使用地源水的表冷器除濕性能分析★

李世姣 王 令* 王順森

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

使用地源水的表冷器除濕性能分析★

李世姣 王 令* 王順森

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

針對四川省綿陽市的水資源條件，提出用地源水代替7 ℃冷凍水通入表冷器對空氣進行降溫除濕處理，并進行了理論分析，結(jié)果表明冷水溫度提高到16 ℃時，仍然具有良好的除濕效果。

除濕性能，地源水，表冷器，溫度

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對房間舒適度的要求越來越高，對空氣溫度、濕度的需求也越來越強烈，空調(diào)能耗將越來越多，傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)采用7 ℃冷凍水對空氣進行降溫除濕處理，但是處理后的空氣氣溫較低，需將冷空氣進行加熱后，再送入室內(nèi)，導致能源的浪費，因此有越來越多的學者提出應(yīng)提高表冷器冷凍水溫度：李申等[1]利用實驗數(shù)據(jù)證明將冷凍水溫度提高到12 ℃，最高可節(jié)能50%左右。周俊陽[2]對恒溫恒濕空調(diào)進行建模分析，得出11 ℃的冷凍水能夠滿足夏季空調(diào)需求。

四川省綿陽市位于四川盆地西北部,地處亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，有豐富的降水資源及河水資源[3]，且夏季地源水溫度維持在17 ℃左右。針對該地區(qū)水資源條件，本文提出采用地源水對空氣進行表冷器預(yù)處理，節(jié)約了再熱能耗，從而達到節(jié)能的目的。

1 表冷器除濕過程理論計算

表冷器的熱濕交換是在主體空氣與緊貼表冷器外表面的邊界層空氣之間的溫差和水蒸氣分壓力差作用下進行的，當邊界層空氣低于主體空氣的露點溫度時，將發(fā)生減濕冷卻工況，在焓濕圖上表示如圖1所示。

表冷器濕工況下的換熱計算有大量理論研究，如表冷器效率法、王晉生等[4]提出的等價干工法，樂有奮等[5]提出的水側(cè)熱交換效率法等，由于表冷器效率法具有數(shù)學模型清晰，推導過程嚴謹，計算方便的優(yōu)點，所以本文采用表冷器效率法進行計算，效率法流程圖[6]如圖2所示。

表冷器減濕冷卻過程的傳熱系數(shù)Ks可按照下式計算:

(1)

其中，αn，αw為內(nèi)外表面熱交換系數(shù)，W/(m2·℃)；φ0為肋表面全效率；δ為管壁厚度，m；λ為管壁導熱系數(shù)，W/(m2·℃);τ為肋化系數(shù)，τ=Fw/Fn，F(xiàn)n，F(xiàn)w分別為單位管長肋管內(nèi)、外表面積，m2。

當表冷器結(jié)構(gòu)形式一定時，減濕冷卻過程的Ks的影響因素有αn，αw以及析濕系數(shù)ξ。由于αn,αw一般是水與空氣流動狀況的函數(shù)，因此，在實際工作中往往把表冷器的傳熱系數(shù)整理成以下形式的經(jīng)驗式：

(2)

其中，Vy為空氣迎面風速，m/s；ω為表冷器管內(nèi)水流速，m/s；A，B，P，m，n為由實驗得出的系數(shù)和指數(shù)。

本文表冷器采用JW-10系列表冷器進行理論計算研究，JW-10型表冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 JW-10型表冷器結(jié)構(gòu)參數(shù) m2

當?shù)卮髿鈮簽?01 325 Pa，空氣的入口參數(shù)為t1=35 ℃，h1=92.2 kJ/kg，根據(jù)式(2)分析可得，對于給定結(jié)構(gòu)表冷器，影響表冷器傳熱系數(shù)的主要因素是冷水流速與空氣風速，而JW-10系列表冷器有4排，6排，8排三種不同結(jié)構(gòu)，所以在選擇影響因素的時候確定了冷水流速、空氣風速以及排數(shù)這三個變量，具體的參數(shù)選擇如表2所示。

表2 因素取值表

2 結(jié)果與分析

2.1 冷凍水溫度

當進口空氣干球溫度t1=35 ℃，h1=92.2 kJ/kg，風速Vy=2.5 m/s，冷水流速ω=1.7 m/s時，對表冷器進行不同進水溫度的理論計算，結(jié)果如圖 3所示。

由圖3可以得出，隨著冷水溫度的提高，出口空氣的含濕量越來越大，即除濕效果越來越差，所以采用地源水的高溫冷水表冷器，需要強化其他參數(shù)，才能達到低溫水表冷器的除濕效果。

2.2 冷水流速

當進口空氣干球溫度t1=35 ℃，h1=92.2 kJ/kg，風速Vy=2.5 m/s，冷水水溫tw1=12 ℃時，對JW-10型6排表冷器進行不同進水速度的理論計算，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以得到，在相同冷水溫度的情況下，出口空氣的含濕量隨著流速的增加而降低，但當流速大于2 m/s時，出口空氣含濕量下降速度開始變小，最后接近于一個定值，分析可得，速度過大會導致在冷水換熱不充分的情況下就流出了換熱區(qū)域，造成浪費。

保持其他參數(shù)不變，改變表冷器的冷水入口溫度得到空氣出口含濕量的理論計算結(jié)果如下：

根據(jù)圖5可以看出，當tw1=7 ℃，冷水流速ω=0.5 m/s時，表冷器可以處理的空氣狀態(tài)點A的含濕量dA=18.3 g/kg，當冷水溫度提高到16 ℃，流速提高到3.5 m/s時也可以達到狀態(tài)點A所需含濕量。但是冷卻水溫度提高了9 ℃，節(jié)約了制取低溫水的能耗。

2.3 空氣風速

當進口空氣干球溫度t1=35 ℃，h1=92.2 kJ/kg，冷水水溫tw1=12 ℃時，對JW-10型6排表冷器進行不同風速的理論計算，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可見，在相同冷水溫度的情況下，出口空氣的含濕量隨著風速的增加而降低，說明提高空氣風速，可以強化表冷器的除濕性能，綜合考慮到大風速可能帶來的噪聲問題等等，GB 50736—2012民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范對表冷器迎面風速給出了一個推薦值，即1.5 m/s～2.3 m/s[7]。

保持其他參數(shù)不變，改變表冷器的冷水入口溫度，得到空氣出口含濕量的理論計算結(jié)果。

根據(jù)圖7可以看出以7 ℃冷水1.5 m/s風速能處理到的空氣狀態(tài)點B的含濕量dB=14.94 g/kg為基準，當冷水溫度提高到10 ℃時，風速提高到2.2 m/s也可以達到狀態(tài)點B所需含濕量。

2.4 管數(shù)

當進口空氣干球溫度t1=35 ℃，h1=92.2 kJ/kg，風速Vy=2.5 m/s，ω=2.5 m/s時，對JW- 10 型4排，6排，8排表冷器進行不同冷水溫度的仿真計算，結(jié)果如圖 8所示。

由圖8可得，在相同冷水溫度的情況下，出口空氣的含濕量隨著排數(shù)的增加而降低。以7 ℃冷水4排能處理到的空氣狀態(tài)點C的含濕量dC=19.75 g/kg為基準，當排數(shù)提高到8排時，冷水溫度提高到16 ℃，也可以達到狀態(tài)點C所需含濕量。同時對比相同冷水溫度采用4排管，6排管，8排管所得到的出口空氣的含濕量差值可以發(fā)現(xiàn)，當排數(shù)從4排變?yōu)?排時，相同冷水溫度的出口空氣含濕量之差可以達到2.5 g/kg左右，但是同溫度下，將排數(shù)改為8排，出口空氣含濕量之差只能達到1 g/kg左右。

3 結(jié)語

1)隨著冷水溫度的提高，表冷器的除濕性能在降低，但是通過提高表冷器排數(shù)、冷水流速、空氣風速等，可以將表冷器的冷水出口溫度提高到16 ℃左右，這樣為采用地源水直接進行降溫除濕提供了理論基礎(chǔ)；2)不同的水流速對表冷器的除濕性能有一定影響，隨著流速的增加，表冷器的除濕性能得到了增強，但是流速的增加會導致冷水與被處理濕空氣的接觸時間縮短，且增大水流側(cè)阻力，以本文算例為例，最優(yōu)流速在2 m/s～2.5 m/s之間；3)表冷器的除濕性能隨著風速的增加得到了增強，考慮到風速過大可能引起的噪聲，且風速過大也會縮短冷壁面與濕空氣的接觸時間，所以建議的風速取值為1.5 m/s～2.3 m/s；4)增加排數(shù)可以強化表冷器的除濕性能，但是隨著排數(shù)冷器除濕性能增加緩慢，直至趨于穩(wěn)定，在工業(yè)上，應(yīng)選擇一個最經(jīng)濟的表冷器排數(shù)。

[1] 李 申,沈 嘉,張學軍,等.恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制與性能模擬[J].制冷學報,2012,33(1):22-27.

[2] 周俊陽.恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計與冷凍水溫度優(yōu)化[D].杭州:浙江大學,2012.

[3] 蔡雪峰.綿陽市水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀、問題及建議[J].河務(wù)科技,2013(3):175-176.

[4] 王晉生,程寶義,繆小平,等.任意工況下表冷器的熱力計算法[J].暖通空調(diào)，1997(27):54-56.

[5] 樂有奮,王清平.表冷器熱工計算新方法——水側(cè)熱交換效率法[J].暖通空調(diào)，2005，35(7):120-126.

[6] 趙榮義,范存養(yǎng),薛殿華,等.空氣調(diào)節(jié)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009:81-94.

[7] GB 50736—2012，民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].

The dehumidification performance of a cooling coil using the ground source water★

Li Shijiao Wang Ling* Wang Shunsen

(CivilEngineeringandArchitecturalCollege,SouthwestScienceandTechnologyUniversity,Mianyang621010,China)

According to the water resource conditions in Mianyang of Sichuan Province, the paper points out the cooling and dehumidification role of the ground-source water taking the place of 7 ℃ cooled water into the surface air cooler, undertakes the theoretic analysis, and proves by the result that the better dehumidification effect can be achieved when the temperature of cool water is raised to 16 ℃.

dehumidification performance, ground-source water, surface air cooler, temperature

1009-6825(2015)02-0108-03

2014-11-06★:國家支撐計劃(項目編號：2012BAA13B02)；川西北地區(qū)地源熱泵應(yīng)用特性研究(項目編號：2010JY0175)

李世姣(1990- )，女，在讀碩士； 王順森(1994- )，男，在讀本科生

王 令(1969- ),女，副教授

TB657.2

A