风机盘管干工况运行的若干问题探讨

摘要：本文针对干工况风机盘管加新风的空调方式的几个相关问题进行了讨论，包括干工况风机盘管加新风的空调系统各种参数的确定、其节能情况和经济性，并提出了一种新型新风机组，用以实现我国风机盘管加新风系统从湿工况改造为干工况。

关键词：干工况 风机盘管 节能 新风机组

0 引言

在我国传统的中央空调系统很多都采用风机盘管加新风系统（湿工况），存在盘管表面积存湿垢、产生霉菌的问题。SARS疫情以后社会有关方面对现有空调方式的偏见，使得人们再次对风机盘管干工况运行的利和弊进行思考。实际上，除了干工况风机盘管空调系统在运行时对建筑空气品质、隔绝污染方面所应承担的责任有意义以外，它在运行能耗的贡献是明显的。关键是针对我国现有的风机盘管加新风空调系统采用干工况运行时，出现的问题进行改造或在运行模式上进行必要的调整。

1 现有中央空调方式的弊病

民用建筑的中央空调大部分是舒适性空调，过去我们偏重研究如何保证舒适度以及如何节能，而对室内空气品质的研究往往只停留在理论研究上，在标准规范中也缺少明确的约束。因此，对空调方式进行审视，提出或重新认识新的，更安全的空调方式是极为有必要的。

在我国传统的中央空调系统通常采用全空气系统及风机盘管加新风系统（湿工况）。这里只讨论风机盘管加新风系统。

新风机组和风机盘管系统指在空调房间内设置风机盘管，对室内空气进行处理，室外新风经集中处理的新风机组处理后送入房间。国内的该类系统在夏季通常将新风处理到室内焓值，不承担室内负荷，由风机盘管承担室内的湿负荷和显热负荷，因此，风机盘管通常处于湿工况。风机盘管加新风的空调系统存在以下问题：

1) 新风机组通常采用冷却盘管除湿，盘管表面长期带水，在停止运行时（夜间及非工作日），表面温度升高，并与空气接触，容易滋生细菌，污染新风。

2) 风机盘管根据室内温度调节，控制湿度的能力较弱。过渡季节中随着显热负荷的减少，为保持室内空气温度，风机盘管的水温相应提高，除湿能力相应下降，室内含湿量有所增加。

3) 风机盘管的凝结水。风机盘管承担室内的热湿负荷，去湿过程有冷凝水产生，容易出现细菌滋生和漏水污染天花板的问题。潮湿的盘管表面往往成为细菌等致病微生物的滋生地，微生物又随着空气的送入污染整个建筑内部环境。

2 干工况风机盘管系统相关参数的确定

2.1 确定新风加干工况风机盘管空调方式的相关参数

2.1.1 负荷

1) 室内显热负荷Q_x：室内显热负荷包括围护结构冷负荷，室内灯光产生的冷负荷，室内设备散热产生的冷负荷，以及人员显热负荷。

2) 室内潜热负荷Q_q及室内散湿量W：对一般民用建筑来说，室内潜热负荷和湿负荷主要是由人员产生的潜热负荷及散湿量。

3) 新风负荷Q_w：

其中，Q_w：新风负荷，W；

G_w：新风量，kg/s；

i_w：室外空气焓值，kJ/kg；

i_N：室内空气焓值，kJ/kg；

2.1.2 风机盘管参数

1) 风机盘管风量G_F：

其中，G_F：风机盘管风量，kg/s；

Q_x：由风机盘管负担的室内显热负荷，W；

t_o：风机盘管送风温度，^oC；

t_N：室内空气温度，^oC；

c：干空气定压比热，kJ/kg. ^oC，计算中取c=1.01

2) 风机盘管进出水温度：

室内风机盘管在干工况下运行，冷冻水温度必须高于室内露点温度。当室内干球温度25℃，相对湿度50%，含湿量为9.8g/kg，露点温度为13.85℃。，考虑一定的安全因素，风机盘管送水温度可定为15℃，回水温度定为18℃。

2.1.3 新风机组参数

1) 新风量G_w：新风量对改善室内环境的空气品质起着重要的作用，但它也是增加建筑能耗的不利因素。房间新风量的合理确定应满足：

a 满足人的卫生要求；

b 补充房间局部排风量并维持其正压要求。

对多数采用风机盘管加新风系统的民用建筑来说，新风量主要是满足人员的最小新风量。各国根据建筑中房间的用途，都制定了每人所需新风量的标准，如美国的ASHRAE62-1989标准、我国的《采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ19-87）。我国规定，影剧院、博物馆、体育馆、商店为8m³/（h·人）；办公室、图书馆、会议室、餐厅、舞厅、医院门诊部和病房17 m³/（h·人）；旅馆客房30 m³/（h·人）^【2】。

2) 新风送风含湿量d_o：

其中，d_o：送风含湿量，g/kg；

d_N：室内空气含湿量，g/kg；

W：室内湿负荷，g/s；

G：送风量，m³/h。

3) 新风送风温度

新风送风温度对风机盘管系统中诸多因素皆有影响，

a 送风温度决定了新风可承担室内显热负荷，，新风温度越低，承担的显负荷越多，可相应减少风机盘管的承担量，节约风机盘管面积；

b 送风温度越低，对风管的保温要求越高，保温的一次投入会增加；

c 送风温度过低时，还可能出现由于低温空气易于下沉，使人有吹风不适感；送风装置表面温度低，稍不注意可能发生凝露现象。所以如果送风温度很低时，新风系统应该采用诱导比较大的诱导风口，高的混合比使得冷空气在0.3~0.4m处被加热到室内温度，因此避免了吹冷风的不适感。

2.2 新风机组的设计与研制

采用风机盘管干工况下运行的新风机组与一般的空气处理设备相比，处理风量相对较小，但单位风量所承担的热湿负荷相对较大。因此，需确定新风机组的设备配比形式。有必要研制一种新风机组，而且在确定这种新型的新风机组中的各种参数时，应具体考虑到对现有建筑的原有系统改造，从而带来更多的现实意义。

图1 新风通过表冷器在h-d图上的表示

2.2.1 表冷器的热工计算

新风机组处理的新风焓差较大，温度也较低（见图1），新风机组宜采用直接蒸发表冷器的空调机组处理新风。直接蒸发式表冷器即把制冷系统的蒸发器放在空调箱中直接冷却空气。进行直接蒸发式表冷器的热工计算也应用到湿球温度效率E_s和通用热交换效率E'。

直接蒸发式表冷器的湿球温度效率定义为：

其中：t₀是制冷系统的蒸发温度，ºC

t_s1，t_s2是处理前、后空气的湿球温度，ºC

通用热交换效率为：

其中：t₁，t₂是处理前、后空气的干球温度，ºC

t₃是空气处理的理想终温，ºC

E_s的大小与蒸发器的结构形式、迎面风速以及制冷剂性质有关，可由实验求得。有了生产厂家提供的产品结构参数及E_s , E’,就可以进行直接蒸发式表冷器的热工计算。由于蒸发器是制冷系统中的一个部件，所以它能提供的冷量大小一定要和制冷系统的产冷量平衡，即被处理空气从直接蒸发式表冷器得到的冷量应与制冷系统提供的冷量相等。应根据空调系统和制冷系统热平衡的概念对蒸发器进行校核计算，定出合理的蒸发温度、冷凝温度、冷却水温、冷却水量等^【1】。

2.2.2 表冷器的阻力计算

表冷器的阻力分为空气系统的阻力和水系统的阻力。

1) 空气阻力 表冷器作为空气处理设备中的一个重要部件，对流经其表面的空气会产生一定阻力，这一阻力与换热器型式、构造、以及空气流速有关，对于一定结构特性的表冷器阻力可由实验公式计算求出。但是由于表冷器有干、湿工况之分，而且湿工况的空气阻力△H_s比干工况的△H_g大，并与析湿系数有关，所以应区分干工况与湿工况的空气阻力计算公式^【1】。新风机组中的表冷器为湿工况，△H_s=Bv^y

2) 水阻力 表冷器对冷热媒介质在管内的流动也会产生阻力，△h=Cw^q。对于直接蒸发式表冷器，它与制冷机是一个整体，它对与制冷机来说就是制冷机的蒸发器。

B，C，q，y为实验的系数和指数。

2.2.3 过滤段

对于大多数工业与民用建筑空调都以温湿度要求为主，对室内空气污染物浓度没有具体要求，通常设置一道粗效过滤器，对送入的空气只进行一般的净化处理。SARS疫情以后，人们更关心室内空气品质，对于多数设有空调系统的民用建筑在防止微生物的污染的问题上需要进一步研究并找到合理的解决办法。

图2 紫外灯设在新风机组的过滤段紫外线照射灭菌对微生物有较好的杀灭作用。但是不同种的微生物或微生物不同的生长阶段对紫外线的抵抗力是不同的。要想彻底灭菌需要有紫外线的充分照射和微生物在紫外线下的一定暴露时间，在滤料迎风侧安装紫外线照射灭菌系统（见图2），使被过滤器阻留的微生物充分暴露在紫外线下彻底不能生存。

3 运行能耗分析

与传统的全空气系统空调及新风加风机盘管（湿工况）的方式运行能耗比较如下：

1) 干工况风机盘管系统保持干工况运行，则送入风机盘管的冷冻水温度需提高到处理空气的露点温度。相对于湿工况的运行状态，冷冻水水温提高，则冷水机组的COP值亦可相应提高，相同的冷量的能耗可相应的降低，甚至有可能采用其他自然冷源（如井水、自来水、冷却塔供水、空气源热泵等）或更节能的制冷方式以挖掘更多节能潜力。

2) 全空气系统由于在过渡季节采用全新风或大部分新风方式运行，来达到室内降温的目的，而不需要启动人工冷源，有显著的节能效果，并能显著提高室内空气品质。而新风系统由于可送入的新风量有限，可利用的自然能源亦有限，加长了一年中人工冷源的运行时间，增加运行费用。为降低新风机组加风机盘管系统的能耗，应充分考虑自然冷源的使用。

3) 新风机组处理的新风焓差较大，温度也较低。在采用冷水机组作冷源时，如为了给新风机组提供温度较低的冷水而降低制冷系统的蒸发温度，会造成冷水机组的制冷效率下降，运行能耗增加。若在通常的冷水温度下运行，就需增加盘管的排数来增大换热面积，盘管排数的增加和迎风面风速的减小，使得表冷器的换热效率降低，新风机组的体积增大，金属耗费增加。因此，新风机组采用直接蒸发表冷器的空调机组处理新风，得到了低的送风温度而且减少了机房的面积。

4) 其他减少能耗的途径：

有组织排风时采用适当的热回收装置回收排风能量。

采用建筑能耗程序对建筑空调能耗进行模拟计算，计算比较建筑内区、外区的负荷差异。建立空调系统费用的合理数学模型，优化运行参数：送风温度、湿度、风机盘管送水温度等。

4 经济分析

1) 新风系统承担室内全部的湿负荷和部分显热负荷，新风机组的处理焓差大，新风机组采用低温送风机组送出的新风温度较低，风机盘管只承担部分显热负荷，这样风机盘管可以保持干工况，可省去凝结水管路，减少了工程的设备投资和安装造价，避免有凝结水产生，防止发生凝结水滴漏对建筑及装修造成破坏的问题，并防止细菌滋生。室内湿负荷和显热负荷分开处理，亦可避免显热负荷变化引起室内空气含湿量的不稳定。

2) 新风系统送风温度较低，空调机组规格缩小，机房面积相应缩小，节省了建筑空间。风道变小，吊顶净空、风道占吊顶空间变小。

3) 新风系统送风量小，噪音低于常规空调机组。

5 结论

采用新风加风机盘管干工况运行方式的系统，不仅可以解决湿工况下滋生细菌、污染新风所造成的建筑空气品质不佳的问题，并且在运行能耗和经济性方面也有一定的贡献。

1) 相对于湿工况的运行状态，冷冻水水温提高，则冷水机组的COP值亦可相应提高，相同的冷量的能耗可相应的降低，甚至有可能采用其他自然冷源（如井水、自来水、冷却塔供水、空气源热泵等）或更节能的制冷方式以挖掘更多节能潜力。

2) 为了获得温度较低的新风又避免冷水机组的制冷效率下降，新风机组宜采用直接蒸发表冷器的空调机组处理新风。

3）风机盘管在干工况下运行，室内无凝水，没有细菌滋生的潮湿环境，改善了空调房间的空气品质。

4) 新风机组的过滤段引进了一种新型的空调过滤器，使对引进的室外空气有很好的灭菌作用，并采用紫外灯杀菌，从风系统这个通道也切断了微生物对室内空气的污染。

参考文献：

【1】 何天祺，康侍民，卢军.供暖通风与空气调节.重庆：重庆大学出版社，2002

【2】 GBJ19-87采暖通风与空气调节设计规范.北京：中国计划出版社，1989

【3】 万建武，钟朝安.干工况风机盘管加新风系统的空调过程设计.建筑热能通风空调，2001，（1），25～28

【4】 石显能，刘刚.紫外线照射灭菌对空调环境微生物污染的防治.东华大学学报，2003，29（1）