供水回路結構對冷梁換熱的影響探討

吳小田 翁文兵 陳文景

（上海理工大學，上海200093）

0 引言

20世紀80年代，冷梁空調技術［1－2］在歐洲萌芽，因其具有氣流組織均勻、外形美觀、結構緊湊、節能舒適等特點，故在歐州和美國迅速發展。芬蘭的學者Hannu Koskela［3］研究了在辦公室建筑中冷梁的節能適用性，并用Fluent模擬冷梁送風的氣流組織。針對我國耗能大、能源利用率低這一格局［3］，冷梁系統具有明顯的節能效益，能顯著提高辦公、生活的空氣品質。因此，冷梁技術是一項很有發展前景的空調技術。

本文基于冷梁的節能特性，研究冷梁末端翅片換熱器在不同供水結構下的換熱率，尋找最佳冷梁末端結構，為進一步提高冷梁節能特性展開理論分析和實驗驗證。

1 冷梁工作原理

主動式冷梁系統是基于一次風系統［4－5］、帶新風誘導的氣水換熱末端裝置（冷梁工作原理如圖1所示），可以實現制冷、供熱和通風的功能。一次風系統主要負責消除室內濕負荷，同時降溫及保證新風。末端的冷梁盤管進行室內冷負荷的二次處理，根據國外節能改造項目，整個冷梁系統比傳統VAV［5］空調系統可節省能量25%～30%。

圖1 冷梁工作原理圖

以夏季制冷工況為例，室內空氣和新風經一次回風系統處理形成主氣流進入冷梁系統，冷梁系統帶有噴嘴，一次風通過噴嘴進入冷梁兩側下端。根據文丘里效應，流體流經阻擋物時，在阻擋物背風面上方端口附近形成低壓，室內空氣由于吸附作用通過回風百葉向上方流動，通過冷梁的冷卻盤管，在出口處空腔內混合，達到氣水換熱之效。冷卻后的二次氣流與一次氣流在混合區混合，通過風口進入室內，從而使室內溫度降低。

2 冷梁翅片換熱器熱力學分析

冷梁系統的熱力學分析應在實驗驗證之前進行。冷卻盤管換熱量可用有限元方式簡單表示如下：

冷卻盤管總熱阻可以分成以下4個主要方面：冷凍水側對流傳熱、盤管的導熱、空氣側對流傳熱、盤管與翅片間的接觸熱阻。除了冷凍水側對流傳熱熱阻，其他熱阻可表示如下：

對于單向流動，努謝爾特數Nu可以根據雷諾數Re和普朗特數Pr計算得出：

以上參數取決于冷凍水的溫度，避免了迭代的繁瑣步驟。冷凍水溫的變化對這些無量綱參數的影響可忽略不計，通常設為常數。若已知水的體積流量，則水側對流傳熱系數可表示為：

壓降也是冷卻盤管中一個重要的參數，總壓降受摩擦、管曲率、水流速和靜壓影響。壓降可表示為：

在實驗過程中，壓降可直接測出，冷梁盤管換熱量等于冷凍水升溫或二次空氣降溫的熱量。Q＝－CpρaVsec（Tsec－TN）或Q＝CwρwVw（Tw，out－Tw，in），兩者取較大值。

冷梁傳熱系數ε可表示為：

3 實驗驗證

3.1 實驗過程

本實驗所用冷梁如圖2所示，外觀為0.5m×1.3m，內置對稱圓形橡膠噴嘴，翅片尺寸0.3m×1.1m×0.06m，鋁翅片厚度及間距分別為0.4mm和4.4mm。盤管由16根銅管平行排布而成，1、2、4、8回路排管方式如圖3所示，改變管路連接即可。

主動式冷梁系統主要包括空氣循環和水循環。2臺350W離心風機保證一次風在恒力下送入充氣室。使用高精度壓力傳感器測量風壓，誤差±1%。2臺高精度渦輪流量計，誤差±1.5%。冷凍水循環冷凍水泵750W，浮子流量計測量流量。Pt100鉑電阻溫度傳感器測量冷凍水進出口溫度。一次風和冷梁系統各使用4kW螺桿式冷水機組制備冷凍水，出水溫度由PID控制。

圖2 冷梁系統末端裝置

圖3 1、2、4、8回路進回水管路安排

3.2 實驗結果分析

圖4 直觀地顯示了2回路盤管換熱量的實際值，在Excel上作線性回歸，可得冷凍水流量與換熱量是對數關系，冷凍水流量越大，盤管換熱量越大，但這種增長趨勢逐步減緩。圖5顯示了2回路冷凍水流量與管路壓降直接關系，作線性回歸方程，可得冷凍水流量與管路壓降是指數關系，流量越大，壓降越大，且趨勢增大，呈指數級增長。

圖4 冷凍水流量與換熱量的關系

圖5 冷凍水流量與管路壓降的關系

分別對4種供水回路結構的冷梁末端進行實驗，計算出所得換熱量，將4組數據繪制在圖6上，可以直觀地看出同一流量下不同冷凍水回路結構盤管的換熱量。當盤管冷凍水流量小于0.078L／s時，單盤管冷梁換熱率最高；當盤管冷凍水流量大于0.078L／s時，2回路冷梁系統換熱率最高。4回路、8回路結構冷梁換熱效果均低于單回路和2回路冷梁，且回路越多，換熱效果越差，但這種趨勢逐步放緩。

圖6 不同回路下盤管傳熱量比較

4 結論

為了進一步研究冷梁的節能特性，針對市場上單回路結構冷梁，本實驗改變冷凍水進回水管路結構，選取具有代表性的4種結構分別進行實驗，得出以下2個觀點：（1）冷梁中盤管換熱量與冷凍水流量呈對數增長關系，而管路壓降與冷凍水流量呈指數增長關系；（2）在4種回路結構的比較中，2回路結構的冷梁系統在一般流量條件下換熱率最高，而壓降卻不明顯，實際適用性最好。單回路系統僅在流量小于0.078L／s時有較高的換熱率，適用于冷凍水流量小的系統，應用面狹窄。

總之，本文從實驗的角度出發，指出了現階段冷梁末端裝置單回路結構的片面性，為進一步提高冷梁節能特性提出了改進建議、相關理論和實驗依據。

［1］宋應乾，龍惟定，吳玉濤.冷梁技術在辦公建筑中的應用與設計［J］.暖通空調，2010（11）

［2］趙榮義，范存養，薛殿華，等.空氣調節［M］.第4版.北京：中國建筑工業出版社，2009

［3］薛殿華.空氣調節［M］.北京：清華大學出版社，1999

［4］楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.第4版.北京：高等教育出版社，2006

［5］2008ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment（S1）［Z］