基于风机盘管串联的大温差空调末端研究

陈旭 舒志成 张光玉

浙江理工大学建筑工程学院

0 引言

在集中空调系统中，热泵/冷水机组等冷热源设备是主要的能量转换设备，其能耗占空调系统能耗的主要部分。另一方面，随着空调制冷技术的进步，冷水机组能效提高，泵、风机等冷/热媒输送设备能耗所占比例越来越高，不可忽视[1]。减少冷媒输送流量，采用大温差设计，是降低空调系统能耗的重要途径[2-5]。

目前，工程实践中最常采用的冷水温差多在5 ℃（7 ℃供、12 ℃回），部分采用大温差的项目，冷水温差也多不超过10 ℃[6-7]。但根据传热和热力学原理，满足室内热舒适要求前提下，冷水供回水温差还可加大，以进一步降低冷水流量、节约输送能耗。国内学者基于温湿度独立控制空调理念，提出了超大温差空调系统，通过冷水机组的三级串联，可实现冷冻水15 ℃超大温差，不仅大幅降低冷冻水流量、节约水泵输送能耗，冷水机组能效也可以显著提高[8]。目前基于15 ℃冷水供回水的大温差末端设备还未见报道，欲充分发挥15 ℃超大温差系统优势，急需开展相应末端设备的研究开发。

风机盘管机组是空调系统中最常用的末端设备，冷水大温差空调系统中采用风机盘管作为末端，不必担心表面凝露等技术问题，具有较高的适应性，便于工程应用推广。本文提出基于风机盘管串联组合实现15 ℃超大温差末端的思路，并开展相应的设计研究，与常规风机盘管做对比分析，验证其可行性，以期为暖通和建筑节能提供技术支撑。

1 串联风机盘管方案简介

通过降温、除湿维持室内热舒适是空调设备的主要功能。对降温而言，冷水回水温度可高至20 ℃左右，但为了满足除湿要求，冷水供水温度不能太高，约在7 ℃左右。目前已有不少厂家可以提供供回水温差9 ℃的大温差风机盘管，另外一些厂家则开发成功进水温度16 ℃、回水温度21 ℃的干式风机盘管，于是串联常规大温差风机盘管和干式风机盘管组成的超大温差末端方案被提了出来[9]，将两台风机盘管串联运行，第一台风机盘管机组的出水进入第二台风机盘管，两台风机盘管机组的水流量相等，这样便得到一个超大温差末端方案。

查阅风机盘管机组资料[10-13]可知，常规低温进水的大温差风机盘管与干式风机盘管的冷水流量等参数不同，其热工性能参数不能在实际工程中直接使用，不利于工程应用，因此有必要进行串联风机盘管机组的设计研究。

2 串联风机盘管设计研究

2.1 设计方案

考虑到目前大多数冷水机组冷水供回水温差是按5 ℃设计，三级串联冷水供回水总温差为15 ℃，因此按照15 ℃供回水温差进行设计。又由于要满足除湿要求，进水温度选7 ℃，低温风机盘管做除湿盘管使用，承担室内全部潜热负荷和部分显热负荷，按照除湿盘管出水温度比室内设计露点温度高1～2 ℃，取出水温度为16 ℃。低温盘管出水进入高温风机盘管，进出水16～22 ℃左右，为干工况运行，可简化设备，降低成本。

为降低成本，便于生产制造和工程应用，串联机组两台风机盘管的管排数、孔数、管长等盘管参数相同，这样的设计安排有利于产业化发展。

2.2 设计计算方法

根据前述方案，首先选取风机盘管计算条件为干球温度26 ℃，湿球温度18.7 ℃。具体的两种盘管的计算步骤如下。

2.2.1 除湿盘管计算

a）先确定盘管初始参数，然后对盘管基础参数如盘管横截面积、盘管换热面积等进行计算。经多次试算，要实现超大温差机组的末端，将串联盘管的盘管排数设定为4 排，并制定盘管的基本计算参数具体如表1 所示。

表1 串联计算基本参数表

b）设定除湿盘管进水温度为7 ℃，根据室内空气的相关参数及假定盘管的风量，计算风机盘管空气侧换热系数。再根据假定水流量，流体物性参数及盘管基础参数，计算风机盘管流体侧换热系数。

c）计算盘管的接触系数、进风空气的比焓，假定出风空气状态，计算出风空气的比焓。再计算盘管的总换热系数。其中盘管的接触系数按照式（1）进行计算[14]：

式中：ε 为盘管的接触系数；t1、t2分别为进风空气和出风空气的干球温度，℃；ts1、ts2分别为进风空气和出风空气的湿球温度，℃。

式中：h1、h2分别为进风空气和出风空气的比焓值；cp为空气的定压比热，取1.01kJ/(kg·℃)。

全热效率E2按照式（3）进行计算：

式中：tw1为冷水进水温度，℃。

e）计算盘管的冷量和显热量，与出水温度，计算出水温度时通过调整风量和水流量来保证除湿盘管的出水温度与16 ℃误差在0.5 ℃之间，盘管供冷量按照式（4）进行计算[15]：

式中：Q 为盘管全冷量，W；Gm为空气的质量流量，kg/s。

除湿盘管的盘管显热量按照式（5）进行计算：

式中：Qs则为除湿盘管显热供冷量及干盘管的全冷量，W。

盘管出水温度按照式（6）进行计算：

式中：tw2为冷水出水温度，℃；cpw为冷水的定压比热，取4.19 kJ/(kg·℃)；mw表示冷水的流量，kg/s。

f）根据表冷器的热量交换对盘管冷量进行校核，并计算盘管的空气侧压降以及流体侧压降。其中根据表冷器热交换的冷量按照式（7）进行计算：

式中：Q'校核冷量，W；K 为盘管表冷器的传热系数；F为表冷器传热面积，m2；Δtm为对数传热温差，℃。

对数换热温差按照式（8）进行计算：

式中：tw2为冷水出水温度，℃。

2.2.2 干盘管计算

取干盘管进水温度为16 ℃，取结构参数与除湿盘管相同，水流量相同。由于干盘管只承担显热负荷，因此不计算析湿系数，干盘管的冷量Q 按照式（5）进行计算，出水温度按照式（6）进行计算。再通过调整风量保证干盘管的出水温度与22 ℃误差在0.5 ℃之间。其他计算步骤与除湿盘管计算步骤类似。

3 设计案例

目前各风机盘管机组制造商样本中最常见的规格有10 种，因此本文以这10 种规格为参考，在冷量范围为1.6～10.6 kW 的区间，每个规格选取一个进行15 ℃温差串联风机盘管的设计研究，计算结果如表2所示（尺寸仅为换热器数据，其中风阻计算值根据厂家样本资料进行修正）。

再将盘管1 和盘管2 组合起来，得出串联组合机组规格参数，如表3 所示，其中风机盘管水阻为盘管1与盘管2 的水阻之和，水泵能耗按照式（9）进行计算：

式中：WP为水泵功耗，W；G 为水的体积流量，m3/h；ΔP为风机盘管水阻，kPa；η 为水泵效率，取0.6[16]。

风机功率按照式（10）进行计算：

式中：WF为风机功率，W；G1和G2分别为盘管1 和盘管2 的风量，m3/h；ΔPa1和ΔPa2分别为盘管1 和盘管2的风阻，Pa；P'为风机盘管的余压，取30 Pa；η1为风机效率，取60%[17]；η2为电机效率，取80%。

表2 串联风机盘管设计计算结果

表3 串联风机盘管机组参数表

4 与常规风机盘管机组的对比分析

4.1 对比样本的选取

取较有代表性的新晃常规5 ℃温差风机盘管机组（三排管）为比较对象[18]，在相同室内设计工况下（室内进风温度DB=26 ℃，WB=18.7 ℃，进水温度相同）进行对比。共选取9 种与串联组合机组冷量相近的常规风机盘管机组进行对比(冷量误差在0.01%～3.5%之间)，这9 种与组合机组对比所对应的常规5 ℃温差风机盘管机组相关规格及参数按供冷量从低到高排序如表4所示，其中水泵功耗按照式（9）进行计算。

对串联组合机组与常规5 ℃温差机组相关参数的对比，做水阻力，水流量，水泵功率，风量，风机功率，显热量，潜热量折线对比图及组合机组潜热显热占比示意图如图1～图8 所示。

表4 对比常规风机盘管机组规格及参数表

4.2 水阻力

图1～3 分别是串联组合机组与常规机组在水阻力，水流量及相应的功耗的对比。

图1 组合机组与对比机组水阻力对比

图2 组合机组与对比机组水流量对比

图3 组合机组与对比机组水泵功耗对比

由对比图可知：

a）在相近供冷量条件下，组合机组与常规机组相比较，可大大减少水流量，降低输送能耗，串联机组平均水流量降低62%，最高可降低达70%。

b）由于组合机组为两台风机盘管串联运行，水环路较为复杂，故组合机组的水阻力为两台机组的和，而常规风机盘管温差小，冷水流动路径短，因此组合机组水阻力大于常规对比机组水阻力。而由于组合机组降低水流量较为可观，虽然选取的常规机组水阻力小于组合机组，但却致使水泵功耗整体上降低明显，串联机组整体上降低水泵功耗可达49%。如果在对比中加上大温差机组及输送水系统的功耗，相信整体上节约功耗会更为可观。

4.3 空气阻力

图4、图5 是串联组合机组与常规机组的风机功率及风量对比。由图可知，组合机组为两台机组串联，风量增加，相同供冷量下，串联机组风量较常规机组增加27%，而在30 Pa 余压条件下，由于风量和风阻的变化，组合机组风机功率与常规风机盘管相比整体提高38%左右。

图4 组合机组与对比机组风量对比

图5 组合机组与对比机组风机功率对比

4.4 供冷量

图6 及图7 是串联组合机组与常规机组的显热及潜热量对比，图8 为组合机组潜热与显热占比示意图。由图可知，在相同供冷量条件下，组合机组的显热及潜热量与常规机组基本持平，组合机组的潜热量全部由盘管1 提供，组合机组提供的潜热可占全热的15%左右，整体上串联组合机组的显热及潜热都可以满足使用需求。至于对潜热量较高的特殊场合，还可以由新风承担部分潜热负荷，而冷水大温差对于处理新风是非常合适的。

图6 组合机组与对比机组显热量对比

图7 组合机组与对比机组潜热量对比

图8 组合机组潜热显热对比示意

4.5 综合评估

根据前述计算分析可知，与常规风机盘管系统相比，串联风机盘管自身在水泵能耗、风机能耗等方面的增加并不十分明显，而在冷水机组端，通过三组冷水机组串联运行，可以有效提高制冷机组的蒸发温度，从而使其运行在较高的COP 水平[8]，因此冷水机组端相比常规冷水机组节约能耗相当可观。此外，大温差显著地降低了冷水流量，冷水输送能耗也可有相当程度的降低。因为末端能耗只占整个空调能耗的很小一部分，所以大温差末端在能耗方面即使小幅增加也可以接受。

在成本方面，由于串联风机盘管在末端数量上的增加，初投资不可避免的会增加。但对比常规系统，整个系统在运行过程中对能耗的节省相当可观，因此在综合初投资和运行成本方面，有待进一步研究。

5 结论

本文进行了串联风机盘管组成的15 ℃大温差末端的设计研究，进行了一系列计算和分析，并与常规风机盘管机组进行了比较，结果表明：

a）在串联风机盘管机组后，冷冻水流量大幅度降低，在相同供冷量条件下，对比常规机组可降低水流量达52%～70%。

b）组合机组增加了风量，在风机功率、潜热、显热等方面与常规机组均相差不大，可以达到使用要求。

综上，本文提出的风机盘管串联方案可以做为供回水15 ℃大温差的空调系统末端设备，可与串联三级冷水机组及大温差空调箱等其它末端形式一起配套，形成新型的高效节能空调系统，有望促进大温差空调系统的发展，为减少空调能耗、推广建筑节能提供有力支撑。