北方地区体育场馆空调系统新风防冻设计应用

张牛

（鄂尔多斯市体育中心）

1 北方地区体育场馆空调系统新风机组冻结现象形成机理

体育场馆空调系统新风防冻机组盘管冻结现象，极易导致盘管的冻裂，造成这种情况发生的根本原因在于管内流体的环境温度低于零度，导致其发生结冰情况。其中又分为流水结冰和静水结冰两种类型。

1.1 静水结冰机理

静水结冰较为常见，通常与外部温度有关，若裸管的完全结冰可以根据（1）进行计算。

式中：rθ 为代表环境温度；L 为代表冰潜热，取值为335kj/kg；iρ 为代表冰密度，取值为0.9×103kg/m3；R 为代表管道热阻，通常为铜管，取值为0.002166m· ℃/W；iR 为代表冰的热阻，取值为0.446m·℃/W；

为验证管道直径、环境温度与体育场馆空调系统新风防冻机组盘管冻结的关系，选用直径0.015m 的盘管模拟不同环境温度对盘管静水结冰的影响；选用-0.05℃的环境温度模拟不同直径对盘管静水结冰的影响。其结果如图1 和图2 所示。

由图1 可以看出当管道直径固定在0.015m 时，随着环境温度的降低，完全结冰时间不断缩短，尤其是处于-0.5℃时，结冰时间较快，约1h 左右就会圈圈结冰。另外，从图2 可以明显看出，当管径较大时，完全冻结的时间就越长。

图1 温度与结冰时间关系图

图2 管内半径与结冰时间关系图

1.2 流水结冰

流水结冰的原因主要是因管内流动造成，例如当管内处于层流时，管内流水的流速就会出现不均匀现象，尤其是靠近管道壁面的位置，如果管外温度在0℃以下时，管内出现结冰的几率会增加[1]。因此要控制体育场馆空调系统新风防冻机组盘管流水结冰的关键在于要控制管道流体的流动状态不属层流状态。

体育场馆空调系统新风防冻机组盘管流体的流动状态可利用雷诺数Re进行判断，一旦雷诺数Re＜2300，管内就处于层流状态。如果流体为20℃时，不同管道层流状态如下表1 所示。但根据我国体育场馆空调系统新风防冻机组盘管管径常用规格为φ15.88，在此之中为了降低层流状态的出现率，管内流速必须大于0.15m/s。

2 北方地区体育场馆空调系统新风防冻设计

2.1 北方地区体育场馆空调系统新风防冻结构原理设计

若想要气温较低的寒冷地区中保证空调新风系统不出现冻结现象，必须保证以下两点。

表1 不同管径层流时流速

1）多维度防冻

通过多维度防冻使得水盘管管内水力保持平衡，最大程度的避免冻结。

2）供热运行

供热运行可以自动控制调节送风温度与供热量的平衡，从而在寒冷期内也可以保持正常运转[2]。例如通过TWKFD 系列的热水供应新风防冻机组中可以采用一种温度等级的热媒热水介质，使其在及其寒冷的情况下也能实现连续供热。此外，通过TWF-KD 系列的热水供热空调新风调控机组，可以使得实现水盘管束的水力达到防冻供热运行的状态，维持一次侧与外网之间的变流量（õ）量调系统，辅助热水管进行热水热量调节。将TWK-FD 与热水盘管之间的二次侧变为恒流量（õ）的质调系统，可以实现热水盘与热水管管理的平和，再根据空调系统热平衡关系，加热新风的热量Hf 应等于二次侧恒流量系统提供的热量Hh，并等于一次侧外网提供的热量Hw。此外，上述环节中的调节工作只需要通过智能控制柜即可实现，达到用热和供热。在二次侧恒流量系统中，通过对盘管的防冻运行水力工况进行调节，就可以使得防冻供热运行。因此，笔者认为在北方寒冷地区的大型体育场馆中，通过使用TWKM-FD 系列热水供热新风防冻机可以改善传统新风中的问题，使得新风空调在正常运行的状态下热水盘不会出现冻结，同时还可以实现智能化的送风温度、回水温度等进行远程调节。

2.2 北方地区体育场馆空调系统新风系统防冻改造方案

北方地区气候严寒，新风系统很容易出现冻结现象，对体育场馆室内带来很大不便，对此可通过将风机盘管和新风系统结合使用，由初效、中效、表冷器（冷热）、加湿、送风等组成，通过这种方式使得室内供热供冷随意切换，同时还可以将温度保持在66℃/45℃，冷冻水供水温度为7℃/12℃[3]。如果该地区较为寒冷，温度达到-20.7℃，或是-37.1℃，那么只需要通过使用防冻开关即可进行防冻处理，通过在回水管路上设置两通电调阀，根据送风温度，使用PLC 控制器调节热水流量，可采取风量在5000m3/h ～10000m3/h 的新风机组进防风冻治理。同时对每台新风机中配置一套TWKM-FD 系列的新风防冻机组，实现防冻。

2.3 空调水系统防冻改造设计方案

空调水系统中，TWKM-FD 系列热水供热新风防冻机组的一侧是一个变流量系统，具有多种优势，例如在水路电动两通阀的变流量调节系统所起到的作用相同，再通过系统中的控制平台，在调节水力工况平衡的基础上，既能满足供热需求，又能减少外网资源，缩小配管管径。除此之外，在设计中还可以在每台新风机组与热水网之间配置一套TWKM-FD 热水供热新风防冻机组，从而适应每个防火区新风机组的调节运行。

3 应用效果

北方地区体育场馆中通过TWKMFD 系列热水供热新风防冻机组时，运行起来也与传统的新风空调机组运行条件无太大差异，基本相同，但不同的是，改造后的新风机组可以较差的环境下也可以使用，防止加热管冻结出现损坏，影响体育场馆的正常使用需求，具体来说，通过这种方式可以实现五个效果：

①随意控制温度，通过这种方式可以任意将送风温度保持在16℃～28℃之间，并保证新风防冻可以连续进行；

②节约资源，通过使用该方式可以缩小外网的管径面积，从而有效的节约供热资源；

③取代防冻开关、电预热、乙二醇防冻二次循环、天然气预热等传统防冻方式；

④与采用电加热预热防冻比较，电加热的年防冻运行费用将比利用热水供热空调新风防冻机组防冻费用增加5 倍以上；

⑤实现多维度控制，通过该方式可以解决春、夏、冬进风问题，同时还可以取代空调系统的送风及温度调控控制柜，增加新风防冻机组的同时也大幅简化了空调送新风、供冷风、供热风系统及控制系统。此外，该技术也得到了有关标准和国家技术的认证，运行起来也较为安全，从而有效的防止热水盘管冻结问题。但在设计时还需要与热水外网、新风空调节组、热水盘管等多种参数进行匹配[4]。

4 结语

上述对北方地区体育场馆空调系统新风防冻设计进行了分析讨论，北方地区冬季气温多变，最低温度可达-37℃左右，很容易会使得热水盘管出现冻裂，影响室内送风。但传统的防冻设计方式中效果较为低下，或者是费用较高，但通过上述笔者讲述的TEKM-FD 系列的热水供热新风防冻机组，可以有效的解决这一问题，同时还能节约资源。笔者希望通过此次分析可以起到实际的帮助作用。