淺談寒冷地區暖通空調的受凍問題

于欣 康靜 王丙亮 裴仲勛

【摘要】通過崇禮太子城冰雪小鎮項目引出冬季空調系統機組盤管受凍的問題，分析和討論空調系統受凍的原因和條件，提出了一些有益的措施，使得在寒冷地區的實際工程在設計、施工、訂貨和后期使用、維護全方面對嚴寒地區的寒冷天氣有充分的認識，清楚考慮所有可能產生凍害的因素，提前制定相應應對策略。

【關鍵詞】崇禮太子城;機組受凍;設計

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.28.082

1、工程背景

張家口市崇禮太子城冰雪小鎮位于河北省2022年冬奧會張家口賽區核心區域。是太子城高鐵站前最顯著的建筑群，總占地面積2.89平方公里，涵蓋了冬奧頒獎廣場、國際會議中心、國際度假酒店群、冰雪特色配套區等開發建設內容。

2、設計計算參數

以下以項目的會展中心參數為例進行說明

2.1室外空氣計算參數（崇禮）

2.2室內主要房間空氣調節設計參數

2.3通風系統室內設計參數

3、系統冷熱源介紹

3.1冷、熱負荷

3.2熱源系統

本工程熱源為承壓燃氣熱水鍋爐+承壓電熱水鍋爐及蓄熱水箱，熱源設于會展中心地下一層的鍋爐房及熱水箱間內。蓄熱系統通過三組板式換熱器向二次側系統供熱，為空調熱水系統提供：60℃/45℃熱水;為高溫預熱及散熱器系統提供：70℃/50℃熱水;為低溫熱水地面輻射供暖系統提供：55℃/45℃熱水。

3.3冷源系統

本工程冷源為離心式（變頻）冷水機組+螺桿式（變頻）冷水機組。冷源設于會展中心地下一層的制冷站內，冷凍水供、回水溫度為6/12℃，冷卻水供、回水溫度為：28℃/33℃，冷凍水采用一次泵變流量系統、冷卻水定流量系統，冷卻塔設置于室外地坪綠化帶內;部分電氣用房，如變電所、消防控制室等采用局部冷源供冷，采用分體（多聯）式空調，外機主要設置在車庫內。

4、嚴寒地區新風機組盤管受凍問題的分析

由于是寒冷地區，尤其是冬季時間長，室外氣溫也會降的很低。新風機組盤管被凍裂的情況發生的非常普遍。這不僅給用戶的使用增加了費用和不便，同時也增加了維修的工作量和費用，在很大程度上影響著新風系統在寒冷地區的應用 [1]。并且每當發生這樣的事故時，對于在寒冷冬季的用戶和物業都是非常大的挑戰。

首先，進行事故的原因分析，受凍事故多發生于新風機組的盤管上，主要是由于新風機組從室外引入的新風溫度較低，使得盤管中的水急速失溫，達到水的冰點溫度，水結冰后體積膨脹，導致盤管中的銅管被脹大直到被脹裂。

由于空調風在設計時，為了保證設備新風口處有足夠量的負壓，所以機組接新風端口的風管長度都盡量的短。這種措施在夏季時不會產生任何的問題，但是在寒冷地區，尤其是冬季室外溫度較低的地區，甚至非寒冷地區在發生寒流的情況下，這種設計做法極易造成新風機組的盤管受凍問題。

最終，新風機組盤管被凍裂需要達到這兩個必要條件：①機組盤管內的流體介質在系統的工作壓力下達到或低于了凝固的溫度，并產生凝固現象;②機組盤管內的流體介質凝固時體積變大。所以要解決新風機組盤管被凍裂的情況就必須使這兩個條件無法達成。

機組盤管中的介質絕大多數都是以水作為工作介質的，水的物理性能就決定了第二條條件幾乎可以廢棄，因為水在凝固時體積是變大的。那么更換工作介質理論上可以達到要求，選擇其它流體作為工作介質，使流體在系統的工作壓力下凝固溫度低于寒冷地區的最低溫度，這樣就避免的一切的問題。這個方法可行，但是出于投資和運行以及相應的費效比來說，對于一般的生活舒適性空調系統來說會受到非常多的限制，在實際應用中是做不到的。為此，只有第一個條件可以幫助我們防止發生凍壞情況的產生。我們將重點研究如何防止機組盤管內的流體介質在系統的工作壓力下達到或低于了凝固的溫度，并產生凝固現象。

在設計進行設計時應對所有吸入室外新風的部分增加設置預熱盤管，在電動保溫閥與多葉調節閥之間的風管道上一次風的預熱盤管，同時為避免由于空調熱水系統電動閥自動關小造成盤管內的水流速降低，為此在該預熱系統上不設電動閥門只設手動閥門，確保預熱盤管內水流速恒定不變，同時需保證預熱盤管流動情況在供暖期里一直保持不間斷。或是加設電加熱器，電加熱器的開閉由電動保溫閥后面的感溫元件控制，電動保溫閥關閉后，電加熱器就開始工作，溫度低于設定值下限溫度時自動接通電加熱器，溫度高于設定上限溫度時電加熱器斷電。只要電加熱器的功率選擇適當。經過預熱盤管加熱后的新風再進入加熱盤管加熱，此時，加熱盤管熱水系統的電動閥門根據進風溫度通過水量調節，使加熱盤管加熱量與需求量相適應。這種解決方式必須經設計仔細計算確定參數，并會造成設備及初投資增長，并使系統復雜化。在實際應用當中當預熱器出問題時，仍會發生新風機組加熱器管道被凍裂的事故。

只要是盤管處理不好都會受到凍害，如遇寒流加熱盤管也可能受凍，為此通過相應措施，簡單保證盤管中的熱水流速也是從一定程度預防此類問題。在寒冷的冬季，在北方地區室外空氣溫度常出現低于零下10℃的情況，在嚴寒地區甚至。在新風系統工作時會抽入室外新風，室外進來的新風與加熱盤管進行熱交換。為了將室外進來的新空氣加熱到空調設計要求的溫度，加熱盤管的必須達到一定的熱功率。而加熱盤管一旦確定，它的管徑、排數、結構、供水溫度就是死數了，如果想要改變其熱功率只有靠盤管內的水流流速，為此水流速非常重要。當新風機組的風機正常運行，而新風機組盤管中的水流速很低或接近靜止時，盤管就會急速降溫，從而導致結冰管道凍裂。[2]除了前面所說的電動控制閥造成流速低外，另一些可能造成流速過低的原因有：①由于系統排氣不暢，管道中介質混入大量氣體，從而導致循環管路流動阻力加大流速降低;②管道系統中存在有大量雜質物，主要是施工中遺留的一些焊渣、油麻及其他雜物，在系統沖洗時沒有清除干凈或運行后才脫落產生的。由此沉淀到較低層和過濾器過濾網前，造成管路阻塞，影響了管道流動，使流速降低。這兩種情況多發生于系統第一次投入運行或者是系統的較低位置。

解決措施：①在管路系統上合理的上返位置或者管路的最高位置設置自動排氣裝置，可以及時排除系統內的氣體。②在設備熱水入口處加設一個過濾器，初次運行時經常清洗過濾器。建議選擇SG型過濾器，其優點是體積小，阻力小，清污方便（清污時只要先關閉前后閥門，擰開銅排污蓋，然后抽出濾芯，去掉雜物后在裝回）。[3]

在設計規范中規定了嚴寒地區新風進風口處應裝設能嚴密關閉且保溫的閥，也就是常說的防凍閥。通過切斷新風端與外界的聯通來改善該問題的產生。但有很多工程實際并沒有設制相關的閥門，另一些情況是運營管理人員沒有及時關閉或沒有關閉嚴密該閥門，還有由于電動保溫閥執行機構機械零件磨損和設計缺欠使電動保溫閥關閉不嚴，這時可以考慮前文中增設電加熱器的方式，防止停機后漏風造成受凍。還有就是辦公型建筑在早晨剛啟機時，由于盤管內熱水還未循環起來，盤管內水溫度較低，加上新風口處的負壓較大造成機組新風端漏風嚴重，使得室外低溫度新風進入設備，設備新風端的盤管溫度低，造成了機組盤管內的水達到或低于凝固溫度，結冰脹壞盤管。針對這種情況，可采取相應的一些措施來解決：

（1）在新風口處裝設質量好、能關閉嚴密的保溫閥，適當的降低新風的流速;

（2）如果是高層建筑，可集中設置新風豎井，新風處理機制分設于各層，或直接加大盤管與新風口的距離;[4]

（4）為新風機組設置防凍自控系統，合理的調節閥門和水流。

（5）裝設新風排風全熱交換器，為新風預熱，提高新風溫度。

（6）在運行時，注意工作人員的操作順序，先不開風機，只開啟熱水循環泵，使盤管溫度升高后，再開啟風機。[5]這種方法對于熱水供水溫度較低，新風量較大的系統，需謹慎嘗試。

為此集中空調新風機組防凍工作人員的操作順序，首先開啟新風機組順序：開啟空調熱水循環泵預熱后;通過電動保溫閥根據情況合理打開新風吸入口;再開啟機組風機。關閉新風機組順序：關閉機組風機;關閉電動保溫閥封閉新風吸入口;最后關閉循環水泵。也可以采用自控連鎖的方式，制定相應控制策略控制風機、循環泵、電動保溫閥開關來實現防凍操作。

處于當前環保的考慮，根據相關研究“嚴寒地區宜選用顯熱回收裝置”，同時考慮實際回收能量的排風多來自衛生間，為避免發生熱回收裝置排風與新風發生滲漏影響新風品質問題，最終采用了板式熱回收機組。但是由于嚴寒地區室外溫度過低，即出現板式熱回收機組排風側出現結霜現象。嚴寒地區使用包括板式熱回收機組在內存在冬季排風側結霜問題的熱回收機組時，不能按平常的處理流程進行機組內的流程設計。

在機組新風側入口處設置預熱盤管，冬季將室外新風先等濕加熱至0℃以上點后，才能進入熱回收段等濕加熱段，所以在訂購可能有冬季排風側結霜問題的熱回收機組時，必須要求設置預熱盤管，使冬季室外新風先預熱后再進入熱交換段，以此保證回收機組的正常工作。

結語：

雖然寒冷地區的天氣給我們帶來很多麻煩，但是為了滿足廣大人民對于物質和生活水平提高的需要，也為了在寒冷地區安裝空調系統的需求。通過上述問題分析和討論，對于寒冷地區的天氣特點所帶來的系統危害有了較為清楚的認識，同時由于自然條件帶給系統的損害在實際工程設計、施工、訂貨和后期使用、維護等各個方面都需要嚴肅認真的對待。全方面對寒冷天氣的溫度有充分的認識，清楚識別所有可能產生凍害的因素，提前制定相應應對策略，認真對待和科學施策。希望通過此文的分析和討論對今后的嚴寒地區的空調受凍問題起到一定的幫助、借鑒和參考作用。

參考文獻：

[1]孫玉軍.淺談空調新風機組冬季防凍措施.[J].才智.2011，（14）：73.

[2]董淳.醫院新風機組防凍淺析及經驗總結.[J].工程建設與設計.2013，（5）：113-114.

[3]賀曉;胡桂秋;逯國強.寒冷地區空調設計若干問題[J]. 承德石油高等專科學校學報.2017， （5）：49-50，55

作者簡介：

于欣（1974-），男，山東文登人，高級工程師，1997年畢業于北京建筑大學，工程碩士，現在主要從事機電安裝和暖通空調方面的研究。

康靜（1983-），男，漢族，河北省保定市，工程師，2007年畢業于淮海工學院，土木工程專業，畢業后一直在施工單位從事施工和項目相關的技術、管理工作。

王丙亮（1986-），男，江蘇徐州人，工程師，2011年3月畢業于同濟大學，管理學碩士，現在主要從事建筑工程施工管理工作。

裴仲勛（1990-），男，河北承德人，工程師，2012年畢業于遼寧工程技術大學，工學學士，現在主要從事建筑工程施工管理工作。