吳志湘,張敏臘,陶紅菲

(1.西安工程大學 環(huán)境與化學工程學院,陜西 西安 710048;2.新疆工程學院 安全工程系,新疆 烏魯木齊市 830091)

0 引 言

風機盤管加獨立新風空調系統(tǒng)是應用廣泛的一種空調方式,具有使用靈活、投資少等諸多優(yōu)點,常用于賓館客房、辦公樓、醫(yī)院等場合[1-4]．盡管風機盤管加新風空調系統(tǒng)技術成熟且應用普遍,但在實踐中因盤管選型及系統(tǒng)設計不當造成的問題時有發(fā)生,因此根據(jù)具體條件合理地選用風機盤管,進行系統(tǒng)設計是保證風機盤管空調系統(tǒng)成功的重要環(huán)節(jié)[5-6].但就目前的設計狀況來看,設計人員在設計此類空調系統(tǒng)時,通常認為風機盤管系統(tǒng)較小,忽略了空氣處理過程,未進行實際工況送風量、冷負荷、阻力等的計算;或是依據(jù)經(jīng)驗進行設計,缺乏相關的數(shù)據(jù)支持;或是自身的設計方法存在問題[7-10].因此無論在風機盤管的選擇、風管的設計以及空調水支干管的布置等方面都或多或少存在著一些不合理之處.本文以設計計算數(shù)據(jù)為依據(jù),特針對這些設計細節(jié)展開討論,以保證該系統(tǒng)的正確應用.

1 風機盤管空氣處理過程及其特性

1.1 空氣處理過程

在風機盤管加新風空調系統(tǒng)中,對新風的處理方式主要有兩種[11]:

(1) 將新風處理到室內狀態(tài)的等含濕量線上.此時風機盤管機組負擔室內濕負荷,部分冷負荷；新風機組承擔室內部分冷負荷，新風負荷和濕負荷.

(2) 將新風處理到室內狀態(tài)的等焓線上.新風在新風機組內實現(xiàn)冷卻減濕的過程,室內空氣在風機盤管內實現(xiàn)冷卻減濕過程,并采用將新風直接送入房間的方式,二者處理后的空氣在室內進行混合,達到送風狀態(tài)點,滿足室內溫濕度要求,此時新風機組只承擔新風本身的負荷,風機盤管承擔室內冷負荷.此方式的優(yōu)點是新風不負擔室內負荷,室內負荷變化時僅需調節(jié)風機盤管的供冷量即可保證室內溫濕度要求．

上述方法中尤以后者更為常用.

1.2 風機盤管的特性

風機盤管不像組合式空調機組,不包含過濾、加濕及熱回收等功能段,只能實現(xiàn)冷卻,加熱及除濕的功能,且一旦選定風機盤管,其制冷量是固定值.而影響制冷量的主要因素包括供水量、供回水溫(差)、送風量以及機外余壓,這幾個因素都有其上限值且均為固定值.要滿足房間的熱濕度要求,可以通過調節(jié)供水量及送風量來進行制冷量的調節(jié),因此可知當選擇的風機盤管不合適的話會存在制冷量不匹配的問題.同樣的,對于新風機組、單元式空調器等也存在上述特性.

2 常見問題分析

2.1 風機盤管規(guī)格確定

目前在風機盤管加新風空調系統(tǒng)的設計中,相當一部分設計人員認為風機盤管的型號確定主要參考量是風盤的制冷量與室內冷負荷.當風盤制冷量大于室內冷負荷時,室內設計溫濕度就能夠得到保證.但是有學者對此持不同的意見,指出風量是冷量的載體,它直接決定了送入室內冷量的多少,因此風盤選型應該優(yōu)先考慮風量[12].下面用實例來進行具體的分析對比,明確風機盤管的規(guī)格確定是依據(jù)風量還是依據(jù)冷負荷.

某地夏季室外空氣計算參數(shù)為Wx(30.5 ℃,30.2 ℃),該地某商務酒店客房內的設計狀態(tài)點為Nx(26 ℃,60%),對應的hNx=56.3 kJ/kg,風機盤管采用露點送風的方式,送風狀態(tài)點O的焓值hOx=45.2 kJ/kg.根據(jù)已知條件可求出某客房全熱負荷為Q=1.5 kW.用于消除該客房余熱和余濕的送風量為L=Q/(hnx-hox)=430 m3/h.

另外,由上述的實例知盤管的實際工況為(25 ℃/18.3 ℃),而名義工況為(27 ℃/19.5 ℃),實際工況優(yōu)于名義工況,因此不需要進行修正計算.

(1) 依據(jù)冷負荷確定風盤規(guī)格 這種方法是目前較多使用的選型方法,主要是按照房間的最大冷負荷來選用風機盤管,認為只要盤管制冷量大于冷負荷就能夠使室內的溫濕度達到設計要求.

圖 1 風機盤管空氣處理過程Fig.1 Air handling process of fan coil

(2) 依據(jù)風量確定風盤規(guī)格 由于風機盤管有高、中、低三速開關,綜合考慮到制冷量、能耗、噪音,降級調節(jié)以及計算的準確性等因素,通常以中速對應的風量作為參考量.由之前的計算知風量Lf=500 m3/h,據(jù)風量選擇規(guī)格為FP-51WA標準型風機盤管1臺,其額定風量為510 m3/h,額定冷量為2.2 kW.

表 1 兩種規(guī)格確定方法對應的風盤對比表Table 1 Comparison of the fan coil units corresponding to the two methods

2.2 風機盤管的風管設計

有的暖通設計人員認為風機盤管風系統(tǒng)規(guī)模小而不必進行風阻計算,往往只是關注送回風口的位置,而忽視了風管系統(tǒng)與風機盤管機外余壓的關系.對于接風管的風機盤管,考慮到風管及送回風口會帶來一部分的阻力,一般采用高靜壓型(通常為30 Pa或50 Pa)[13].送風管的連接方式主要有兩種:

(1) 風管通過變徑管與機組的出口連接,管徑按照假定流速的方法確定,具體連接見圖2(a);

(2) 風管直接與機組的出口連接,管徑取機組出口的尺寸,見圖2(b).

采用變徑連接可以滿足管內風速要求,同時相比于方式二可以節(jié)省管材,但是需要校核風系統(tǒng)總阻力.

(a) 方式一 (b) 方式二圖 2 風機盤管風管接管方式Fig.2 The pipeline connection of fan coil

以此商務酒店茶秀某包間為例,該包間長為7.8 m,寬為5.1 m,送風量為450 m3/h,已知風機盤管余壓為30 Pa,送風口尺寸分為180 mm×180 mm,且阻力為21.9 Pa,回風口尺寸為200 mm×300 mm且阻力為2.9 Pa,按照文獻[14]中提到的方法,對以上兩種風管連接方式進行水力計算:

(1) 各管段沿程阻力損失ΔPy=Rm×L,

(3) 管段的壓力損失ΔP=ΔPy+ΔPj.

其中:Rm為比摩阻,Pa/m;L為管長,m;ξ為局部阻力系數(shù);ρ為流體密度,kg/m3;v為流速,m/s.

假定管內流速為3 m/s,取得管徑為200 mm×160 mm,實際流速v=3.1 m/s.送風管段局部阻力構件包括三通、變徑、送風口等,回風管段局部阻力構件有回風口等,見圖2(a);按照方式一對風系統(tǒng)進行水力計算.

表 2 變徑連接的風系統(tǒng)水力計算表Table 2 Wind system of Variable diameter connection hydraulic calculation table

計算得總阻力為29 Pa.考慮到風機的安全裕量,取安全系數(shù)K=1.1,由于ΔP-ΔPj=30/1.1-29=-1.73 Pa< 0,說明采用變徑連接方式的風系統(tǒng)總阻力大于風機盤管的風壓,因此房間所需的送風量不能按照要求送入房間,無法滿足房間設計溫濕度.

機械的用假定流速法確定風管尺寸(即方式一)致使風系統(tǒng)阻力大于風機盤管提供的風壓,證明該方式不可取,應考慮按照前述方式二連接風管.已知風機盤管出口尺寸為585 mm×140 mm,送風管段上的局部阻力構件為三通、送風口等,詳見圖2(b).按照方式二對風系統(tǒng)進行水力計算(已知送風口阻力為21.9 Pa,回風口阻力為2.9 Pa).

表 3 直接連接的風系統(tǒng)水力計算表Table 3 Hydraulic calculation table of direct connection wind system

計算得總阻力為27.05 Pa.由計算結果知ΔP-ΔPj=30/1.1-27.05=0.23 Pa.該風機盤管的風管布置,既滿足氣流組織要求,也與配匹的風機性能相吻合,能滿足室內所需送風量.

2.3 水環(huán)路的布置

目前在風機盤管加新風空調系統(tǒng)的設計中,常見的水平支干管的布置方式是將新風機組和風機盤管布置在同一個水環(huán)路中,沒有綜合考慮到設備的阻力,這種布置方式存在一定的弊端.

對于相同功能的空調區(qū)域,大部分的風機盤管規(guī)格都是相同或相近的;對于個別空調負荷較大的區(qū)域,往往會布置多臺風機盤管.即風機盤管的水側阻力通常大致相近.而同一層中的空調末端,通常不僅有數(shù)量占多數(shù)的風機盤管,還會有一臺或若干臺新風機組.就整棟建筑而言,各層的水平干管往往布置為同程.

某一層干管采用同程布置的時候,對各風機盤管回路而言,各管段管長基本相同,管件基本相同,且流量也基本相同,所以對于并聯(lián)支路,易實現(xiàn)水力平衡,因此系統(tǒng)的流量分配均勻,水力穩(wěn)定性較好.但在布置同程管路的時候應該綜合考慮到設備的阻力,此時,阻力最大機組所在的環(huán)路為該層各并聯(lián)環(huán)路中的最不利環(huán)路.

以上述商務酒店4樓水環(huán)路為例,共有23臺風機盤管,1臺新風機組,最遠處風機盤管的水阻為20 kPa,新風機組的風量為2 000 m3/h,水阻為37 kPa.布置形式見圖3.

圖 3 水平支干管的布置圖Fig.3 Layout of horizontal branch pipe

經(jīng)水力計算得最不利環(huán)路為新風機組所在環(huán)路,供回水干管總阻力為1.7 m H2O,新風機組的水阻為3.7 m H2O,則系統(tǒng)的總阻力為5.4 m H2O.最遠處風機盤管所在的環(huán)路損失為2.9 m H2O,則不平衡率為46.3%,說明最遠處風機盤管的資用壓力過大,這樣導致進入其中的水量增加,使得所在的空調區(qū)溫濕度發(fā)生改變,同時進入新風機組的水流量減少,新風難以處理到預期的效果.對于這種情況,可以在每個風機盤管水管上面加調節(jié)閥,來調節(jié)進入風機盤管的水量.但這種方法存在一定的弊端,隨著調節(jié)閥數(shù)量的增加,會導致運行調節(jié)復雜、初投資及維護成本增加,是不可取的.

由于新風機組的水阻大于風機盤管的水阻,且最不利環(huán)路為新風機組所在環(huán)路,考慮將新風機組和所有的風機盤管分開接,從供水立管接出兩根水平干管,分別接新風機組和風機盤管,形成兩個水環(huán)路,并在各干管上安裝調節(jié)閥.具體連接方式見圖4.

圖 4 水平支干管的連接方式圖Fig.4 Connection diagram of horizontal branch pipe

這種連接方式對于風機盤管所在水環(huán)路易達到平衡,而且減少了閥門的使用,因此調節(jié)簡便,節(jié)省初投資,維護成本降低.

3 結 論

(1) 在選擇風機盤管的規(guī)格時,應保證風機盤管的額定風量和制冷量均滿足室內設計要求.在實際運行中,可通過三速開關調節(jié)電機輸入電壓,以調節(jié)風機轉速,進而滿足房間溫濕度的要求.

(2) 風機盤管的風管布置,既要考慮氣流組織,也應進行水力計算和校核,使之與配匹風機性能相吻合,進而滿足室內所需送風量.若對風系統(tǒng)不進行水力平衡的計算,可能會存在的系統(tǒng)阻力大于機外余壓的情況,導致送風量減少,因此認為風機盤管風系統(tǒng)規(guī)模小而不必進行水力計算是不妥的.

(3) 同層建筑若新風機組與風機盤管共存時,為保證水力平衡且調節(jié)方便,應將兩者分設環(huán)路供水,將各路調節(jié)閥安裝在易于調節(jié)的位置.在實際運行中,可通過溫度敏感元件、調節(jié)器和裝在水管上的小型電動直通或三通閥自動調節(jié)水量或者水溫.

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