風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題研究

吳志湘,張敏臘,陶紅菲

(1.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.新疆工程學(xué)院 安全工程系,新疆 烏魯木齊市 830091)

0 引 言

風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是應(yīng)用廣泛的一種空調(diào)方式,具有使用靈活、投資少等諸多優(yōu)點(diǎn),常用于賓館客房、辦公樓、醫(yī)院等場合[1-4]．盡管風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)成熟且應(yīng)用普遍,但在實(shí)踐中因盤管選型及系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的問題時(shí)有發(fā)生,因此根據(jù)具體條件合理地選用風(fēng)機(jī)盤管,進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保證風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)成功的重要環(huán)節(jié)[5-6].但就目前的設(shè)計(jì)狀況來看,設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)此類空調(diào)系統(tǒng)時(shí),通常認(rèn)為風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)較小,忽略了空氣處理過程,未進(jìn)行實(shí)際工況送風(fēng)量、冷負(fù)荷、阻力等的計(jì)算;或是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì),缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)支持;或是自身的設(shè)計(jì)方法存在問題[7-10].因此無論在風(fēng)機(jī)盤管的選擇、風(fēng)管的設(shè)計(jì)以及空調(diào)水支干管的布置等方面都或多或少存在著一些不合理之處.本文以設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)為依據(jù),特針對這些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)展開討論,以保證該系統(tǒng)的正確應(yīng)用.

1 風(fēng)機(jī)盤管空氣處理過程及其特性

1.1 空氣處理過程

在風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中,對新風(fēng)的處理方式主要有兩種[11]:

(1) 將新風(fēng)處理到室內(nèi)狀態(tài)的等含濕量線上.此時(shí)風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組負(fù)擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷,部分冷負(fù)荷；新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)室內(nèi)部分冷負(fù)荷，新風(fēng)負(fù)荷和濕負(fù)荷.

(2) 將新風(fēng)處理到室內(nèi)狀態(tài)的等焓線上.新風(fēng)在新風(fēng)機(jī)組內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷卻減濕的過程,室內(nèi)空氣在風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷卻減濕過程,并采用將新風(fēng)直接送入房間的方式,二者處理后的空氣在室內(nèi)進(jìn)行混合,達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn),滿足室內(nèi)溫濕度要求,此時(shí)新風(fēng)機(jī)組只承擔(dān)新風(fēng)本身的負(fù)荷,風(fēng)機(jī)盤管承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷.此方式的優(yōu)點(diǎn)是新風(fēng)不負(fù)擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷,室內(nèi)負(fù)荷變化時(shí)僅需調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)盤管的供冷量即可保證室內(nèi)溫濕度要求．

上述方法中尤以后者更為常用.

1.2 風(fēng)機(jī)盤管的特性

風(fēng)機(jī)盤管不像組合式空調(diào)機(jī)組,不包含過濾、加濕及熱回收等功能段,只能實(shí)現(xiàn)冷卻,加熱及除濕的功能,且一旦選定風(fēng)機(jī)盤管,其制冷量是固定值.而影響制冷量的主要因素包括供水量、供回水溫(差)、送風(fēng)量以及機(jī)外余壓,這幾個(gè)因素都有其上限值且均為固定值.要滿足房間的熱濕度要求,可以通過調(diào)節(jié)供水量及送風(fēng)量來進(jìn)行制冷量的調(diào)節(jié),因此可知當(dāng)選擇的風(fēng)機(jī)盤管不合適的話會(huì)存在制冷量不匹配的問題.同樣的,對于新風(fēng)機(jī)組、單元式空調(diào)器等也存在上述特性.

2 常見問題分析

2.1 風(fēng)機(jī)盤管規(guī)格確定

目前在風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,相當(dāng)一部分設(shè)計(jì)人員認(rèn)為風(fēng)機(jī)盤管的型號確定主要參考量是風(fēng)盤的制冷量與室內(nèi)冷負(fù)荷.當(dāng)風(fēng)盤制冷量大于室內(nèi)冷負(fù)荷時(shí),室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度就能夠得到保證.但是有學(xué)者對此持不同的意見,指出風(fēng)量是冷量的載體,它直接決定了送入室內(nèi)冷量的多少,因此風(fēng)盤選型應(yīng)該優(yōu)先考慮風(fēng)量[12].下面用實(shí)例來進(jìn)行具體的分析對比,明確風(fēng)機(jī)盤管的規(guī)格確定是依據(jù)風(fēng)量還是依據(jù)冷負(fù)荷.

某地夏季室外空氣計(jì)算參數(shù)為Wx(30.5 ℃,30.2 ℃),該地某商務(wù)酒店客房內(nèi)的設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)為Nx(26 ℃,60%),對應(yīng)的hNx=56.3 kJ/kg,風(fēng)機(jī)盤管采用露點(diǎn)送風(fēng)的方式,送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O的焓值hOx=45.2 kJ/kg.根據(jù)已知條件可求出某客房全熱負(fù)荷為Q=1.5 kW.用于消除該客房余熱和余濕的送風(fēng)量為L=Q/(hnx-hox)=430 m3/h.

另外,由上述的實(shí)例知盤管的實(shí)際工況為(25 ℃/18.3 ℃),而名義工況為(27 ℃/19.5 ℃),實(shí)際工況優(yōu)于名義工況,因此不需要進(jìn)行修正計(jì)算.

(1) 依據(jù)冷負(fù)荷確定風(fēng)盤規(guī)格 這種方法是目前較多使用的選型方法,主要是按照房間的最大冷負(fù)荷來選用風(fēng)機(jī)盤管,認(rèn)為只要盤管制冷量大于冷負(fù)荷就能夠使室內(nèi)的溫濕度達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

圖 1 風(fēng)機(jī)盤管空氣處理過程Fig.1 Air handling process of fan coil

(2) 依據(jù)風(fēng)量確定風(fēng)盤規(guī)格 由于風(fēng)機(jī)盤管有高、中、低三速開關(guān),綜合考慮到制冷量、能耗、噪音,降級調(diào)節(jié)以及計(jì)算的準(zhǔn)確性等因素,通常以中速對應(yīng)的風(fēng)量作為參考量.由之前的計(jì)算知風(fēng)量Lf=500 m3/h,據(jù)風(fēng)量選擇規(guī)格為FP-51WA標(biāo)準(zhǔn)型風(fēng)機(jī)盤管1臺,其額定風(fēng)量為510 m3/h,額定冷量為2.2 kW.

表 1 兩種規(guī)格確定方法對應(yīng)的風(fēng)盤對比表Table 1 Comparison of the fan coil units corresponding to the two methods

2.2 風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)管設(shè)計(jì)

有的暖通設(shè)計(jì)人員認(rèn)為風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模小而不必進(jìn)行風(fēng)阻計(jì)算,往往只是關(guān)注送回風(fēng)口的位置,而忽視了風(fēng)管系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)盤管機(jī)外余壓的關(guān)系.對于接風(fēng)管的風(fēng)機(jī)盤管,考慮到風(fēng)管及送回風(fēng)口會(huì)帶來一部分的阻力,一般采用高靜壓型(通常為30 Pa或50 Pa)[13].送風(fēng)管的連接方式主要有兩種:

(1) 風(fēng)管通過變徑管與機(jī)組的出口連接,管徑按照假定流速的方法確定,具體連接見圖2(a);

(2) 風(fēng)管直接與機(jī)組的出口連接,管徑取機(jī)組出口的尺寸,見圖2(b).

采用變徑連接可以滿足管內(nèi)風(fēng)速要求,同時(shí)相比于方式二可以節(jié)省管材,但是需要校核風(fēng)系統(tǒng)總阻力.

(a) 方式一 (b) 方式二圖 2 風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)管接管方式Fig.2 The pipeline connection of fan coil

以此商務(wù)酒店茶秀某包間為例,該包間長為7.8 m,寬為5.1 m,送風(fēng)量為450 m3/h,已知風(fēng)機(jī)盤管余壓為30 Pa,送風(fēng)口尺寸分為180 mm×180 mm,且阻力為21.9 Pa,回風(fēng)口尺寸為200 mm×300 mm且阻力為2.9 Pa,按照文獻(xiàn)[14]中提到的方法,對以上兩種風(fēng)管連接方式進(jìn)行水力計(jì)算:

(1) 各管段沿程阻力損失ΔPy=Rm×L,

(3) 管段的壓力損失ΔP=ΔPy+ΔPj.

其中:Rm為比摩阻,Pa/m;L為管長,m;ξ為局部阻力系數(shù);ρ為流體密度,kg/m3;v為流速,m/s.

假定管內(nèi)流速為3 m/s,取得管徑為200 mm×160 mm,實(shí)際流速v=3.1 m/s.送風(fēng)管段局部阻力構(gòu)件包括三通、變徑、送風(fēng)口等,回風(fēng)管段局部阻力構(gòu)件有回風(fēng)口等,見圖2(a);按照方式一對風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算.

表 2 變徑連接的風(fēng)系統(tǒng)水力計(jì)算表Table 2 Wind system of Variable diameter connection hydraulic calculation table

計(jì)算得總阻力為29 Pa.考慮到風(fēng)機(jī)的安全裕量,取安全系數(shù)K=1.1,由于ΔP-ΔPj=30/1.1-29=-1.73 Pa< 0,說明采用變徑連接方式的風(fēng)系統(tǒng)總阻力大于風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)壓,因此房間所需的送風(fēng)量不能按照要求送入房間,無法滿足房間設(shè)計(jì)溫濕度.

機(jī)械的用假定流速法確定風(fēng)管尺寸(即方式一)致使風(fēng)系統(tǒng)阻力大于風(fēng)機(jī)盤管提供的風(fēng)壓,證明該方式不可取,應(yīng)考慮按照前述方式二連接風(fēng)管.已知風(fēng)機(jī)盤管出口尺寸為585 mm×140 mm,送風(fēng)管段上的局部阻力構(gòu)件為三通、送風(fēng)口等,詳見圖2(b).按照方式二對風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算(已知送風(fēng)口阻力為21.9 Pa,回風(fēng)口阻力為2.9 Pa).

表 3 直接連接的風(fēng)系統(tǒng)水力計(jì)算表Table 3 Hydraulic calculation table of direct connection wind system

計(jì)算得總阻力為27.05 Pa.由計(jì)算結(jié)果知ΔP-ΔPj=30/1.1-27.05=0.23 Pa.該風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)管布置,既滿足氣流組織要求,也與配匹的風(fēng)機(jī)性能相吻合,能滿足室內(nèi)所需送風(fēng)量.

2.3 水環(huán)路的布置

目前在風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,常見的水平支干管的布置方式是將新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管布置在同一個(gè)水環(huán)路中,沒有綜合考慮到設(shè)備的阻力,這種布置方式存在一定的弊端.

對于相同功能的空調(diào)區(qū)域,大部分的風(fēng)機(jī)盤管規(guī)格都是相同或相近的;對于個(gè)別空調(diào)負(fù)荷較大的區(qū)域,往往會(huì)布置多臺風(fēng)機(jī)盤管.即風(fēng)機(jī)盤管的水側(cè)阻力通常大致相近.而同一層中的空調(diào)末端,通常不僅有數(shù)量占多數(shù)的風(fēng)機(jī)盤管,還會(huì)有一臺或若干臺新風(fēng)機(jī)組.就整棟建筑而言,各層的水平干管往往布置為同程.

某一層干管采用同程布置的時(shí)候,對各風(fēng)機(jī)盤管回路而言,各管段管長基本相同,管件基本相同,且流量也基本相同,所以對于并聯(lián)支路,易實(shí)現(xiàn)水力平衡,因此系統(tǒng)的流量分配均勻,水力穩(wěn)定性較好.但在布置同程管路的時(shí)候應(yīng)該綜合考慮到設(shè)備的阻力,此時(shí),阻力最大機(jī)組所在的環(huán)路為該層各并聯(lián)環(huán)路中的最不利環(huán)路.

以上述商務(wù)酒店4樓水環(huán)路為例,共有23臺風(fēng)機(jī)盤管,1臺新風(fēng)機(jī)組,最遠(yuǎn)處風(fēng)機(jī)盤管的水阻為20 kPa,新風(fēng)機(jī)組的風(fēng)量為2 000 m3/h,水阻為37 kPa.布置形式見圖3.

圖 3 水平支干管的布置圖Fig.3 Layout of horizontal branch pipe

經(jīng)水力計(jì)算得最不利環(huán)路為新風(fēng)機(jī)組所在環(huán)路,供回水干管總阻力為1.7 m H2O,新風(fēng)機(jī)組的水阻為3.7 m H2O,則系統(tǒng)的總阻力為5.4 m H2O.最遠(yuǎn)處風(fēng)機(jī)盤管所在的環(huán)路損失為2.9 m H2O,則不平衡率為46.3%,說明最遠(yuǎn)處風(fēng)機(jī)盤管的資用壓力過大,這樣導(dǎo)致進(jìn)入其中的水量增加,使得所在的空調(diào)區(qū)溫濕度發(fā)生改變,同時(shí)進(jìn)入新風(fēng)機(jī)組的水流量減少,新風(fēng)難以處理到預(yù)期的效果.對于這種情況,可以在每個(gè)風(fēng)機(jī)盤管水管上面加調(diào)節(jié)閥,來調(diào)節(jié)進(jìn)入風(fēng)機(jī)盤管的水量.但這種方法存在一定的弊端,隨著調(diào)節(jié)閥數(shù)量的增加,會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行調(diào)節(jié)復(fù)雜、初投資及維護(hù)成本增加,是不可取的.

由于新風(fēng)機(jī)組的水阻大于風(fēng)機(jī)盤管的水阻,且最不利環(huán)路為新風(fēng)機(jī)組所在環(huán)路,考慮將新風(fēng)機(jī)組和所有的風(fēng)機(jī)盤管分開接,從供水立管接出兩根水平干管,分別接新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管,形成兩個(gè)水環(huán)路,并在各干管上安裝調(diào)節(jié)閥.具體連接方式見圖4.

圖 4 水平支干管的連接方式圖Fig.4 Connection diagram of horizontal branch pipe

這種連接方式對于風(fēng)機(jī)盤管所在水環(huán)路易達(dá)到平衡,而且減少了閥門的使用,因此調(diào)節(jié)簡便,節(jié)省初投資,維護(hù)成本降低.

3 結(jié) 論

(1) 在選擇風(fēng)機(jī)盤管的規(guī)格時(shí),應(yīng)保證風(fēng)機(jī)盤管的額定風(fēng)量和制冷量均滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)要求.在實(shí)際運(yùn)行中,可通過三速開關(guān)調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電壓,以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,進(jìn)而滿足房間溫濕度的要求.

(2) 風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)管布置,既要考慮氣流組織,也應(yīng)進(jìn)行水力計(jì)算和校核,使之與配匹風(fēng)機(jī)性能相吻合,進(jìn)而滿足室內(nèi)所需送風(fēng)量.若對風(fēng)系統(tǒng)不進(jìn)行水力平衡的計(jì)算,可能會(huì)存在的系統(tǒng)阻力大于機(jī)外余壓的情況,導(dǎo)致送風(fēng)量減少,因此認(rèn)為風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)系統(tǒng)規(guī)模小而不必進(jìn)行水力計(jì)算是不妥的.

(3) 同層建筑若新風(fēng)機(jī)組與風(fēng)機(jī)盤管共存時(shí),為保證水力平衡且調(diào)節(jié)方便,應(yīng)將兩者分設(shè)環(huán)路供水,將各路調(diào)節(jié)閥安裝在易于調(diào)節(jié)的位置.在實(shí)際運(yùn)行中,可通過溫度敏感元件、調(diào)節(jié)器和裝在水管上的小型電動(dòng)直通或三通閥自動(dòng)調(diào)節(jié)水量或者水溫.

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