表冷器运行性能分析

表冷器运行性能分析

周凌云李萌苏夺

摘要：通过计算得出某表冷器模型在不同系统形式中的运行工况数据，由此分析表冷器空调冷水流量百分比与处理负荷百分比之间的关系，为理解空调冷水系统运行工况及改进自动控制方法提供数据依据。

关键词：表冷器；流量百分比；处理负荷百分比；温差

Abstract：Gettheperformancedataandtherelationshipbetweenflowratioandhandlingabilityratioofacoolingcoilsusingindifferentsystems.Analysistheseforunderstandingtheperformanceofchilledwatersystemandimprovingautomaticcontrolmethods.

Keywords：coolingcoils；flowratio；loadratio；temperaturedifference

前言

在广泛使用的全空气空调系统、空气－水空调系统中，表面冷却器（后简称表冷器）是空调箱、风机盘管这些末端设备所必需的部件。通过表冷器，受迫通过其外侧表面的空调进风与强制通过其管束内部的空调冷水进行换热，使空气得以冷却、除湿，满足对服务区域进行供冷的需要。因此，表冷器是空调系统中风系统及水系统的分隔面，也是它们之间相互作用的交接面。在对其进行分析计算时，应兼顾且满足风侧与水侧的各自要求。

将根据表冷器的设计性计算及校核性计算的计算步骤[1]，并结合表冷器模型[1]，对不同系统形式中不同负荷情况下的表冷器运行工况进行分析，从中得出相关数据，为分析空调冷水系统运行工况以及寻求更好的空调系统自动控制方式提供依据。

1表冷器模型

以文献[1]中的6排管JW20-4型表冷器为模型进行模拟计算，其特征参数如下：

Fy＝1.87；Fd＝24.05；fw＝0.00407；N＝6；

表冷器传热系数经验公式为：

其中：

上述公式中符号说明如下：

Fy－迎风面积，m2；

Fd－每排盘管散热面积，m2；

fY－盘管通水断面积，m2；

N－盘管排数；

G－风量，kg/s；

ρa－空气密度，kg/m3；

Vy－面风速，m/s；

W－水量，kg/s；

ρa－水密度，kg/m3；

ω－水流速，m/s；

ξ－析湿系数；

i1－进风空气焓，kJ/kg；

i2－出风空气焓，kJ/kg；

t1－进风空气干球温度，℃；

t2－出风空气干球温度，℃；

Cp－空气定压比热干球温度，kJ/（kg·℃）；

2系统形式

实际工程应用中，设计人员是根据服务区域的具体情况采用不同的空调系统形式。对于表冷器，不同系统形式的差别主要体现在新风处理方式、风量变化方式、设计供回水温度、水量控制措施等几个方面。下文将针对不同系统形式中的上述表冷器模型进行部分负荷下的运行工况分析。为阅读方便，所分析的具体系统形式归纳如下表1，表1中共列出十二种不同系统形式。下文第3节将分析空调冷水流量采用连续调节控制方式时各系统形式中表冷器的运行工况，空调冷水流量采用开关控制控制方式的情况将在第4节另外分析，而第5节将分析当空调冷水供水温度与设计供水温度不同时表冷器的运行工况。

2.1新风处理方式

新风有不同的处理方式及送风方式，图1表示了三种常见的情况。图中A1所示为室外新风直接与空调回风混合后进入表冷器（A1），B2所示为室外新风经新风空调箱处理后与空调回风混合再进入表冷器（B2）,C3所示为空调回风进入表冷器（C3），新风单独处理。本文将针对这三种情况下的空调箱（AHU）表冷器的运行工况进行分析比较，各情况下的风侧参数在后文的额定工况说明中有所表述。

2.2设计供回水温度

尽管冷水机组的额定水温为7℃/12℃，但大温差系统可节省系统输送能耗，所以在很多工程中也采用其它供回水温度来尽量增大温差。将对空调冷水系统设计供回水温度为7℃/12℃（7－12）及5℃/13℃（5－13）这两种情况进行分析。

2.3空调方式

一次回风定风量系统（C）及变风量系统（V）是目前工程中较为常用的空调方式，本文将对这两种方式进行分析。

2.4自控原则

为节省能源，在表冷器供冷情况下，舒适性空调系统往往不会通过再热、加湿来维持室内设计相对湿度。尽管通过表冷器的合理选择可以满足设计工况下室内处于舒适性的相对湿度，但在实际运行过程中，舒适性空调系统的自动控制往往仅以维持室内干球温度为目的，系统没有手段或者不采取措施来进行相对湿度的控制，室内相对湿度随室内负荷的变化而不断变化，且是被动的，只能是随遇而安的。

尽管均以室内干球温度为控制点，不同空调方式所需要的控制原则仍是不同的。在本文的分析中，自动控制系统遵循以下的简单控制原则：在定风量空调系统（C）中，风量维持不变，系统通过调整送风状态来适应室内负荷变化，以维持室内干球温度；在变风量空调系统（V）中，送风状态维持不变，系统通过调整风量来适应室内负荷变化，以维持室内干球温度。

2.5额定工况

不同的系统形式中，表冷器的额定工况并不一定相同。上述十二种系统形式中定风量系统与对应变风量系统的额定工况可以相同，表2列出了在不同的新风处理方式、设计供回水温度的系统形式中上述表冷器的六个额定工况。

2.6部分负荷工况

实际运行过程中，服务区域内空调冷负荷是千变万化的，可能出现的情况是无法列举的。本文从构成空调冷负荷的几个内容的变化情况出发进行分析，具体考虑下面几种负荷变化情况：

2.6.1仅围护结构负荷变化（E）；

2.6.2仅设备负荷及人员负荷变化，且与人员数量等比变化(O)；

2.6.3仅设备负荷、人员负荷及新风量变化，且与人员等比变化(F)；

2.6.4设备负荷、人员负荷、围护结构负荷及新风量与人员均等比变化（P）；

值得说明的是，本文不对新风状态变化产生的影响进行分析，分析中设定新风状态参数一直维持为额定工况时的参数。

3连续调节控制方式下表冷器运行工况分析

根据前面讲到的自控原则，通过计算获得达到稳定状态时各系统形式中表冷器的运行工况数据。表3至表6列出了新风未处理情况下（A1）、设计供回水温度为7℃/12℃（7－12）及5℃/13℃（5－13）的定风量（C）与变风量（V）空调系统，在仅围护结构负荷发生变化时（E），不同围护结构负荷比例情况下的空调冷水流量、处理负荷量及其它有关数据。同样，我们可以得到不同负荷变化规律下其它系统形式中表冷器的运行工况数据，在此不一一列举。

根据这些数据，我们可以得到不同负荷变化规律情况下不同系统形式中表冷器的空调冷水流量百分比（L）（为此时流量与额定流量的百分比）与处理负荷百分比（Q）（为此时处理负荷与额定处理负荷的百分比）之间的L-Q关系图及关系的对比图，在此不一一列举。图2至图5仅为部分有代表性的表冷器L-Q关系对比图，其中：图2为不同新风处理方式的L-Q关系对比图；图3为不同负荷变化规律的L-Q关系对比图；图4为不同空调方式的L-Q关系对比图；图5为不同设计供回水温度的L-Q关系对比图。从这些数据表与对比图中，我们可知：

3.1L-Q关系不是表冷器特性，不是单一的一条曲线。它与系统形式有关，甚至与负荷变化规律有关。

3.2部分负荷情况下，表冷器需求冷水流量百分比低于处理负荷百分比；表冷器冷水出水温度高于设计回水温度。

3.3相同处理负荷百分比情况下，定风量系统需求冷水流量百分比小于变风量系统需求水量百分比；定风量系统表冷器冷水回水温度高于变风量系统表冷器冷水回水温度。

3.4相同处理负荷百分比情况下，空调冷水小温差系统需求冷水流量比例小于大温差系统需求冷水流量比例。

3.5相同室内负荷情况下，变风量系统表冷器处理负荷量大于定风量系统表冷器处理负荷量。这是因为变风量系统室内相对湿度较低，可以获得较好的热舒适，同时使得新风处理负荷增加。

4开关控制方式下表冷器运行工况分析

上文的分析均建立在自控系统对空调冷水流量进行连续调节的基础上。但是在实际应用中，绝大多数风机盘管均采用开关控制方式，即当室内干球温度低于设定点时关闭水阀；当室内干球温度高于设定点时开启水阀。在此控制方式下，室内干球温度在设定点上下一定范围间波动，而室内相对湿度则无法预计，依室内负荷情况不同而不同。本节将对开关控制的系统进行分析，并以开启状态下表冷器流量为额定流量、关闭状态下表冷器流量为零及表冷器进风状态为室内空气状态为前提。

通过计算，我们也可以得到表冷器在C3：7－12：C空调方式下，室内设计干球温度为25℃，室内设计相对湿度为50％，风量及水量均维持额定工况下参数时，在进风干球温度分别为23℃、25℃、27℃时，相对湿度不断变化情况下，表冷器的运行工况数据。各表中第一行为额定工况，最后一行表明临界析湿点，即室内相对湿度高于此相对湿度时表冷器开始有冷凝水析出。图6显示了在此三个温度下不同相对湿度时表冷器的出水温度。

对于开关控制的系统，人们往往认为，室内处于部分负荷情况下时，由于水阀开启状态水流量仍为额定流量，而处理负荷低于额定负荷，所以会出现“大流量、小温差”的现象，而风机盘管系统更是被认定为是“大流量、小温差”的系统。其实不然，正因为是开关控制，表冷器依开关时间长短来适应负荷变化，表冷器针对的负荷不是瞬时负荷，其处理负荷能力也不受瞬时负荷的限制。在阀门开启状态下，其处理负荷能力只取决于进风状态参数，即在风量及空调冷水供水温度、流量均维持额定工况的情况下，表冷器处理负荷能力仅取决于进风状态参数，其出水温度仅取决于进风状态参数。

部分负荷情况下，热湿比是无法预计的,相对湿度也是无法预计的。对于无围护结构负荷区域，人员数量变化往往是负荷变化的主导因素，湿负荷可以认为与人员数量等比变化，而与人员生产活动相关的设备负荷并不随人员数量而等比变化（尽管这一等比变化是节能需求所期望的，且被认为借助科技手段是可以实现的），热湿比会大于额定设计情况，所以室内相对湿度会低于设计值。对于有围护结构负荷区域，围护结构负荷变化往往是负荷变化的主导因素，显热负荷减小而使热湿比低于额定设计情况，所以室内相对湿度会高于设计值。从工程整体来讲，不同性质的工程，主导因素会有不同，对于办公、酒店等人员数量相对系统较为稳定的场所，围护结构负荷是主导因素；对于商店、地下餐厅等人员数量不稳定而其它负荷几无变化的场所，人员数量是主导因素。

分析图6，我们可知：

4.1随着进风相对湿度降低，表冷器出水温度降低。

4.2在出水温度低于设计回水温度情况下，出水温度与设计回水温度的差值很小，而且随相对湿度的变化是平缓的。

4.3在出水温度高于设计回水温度情况下，出水温度与设计回水温度的差值很大，而且随相对湿度的变化是明显的。

5供水温度变化情况下表冷器运行工况分析

通过同样的分析计算方法，我们可以得到在新风未处理情况下，设计工况空调供回水温度为7℃/12℃的定风量与变风量系统，当供水温度变为5℃及8℃时，在仅围护结构负荷发生变化时表冷器的冷水流量、处理冷量及其它有关数据。同样，我们可以得到不同负荷变化规律下其它系统形式中表冷器当供水温度变为其它温度时的运行工况数据，在此不一一列举。

根据这些数据，我们可以得到不同负荷变化规律情况下不同系统形式中表冷器的L-Q关系图及关系对比图。图7为不同空调冷水供水温度的L-Q关系对比图。由这些数据表及对比图，我们可知：

5.1相同室内负荷情况下，高供水温度需求水量大于低供水温度需求水量。

5.2相同处理负荷百分比情况下，高供水温度运行时系统需求水量百分比小于低供水温度时系统需求水量百分比。

6结论

通过分析表冷器运行工况，我们可以得出如下一些结论，并由此提出相应的一些建议。

6.1小的冷水流量百分比可以获得大的处理负荷百分比，即通常所说的“小流量大负荷”。所以，变流量运行方式不仅可行，而且仅从流量角度出发，节能效果就会超出处理负荷百分比。

6.2不同情况下，冷水流量百分比与处理负荷百分比的关系不同。冷水流量百分比与处理负荷百分比的关系不是表冷器的特性，进行运行、节能等分析及控制阀门选择、控制逻辑选择时应结合具体使用情况。

6.3在不同的系统形式、不同的处理负荷百分比下，冷水供回水温差不同。以供回水温差作为控制点的变流量控制方式值得商榷。

6.4在开关控制方式下，冷水供回水温差变小及变大的可能性同时存在，而且温差变小时变化的幅度不大。对开关控制方式的系统应采取运行效果好的动态平衡措施，避免通过表冷器的冷水流量大幅度变化。

6.5在处理负荷需求相同的情况下，提高供水温度运行所需要的冷水流量大大增加。冷水流量增加不利于水力输送节能，同时表冷器末端压差也需要增大，系统可能无法运行或正常运行，所以提高供水温度的运行策略需慎重考虑。

参考文献

[1]赵荣义，范存养，薛殿华等.空气调节[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.