迎面風(fēng)速對(duì)空調(diào)機(jī)組運(yùn)行能耗影響的研究

熊宇聰 戴飛 袁建華

1大連理工大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)部

2湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司常德卷煙廠

迎面風(fēng)速對(duì)空調(diào)機(jī)組運(yùn)行能耗影響的研究

熊宇聰1戴飛2袁建華2

1大連理工大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)部

2湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司常德卷煙廠

針對(duì)空氣處理機(jī)組迎面風(fēng)速采用2.5m/s經(jīng)典的設(shè)計(jì)值，本文從節(jié)能的角度對(duì)不同迎面風(fēng)速下的表冷盤管的冷卻除濕能力、空氣處理機(jī)組的內(nèi)部阻力損失等參數(shù)進(jìn)行了性能測(cè)試和對(duì)比分析，并結(jié)合空氣處理機(jī)組的兩種不同應(yīng)用案例的全年能耗模擬分析，提出降低空氣處理機(jī)組的迎面風(fēng)速設(shè)計(jì)值，有益于減少空調(diào)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。對(duì)于全年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、室內(nèi)負(fù)荷大、溫濕度精度要求高的空調(diào)應(yīng)用場(chǎng)合，其投資回報(bào)效果更好。

迎面風(fēng)速空氣處理機(jī)組表冷盤管空氣過濾器能耗

空氣處理機(jī)組廣泛應(yīng)用于不同類型建筑物的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空氣的集中過濾、凈化、熱濕處理以及輸送等多種功能。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，空調(diào)風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗占據(jù)了建筑物通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗的30%～40%。風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗與系統(tǒng)阻力成正比。因此，通風(fēng)管道系統(tǒng)和設(shè)備的限制越多，系統(tǒng)阻力越高，風(fēng)機(jī)能耗也越大。目前空氣處理機(jī)組的斷面尺寸均采用典型的2.5m/s迎面風(fēng)速進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不考慮實(shí)際應(yīng)用的具體情況。隨著建筑節(jié)能形勢(shì)對(duì)高能效設(shè)備的需求，這種典型的2.5m/s迎面風(fēng)速設(shè)計(jì)是不是最佳的選擇？本文針對(duì)空氣處理機(jī)組在不同類型建筑物的應(yīng)用，探索研究了降低迎面設(shè)計(jì)風(fēng)速后，空氣處理機(jī)組的運(yùn)行能耗、初投資、表冷器的換熱性能、過濾器的阻力等參數(shù)變化，并對(duì)其節(jié)能效果及投資回報(bào)期進(jìn)行了評(píng)估。

1 理論根據(jù)

空氣處理機(jī)組的風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率消耗可通過下面的公式進(jìn)行評(píng)估[1]：

式中：Np為風(fēng)機(jī)電機(jī)的額定功率，W；Pt為風(fēng)機(jī)總壓頭（系統(tǒng)壓降），Pa；L為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；ηt為風(fēng)機(jī)的全壓效率；ηc為機(jī)械傳動(dòng)效率；m為電機(jī)容量安全系數(shù)。

從式（1）可以看出，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的阻力損失是影響風(fēng)機(jī)能耗的重要因素，而通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的阻力損失一半以上發(fā)生在空氣處理機(jī)組內(nèi)部。

2 迎面風(fēng)速對(duì)表冷盤管性能的影響

在進(jìn)行空氣處理機(jī)組截面尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，通常的做法是將表冷盤管的迎面風(fēng)速確定為2.5m/s，因?yàn)檫@一風(fēng)速不會(huì)導(dǎo)致翅片表面的冷凝水滴吹落到表冷盤管出風(fēng)側(cè)的外沿。當(dāng)表冷盤管的翅片間距采用3.2mm時(shí)，實(shí)踐證明效果很好。但當(dāng)翅片間距減小時(shí)（如2.8mm），若表冷盤管的迎面風(fēng)速仍按2.5m/s設(shè)計(jì)，則盤管表面的冷凝水會(huì)從出風(fēng)側(cè)飄出，此時(shí)應(yīng)在表冷盤管的出風(fēng)側(cè)安裝擋水板，盤管空氣側(cè)的阻力也隨之增加，清洗盤管時(shí)翅片間的縫隙也將變小，并且在盤管的出風(fēng)面不方便清洗表冷盤管。

從空氣處理機(jī)組的制造成本角度考慮，降低迎面風(fēng)速的設(shè)計(jì)值，如從2.5m/s降低到2.0m/s，機(jī)組在截面的高度和寬度尺寸上將有所增加，但在長(zhǎng)度尺寸上可以減少。首先，表冷盤管的出風(fēng)側(cè)可以不設(shè)擋水板，盤管底部的不銹鋼凝水盤在氣流方向上的長(zhǎng)度隨之減小，機(jī)組表冷段的段長(zhǎng)尺寸也隨之縮短。筆者認(rèn)為，降低迎面風(fēng)速的設(shè)計(jì)值，不會(huì)導(dǎo)致空氣處理機(jī)組制造成本的明顯增加，更詳細(xì)的成本核算需要空氣處理機(jī)組制造商的數(shù)據(jù)支持，在此不再贅述。

降低空氣處理機(jī)組迎面風(fēng)速的設(shè)計(jì)值，在表冷盤管上一個(gè)很明顯的節(jié)能效果是降低了盤管空氣側(cè)的阻力損失（包括擋水板的阻力損失）。筆者對(duì)一臺(tái)六排、片距為3.2mm表冷盤管在迎面風(fēng)速分別為2.5m/s和2.0m/s條件下阻力損失進(jìn)行了測(cè)試[2]，測(cè)試結(jié)果表明：表冷盤管空氣側(cè)的阻力損失從145.6Pa（含擋水板阻力）降到了73Pa（無擋水板），阻力損失幾乎減少了一半。進(jìn)一步，筆者對(duì)該表冷盤管在迎面風(fēng)速分別為2.5m/s、2.0m/s和1.5m/s三種條件下的換熱性能進(jìn)行了測(cè)試[2]。測(cè)試方法及測(cè)試方案依據(jù)GB/T 14296-2008《空氣冷卻器與空氣加熱器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行，測(cè)試的工況條件是：冷凍供水溫度統(tǒng)一為9℃、盤管水流速1m/s（額定工況）；盤管進(jìn)風(fēng)側(cè)的空氣參數(shù)統(tǒng)一為：干球溫度27℃、濕球溫度22℃。測(cè)試內(nèi)容是表冷盤管在三種不同迎面風(fēng)速下對(duì)空氣冷卻除濕的出風(fēng)參數(shù)，測(cè)試結(jié)果表1所示。

表1 不同迎面風(fēng)速下表冷盤管冷卻除濕能力測(cè)試數(shù)據(jù)

將上述三種迎面風(fēng)速工況下表冷盤管的空氣冷卻除濕處理過程繪制在焓濕圖上，如圖1所示。

圖1 不同迎面風(fēng)速下表冷盤管的空氣處理過程

從圖1的焓濕圖分析上可以看出，對(duì)于相同的冷凍供水溫度和進(jìn)風(fēng)空氣參數(shù)工況下，表冷盤管的迎面風(fēng)速越小，其處理后的空氣露點(diǎn)溫度越低，即冷卻除濕能力越強(qiáng)。其原因在于，迎面風(fēng)速降低時(shí)，空氣在盤管翅片間的停留時(shí)間更長(zhǎng)。這一點(diǎn)對(duì)于空調(diào)制冷系統(tǒng)的變冷凍水溫節(jié)能運(yùn)行具有更大的意義。即：當(dāng)室內(nèi)溫濕度工藝參數(shù)一定時(shí)，其對(duì)應(yīng)的空氣處理機(jī)組的機(jī)器露點(diǎn)溫度隨之確定，采用較低迎面風(fēng)速的表冷盤管對(duì)冷凍供水溫度的需求也隨之提高。提高冷凍供水溫度，可以明顯節(jié)省制冷機(jī)組的運(yùn)行能耗。對(duì)于水冷離心式制冷機(jī)組，每提高1℃的供水溫度，制冷機(jī)組可節(jié)省3%～4%左右的運(yùn)行能耗[3]。

3 迎面風(fēng)速對(duì)空氣過濾器運(yùn)行的影響

空氣過濾器作為空氣處理機(jī)組的必備部件，為建筑物的室內(nèi)環(huán)境以及通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和設(shè)備的本身提供了衛(wèi)生保證，其功能是對(duì)建筑物內(nèi)部產(chǎn)生的微顆粒污染物和通過新風(fēng)系統(tǒng)吸入的室外懸浮顆粒物進(jìn)行過濾凈化。因?yàn)榭諝膺^濾器不斷地捕捉微顆粒，因此其壽命是有限的，當(dāng)其阻力達(dá)到終阻力時(shí)，空氣過濾器需要定期清洗或更換?？諝膺^濾器的有效使用壽命一般取決于其過濾效率級(jí)別、濾料材質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸和使用環(huán)境。

通過濾料的過濾風(fēng)速是影響空氣過濾器過濾效率、運(yùn)行阻力的關(guān)鍵因素。按GB/T 14295-2008《空氣過濾器》的分類，從中效過濾器到高效過濾器，空氣過濾器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上基本上要通過擴(kuò)大過濾面積來獲得較低的運(yùn)行初阻力，比如：中效過濾器通常采用袋式結(jié)構(gòu)，高效過濾器采用密褶式結(jié)構(gòu)。對(duì)于空氣處理機(jī)組內(nèi)部安裝的特定空氣過濾器，其阻力損失與過濾風(fēng)速的平方成正比，過濾效率隨著過濾風(fēng)速的降低而提高。減少空氣處理機(jī)組的迎面風(fēng)速設(shè)計(jì)值，有利于降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗，同時(shí)獲得更高的過濾效率。

據(jù)國(guó)外有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[4]，空氣過濾器全壽命周期的成本（Total Life-Cycle Cost,LCC）由四部分組成：過濾器的采購(gòu)成本、過濾器的更換或清洗人工成本、過濾器的廢棄環(huán)境成本、以及通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)花在過濾器上的運(yùn)行能耗成本。其中，前三項(xiàng)成本合計(jì)只占LCC的30%，而運(yùn)行能耗成本占到LCC的70%。因此，降低空氣處理機(jī)組的迎面設(shè)計(jì)風(fēng)速，有益于空氣過濾器的LLC值。

4 案例對(duì)比分析

為評(píng)估迎面風(fēng)速設(shè)計(jì)值小于2.5m/s時(shí)，空氣處理機(jī)組可能出現(xiàn)的節(jié)能效果以及對(duì)初投資的影響，筆者選擇了空氣處理機(jī)組的兩種不同的應(yīng)用場(chǎng)合來進(jìn)行模擬分析。運(yùn)行成本是按實(shí)際的室內(nèi)溫濕度工藝、運(yùn)行時(shí)間要求，并通過建筑設(shè)備能耗模擬軟件測(cè)算得來?？諝馓幚頇C(jī)組的初投資成本由項(xiàng)目中標(biāo)的制造商提供。兩種場(chǎng)合下的變風(fēng)量空氣處理機(jī)組的運(yùn)行，采用靜壓重設(shè)控制模式進(jìn)行全年能耗模擬計(jì)算。在模擬測(cè)算模型中，采用了常德地區(qū)的工業(yè)用電電費(fèi)表來計(jì)算節(jié)省下的電費(fèi)，其平均電費(fèi)按0.72元/kWh計(jì)算。

表2 精密實(shí)驗(yàn)室變風(fēng)量空氣處理機(jī)組

案例1（表2）是某卷煙廠技術(shù)中心精密實(shí)驗(yàn)室用全新風(fēng)變風(fēng)量（VAV）空氣處理機(jī)組，室內(nèi)要求恒溫恒濕控制，系統(tǒng)采用7天×24小時(shí)運(yùn)行模式。機(jī)組在每天早8點(diǎn)到晚6點(diǎn)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，維持至少每小時(shí)6次換氣量；其余時(shí)間為值班運(yùn)行狀態(tài)，維持至少每小時(shí)3次換氣量。表2為空氣處理機(jī)組采用2.0m/s和2.5m/s兩種迎面風(fēng)速設(shè)計(jì)值導(dǎo)致的各種差異。從模擬計(jì)算的結(jié)果可以看出，其投資回報(bào)期為3.19年。

案例2（表3）是應(yīng)用于同一棟技術(shù)中心大樓的辦公用空調(diào)系統(tǒng)，該空調(diào)系統(tǒng)采用一臺(tái)帶回風(fēng)的變風(fēng)量（VAV）空氣處理機(jī)組。其工作時(shí)間模式為周一至周五的早8點(diǎn)到晚6點(diǎn)。模擬結(jié)果顯示其節(jié)約下來的能耗費(fèi)用比案例1需要更長(zhǎng)的回報(bào)期，這是因?yàn)槠湎鄬?duì)短的全年運(yùn)行時(shí)間和較低的室內(nèi)溫濕度精度要求。案例1和案例2都沒有在機(jī)組重量方面存在較大的差別，該差異主要由表冷盤管和電機(jī)重量造成。

表3 辦公樓變風(fēng)量空氣處理機(jī)組

上述年度運(yùn)行能耗成本中，考慮了空氣處理機(jī)組的風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗及冷量消耗所折算的制冷機(jī)組能耗，沒有考慮加熱所消耗的能耗。同時(shí)，忽略了空氣處理機(jī)組在截面尺寸增加、長(zhǎng)度減少所對(duì)應(yīng)安裝空間成本的變化。筆者認(rèn)為，降低迎面風(fēng)速設(shè)計(jì)值，取得最佳的節(jié)能效果和投資回報(bào)期，需要和空調(diào)制造商通力合作。對(duì)于全年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、室內(nèi)負(fù)荷大、溫濕度控制精度要求高的空調(diào)應(yīng)用場(chǎng)合，更合適選擇迎面風(fēng)速設(shè)計(jì)值較低的空氣處理機(jī)組。

5 結(jié)論

降低空氣處理機(jī)組的迎面風(fēng)速設(shè)計(jì)值，有利于減少空氣處理機(jī)組的運(yùn)行阻力損失，提高表冷盤管的冷卻除濕能力，從而節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。同時(shí)，它還具有噪音低、更高過濾效率等優(yōu)點(diǎn)。其投資回報(bào)期的長(zhǎng)短取決于空氣處理機(jī)組的應(yīng)用場(chǎng)合、空調(diào)負(fù)荷強(qiáng)度和全年運(yùn)行時(shí)間。通過能量模擬測(cè)算軟件工具有助于更好地理解全年不同負(fù)荷下的運(yùn)行成本，以及如何選擇空氣處理機(jī)組的最佳迎面風(fēng)速設(shè)計(jì)值。

[1]趙榮義.簡(jiǎn)明空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1998

[2]國(guó)家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心.不同工況下的表冷器性能檢測(cè)報(bào)告(國(guó)空質(zhì)檢(委)字(2013)第GZLR05號(hào))[R].北京:國(guó)家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心,2013

[3]林榮欣,敖順榮.卷煙廠空調(diào)與制冷系統(tǒng)聯(lián)機(jī)運(yùn)行節(jié)能策略[J].煙草科技,2002,(6):38-42

[4]M Chimack,D Sellers.Using Extended Surface Air Filters in HVAC Systems:Reducing Utility and Maintenance Costs while Benefiting the Environment[R].ACEEE,2000

Study on AHU’s Ene rgy Cons um ption unde r Diffe re nt Fa c e Ve loc ity Se le c tion

XIONG Yu-cong1,DAI Fei2,YUAN Jian-hua2
1 School of Electronic Information and Electrical Engineering,Dalian University of Technology
2 Changde Cigarette Factory of China Tobacco Hunan Industrial Co.,Ltd.

For AHU’s face velocity using 2.5m/s classic design value,this article,from the point of view of energy saving,describes the cooling coil’s performance tests and comparative analysis under different AHU’s face velocity,in terms of cooling coil’s dehumidifying ability and AHU internal pressure drop and other parameters.With combination of the annual energy simulation analysis in two different AHU applications,this article makes a point that lower AHU’s face velocity would be beneficial to reduce the operating cost of the HVAC system.It will get a much shorter payback for the projects that tend to have higher annual operating hours,high internal loads and precise environment requirement. Keywords:face velocity,air handling unit,cooling coil,air filter,energy consumption

1003-0344（2014）06-090-4

2013-11-8

熊宇聰（1994～），男，本科；遼寧省大連市甘井子區(qū)凌工路2號(hào)大連理工大學(xué)電信學(xué)部（116024）；E-mail:xsc_2@sina.com