)管換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]，設(shè)計(jì)的干、濕盤(pán)管換熱器的斷面尺寸和金屬耗量相同(見(jiàn)表2)，對(duì)其熱工性能分析如下：

    3.1濕盤(pán)管制冷量

    1)在空氣進(jìn)口的干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、冷凍水進(jìn)口溫度為7℃條件下，改變盤(pán)管迎面空氣流速，得出濕盤(pán)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(pán)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)風(fēng)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)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(diǎn)，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?yàn)榭諝鈧?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(duì)應(yīng)風(fēng)量下的總的潛熱換熱量沒(méi)有變化。

    2)在空氣進(jìn)口的干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、冷凍水進(jìn)口溫度為7℃條件下，改變盤(pán)管內(nèi)水速，得出濕盤(pán)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(pán)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(huì)隨著盤(pán)管內(nèi)水流速的加大而逐漸減小。在試驗(yàn)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?yàn)殡S著水速的增大，平均水溫降低，潛熱換熱能力增大。

    3.2干盤(pán)管制冷特性

    1)在空氣進(jìn)口的干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、進(jìn)口水溫控制在16℃條件下，干盤(pán)管迎面空氣流速?gòu)?.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(jiàn)圖4，隨著風(fēng)速的增加，干盤(pán)管顯熱制冷量逐漸增大。

    2)在空氣進(jìn)口的干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、進(jìn)口水溫控制在16℃條件下，水管內(nèi)流速?gòu)?.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(jiàn)圖5，隨著管內(nèi)流速的增加，顯熱量逐漸增大。

    3.3干式盤(pán)管和濕式盤(pán)管比較分析

    1)空氣側(cè)阻力的變化

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

    在標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)口空氣狀態(tài)下，濕、干盤(pán)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(pán)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(pán)管與干盤(pán)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(duì)干盤(pán)管和濕式盤(pán)管換熱量比值的影響

    在空氣進(jìn)口的干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、干盤(pán)管冷凍水進(jìn)口溫度為16℃、濕盤(pán)管冷凍水進(jìn)口溫度為7℃條件下，風(fēng)速變化對(duì)干盤(pán)管和濕式盤(pán)管換熱量及其比值的影響見(jiàn)圖7，水速變化對(duì)干盤(pán)管和濕式盤(pán)管換熱量及其比值的影響見(jiàn)圖8，隨著盤(pán)管內(nèi)水流速?gòu)?.6m/s變化為1.6m/s，干盤(pán)管制冷量與濕盤(pán)管制冷量之比為46%~44%，標(biāo)準(zhǔn)工況點(diǎn)下干盤(pán)管換熱器的制冷量?jī)H為濕盤(pán)管制冷量的44%。

    在空氣進(jìn)口的干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、干盤(pán)管冷凍水進(jìn)口溫度為16℃、濕盤(pán)管冷凍水進(jìn)口溫度為7℃條件下，風(fēng)速的變化對(duì)干盤(pán)管和濕式盤(pán)管顯換熱量比值的影響見(jiàn)圖9，水速變化對(duì)干盤(pán)管和濕式盤(pán)管顯換熱量比值的影響見(jiàn)圖10，隨著盤(pán)管內(nèi)水流速?gòu)?.6m/s變化為1.6m/s，干盤(pán)管制冷量與濕盤(pán)管顯熱制冷量之比為0.59~0.64，標(biāo)準(zhǔn)工況點(diǎn)下干盤(pán)管換熱器的制冷量?jī)H為濕盤(pán)管顯熱制冷量的60%；隨著盤(pán)管風(fēng)速?gòu)?.3m/s變化為3.0m/s，干盤(pán)管制冷量與濕盤(pán)管顯熱制冷量之比為0.66~0.59，標(biāo)準(zhǔn)工況點(diǎn)下干盤(pán)管換熱器的制冷量?jī)H為濕盤(pán)管制冷量的62%。這意味著負(fù)擔(dān)同樣的室內(nèi)冷負(fù)荷，雖然通過(guò)提高冷凍水溫度，可以減少冷凍機(jī)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(duì)干盤(pán)管和濕盤(pán)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(jī)蒸發(fā)器、水管路、水管路部件的阻力，其中換熱器在設(shè)計(jì)水流量下的阻力是水側(cè)電力消耗的重要部分。同時(shí)風(fēng)機(jī)電機(jī)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(pán)管換熱器水側(cè)和風(fēng)側(cè)阻力所需風(fēng)機(jī)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(píng)價(jià)干盤(pán)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(pán)管的制冷量(W)；NAC—制冷時(shí)干盤(pán)管風(fēng)側(cè)阻力消耗的風(fēng)機(jī)功率(W)；NWC—制冷時(shí)水側(cè)阻力消耗的水泵功率(W)。

    圖11、圖12分別為在空氣進(jìn)口干球溫度為27℃、濕球溫度為19.5℃、干盤(pán)管冷凍水進(jìn)口溫度為16℃、濕盤(pán)管冷凍水進(jìn)口水溫為7℃條件下，風(fēng)速變化和水速變化對(duì)干式盤(pán)管和濕式盤(pán)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(pán)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(pán)管換熱器制冷綜合制冷系數(shù)之比在1.78~1.96，標(biāo)準(zhǔn)工況下的綜合制冷系數(shù)之比為1.86。由此可見(jiàn)，從空調(diào)末端的輸送能耗角度看，濕盤(pán)管優(yōu)于干盤(pán)管換熱器，消除相同的室內(nèi)冷負(fù)荷，采用的換熱盤(pán)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(jìn)風(fēng)參數(shù)為干球溫度27℃、濕球溫度19.5℃、冷凍水進(jìn)口水溫7℃條件下，濕盤(pán)管顯熱制冷量占全熱制冷量的比例隨著盤(pán)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)風(fēng)空氣狀態(tài)點(diǎn)下，濕、干盤(pán)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(pán)管與干盤(pán)管的空氣阻力之比維持在1.23~1.28。

    3)標(biāo)準(zhǔn)工況下，相同金屬耗量、相同換熱面積的干盤(pán)管換熱器的制冷量?jī)H為濕盤(pán)管全熱制冷量的44%、顯制冷量的60%~62%。負(fù)擔(dān)同樣的室內(nèi)冷負(fù)荷，空調(diào)設(shè)備末端用干盤(pán)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(duì)于低碳節(jié)能建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合分析能耗。

    4)標(biāo)準(zhǔn)工況下的濕、干盤(pán)管換熱器綜合制冷系數(shù)之比為1.86，干盤(pán)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(pán)管優(yōu)于干盤(pán)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(yàn)方法》[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

[2]GB/T14294-2008《組合式空調(diào)機(jī)組》[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[3]GB/T19232-2003《風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組》[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[4]中國(guó)建筑科學(xué)研究院應(yīng)用基金項(xiàng)目《組合式空調(diào)機(jī)組性能檢測(cè)的計(jì)算機(jī)軟件》.

作者簡(jiǎn)介：曹陽(yáng)，男(1965-)，碩士，教授級(jí)高工，國(guó)家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心副主任，中國(guó)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(cè)、節(jié)能控制，產(chǎn)品性能研究。