幕墻窗臺式風(fēng)機(jī)盤管研制要點(diǎn)

茆海霞（上海新晃空調(diào)設(shè)備股份有限公司，上海 201601）

隨著我國城市化進(jìn)程的發(fā)展，公共建筑的規(guī)模和數(shù)量不斷增加，建筑能耗不斷上升。在各類建筑物中，中央空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑技術(shù)的重要標(biāo)志之一，是現(xiàn)代建筑創(chuàng)造舒適、高效的工作和生活環(huán)境不可缺少的重要設(shè)施。中央空調(diào)系統(tǒng)是建筑中能耗最大的設(shè)備，在給人們帶來舒適的內(nèi)部環(huán)境的同時(shí)，也造成了巨大的能源消耗，大大增加了建筑物的運(yùn)營成本，也導(dǎo)致能源供需矛盾加劇，建筑節(jié)能的要求迫在眉睫。建筑節(jié)能是指在建筑物的設(shè)計(jì)、建造和使用過程中，執(zhí)行建筑節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)和政策，使用節(jié)能型的建材、器具和產(chǎn)品，提高建筑物的保溫隔熱性能和氣密性能，提高暖通、空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，以減少能源消耗。

北京某項(xiàng)目采用玻璃幕墻外飾，沿玻璃幕墻外區(qū)空調(diào)為實(shí)現(xiàn)保持室內(nèi)溫度舒適、防幕墻內(nèi)側(cè)凝露、節(jié)能運(yùn)行等功能，設(shè)計(jì)配置幕墻窗臺式風(fēng)機(jī)盤管（Fan-Coil Unit，F(xiàn)CU） ，四管制熱交換器，根據(jù)朝向差別同時(shí)制冷或采暖。該散流裝置熱交換器介質(zhì)是水，為系統(tǒng)節(jié)能考慮，制冷運(yùn)行時(shí)供回水采用中溫水系統(tǒng)，制冷運(yùn)行進(jìn)/出水 14.9 ℃/19.9 ℃，制熱運(yùn)行進(jìn)/出水 55.0 ℃/45.0 ℃。室內(nèi)空間溫度控制在干球溫度 24.0 ℃，相對濕度 50% 狀態(tài)。

為配合建筑裝飾要求，本項(xiàng)目定制 FCU 為窗臺飾板框架、立式安裝風(fēng)機(jī)盤管一體機(jī)形式，飾板施工另由專業(yè)裝飾單位承擔(dān)。限制機(jī)組厚度 ≤ 200 mm，高度 ＜ 650 mm；下回風(fēng)、頂出風(fēng)。以滿足玻璃幕墻室內(nèi)側(cè)裝飾整體視覺美觀。

根據(jù)項(xiàng)目要求，結(jié)合長期非標(biāo) FCU 定制經(jīng)驗(yàn)，分析該項(xiàng)目技術(shù)交底相關(guān)設(shè)備資料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明，找出與傳統(tǒng)立式暗裝 FCU 產(chǎn)品的差異難點(diǎn)，研制玻璃幕墻窗臺式風(fēng)機(jī)盤管一體機(jī)款式。在此過程中，先后在機(jī)組熱交換器選型、風(fēng)機(jī)規(guī)格、電機(jī)驅(qū)動及調(diào)節(jié)形式等方面進(jìn)行了非標(biāo)選型、研制、測試、調(diào)適實(shí)踐。

1 項(xiàng)目的技術(shù)要求及設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1.1 項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)要求

項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)要求如表 1 所示。

表1 項(xiàng)目要求技術(shù)參數(shù)表

1.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)要點(diǎn)及難點(diǎn)

1.2.1 較低的能耗設(shè)計(jì)要求產(chǎn)品中檔風(fēng)量 940 m3/h，類比 GB/T 19232—2003《風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組》第 5.1.5、5.1.2.c 條款，參照型號FP 136，國標(biāo)基本功率限值 151 W。本項(xiàng)目要求機(jī)組能耗為108 W，以滿足項(xiàng)目整體為節(jié)能建筑、機(jī)電設(shè)備為節(jié)能產(chǎn)品的評定標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到節(jié)能減排目的。

1.2.2 較高的換熱量

由于本項(xiàng)目為提升冷源側(cè)主機(jī)運(yùn)行能效比（Coefficient Of Performance， COP ）值，經(jīng)二次板交對幕墻窗臺式 FCU提供中溫冷凍供回水，設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng) 24.0 ℃/17.1 ℃，對應(yīng)相對濕度為 50%，設(shè)計(jì)工況下最大熱交換量為 1.822 kW，滿足設(shè)計(jì)要求的 1.600 kW ，但是因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求機(jī)組厚度限值 200 mm，3 排管標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組厚度 230 mm，所以不適用。而較薄2 排管設(shè)計(jì)工況下最大熱交換量僅為 1.502 kW，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此如何在厚度限制前提下，提高現(xiàn)有盤管的換熱能力，是產(chǎn)品研制過程中有關(guān)熱交換器面臨的主要問題。

1.2.3 較小的外形尺寸

超薄緊湊的外形尺寸限制，不僅增加了框架部分的加工難度，并且設(shè)備厚度變小，意味著熱交換器的寬度變小、風(fēng)機(jī)渦殼規(guī)格變小，機(jī)組內(nèi)氣流組織和均勻度、盤管的有效換熱面積都因之發(fā)生改變，勢必會影響盤管的換熱量。因此，在研發(fā)設(shè)計(jì)中須采取有效措施增大盤管的換熱系數(shù)。

1.2.4 制熱量

在制熱工況下，水溫條件較好，制冷如符合要求制熱基本也符合要求，故此不贅述。

2 產(chǎn)品研制過程和方案

上述所提到的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和難點(diǎn)中，對能耗限值問題設(shè)想通過優(yōu)化驅(qū)動電機(jī)與控制方式來解決，并在直流電機(jī)的選擇中作詳述。熱交換能力缺陷擬通過優(yōu)化盤管形式、提高傳熱系數(shù)加以對應(yīng)。在盤管熱交換性能、電機(jī)適用優(yōu)化基礎(chǔ)上，兼顧盤管成型工藝、適配風(fēng)機(jī)規(guī)格的調(diào)整，以達(dá)成機(jī)組整體構(gòu)造緊湊超薄的目標(biāo)。

2.1 選用定制的直流電機(jī)

本次研制高效節(jié)能窗臺風(fēng)機(jī)盤管的電機(jī)是專業(yè)定制的恒功率直流電機(jī)（C.T.電機(jī)），采用整體環(huán)形永磁轉(zhuǎn)子＋無霍爾傳感器＋矢量控制技術(shù)，提高工作效率。對比相同性能高品質(zhì)單相交流電機(jī)，分級擋位平均節(jié)能 ＞30%。

2.1.1 永磁轉(zhuǎn)子

電機(jī)轉(zhuǎn)子以永磁體為材料，相比勵磁交流異步電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）C.T. 電機(jī)采用整體環(huán)形永磁轉(zhuǎn)子，即勵磁來源于永磁體，不像交流異步電機(jī)那樣需要從電網(wǎng)吸取勵磁電流，所以大大降低了電磁噪聲。

（2）由于轉(zhuǎn)子中無交變磁通，轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量交流異步電動機(jī)高（一般來說，永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)的力能指數(shù)即ηcosθ比同容量三相交流異步電機(jī)高12%～20%）。能耗降低的同時(shí)也降低了運(yùn)行噪聲。

（3）沒有勵磁電流來產(chǎn)生磁場而導(dǎo)致的勵磁損耗（銅耗）。

（4）無刷結(jié)構(gòu)配置，去除了電刷與集電環(huán)之間的接觸損耗，包括接觸部分的電損耗和機(jī)械損耗。

2.1.2 無霍爾傳感器

常規(guī)電機(jī)配置的霍爾傳感器不能耐高溫，怕靜電，接錯線會損壞，且霍爾元件安裝工藝復(fù)雜，一旦損壞后電機(jī)就不能繼續(xù)使用。恒功率直流電機(jī)（C.T. 電機(jī)）因采用磁場導(dǎo)向控制（Field-oriented Control，F(xiàn)OC），替代霍爾傳感器并同時(shí)消除了電機(jī)運(yùn)行中的一大隱患。

2.1.3 矢量控制技術(shù)

此次采用直流電機(jī)應(yīng)用技術(shù)中的磁場導(dǎo)向控制（FOC）。由于處理時(shí)將三相輸出電流及電壓以矢量來表示，因此又稱為矢量控制（Vector Control）。

FOC 矢量控制是一種利用變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）技術(shù)和微電子技術(shù)控制的三相交流電機(jī)（A.C.電機(jī)）的方法。

C.T. 電機(jī)運(yùn)行時(shí)，測量電流，然后將其轉(zhuǎn)換到與電機(jī)的轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系內(nèi)。為了完成這種轉(zhuǎn)換，必須直接測量（通過實(shí)際的速度傳感器）轉(zhuǎn)速和通過無傳感器法檢測轉(zhuǎn)子位置。更好的動態(tài)響應(yīng)（例如加載速度控制方面的變化）、更準(zhǔn)確的機(jī)械扭矩調(diào)節(jié)和更安靜的操作，都也是通過矢量控制，使得電機(jī)能夠達(dá)到恒功率輸出、智能風(fēng)量補(bǔ)償、保持制冷制熱狀態(tài)下充分的風(fēng)量輸出，并持續(xù)穩(wěn)定盤管的傳熱能力。

2.2 逆流式盤管選型分析

FCU 熱交換器（等同稱謂：FCU 盤管）水側(cè)徑流一般由進(jìn)水分流器、與翅片漲接的主管、出水匯流器組成。順氣流水平面銅管支數(shù)稱為排數(shù)(或列數(shù))，垂直面銅管支數(shù)稱為行數(shù)(或孔數(shù))，同樣排數(shù)和行數(shù)的熱交換器由于分流器和匯流器的形式不同，同等主管數(shù)量的盤管，其主管內(nèi)可以形成不同的流速、水阻力，從而影響到盤管的熱交換性能。這類分流器和匯流器的接駁形式，稱為 FCU 盤管的流程（或者叫“回路”）。當(dāng)盤管的冷凍水進(jìn)出方向與氣流方向一致時(shí)，稱之為順流盤管；當(dāng)盤管的冷凍水進(jìn)出方向與氣流方向相反時(shí)，稱之為逆流盤管。為提高 FCU 盤管熱交換性能，首先對盤管的順流、逆流狀態(tài)進(jìn)行理論分析，如圖 1 所示。

圖1 冷、熱流體溫度變化曲線

本項(xiàng)產(chǎn)品研制熱交換目標(biāo)參數(shù)為：制冷量 1.6 kW，由式（1）和式（2）計(jì)算結(jié)果可知，如須達(dá)到目標(biāo)制冷量，出風(fēng)溫度必須低于 18.94 ℃。按設(shè)計(jì)工況—制冷運(yùn)行進(jìn)/出水 14.9 ℃/19.9 ℃、進(jìn)風(fēng) 24 ℃/17.1 ℃，計(jì)算出風(fēng)工況點(diǎn)應(yīng)為 18.9 ℃/15.3 ℃，即出風(fēng)干球溫度低于出水水溫，即圖 3（a）中ta2應(yīng)在tw2之下，顯然采用順流盤管無法達(dá)成研制目的。

由圖 3（b）可知，逆流狀態(tài)下，具備ta2低于tw2的運(yùn)行趨勢，本項(xiàng)研制應(yīng)選取逆流式熱交換器流程。從傳熱學(xué)基本原理來說，對流傳熱為工程目的求解導(dǎo)熱與對流傳熱問題的實(shí)質(zhì)都是要獲得物體中的溫度場，圖 3（b）中 Δt＂的增大正是逆流熱交換溫度場優(yōu)化的結(jié)果。

2.3 盤管的尺寸和冷熱水流程

經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管選型軟件選型，風(fēng)量 940 m3/h，盤管高度210 mm 前提下，合理面風(fēng)速配置，定盤管的有效寬度EL為 1 686 mm。 盤管尺寸和冷熱水流程圖如圖 2 所示。

圖2 盤管尺寸和冷熱水流程圖

2.4 主管規(guī)格的優(yōu)化配置

本次研制過程中，為提高盤管的傳熱系數(shù)，并有效縮減構(gòu)件外形，對銅質(zhì)光滑主管規(guī)格進(jìn)行了優(yōu)化選擇。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為管槽內(nèi)強(qiáng)制對流強(qiáng)化傳熱技術(shù)可以通過改變光滑管的幾何結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)；對于光滑管，減小管子的直徑本身也是一種有效的強(qiáng)化手段；無論層流還是湍流，對流傳熱系數(shù)都與管子直徑呈某種反比例關(guān)系。由此，在額定制冷量對應(yīng)冷凍水流量前提下，對比外徑 9.52 mm、7.92 mm、6.52 mm 3 個(gè)規(guī)格產(chǎn)品的計(jì)算流速、流態(tài) Re 值、水阻，在設(shè)計(jì)限制水阻≤20 kPa 的條件下，主管規(guī)格定型為 7.92 mm(≈φ7)。通過銅管與翅片緊箍圈的“等圓周”計(jì)算，確保銅管鋁箔間有效導(dǎo)熱。結(jié)合薄型尺寸，調(diào)配盤管厚度、高度和翅片密度，使翅片與空氣的有效對流換熱面積與選型模型同質(zhì)換熱相等或略增大，由此來確保盤管整體熱交換性能的實(shí)現(xiàn)。

2.5 研制定型的理論計(jì)算復(fù)核

上述研制選型和優(yōu)化調(diào)配，根據(jù)表 1 中規(guī)定的制冷工況進(jìn)出水溫度為 14.9 ℃/19.9 ℃，進(jìn)風(fēng)干/濕球溫度 24.0℃/17.1 ℃，按目標(biāo)制冷量進(jìn)行的出風(fēng)干球溫度、水流量、對數(shù)平均溫差、制冷量的理論復(fù)核計(jì)算如下所述。

2.5.1 理論的出風(fēng)干球溫度

風(fēng)側(cè)換熱量公式表示如式（1）所示。

式中：qs—全熱換熱量，此處等于顯熱換熱量， kW；

qse—顯熱換熱量，項(xiàng)目設(shè)計(jì)制冷冷量為 1.6 kW；

Cpa—空氣的定壓比熱，1.005 kJ/(kg·K)；

ρa(bǔ)—濕空氣空氣密度，1.205 kg/m3；

Qa—風(fēng)量，940 m3/h；

ta1—盤管進(jìn)風(fēng)溫度，ta1=24.0 ℃；

ta2—盤管出風(fēng)溫度。

ta2可由式（1）推導(dǎo)出，如式（2）所示。

理論出風(fēng)干球溫度ta2=18.94 ℃。

2.5.2 理論水流量

水側(cè)換熱量公式表示為式（3）所示。

式中：qw—水側(cè)換熱量，1.6 kW；

Qw—水流量，m3/h；

ρw—水密度，1000 kg/m3；

Cpw—水的定壓比熱，4.185 kJ/(kg·k)；

tw1、tw2—被試機(jī)進(jìn)、出水溫度，tw1=14.9 ℃、tw2=19.9 ℃；

N—被試機(jī)輸入功率，0.055 kW。

由式（3）推導(dǎo)出式（4）。

經(jīng)計(jì)算，理論水流量Qw=0.285 m3/h

2.5.3 逆流程對數(shù)平均溫度

圖 3 中，ta1為進(jìn)風(fēng)干球溫度，ta2為出風(fēng)干球溫度，tw1進(jìn)水溫度，tw2出水溫度。

由已知條件可知：Δt'=ta1－tw2=24－19.9=4.10 ℃，Δt"=ta2－tw1=18.94－14.9=4.04 ℃

由上可知 Δt'和 Δt"中較大的為 Δtmax=Δt'=4.10 ℃，其中較小的為 Δtmin=Δt"=4.07 ℃

對數(shù)平均溫度計(jì)算公式如式（5）所示。

經(jīng)計(jì)算得，Δtm=4.07 ℃，即窗臺一體機(jī)的理論對數(shù)平均溫度為 4.07 ℃。

2.5.4 理論制冷量

在熱交換器外形尺寸相同的情況下，通過主管管徑的調(diào)配，對比傳統(tǒng) 8 行 3 排的φ9.52 的銅管和優(yōu)化選用的 10 行3 排φ7 銅管的理論制冷量。計(jì)算結(jié)果如表 2 所示。

表2 理論制冷量計(jì)算結(jié)果

由表 2 可知，盤管尺寸和翅片尺寸相同情況下的兩種盤管，φ7 銅管比φ9.52 銅管的換熱系數(shù)更大，制冷量也更大。φ7 盤管的理論制冷量為 1 675 W，項(xiàng)目要求的制冷量為 1 600 W，可以滿足項(xiàng)目要求。φ7 的盤管的理論制熱量為 5 079 W，項(xiàng)目要求的制冷量為 4 200 W，也可以滿足項(xiàng)目要求。

3 新產(chǎn)品測試

3.1 風(fēng) 量

基于工程實(shí)際運(yùn)行冷凍水進(jìn)出水溫的變化可能性，將進(jìn)出水溫度適當(dāng)降低為 12.5℃/17.5 ℃，進(jìn)行干濕工況條件下實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量測定，測定結(jié)果如表 3 所示。由表 3 可以看出，無論是干工況還是濕工況，在直流電機(jī)輸入功率減小至54 W 的情況下，運(yùn)行風(fēng)量為 1 005.9 m3/h 和 996.2 m3/h，都達(dá)到了項(xiàng)目要求的風(fēng)量 940 m3/h。

表3 幕墻窗臺式風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)量測試數(shù)據(jù)

3.2 制冷量

幕墻窗臺式風(fēng)機(jī)盤管制冷量測試數(shù)據(jù)如表 4 所示。由表4 可以看出，在設(shè)計(jì)制冷工況下，研制樣機(jī)換熱量為 1 617 W，比理論換熱量稍低，但是滿足項(xiàng)目要求的制冷量 1 600 W。

表4 幕墻窗臺式風(fēng)機(jī)盤管制冷量測試數(shù)據(jù)

由表 2 可知，制熱工況下的換熱系數(shù)極高，而且理論計(jì)算換熱量的時(shí)候熱量超出了項(xiàng)目要求的 21%，只要冷量能夠達(dá)到要求，熱量也一定能達(dá)到要求。

4 結(jié) 語

本機(jī)組具有節(jié)能高效、美觀、低噪、舒適、健康等優(yōu)點(diǎn)。

（1）節(jié)能高效。① 直流電機(jī)相較于交流電機(jī)更加節(jié)能。② 幕墻窗臺式風(fēng)機(jī)盤管的電機(jī)控制采用矢量控制，讓風(fēng)量可以智能調(diào)節(jié)，保證風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量，更加高效。③ 逆流式熱交換器配置，可相對節(jié)約盤管空間，用較小的外形獲得相對大的熱交換量。④ 優(yōu)化φ7 銅管，銅管的金屬用量減小，但適配前提下盤管的傳熱系數(shù)和換熱量卻增加了。當(dāng)然過分縮小管徑也會導(dǎo)致水阻的急劇增大，應(yīng)注意避免。

（2）美觀、低噪、舒適、健康。① 研制產(chǎn)品暗裝裝配，與室內(nèi)裝飾無縫融合，彰顯內(nèi)飾品質(zhì)。② 機(jī)組低噪聲運(yùn)行，實(shí)測噪聲 ＜40 dB(A)，舒適安靜。③ 出風(fēng)溫度 19 ℃，既有利于全系統(tǒng)高能效運(yùn)行，服務(wù)區(qū)域的熱舒適度也更好。④ 無潛熱，不產(chǎn)生凝結(jié)水，減少細(xì)菌等隱患，有利于室內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生、人員健康。