變水溫工況下空調表冷器換熱性能的實驗研究

徐東泰 隆智輝 梁正中

貴州中煙工業有限責任公司

變水溫工況下空調表冷器換熱性能的實驗研究

徐東泰 隆智輝 梁正中

貴州中煙工業有限責任公司

針對類似卷煙生產工房的高露點中央空調系統應用場合，本文分別對4排/6排空調表冷器在不同冷凍供水溫度工況下的換熱性能進行了現場測試實驗。測試數據分析表明，變水溫運行工況下，隨著冷凍供水溫度的提高，表冷器處理后的空氣干球溫度有較大的提高，相對濕度變化不大，供回水溫差變小；為充分發揮變水溫運行的節能潛力，表冷器應根據實際的露點溫度需求進行優化設計；表冷器排數的增加更有利于提高冷凍供水溫度，達到冷水機組節能的目的。

卷煙廠 表冷器 變冷凍水溫度 換熱性能 空調能耗

0 引言

表冷器作為中央空調系統末端機組的核心部件，廣泛應用于各類建筑物中央空調系統的空氣處理機組（AHU）、新風機組（PAU）和風機盤管（FCU）等設備，可同時實現空氣的降溫、除濕處理過程。對于表冷器的降溫除濕過程，由于空氣同時發生了顯熱和潛熱交換，其熱工計算、設備選型，以及在不同工況下的運行性能模擬較為復雜。通常表冷器的生產廠家提供的產品樣本，只給出冷凍供回水溫度為7℃/12℃標準工況下的性能參數，設計單位也按此標準工況進行表冷器選型。隨著人們對建筑節能的廣泛重視，對于一些夏季室內設計參數呈現高露點特點的建筑物，變水溫運行已成為中央空調制冷系統節能重要手段。如我國的卷煙生產工房，夏季室內設計參數為25±2℃、60%± 5%RH，對應的表冷器出風露點溫度在18℃左右，夏季空調系統可運行在不低于9℃供水溫度工況之下，過渡季節冷凍供水溫度可進一步提高。研究文獻表明[1～2]，對于離心式冷水機組，每提高1℃的冷凍水溫度，冷水機組可節能3%～4%左右。

然而，當冷凍水供水溫度提高后，表冷器的冷卻除濕性能會發生哪些變化？按7℃/12℃標準工況設計選型的表冷器在變水溫節能運行模式下，是否還能滿足換熱性能要求？本文針對兩種不同排數的表冷器在不同冷凍供水溫度工況下進行了現場性能試驗研究，探索了變水溫工況下表冷器的設計選型方案、以及運行控制方案。

1 實驗對象及測試方案

筆者以貴州中煙工業有限責任公司貴陽卷煙廠“十一五”易地技改項目聯合工房中央空調系統作為實例，選取濾棒成型車間KJ3、卷接包車間KJ15空調機組為實驗對象。兩臺空調機組的功能段配置均為回風機段、新排回風混合段、過濾段、表冷擋水段、蒸汽加熱段、干蒸汽加濕段和送風機段，其中KJ3空調機組表冷器為6排，KJ15空調機組的表冷器為4排。表冷器均采用銅管串親水鋁翅片結構，直波紋鋁翅片，片距3.2mm。兩臺空調機組所對應的車間室內溫濕度設計參數（夏季）均為：25℃、60%RH。

實驗依據GB/T 14296-2008《空氣冷卻器與空氣加熱器》標準規定的方法和測試方案要求，對兩臺空調機組的表冷器進行現場性能測試。測試時間為2012年7月7日～8日。測試目標是研究表冷器在相同進風工況和冷凍水流量條件下，不同供水溫度下表冷器的出風參數的變化。為此：1）通過調節新回閥的開度，維持表冷器的進風側空氣參數基本不變：干球溫度27～28℃，濕球溫度20～22℃；2）通過調節風機的運行頻率，保證表冷器的迎面風速恒定在2.5±0.3m/s范圍內；3）通過調節冷凍水管路上的調節閥，保證表冷器的冷凍水流量處于額定工況下，銅管內的流速約1m/s左右；4）改變冷水機組的供水溫度，取5℃、7℃、9℃、11℃、13℃五個工況點，分別測試各工況下表冷器出風溫濕度參數的變化情況。供水溫度改變后，空調機組運行30分鐘后開始測試；表冷器進出風側斷面上均勻布置4個溫濕度測點，取平均值作為分析數據。

表1 實驗測試儀表及數量

測試用主要儀表包括溫濕度記錄儀、超聲波流量計、空氣壓差計、熱線式風速計等，實驗儀表如表1所示。表冷器的供回水溫度、壓差采用所配置自控系統的監測實時數據。

2 實驗測試數據及分析

2.1 表冷器性能測試數據結果及分析

表2、表3分別為卷接包車間KJ15、濾棒成型車間KJ3空調機組的表冷器性能測試數據，其中KJ15空調機組的表冷器選用4排表冷器，KJ3空調機組的表冷器選用6排表冷器。表中表冷器的進出風側的空氣溫濕度參數為4個測點的平均值，供回水溫度參數采用自控系統的實時監測值。從表中測試數據結果可以看出：在相同的進風參數、迎面風速和水流量條件下，對于結構一定的表冷器（4排或6排），隨著冷凍供水溫度的提高，其出風側的干球溫度有較大的提高，但相對濕度變化不大，同時冷凍供回水溫差逐漸變小。同時，測得KJ15、KJ3表冷擋水段的空氣阻力分別為140.6Pa和173.8Pa，表冷器的水阻力分別為16.2kPa和21.0kPa。

表2 KJ15空調機組4排表冷器性能測試數據

表3 KJ3空調機組6排表冷器性能測試數據

KJ15、KJ3兩臺空調機組所服務的濾棒成型車間、卷接包車間的夏季室內溫濕度設計參數均為25℃、60%RH，將上述KJ15、KJ3空調機組在不同供水溫度下，表冷器的空氣冷卻除濕處理過程繪制在焓濕圖上，如圖1所示。圖中綠色各點t5、t7、t9、t11、t13為KJ15空調表冷器（4排）在不同冷凍供水溫度下處理后的狀態點，紅色各點為KJ3空調表冷器（6排）出風狀態點。

圖1 不同冷凍供水溫度下表冷器的空氣處理過程

從圖1的焓濕圖分析上可以看出，對于相同的冷凍供水溫度和進風空氣參數工況下，6排表冷器比4排表冷器處理后的空氣露點溫度要低，即冷卻除濕能力強。其原因在于：相對于4排表冷器而言，6排表冷器能保證空氣與換熱翅片之間的接觸面積更大，空氣流經6排表冷器的行程更長。反過來講，當室內溫濕度設計參數一定時，其對應的空氣處理機組的機器露點溫度隨之確定，采用6排表冷器比采用4排表冷器更有利于發揮變水溫運行的節能潛力。比如對于本項目，為保證車間滿足25℃、60%RH的設計參數，空調機組表冷器處理后的機器露點溫度大約在18℃左右（卷煙車間熱濕比接近于+∞），若選用4排表冷器，冷凍供水溫度最高只能達到9℃左右；若選用6排表冷器，冷凍供水溫度最高可以提高到13℃左右。按有關文獻分析[1～2]，兩種不同表冷器的選擇，導致制冷站冷水機組的運行能耗相差12%～15%左右。同時，從測試數據結果可以看出，4排表冷器的空氣出風相對濕度只能在90%左右，6排表冷器的空氣出風相對濕度可達到95%左右，更接近于機器露點溫度，可實現更大的送風溫差，更有利于變風量節能控制運行。

當然，表冷器排數增加后，空氣側和水側的阻力略有增加。提高冷凍供水溫度后，表冷器的供回水溫差變小。這些因素將會對風機、水泵的能耗帶來不利影響，但相對于冷水機組的節能量來講，這些能耗的增加占比量很小。

2.2 變水溫工況下表冷器的設計選型方案

從上述實驗測試數據和分析可以看出，對于諸如卷煙生產工房這類高露點、小焓差中央空調系統，空調機組的表冷器不宜按7℃/12℃標準工況進行設計選型。卷煙生產工房的空調系統設計實踐表明，夏季除濕工況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℃標準工況下的供冷量能滿足此焓降要求，但當提高冷凍供水溫度后，其供冷能力達不到要求。夏季除濕時，4排表冷器的空調系統只能運行在較低冷凍供水溫度（小于9℃）工況下，運行過程中經常發生過度除濕現象，導致夏季表冷閥、加熱閥、加濕閥同時動作，造成能源的極大浪費。

另一方面，常規表冷器水路行程的結構設計導致提高冷凍供水溫度后，供回水溫差減少（小于5℃），這將引起冷凍水泵的運行能耗加大。因此，空調表冷器生產廠家應對變水溫工況下的表冷器結構進行優化設計，保證冷凍供水溫度提高后，表冷器的供回水溫差維持在5℃左右。

3 結論

對于排數、片距等結構參數一定的表冷器，變水溫運行工況下，隨著冷凍供水溫度的提高，其處理后的空氣干球溫度有較大的提高，但相對濕度變化不大，同時供回水溫差逐漸變小。對于同一冷凍供水溫度下，6排表冷器比4排表冷器具有更強的除濕能力或更低的露點溫度。對于高露點的中央空調系統應用場合，空調機組的表冷器不宜按7℃/12℃標準工況進行設計選型，應根據室內溫濕度設計參數所對應的露點溫度需求，合理進行表冷器的設計選型。本文對4排、6排表冷器在不同供水溫度下的性能測試數據可作為設計選型時參考。

[1]林榮欣,敖順榮.卷煙廠空調與制冷系統聯機運行節能策略[J].煙草科技,2002,(6):13-P16

[2]吳偉,張小芬,李先庭.提高卷煙廠空調系統冷凍供水溫度的節能效果[J].暖通空調,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

徐東泰（1957～），男，大學，工程師；貴州貴陽市友誼路25號貴州中煙工業有限責任公司（550001）；0851-86820693；E-mail:xudt3@aliyun.com