高寒地区空调系统防冻问题浅析

刘静晓 吴 熙

（中国电子系统工程第四建设有限公司，上海 200050）

在我国长江以北的大部分地区，冬季极端温度都低于零度，这就导致了每年都有大量的空调盘管被冻裂的报告[1]，今年兰生所就已出现了三次盘管冻裂事件，这是一个普遍存在的，亟需解决的问题。下面本文就从设计、施工和运行方面，对冬季空调系统的防冻问题做一探讨。

1 盘管冻裂原因

要分析空调盘管的冻裂原因，从理论上说首先要弄清楚盘管中冻结的根本是“水结冰”，而水结冰的问题又可分水静止时的结冰与水流动时的结冰，也就是说空调在非运转状态与运转状态。

（1）静水结冰：静水结冰与室外气温有关，就未保温的圆管而论，国外有人做过试验，裸管的完全结冰时间，与管径、管周围温度、热水温度有关，管子越大，完全结冰的时间越长，热水温度越高，结冰时间越长，管周围的温度越低，完全结冰的时间越短。总之，管中静止的水管在0℃以下时是要结冰的。

（2）流水结冰的情况：流水结冰的问题尚待研究，一般认为水在管道中的冻结是因为当室外空气温度为负值时，水在管中流动呈层流状态，即可出现结冰；目前常用空调机组加热盘管的管径d = 0.022 m，当其流速小于0.1 m/s即为层流。而个别的新风机组还有用管径为d = 0.015 m的盘管的，则其流速为0.15 m/s时即为层流。在层流状态下，流速的断面分布不匀，且又不会混合，靠近管壁处的流速趋近于零，温度较低时盘管接触室外空气一侧的第一排盘管就会冻结。知道了盘管结冰冻裂的原因，我们就可以通过分析影响盘管结冰的原因来避免结冰，再将其应用到设计与运行之中，那么盘管结冰都与哪些因素有关呢？

通过查资料，并汇总各方观点[2-4]，水在紊流很难结冰，出现结冰的最主要影响因素是盘管外温度；对于层流，则与盘管管径、供水温度、盘管外空气温度、湿度等诸多因素有关，但只是定性的分析而不能给出定量的关系，查到的数据也是固定一个条件的单变量对比试验，多变量的对比试验尚没有人做过。表1和表2是层流状态下水温与结冰时间的对比试验。

表1 水温与结冰时间对比表

试验条件（盘管水流流速0.15 m/s，室外温度-9℃，盘管迎风面风速3.2 m/s，时间计量单位为s。）

由上表作图：

图1 水温与结冰时间关系图

表2 空气温度与结冰时间对比表

试验条件（盘管水流流速0.15 m/s，供水温度65℃，回水温度55℃，盘管迎风面风速3.2 m/s，时间计量单位为s。）

由上表作图：

从以上图表可以看出，当盘管内水流成层流状态，水温在常规的65～55℃时，盘管的冻结是很快的，这也再次证明了解决防冻问题的急切性。知道了盘管结冰的原因和影响因素，我们应如何在设计与运行中来避免这些问题呢？下面结合工程作简单的论述。

图2 空气温度与结冰时间关系图

2 如何避免防冻

首先从设计上来说，通过这两年本公司所接工程的图纸和以前在设计院的一些经验，设计时防冻易忽略的主要问题有：①对于冷、热水盘管共用的机组在设计选型中常以冷量为准，而供热能力的富裕量过大，造成冬季水速低，层流严重；②热源的温差较冷源大（通常制冷为7 ～ 12℃，而加热为60 ～ 50℃，有时直接采用一次管网高达95 ～ 70℃水)；③为提高换热效率，盘管热水流与空气流采用逆流热交换，造成迎风面盘管壁温低于0℃；④整个系统水管路差异较大，难以调平衡，部分支路水量过小，水速低，层流严重；⑤自动控制系统的热水调节阀选型偏大，阀门小开度运行，水速低，层流严重；⑥新风设计中未采用预热措施。

为解决这些问题，如果当地气象参数的室外空调计算温度是低于零度的，设计中最好能设预热段，预热段建议使用热水，不支持使用蒸汽和电加热。蒸汽防冻也可以，但是容易出现温度不均匀的现象，造成盘管上部温度比较高，底部已经开始冻。而电加热容易出现危险，比较费电不节能。另外，在负荷计算时需对冷热进行复核，或设置单独盘管而不使用共用盘管，这样盘管中水流速度可以较大，避免了层流的发生。

现场一般做法是当加热盘管后的空气温度低于5℃时，温度传感器使风机停止运行并发出低温警报信号，这种“防冻保护”在寒冷地区往往不能起到作用。有些热媒为水的预热盘管，虽然设有这种自动保护防冻装置，但也发生了盘管冻裂的情况。因为，这种保护装置只是一个低温极限控制，它只能在低温时切断、报警，使送风机停止工作。换句话说，这种防冻保护装置实质上是安全保护，而不能解决系统在低温下既要运行而又不结冻的要求。如新风系统，在冬季气温低时虽然预热盘管后未达到低限温度，但盘管迎室外空气的一侧有时仍会出现冻裂。比较好的解决方案就是设一个迷走式沉降室并设同程式采暖装置，可以完全避免上述问题的发生。

从施工角度来说，可能存在的问题应该是：①蒸汽管路疏水器安装位置不当，冷凝水排不出；②预热盘管感温探头安装位置不当；③设备安装时有反向坡度，且系统管路中盘管前压力较低，管内阻力较高，流动受阻，层流严重，特别是盘管的弯管段易积水、流动易受阻。以上这些要在施工时多加注意。

从运行维护的角度来说，可能出现冻裂的原因主要包括：①对于冷、热盘分开的机组，冬季不用时盘管未排水或排水不尽，造成存水；②新风阀未关闭或关闭不严造成渗漏；③由于外因导致盘管进口水温偏低，热交换不充分，同时又未引起注意。这些就要靠我们交工时对运行维护人员的培训和运行维护人员的责任心了，比如冬季表冷不用时将水放净，甚至特别冷的地方盘管放完水后还要使用压缩空气吹扫，注意巡查盘管进水温度等。

3 结束语

当然，上述每个影响因素并非是绝对的、孤立的，通常是在几个影响因素相互作用下、共同造成盘管冻裂的，应多总结并找出解决办法，避免因为冻裂盘管而造成的资金和时间上的损失。

[1] Christine B.Tayntor钟鸣等译.Six Sigma Software Development.北京：机械工业出版社，2003.

[2] 李娥飞.暖通空调设计通病分析手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1991.

[3] 刘茂堂，郑克白，孙敏生.严寒地区的吉林雾松宾馆空凋设计[J].暖通空调，2000，30(30)：58-60.

[4] 何斌.严寒地区大商场空调热交换器防冻措施[J].制冷空调与电力机械，2003，24(6)：58-59.

[5] GB 50019采暖通风与空气调节设计规范.