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

(中國建筑科學研究院北京100013)

    摘要：傳統空調末端換熱器的設計工況一般為濕工況，隨著建筑節能和室內空氣品質要求的提高，溫濕度獨立控制和水蒸發冷卻空調系統技術的逐步推廣，干盤管換熱器開始在工程系統中直接進行應用。這里利用銅管套翅片換熱器的實驗結果，采用綜合制冷性能系數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，并提出在關注節能要求的同時，應關注換熱器金屬材料的消耗問題，供廣大暖通空調行業人員參考。

    關鍵詞：熱工學；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

    傳統的空調系統末端換熱器的設計工況一般為濕工況，在承擔室內顯熱負荷的同時，還負擔一部分人員、設備所產生的濕負荷，因此在制冷運行時盤管會有凝結水產生，故稱為濕盤管。隨著建筑節能和室內空氣品質要求的提高、溫濕度獨立控制和水蒸發冷卻空調技術的逐步推廣，干盤管換熱器開始在工程系統中直接應用。溫濕度獨立控制技術采用較高溫度的冷凍水來處理室內冷負荷，水蒸發冷卻空調利用“干空氣能”制取溫度較高的冷凍水。這兩種技術的冷凍水溫度一般均高于室內空氣的露點溫度，空調末端設備的盤管換熱器沒有凝結水產生，因此被稱為干盤管換熱器。干盤管換熱器僅承擔顯熱負荷，濕負荷由其他設備負擔。對比分析相同耗材制作的干、濕盤管熱工特性，合理設計空調通風換熱器，在實現節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，依據實驗數據分析迎面風速、盤管內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、全熱影響規律，利用綜合制冷性能系數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，提出在關注節能要求的同時，應同時關注換熱器金屬材料消耗的問題，供暖通空調行業工作者參考。

    2·試驗介紹

    2.1試驗原理和安排

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

    采用風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、濕球溫度和風量，得到空氣側制冷量；測試水側進出口的水溫和水量，得到冷水側制冷量，兩側制冷量平衡則測試數據有效。

    在實驗過程中，表1的試驗參數范圍內每種參數取五個水平。依次開啟實驗裝置的風機、水泵，調節試驗裝置使空氣和水達到所需的參數，并符合JG/T 21規定的穩定條件后開始測試。每隔10分鐘讀取一次數據，至少測定四次，即每次測試的延續時間不少于半小時，取讀數的平均值作為當次試驗的測試結果。

    每次得到的測定值采用以空氣側的測定值計算換熱量和以水側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，樣機具體的結構特征見表2。

    2.3試驗結果

    按標準規定的方法[1]在表1的試驗參數范圍內，完成25組實驗數據，對實驗數據進行擬合，得出如下熱工性能計算公式：

    3·試驗結果分析

    依據對樣機的熱工實驗結果，按照標準規定的標準工況[2~3]，進口空氣狀態干球溫度為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計[4]，設計的干、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速的增加而增大。標準進風設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。潛熱制冷量在風速大于1.7m/s后存在拐點，隨著風速增大，空氣側換熱系數提高。顯熱與全熱的比例隨風速的增加逐漸加大，從68%變化到76%。這是因為空氣側制冷量加大，冷凍水出水溫度提高，單位風量的潛熱換熱能力降低，但對應風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，改變盤管內水速，得出濕盤管全熱、顯熱和潛熱的變化規律如圖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水流速的加大而逐漸減小。在試驗范圍內從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，顯熱量與迎面風速變化的關系曲線見圖4，隨著風速的增加，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，水管內流速從0.6m/s等量變化到1.6m/s，顯熱量與管內流速變化的關系曲線見圖5，隨著管內流速的增加，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水，與干盤管相比濕盤管空氣阻力較高。試驗結果如圖6所示。

    在標準進口空氣狀態下，濕、干盤管換熱器空氣側的阻力分別為107Pa和85Pa，隨著迎面風速的增加，干、濕盤管換熱器隨著迎面風速增加空氣側的阻力增大，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%。這意味著負擔同樣的室內冷負荷，雖然通過提高冷凍水溫度，可以減少冷凍機的電力消耗，但空調設備的末端用換熱器數量要增加38%~40%，加大了有色金屬耗量和相應的能源消耗。

    3)風速變化對干盤管和濕盤管綜合制冷系數的影響。

    空調系統的輸送能耗主要由水側和空氣側能耗組成。水泵消耗的電力主要用于克服換熱器、冷凍機蒸發器、水管路、水管路部件的阻力，其中換熱器在設計水流量下的阻力是水側電力消耗的重要部分。同時風機電機消耗電量將處理后的空氣送到空調區域。綜合考慮克服盤管換熱器水側和風側阻力所需風機和水泵功耗，可采用單位綜合功耗制冷性能系數的方法，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—制冷時干盤管風側阻力消耗的風機功率(W)；NWC—制冷時水側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，風速變化和水速變化對干式盤管和濕式盤管綜合制冷系數的影響。

    從圖中可看出，隨著迎面風速的增加，綜合制冷系數減小；隨著管內水速的增加，綜合制冷系數先有微小的增加，然后減小。變風速下濕、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之比在1.78~1.96，標準工況下的綜合制冷系數之比為1.86。由此可見，從空調末端的輸送能耗角度看，濕盤管優于干盤管換熱器，消除相同的室內冷負荷，采用的換熱盤管尺寸小，可有效節省金屬耗量和減少生產能耗。

    4·結論

    1)在空氣進風參數為干球溫度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速的加大而增加，隨著管內水速的加大而減小。

    2)在標準進風空氣狀態點下，濕、干盤管換熱器空氣側的阻力分別為107Pa和85Pa，隨著迎面風速的增加，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%。負擔同樣的室內冷負荷，空調設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生的能源消耗，對于低碳節能建筑設計時，應綜合分析能耗。

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

    從空調末端的輸送能耗角度看，濕盤管優于干盤管換熱器。

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《組合式空調機組》[S].北京:中國標準出版社,2009.

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

[4]中國建筑科學研究院應用基金項目《組合式空調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，國家空調設備質量監督檢驗中心副主任，中國建筑科學研究院建筑環境與節能研究院。北京市北三環東路30#，100013，(010)64517653，caoyang@ncsa.cn.研究領域：采暖空調通風設備和系統流程的檢測、節能控制，產品性能研究。