变水温工况下空调表冷器换热性能的实验研究

徐东泰 隆智辉 梁正中

贵州中烟工业有限责任公司

变水温工况下空调表冷器换热性能的实验研究

徐东泰 隆智辉 梁正中

贵州中烟工业有限责任公司

针对类似卷烟生产工房的高露点中央空调系统应用场合，本文分别对4排/6排空调表冷器在不同冷冻供水温度工况下的换热性能进行了现场测试实验。测试数据分析表明，变水温运行工况下，随着冷冻供水温度的提高，表冷器处理后的空气干球温度有较大的提高，相对湿度变化不大，供回水温差变小；为充分发挥变水温运行的节能潜力，表冷器应根据实际的露点温度需求进行优化设计；表冷器排数的增加更有利于提高冷冻供水温度，达到冷水机组节能的目的。

卷烟厂 表冷器 变冷冻水温度 换热性能 空调能耗

0 引言

表冷器作为中央空调系统末端机组的核心部件，广泛应用于各类建筑物中央空调系统的空气处理机组（AHU）、新风机组（PAU）和风机盘管（FCU）等设备，可同时实现空气的降温、除湿处理过程。对于表冷器的降温除湿过程，由于空气同时发生了显热和潜热交换，其热工计算、设备选型，以及在不同工况下的运行性能模拟较为复杂。通常表冷器的生产厂家提供的产品样本，只给出冷冻供回水温度为7℃/12℃标准工况下的性能参数，设计单位也按此标准工况进行表冷器选型。随着人们对建筑节能的广泛重视，对于一些夏季室内设计参数呈现高露点特点的建筑物，变水温运行已成为中央空调制冷系统节能重要手段。如我国的卷烟生产工房，夏季室内设计参数为25±2℃、60%± 5%RH，对应的表冷器出风露点温度在18℃左右，夏季空调系统可运行在不低于9℃供水温度工况之下，过渡季节冷冻供水温度可进一步提高。研究文献表明[1～2]，对于离心式冷水机组，每提高1℃的冷冻水温度，冷水机组可节能3%～4%左右。

然而，当冷冻水供水温度提高后，表冷器的冷却除湿性能会发生哪些变化？按7℃/12℃标准工况设计选型的表冷器在变水温节能运行模式下，是否还能满足换热性能要求？本文针对两种不同排数的表冷器在不同冷冻供水温度工况下进行了现场性能试验研究，探索了变水温工况下表冷器的设计选型方案、以及运行控制方案。

1 实验对象及测试方案

笔者以贵州中烟工业有限责任公司贵阳卷烟厂“十一五”易地技改项目联合工房中央空调系统作为实例，选取滤棒成型车间KJ3、卷接包车间KJ15空调机组为实验对象。两台空调机组的功能段配置均为回风机段、新排回风混合段、过滤段、表冷挡水段、蒸汽加热段、干蒸汽加湿段和送风机段，其中KJ3空调机组表冷器为6排，KJ15空调机组的表冷器为4排。表冷器均采用铜管串亲水铝翅片结构，直波纹铝翅片，片距3.2mm。两台空调机组所对应的车间室内温湿度设计参数（夏季）均为：25℃、60%RH。

实验依据GB/T 14296-2008《空气冷却器与空气加热器》标准规定的方法和测试方案要求，对两台空调机组的表冷器进行现场性能测试。测试时间为2012年7月7日～8日。测试目标是研究表冷器在相同进风工况和冷冻水流量条件下，不同供水温度下表冷器的出风参数的变化。为此：1）通过调节新回阀的开度，维持表冷器的进风侧空气参数基本不变：干球温度27～28℃，湿球温度20～22℃；2）通过调节风机的运行频率，保证表冷器的迎面风速恒定在2.5±0.3m/s范围内；3）通过调节冷冻水管路上的调节阀，保证表冷器的冷冻水流量处于额定工况下，铜管内的流速约1m/s左右；4）改变冷水机组的供水温度，取5℃、7℃、9℃、11℃、13℃五个工况点，分别测试各工况下表冷器出风温湿度参数的变化情况。供水温度改变后，空调机组运行30分钟后开始测试；表冷器进出风侧断面上均匀布置4个温湿度测点，取平均值作为分析数据。

表1 实验测试仪表及数量

测试用主要仪表包括温湿度记录仪、超声波流量计、空气压差计、热线式风速计等，实验仪表如表1所示。表冷器的供回水温度、压差采用所配置自控系统的监测实时数据。

2 实验测试数据及分析

2.1 表冷器性能测试数据结果及分析

表2、表3分别为卷接包车间KJ15、滤棒成型车间KJ3空调机组的表冷器性能测试数据，其中KJ15空调机组的表冷器选用4排表冷器，KJ3空调机组的表冷器选用6排表冷器。表中表冷器的进出风侧的空气温湿度参数为4个测点的平均值，供回水温度参数采用自控系统的实时监测值。从表中测试数据结果可以看出：在相同的进风参数、迎面风速和水流量条件下，对于结构一定的表冷器（4排或6排），随着冷冻供水温度的提高，其出风侧的干球温度有较大的提高，但相对湿度变化不大，同时冷冻供回水温差逐渐变小。同时，测得KJ15、KJ3表冷挡水段的空气阻力分别为140.6Pa和173.8Pa，表冷器的水阻力分别为16.2kPa和21.0kPa。

表2 KJ15空调机组4排表冷器性能测试数据

表3 KJ3空调机组6排表冷器性能测试数据

KJ15、KJ3两台空调机组所服务的滤棒成型车间、卷接包车间的夏季室内温湿度设计参数均为25℃、60%RH，将上述KJ15、KJ3空调机组在不同供水温度下，表冷器的空气冷却除湿处理过程绘制在焓湿图上，如图1所示。图中绿色各点t5、t7、t9、t11、t13为KJ15空调表冷器（4排）在不同冷冻供水温度下处理后的状态点，红色各点为KJ3空调表冷器（6排）出风状态点。

图1 不同冷冻供水温度下表冷器的空气处理过程

从图1的焓湿图分析上可以看出，对于相同的冷冻供水温度和进风空气参数工况下，6排表冷器比4排表冷器处理后的空气露点温度要低，即冷却除湿能力强。其原因在于：相对于4排表冷器而言，6排表冷器能保证空气与换热翅片之间的接触面积更大，空气流经6排表冷器的行程更长。反过来讲，当室内温湿度设计参数一定时，其对应的空气处理机组的机器露点温度随之确定，采用6排表冷器比采用4排表冷器更有利于发挥变水温运行的节能潜力。比如对于本项目，为保证车间满足25℃、60%RH的设计参数，空调机组表冷器处理后的机器露点温度大约在18℃左右（卷烟车间热湿比接近于+∞），若选用4排表冷器，冷冻供水温度最高只能达到9℃左右；若选用6排表冷器，冷冻供水温度最高可以提高到13℃左右。按有关文献分析[1～2]，两种不同表冷器的选择，导致制冷站冷水机组的运行能耗相差12%～15%左右。同时，从测试数据结果可以看出，4排表冷器的空气出风相对湿度只能在90%左右，6排表冷器的空气出风相对湿度可达到95%左右，更接近于机器露点温度，可实现更大的送风温差，更有利于变风量节能控制运行。

当然，表冷器排数增加后，空气侧和水侧的阻力略有增加。提高冷冻供水温度后，表冷器的供回水温差变小。这些因素将会对风机、水泵的能耗带来不利影响，但相对于冷水机组的节能量来讲，这些能耗的增加占比量很小。

2.2 变水温工况下表冷器的设计选型方案

从上述实验测试数据和分析可以看出，对于诸如卷烟生产工房这类高露点、小焓差中央空调系统，空调机组的表冷器不宜按7℃/12℃标准工况进行设计选型。卷烟生产工房的空调系统设计实践表明，夏季除湿工况下表冷器的焓降一般在12kJ/kg干左右，一般4排表冷器在7℃/12℃标准工况下的供冷量能满足此焓降要求，但当提高冷冻供水温度后，其供冷能力达不到要求。夏季除湿时，4排表冷器的空调系统只能运行在较低冷冻供水温度（小于9℃）工况下，运行过程中经常发生过度除湿现象，导致夏季表冷阀、加热阀、加湿阀同时动作，造成能源的极大浪费。

另一方面，常规表冷器水路行程的结构设计导致提高冷冻供水温度后，供回水温差减少（小于5℃），这将引起冷冻水泵的运行能耗加大。因此，空调表冷器生产厂家应对变水温工况下的表冷器结构进行优化设计，保证冷冻供水温度提高后，表冷器的供回水温差维持在5℃左右。

3 结论

对于排数、片距等结构参数一定的表冷器，变水温运行工况下，随着冷冻供水温度的提高，其处理后的空气干球温度有较大的提高，但相对湿度变化不大，同时供回水温差逐渐变小。对于同一冷冻供水温度下，6排表冷器比4排表冷器具有更强的除湿能力或更低的露点温度。对于高露点的中央空调系统应用场合，空调机组的表冷器不宜按7℃/12℃标准工况进行设计选型，应根据室内温湿度设计参数所对应的露点温度需求，合理进行表冷器的设计选型。本文对4排、6排表冷器在不同供水温度下的性能测试数据可作为设计选型时参考。

[1]林荣欣,敖顺荣.卷烟厂空调与制冷系统联机运行节能策略[J].烟草科技,2002,(6):13-P16

[2]吴伟,张小芬,李先庭.提高卷烟厂空调系统冷冻供水温度的节能效果[J].暖通空调,2012,42(11):143-148

Expe rim e nta l Study on Cooling Coil’s He a t Tra ns fe r Pe rform a nc e unde r Diffe re nt Chille d Wa te r Te m pe ra ture

XU Dong-tai,LONG Zhi-hui,LIANG Zheng-zhong
China Tobacco Guizhou Industrial Co.,Ltd.

Since the dew point temperature of central air-conditioning system for the manufacture process is very high in cigarette factory,higher temperature chilled water can be used to air handling units for energy saving.The performance of heat exchanger with 4/6 rows coils under different chilled water temperature was tested in the paper.It is shown that the supplied air temperature after the coils is much higher and the supply/return water difference of coils is less than the traditional case when the temperature of chilled water is increased,but the relative humidity after the coils is not changed too much.In order to save more energy,the dew point temperature after the coils should be adjusted as higher as possible according to the requirement of indoor environment.The coils with 6 rows are better for high temperature chilled water than that with 4 rows,which will benefit the energy saving in chiller.

cigarette factory,cooling coil,varied chilled water temperature,heat transfer performance,HVAC energy consumption

1003-0344（2015）02-065-3

2014-2-28

徐东泰（1957～），男，大学，工程师；贵州贵阳市友谊路25号贵州中烟工业有限责任公司（550001）；0851-86820693；E-mail:xudt3@aliyun.com