新風(fēng)、空調(diào)機(jī)組防凍措施分析

【摘要】介紹了發(fā)生在我國(guó)寒冷、嚴(yán)寒地區(qū)空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)中加熱器被凍壞的原因以及防凍措施，并對(duì)各種防凍措施進(jìn)行分析比較，旨在說(shuō)明各種防凍措施的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用性，以降低維護(hù)、運(yùn)行成本，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】新風(fēng)加熱器；電動(dòng)保溫閥；防凍

1. 引言

在我國(guó)寒冷、嚴(yán)寒地區(qū)，集中空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)機(jī)組加熱器、供回水管經(jīng)常被凍裂，其原因主要是加熱盤(pán)管內(nèi)流體凝固時(shí)體積膨脹所造成，這不僅影響了新風(fēng)機(jī)組的正常運(yùn)行、增加了設(shè)備的維修量和用戶的運(yùn)行管理費(fèi)用，也在一定程度上影響了新風(fēng)系統(tǒng)在我國(guó)寒冷地區(qū)的推廣應(yīng)用。尤其是在藥廠、電子、化纖行業(yè)損失嚴(yán)重。本文著重闡述加熱器、供回水管被凍壞的原因以及防凍措施，結(jié)合本公司的實(shí)際設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)防凍措施進(jìn)行分析比較，對(duì)北方地區(qū)新風(fēng)機(jī)組系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、使用提出一些看法，供有關(guān)人員參考。

圖1-14行程水路圖

2. 表冷、加熱器的概述

表冷、加熱器是空調(diào)末端機(jī)組的重要組成部件，是用于新風(fēng)機(jī)組以及組合式空調(diào)機(jī)組的換熱設(shè)備。其性能主要表達(dá)為傳熱系數(shù)、風(fēng)側(cè)阻力及水側(cè)阻力，其性能的好壞可決定空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)。

3. 表冷、加熱器凍裂的原因

（1）嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)，空調(diào)機(jī)組被凍裂的事故多發(fā)生在加熱盤(pán)管上，事故的直接原因是當(dāng)機(jī)組的加熱盤(pán)管（通常是紫銅管）中的水溫低于其工作壓力對(duì)應(yīng)的凝固點(diǎn)溫度時(shí)，水開(kāi)始結(jié)冰、體積膨脹，最終導(dǎo)致加熱器銅管被脹裂。

（2）加熱器管路內(nèi)的水路流程設(shè)計(jì)形式，管路內(nèi)有臟堵、氣堵、室外空氣溫差大、建筑朝向、管路內(nèi)水不能有效排放，以及運(yùn)行、維護(hù)不當(dāng)也是凍裂的重要原因。

4. 采取防凍措施的重要性

新風(fēng)機(jī)組多安裝在吊頂內(nèi)，一旦凍裂漏水對(duì)吊頂、室內(nèi)設(shè)備、物品損害較大。藥廠、電子、化纖行業(yè)的空調(diào)機(jī)組加熱器一旦凍裂，不能滿足正常的生產(chǎn)工藝要求，損失嚴(yán)重。因此，空調(diào)機(jī)組的防凍非常重要。

圖1-26行程水路圖

圖1-312行程水路圖

5. 新風(fēng)、空調(diào)機(jī)組加熱器凍裂的原因分析

5.1加熱器被凍裂的兩個(gè)必要條件：（1）空調(diào)機(jī)組加熱盤(pán)管內(nèi)的流體凝固時(shí)體積膨脹。（2）空調(diào)機(jī)組的加熱盤(pán)管中流體的溫度等于或低于該流體工作壓力下所對(duì)應(yīng)的凝固點(diǎn)，只有當(dāng)兩個(gè)條件同時(shí)具備時(shí)，才會(huì)發(fā)生加熱器被凍裂的事故，也就是說(shuō)避免兩個(gè)條件之一就能防止空調(diào)機(jī)組加熱器被凍壞。

5.2空調(diào)系統(tǒng)中的加熱盤(pán)管絕大多數(shù)都以水為工作介質(zhì)，水的物理性質(zhì)決定了當(dāng)其凝固時(shí)體積膨脹。所以，在以水為介質(zhì)的空調(diào)系統(tǒng)中，第二個(gè)條件就成了加熱器被凍壞的唯一因素。

6. 新風(fēng)、空調(diào)機(jī)組的防凍措施

6.1設(shè)計(jì)合理的表冷、加熱器的水路流程形式。

目前，我國(guó)大多數(shù)空調(diào)生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的表冷器設(shè)計(jì)都不盡合理，表冷器迎風(fēng)面長(zhǎng)寬比變化有6倍之多（一些超薄吊頂新風(fēng)機(jī)組），其水路流程形式只有一種，新、回風(fēng)工況水路也無(wú)區(qū)別。出現(xiàn)氣堵、臟堵、進(jìn)出水溫差很小或很大，實(shí)際換熱量達(dá)不到公稱值，排水不暢導(dǎo)致冬季凍壞等各種問(wèn)題。

6.1.1水路的設(shè)計(jì)原則。

筆者認(rèn)為寒冷、嚴(yán)寒地區(qū)表冷器的水路設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

（1）合理的水速（1.0～1.6m/s），以保證較高的換熱系數(shù)。

（2）較低的水阻力，保證水泵的選擇和較低的能量消耗。

（3）按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)溫差進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）保證水和空氣的逆叉流交換，以保證最大的換熱溫差。

（5）保證表冷器內(nèi)的水能自然排出，以防冬季凍壞，這對(duì)于防凍來(lái)說(shuō)是最關(guān)鍵的。

（6）工藝簡(jiǎn)單，裝配焊接易實(shí)現(xiàn)。

6.1.2表冷器水路流程設(shè)計(jì)。

（1）文獻(xiàn)[1]中以應(yīng)用較多的6排管為例進(jìn)行分析研究，提出了12行程、6行程、4行程三種水路流程設(shè)計(jì)方法，水路設(shè)計(jì)能保證常壓下放凈積水，有利于防凍。12行程管路流程太長(zhǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)水阻力過(guò)大，在大風(fēng)量空調(diào)機(jī)組中表現(xiàn)更加突出；4行程雖然流程較小，但焊接工藝復(fù)雜，因此筆者比較同意采用6行程水路流程設(shè)計(jì)方法，如圖1（圖1-1、圖1-2、圖1-3）。

圖210行程水路圖

（2）為了滿足建筑安裝高度，吊頂空調(diào)機(jī)組制作高度降低到500mm，若表冷器采用16的紫銅管，孔距38mm，單排可作成10孔，采用圖2所示水路流程形式：

（3）V為水速，紫銅管的內(nèi)壁粗糙度為0.0032mm，集水管多為鍍鋅管，內(nèi)壁粗糙度約為0.1mm.，因此集水管的表面粗糙度和管徑對(duì)表冷器的水阻力起主要作用，若集水管水速為1.0～1.5m/s，紫銅管內(nèi)的水速可取為1.5 ～2.0m/s ，

（4）圖2所示形式與風(fēng)機(jī)盤(pán)管空調(diào)機(jī)組的流程形式完全相同，在相同傳熱面積的情況下，制冷量基本是一樣的，但這種流程形式能完全把水排凈，且無(wú)氣堵，因此在建筑物樓層較低，且吊頂高度較高的情況下，比較適用。

6.2采用特殊載冷劑，降低表冷、加熱器內(nèi)流體的凝固溫度。

水結(jié)冰時(shí)有5～6℃的過(guò)冷度，即結(jié)冰初始時(shí)刻蓄冰水必須降至-5～-6℃才能開(kāi)始凝固，若在蓄冰時(shí)采用添加成核劑的辦法，使水的過(guò)冷度減少至2℃（即水在-2℃左右開(kāi)始結(jié)冰），文獻(xiàn)[2]中提出添加成核劑的25%乙二醇水溶液可使凝固溫度降低到-5～ -7℃。由于乙二醇水溶液對(duì)鋼管、銅管有腐蝕性且黏度較大，因此在施工安裝時(shí)應(yīng)考慮到管路的防腐問(wèn)題、提高系統(tǒng)水泵的壓頭，同時(shí)需要增加系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用，其實(shí)際應(yīng)用受到限制。

6.3保證新風(fēng)、空調(diào)機(jī)組加熱器的水流速。

6.3.1在北方嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)，冬季室外空氣溫度大多在零下10℃以下，為了達(dá)到空調(diào)設(shè)計(jì)要求溫度，加熱器必須提供足夠大的熱量，當(dāng)加熱器的結(jié)構(gòu)和供水溫度確定之后，其熱量的大小主要取決于加熱器內(nèi)水流速的大小。如果機(jī)組的風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，而新風(fēng)機(jī)組盤(pán)管中的水流速過(guò)低或接近靜止，加器會(huì)被迅速降溫，最終加熱器中的介質(zhì)水會(huì)結(jié)冰導(dǎo)致?lián)Q熱器凍裂。

6.3.2導(dǎo)致加熱器中的流體流速過(guò)低的原因主要有：（1）系統(tǒng)排氣不暢，換熱器管道中流體混有大量氣體，致使循環(huán)管路流動(dòng)阻力加大、流速降低。（2）系統(tǒng)中存在雜質(zhì)阻塞加熱器的管道使流體速度降低或靜止。這種情況經(jīng)常發(fā)生在新風(fēng)系統(tǒng)的最低層和系統(tǒng)運(yùn)行初期。

6.3.3在這種情況下，即使循環(huán)水泵不停地工作，通過(guò)該管道流體的流速也會(huì)很低甚至為零，解決方法如下：

（1）系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置排氣裝置，及時(shí)排除系統(tǒng)內(nèi)的氣體，以保證管道內(nèi)水的流速在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，這樣，即使系統(tǒng)內(nèi)積存了少量的氣體，也不會(huì)對(duì)管道內(nèi)工質(zhì)的流速有較大的影響。

（2）在施工過(guò)程中，一定把好系統(tǒng)管道清洗關(guān)。將系統(tǒng)中的一些焊渣、麻及其他雜質(zhì)清洗干凈。

圖3電加熱法防凍

6.4防止冷風(fēng)滲透。

6.4.1電加熱防凍法。

電加熱法是防止新風(fēng)機(jī)組防凍的最常用的方法。如圖3所示，采用風(fēng)機(jī)6、循環(huán)熱水泵和電動(dòng)保溫閥1進(jìn)行連鎖的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在電動(dòng)保溫閥1與多葉調(diào)節(jié)閥3之間的風(fēng)管管道上加設(shè)電加熱器2，電動(dòng)保溫閥1關(guān)閉后，電加熱器2開(kāi)始工作，電加熱器2的開(kāi)與關(guān)由電動(dòng)保溫閥1后面的感溫元件控制，實(shí)現(xiàn)當(dāng)電動(dòng)保溫閥1后部溫度低于設(shè)定值下限溫度時(shí)接通電加熱器，溫度高于設(shè)定溫度上限時(shí)電加熱器斷電。只要電加熱器的功率選擇適當(dāng)，就可以有效地加熱滲透的冷風(fēng)，但這種方法在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中電加熱器損壞時(shí)，仍會(huì)發(fā)生新風(fēng)機(jī)組加熱器管道被凍裂的事故。

圖4值班風(fēng)機(jī)法

6.4.2值班風(fēng)機(jī)法。

（1）文獻(xiàn)[3]中提出采用值班風(fēng)機(jī)法如圖4所示，其工作原理是通過(guò)加設(shè)值班風(fēng)機(jī)6把走廊的空氣送入電動(dòng)保溫閥1和多葉調(diào)節(jié)閥2之間的管道內(nèi)，與滲透的冷風(fēng)一起進(jìn)入新風(fēng)機(jī)組，只要風(fēng)機(jī)6的選擇適當(dāng)完全可以避免凍裂事故的發(fā)生。

（2）但筆者認(rèn)為此方法只適合室內(nèi)溫度較高的場(chǎng)所，若風(fēng)機(jī)6長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)對(duì)空調(diào)使用場(chǎng)所造成負(fù)壓，最后導(dǎo)致冷風(fēng)進(jìn)入凍壞加熱器，而且必須連鎖控制。

圖5旁通導(dǎo)流法

圖6電加熱、導(dǎo)流法

6.4.3旁通導(dǎo)流法。

文獻(xiàn)[4]中提出采用旁通導(dǎo)流法如圖5所示，其工作原理是在電動(dòng)保溫閥1和新風(fēng)機(jī)組之間的風(fēng)管道底部設(shè)置旁通管和電動(dòng)閥門(mén)5，同時(shí)將電動(dòng)保溫閥1和電動(dòng)閥門(mén)5連鎖。當(dāng)新風(fēng)機(jī)組停止運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)保溫閥1關(guān)閉，同時(shí)打開(kāi)電動(dòng)閥門(mén)5，滲透的冷風(fēng)90%會(huì)在室內(nèi)外熱壓和風(fēng)壓共同的作用下，通過(guò)閥5流至走廊內(nèi)，避免了冷空氣進(jìn)入新風(fēng)機(jī)組。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可靠性強(qiáng)，不足之處是在過(guò)渡季節(jié)以及水溫較低時(shí)難以實(shí)現(xiàn)所需的空調(diào)溫度。

6.4.4電加熱、導(dǎo)流符合法。

如圖6所示，在旁通導(dǎo)流法的基礎(chǔ)上，在電動(dòng)保溫閥1和多葉調(diào)節(jié)閥2之間加輔助電加熱。采取這種防凍措施的好處是：

（1）在過(guò)渡季節(jié)，由于電加熱的輔助加熱作用，可提供舒適的新風(fēng)。

（2）對(duì)于室內(nèi)外溫度極低且室內(nèi)外溫差相當(dāng)較小時(shí)，通過(guò)電動(dòng)保溫閥1后面的感溫元件控制，實(shí)現(xiàn)當(dāng)電動(dòng)保溫閥1后部溫度低于設(shè)定值下限溫度時(shí)接通電加熱器，溫度高于設(shè)定溫度上限時(shí)電加熱器斷電。

（3）在空調(diào)熱水?dāng)嗨约半妱?dòng)保溫閥失效時(shí)起雙保險(xiǎn)作用。此方法已使用在很多北方寒冷尤其是對(duì)溫濕度較嚴(yán)格的場(chǎng)合。

6.5運(yùn)行管理措施。

要制定完整的空調(diào)運(yùn)行、調(diào)節(jié)及維護(hù)制度，對(duì)運(yùn)行管理人員進(jìn)行必要的技術(shù)培訓(xùn)：

（1） 空調(diào)工程竣工后仔細(xì)檢查水系統(tǒng)的泄水閥安裝情況，沒(méi)有安裝的要補(bǔ)裝，原來(lái)沒(méi)有設(shè)計(jì)泄水閥的也要補(bǔ)裝上。

（2）加熱器出水管應(yīng)設(shè)置自動(dòng)排氣閥保證排氣暢通，進(jìn)水管最低處設(shè)置排水閥，表冷器停止使用時(shí)，打開(kāi)水系統(tǒng)最低處的泄水閥，放掉冷凍水管路中的冷凍水。要做到將表冷器管內(nèi)的水徹底放凈。

（3）空氣加熱器停止工作時(shí)，如擔(dān)心新風(fēng)閥浸入寒冷天氣的室外空氣，可在關(guān)閉進(jìn)、出口熱媒管路閥門(mén)的基礎(chǔ)上，再將空氣加熱器的泄水閥打開(kāi)放掉熱水或蒸汽冷凝水水，并且不關(guān)閉該泄水閥以保證設(shè)備內(nèi)不存水。

（4）使用手動(dòng)新風(fēng)控制閥時(shí)要嚴(yán)格做到工作時(shí)開(kāi)閥，停機(jī)時(shí)關(guān)閥的操作要求。對(duì)于風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)的新風(fēng)控制閥工作動(dòng)作情況也應(yīng)進(jìn)行經(jīng)常檢查，確保其工作正常。

（5）空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝監(jiān)測(cè)工作運(yùn)行狀況的熱工儀表與低溫報(bào)警裝置，以方便運(yùn)行管理人員對(duì)空調(diào)機(jī)組的正常工作調(diào)節(jié)與防凍操作處理。可在空調(diào)予熱器出口安裝一個(gè)低溫報(bào)警裝置。這樣，一旦在工作中空氣預(yù)熱器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)，及連動(dòng)風(fēng)機(jī)停止工作，新風(fēng)閥關(guān)閉，以防止空調(diào)機(jī)組內(nèi)的水系統(tǒng)設(shè)備結(jié)冰、凍壞。

7. 結(jié)論

（1）上述各種方法在實(shí)際應(yīng)用中均較為實(shí)用，但都有一定的局限性。新風(fēng)空調(diào)機(jī)組加熱器在冬季被凍壞的原因是多方面的，有空調(diào)產(chǎn)品質(zhì)量、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原因，也有空調(diào)運(yùn)行管理方面的原因。設(shè)計(jì)、質(zhì)量、管理三個(gè)環(huán)節(jié)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)考慮不周，都會(huì)導(dǎo)致加熱器凍裂，造成經(jīng)濟(jì)損失。

（2）如在設(shè)計(jì)方面，不同風(fēng)量、不同環(huán)境溫度、不同工作場(chǎng)所的表冷加熱器應(yīng)分別設(shè)計(jì)，對(duì)空調(diào)設(shè)計(jì)要求較高的系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其中包括低溫報(bào)警、停機(jī)、關(guān)閉新風(fēng)控制閥等多個(gè)防凍技術(shù)措施；在空調(diào)產(chǎn)品制作方面，新風(fēng)控制閥應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制作，以保證其嚴(yán)密性與保溫性能，另外要研制新型的新風(fēng)控制閥，提高新風(fēng)控制閥的產(chǎn)品檔次；在運(yùn)行管理方面，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題 。

參考文獻(xiàn)

[1]《表冷器水路設(shè)計(jì)方法》，2001《制冷與空調(diào)》第3期陳寶山.

[2]《冰蓄冷平板堆積床蓄冷特性試驗(yàn)研究》方貴銀.

[3]《寒冷地區(qū)通風(fēng)空調(diào)新風(fēng)加熱器防凍問(wèn)題》夏喜英.

[4]《寒冷地區(qū)集中空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)機(jī)組防凍措施》郭海豐 .