供水回路結(jié)構(gòu)對(duì)冷梁換熱的影響探討

吳小田 翁文兵 陳文景

（上海理工大學(xué)，上海200093）

0 引言

20世紀(jì)80年代，冷梁空調(diào)技術(shù)［1－2］在歐洲萌芽，因其具有氣流組織均勻、外形美觀、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能舒適等特點(diǎn)，故在歐州和美國(guó)迅速發(fā)展。芬蘭的學(xué)者Hannu Koskela［3］研究了在辦公室建筑中冷梁的節(jié)能適用性，并用Fluent模擬冷梁送風(fēng)的氣流組織。針對(duì)我國(guó)耗能大、能源利用率低這一格局［3］，冷梁系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能效益，能顯著提高辦公、生活的空氣品質(zhì)。因此，冷梁技術(shù)是一項(xiàng)很有發(fā)展前景的空調(diào)技術(shù)。

本文基于冷梁的節(jié)能特性，研究冷梁末端翅片換熱器在不同供水結(jié)構(gòu)下的換熱率，尋找最佳冷梁末端結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步提高冷梁節(jié)能特性展開(kāi)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 冷梁工作原理

主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)是基于一次風(fēng)系統(tǒng)［4－5］、帶新風(fēng)誘導(dǎo)的氣水換熱末端裝置（冷梁工作原理如圖1所示），可以實(shí)現(xiàn)制冷、供熱和通風(fēng)的功能。一次風(fēng)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)消除室內(nèi)濕負(fù)荷，同時(shí)降溫及保證新風(fēng)。末端的冷梁盤(pán)管進(jìn)行室內(nèi)冷負(fù)荷的二次處理，根據(jù)國(guó)外節(jié)能改造項(xiàng)目，整個(gè)冷梁系統(tǒng)比傳統(tǒng)VAV［5］空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)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(nèi)空氣和新風(fēng)經(jīng)一次回風(fēng)系統(tǒng)處理形成主氣流進(jìn)入冷梁系統(tǒng)，冷梁系統(tǒng)帶有噴嘴，一次風(fēng)通過(guò)噴嘴進(jìn)入冷梁兩側(cè)下端。根據(jù)文丘里效應(yīng)，流體流經(jīng)阻擋物時(shí)，在阻擋物背風(fēng)面上方端口附近形成低壓，室內(nèi)空氣由于吸附作用通過(guò)回風(fēng)百葉向上方流動(dòng)，通過(guò)冷梁的冷卻盤(pán)管，在出口處空腔內(nèi)混合，達(dá)到氣水換熱之效。冷卻后的二次氣流與一次氣流在混合區(qū)混合，通過(guò)風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)，從而使室內(nèi)溫度降低。

2 冷梁翅片換熱器熱力學(xué)分析

冷梁系統(tǒng)的熱力學(xué)分析應(yīng)在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之前進(jìn)行。冷卻盤(pán)管換熱量可用有限元方式簡(jiǎn)單表示如下：

冷卻盤(pán)管總熱阻可以分成以下4個(gè)主要方面：冷凍水側(cè)對(duì)流傳熱、盤(pán)管的導(dǎo)熱、空氣側(cè)對(duì)流傳熱、盤(pán)管與翅片間的接觸熱阻。除了冷凍水側(cè)對(duì)流傳熱熱阻，其他熱阻可表示如下：

對(duì)于單向流動(dòng)，努謝爾特?cái)?shù)Nu可以根據(jù)雷諾數(shù)Re和普朗特?cái)?shù)Pr計(jì)算得出：

以上參數(shù)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(duì)這些無(wú)量綱參數(shù)的影響可忽略不計(jì)，通常設(shè)為常數(shù)。若已知水的體積流量，則水側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)可表示為：

壓降也是冷卻盤(pán)管中一個(gè)重要的參數(shù)，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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，壓降可直接測(cè)出，冷梁盤(pán)管換熱量等于冷凍水升溫或二次空氣降溫的熱量。Q＝－Cpρa(bǔ)Vsec（Tsec－TN）或Q＝CwρwVw（Tw，out－Tw，in），兩者取較大值。

冷梁傳熱系數(shù)ε可表示為：

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)所用冷梁如圖2所示，外觀為0.5m×1.3m，內(nèi)置對(duì)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(pán)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(dòng)式冷梁系統(tǒng)主要包括空氣循環(huán)和水循環(huán)。2臺(tái)350W離心風(fēng)機(jī)保證一次風(fēng)在恒力下送入充氣室。使用高精度壓力傳感器測(cè)量風(fēng)壓，誤差±1%。2臺(tái)高精度渦輪流量計(jì)，誤差±1.5%。冷凍水循環(huán)冷凍水泵750W，浮子流量計(jì)測(cè)量流量。Pt100鉑電阻溫度傳感器測(cè)量冷凍水進(jìn)出口溫度。一次風(fēng)和冷梁系統(tǒng)各使用4kW螺桿式冷水機(jī)組制備冷凍水，出水溫度由PID控制。

圖2 冷梁系統(tǒng)末端裝置

圖3 1、2、4、8回路進(jìn)回水管路安排

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 直觀地顯示了2回路盤(pán)管換熱量的實(shí)際值，在Excel上作線性回歸，可得冷凍水流量與換熱量是對(duì)數(shù)關(guān)系，冷凍水流量越大，盤(pán)管換熱量越大，但這種增長(zhǎng)趨勢(shì)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(guān)系，作線性回歸方程，可得冷凍水流量與管路壓降是指數(shù)關(guān)系，流量越大，壓降越大，且趨勢(shì)增大，呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

圖4 冷凍水流量與換熱量的關(guān)系

圖5 冷凍水流量與管路壓降的關(guān)系

分別對(duì)4種供水回路結(jié)構(gòu)的冷梁末端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出所得換熱量，將4組數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)盤(pán)管的換熱量。當(dāng)盤(pán)管冷凍水流量小于0.078L／s時(shí)，單盤(pán)管冷梁換熱率最高；當(dāng)盤(pán)管冷凍水流量大于0.078L／s時(shí)，2回路冷梁系統(tǒng)換熱率最高。4回路、8回路結(jié)構(gòu)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(shì)逐步放緩。

圖6 不同回路下盤(pán)管傳熱量比較

4 結(jié)論

為了進(jìn)一步研究冷梁的節(jié)能特性，針對(duì)市場(chǎng)上單回路結(jié)構(gòu)冷梁，本實(shí)驗(yàn)改變冷凍水進(jìn)回水管路結(jié)構(gòu)，選取具有代表性的4種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出以下2個(gè)觀點(diǎn)：（1）冷梁中盤(pán)管換熱量與冷凍水流量呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，而管路壓降與冷凍水流量呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系；（2）在4種回路結(jié)構(gòu)的比較中，2回路結(jié)構(gòu)的冷梁系統(tǒng)在一般流量條件下?lián)Q熱率最高，而壓降卻不明顯，實(shí)際適用性最好。單回路系統(tǒng)僅在流量小于0.078L／s時(shí)有較高的換熱率，適用于冷凍水流量小的系統(tǒng)，應(yīng)用面狹窄。

總之，本文從實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，指出了現(xiàn)階段冷梁末端裝置單回路結(jié)構(gòu)的片面性，為進(jìn)一步提高冷梁節(jié)能特性提出了改進(jìn)建議、相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

［1］宋應(yīng)乾，龍惟定，吳玉濤.冷梁技術(shù)在辦公建筑中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)［J］.暖通空調(diào)，2010（11）

［2］趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華，等.空氣調(diào)節(jié)［M］.第4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009

［3］薛殿華.空氣調(diào)節(jié)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1999

［4］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.第4版.北京：高等教育出版社，2006

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