變水溫工況下室內(nèi)空調(diào)末端供熱能力分析

鄒海燕

（山東省淄博市博山區(qū)熱力公司，山東 淄博 255200）

1 引言

逆卡諾循環(huán)為制冷理論，在此理論指導(dǎo)下，制冷性能系數(shù)與熱源溫度成反比，即熱源溫度越高，制冷性能越差。上述反比特征同樣出現(xiàn)在熱泵循環(huán)中，出水溫度越高，則制熱性能越差[1]。熱冷負(fù)荷比值在某種意義上代表了建筑冷熱負(fù)荷特征，但不同氣候條件下的建筑在熱冷負(fù)荷比上存在不同。若建筑內(nèi)冷熱負(fù)荷具有較大差異，則會導(dǎo)致室內(nèi)空調(diào)末端出現(xiàn)供熱富余情況，此時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況控制供熱能力，以此減少由室內(nèi)空調(diào)引發(fā)的能源損耗。

2 搭建物理模型

為更好地探究室內(nèi)空調(diào)末端在變水溫工況下的供熱能力，本文結(jié)合風(fēng)機(jī)盤管展開討論。本次所選擇的風(fēng)機(jī)盤管型號為FP-68。該風(fēng)機(jī)盤管的額定工況風(fēng)量參數(shù)為680 m3/h，供熱量5.4 kW，供冷量3.6 k W。風(fēng)機(jī)盤管在供冷工況下，其供水溫度為7℃，回水溫度12℃；在供熱工況下，回水溫度與供水溫度分別為52.5℃、60℃[2]。為保障物理模型完整性，對表冷器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行確定，具體如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 分析定流量過程

3.1 修正系數(shù)

對風(fēng)機(jī)盤管傳熱體系分解為3個(gè)階段，即強(qiáng)制對流階段、銅管導(dǎo)熱階段及空氣外掠管束階段，將3個(gè)階段的熱阻數(shù)值相加則為整個(gè)風(fēng)機(jī)盤管的總熱阻。在實(shí)際供熱期間，銅管導(dǎo)熱系數(shù)幾乎不受水溫變化影響，故在本次研究中將其忽略。進(jìn)一步分析管內(nèi)外對流換熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其與多個(gè)參數(shù)存在關(guān)聯(lián)，即流體流速、密度、特征尺度、流體導(dǎo)熱系數(shù)、動力黏度、比熱容。此外，風(fēng)側(cè)、水側(cè)的流體流速在定流量過程中不會發(fā)生變化，相應(yīng)的傳熱參數(shù)同樣不變，此時(shí)僅關(guān)注因溫度變化而產(chǎn)生的物性參數(shù)變動情況，并需修正對流換熱系數(shù)。

盤管液體冷卻導(dǎo)致了溫度降低，繼而使液體黏度增大，對壁面對流換熱系數(shù)起到了弱化效果，在系數(shù)修正期間，可將修正系數(shù)定義為0.25次冪的溫度變化前后的動力黏度比值，即（u0/u）0.25，將式（1）努塞爾數(shù)Nu、式（2）雷諾數(shù)Re與盤管外空氣被加熱時(shí)所產(chǎn)生的對熱換流系數(shù)關(guān)聯(lián)式（式3）進(jìn)行聯(lián)立計(jì)算，此時(shí)可得當(dāng)特征尺度與空氣流速持續(xù)不變時(shí)，對流換熱系數(shù)aw與λ/νn成正比，其中ν代指運(yùn)動黏度，對不同空氣溫度條件下的λ/νn參數(shù)進(jìn)行觀察，不難看出，該參數(shù)在不同空氣溫度條件下的變化較小，此時(shí)可確定，外表面對流換熱熱阻基本不會受到空氣溫度變化的影響，可將其忽略不計(jì)，可將對流換熱熱阻看作定值。

式（1）～式（3）中，Nu為努塞爾數(shù)；C為比熱容，取0.615，J/（kg·K）；Re為雷諾數(shù)；n為指數(shù)，取0.466；u為空氣流速；l為特征尺度，取自外徑數(shù)值；aw為外表面對流換熱系數(shù)；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)；ν為運(yùn)動黏度。此外，外表面對流換熱系數(shù)在不同溫度條件下的變化情況如表2所示，其中管道外徑均為0.01 m，即l特征尺度為0.01 m。。

表2 外表面對流換熱系數(shù)在不同溫度條件下的變化

3.2 迭代計(jì)算

將室內(nèi)環(huán)境熱負(fù)荷看作5.4 kW，冷負(fù)荷看作3.6 kW，風(fēng)機(jī)盤管的供熱量與供冷量在額定工況條件下可實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)匹配。當(dāng)建筑地點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，假設(shè)空調(diào)室內(nèi)環(huán)境熱負(fù)荷、冷負(fù)荷分別減小、不變，此時(shí)若空調(diào)風(fēng)機(jī)盤管若為冷負(fù)荷選型，則會在冬季出現(xiàn)出力過剩的情況。此時(shí)，可將冬季供水溫度調(diào)低，以此可縮減空氣側(cè)與盤管側(cè)之間的平均溫差，但因溫度降低，同時(shí)減少了內(nèi)表面對流換熱系數(shù)，繼而增大了熱阻，在此情況下可減少風(fēng)機(jī)盤管出力。在已知進(jìn)風(fēng)溫度t1、供水溫度tg、供熱能力Q1的情況下可得出出風(fēng)溫度t2、回水溫度th，進(jìn)一步得出平均溫差Δtm及供熱量Q2，將供熱能力Q1與供熱量Q2對比，若兩者差值小于0.1%，則代表迭代完成。若得出大于0.1%的結(jié)果，則需重新帶入數(shù)值，再次計(jì)算，迭代公式見式（4）～式（6）。

式（4）～式（6）中，mw為水側(cè)流量；ma為空氣側(cè)流量；K為傳熱系數(shù)；F為傳熱面積Ca為空氣側(cè)比熱容；Cw為水側(cè)比熱容。確定供水溫度后即可得出風(fēng)機(jī)盤管所能適應(yīng)的室內(nèi)最大熱冷負(fù)荷比。

3.3 結(jié)果分析

對定流量工況下的空調(diào)風(fēng)機(jī)盤管供熱能力進(jìn)行分析，供水溫度的降低會帶動平均溫差與60℃供水溫度額定工況比值的減小，此時(shí)風(fēng)機(jī)盤管的有效供熱量將會降低。若溫度降低，則增大液體動力黏度，減小對流換熱系數(shù)及傳熱系數(shù)，該變化同樣會減少風(fēng)機(jī)盤管的有效供熱量。若空調(diào)供水溫度降低至30℃時(shí)，對應(yīng)的室內(nèi)最大熱冷負(fù)荷比為0.32，這就代表若空調(diào)選擇冷負(fù)荷風(fēng)機(jī)盤管，在冬季運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管能夠承擔(dān)的最大熱負(fù)荷低于32%的夏季冷負(fù)荷。此外，當(dāng)水溫處于35℃、40℃、45℃時(shí)，其最大熱冷負(fù)荷比分別為0.50、0.69、0.89，故定流量狀態(tài)下，空調(diào)末端最大熱冷負(fù)荷區(qū)間為32%～89%。若供水溫度已確定適宜，為避免出現(xiàn)空調(diào)供熱富余過剩的情況，確定建筑熱冷負(fù)荷比時(shí)，應(yīng)找出最大熱負(fù)荷、最小冷負(fù)荷的房間，依據(jù)該房間的熱冷負(fù)荷比得出整個(gè)建筑的熱冷負(fù)荷比，以此避免冬夏共用型風(fēng)機(jī)盤管在實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)不必要的能源損耗。

4 分析變流量過程

4.1 傳熱系數(shù)

當(dāng)供回水溫差低于5℃時(shí)，可將室內(nèi)空調(diào)風(fēng)機(jī)盤管調(diào)節(jié)為流量可變、5℃恒定溫差的狀態(tài)，在風(fēng)機(jī)盤管管徑不變的條件下，熱水流量與熱負(fù)荷同步減小，此時(shí)管內(nèi)流速逐漸降低，Re同樣隨之減小，流體流動狀態(tài)將逐漸從旺盛湍流區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡區(qū)。計(jì)算風(fēng)機(jī)盤管管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱的Nu時(shí)，多運(yùn)用式（7）進(jìn)行計(jì)算，并運(yùn)用式（8）可計(jì)算出內(nèi)表面對流換熱系數(shù)。

式（7）、式（8）中，Pr為普朗特?cái)?shù)；l為特征尺度，取值為管徑參數(shù)；n=3；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)。

由于導(dǎo)熱系數(shù)基本不受溫度影響，故忽略不計(jì)，且風(fēng)機(jī)盤管管束構(gòu)造與流體流速并未發(fā)生改變，此時(shí)可將外表面對流換熱熱阻、導(dǎo)熱熱阻判定為定值，將兩者相加即可得出額定工況時(shí)的總熱阻與內(nèi)表面換熱熱阻的差值。將內(nèi)表面換熱熱阻、外表面換熱熱阻、導(dǎo)熱熱阻相加，其導(dǎo)數(shù)則為風(fēng)機(jī)盤管傳熱系數(shù)。

4.2 迭代計(jì)算

在變流量工況條件下，進(jìn)風(fēng)溫度t1、供水溫度tg、回水溫度th為已知條件，此時(shí)設(shè)定供熱量為Q1，此時(shí)可得出出風(fēng)溫度t2、熱水流量mw的數(shù)值，并可進(jìn)一步計(jì)算得出對數(shù)平均溫差Δtm，在明確熱水流量參數(shù)情況下，可計(jì)算得出雷諾數(shù)及管內(nèi)流速，同時(shí)引入普朗特?cái)?shù)，計(jì)算得出Nu努塞爾數(shù)，繼而得出內(nèi)表面對流換熱系數(shù)。

結(jié)合上述分析可見，確定對流換熱系數(shù)后，可進(jìn)一步得出綜合傳熱系數(shù)參數(shù)，并將綜合傳熱系數(shù)與對數(shù)平均溫差進(jìn)行運(yùn)算，即可計(jì)算出實(shí)際供熱量Q2。明確供熱量Q1與Q2后，將其對比并計(jì)算差值，若兩者之差小于0.1%，即為迭代完成，若差值大于0.1%，則需按照圖1重新迭代計(jì)算，最終得出風(fēng)機(jī)盤管變流量工況下的最大熱冷負(fù)荷比結(jié)果如表3所示。

圖1 迭代過程

表3 風(fēng)機(jī)盤管變流量工況下的最大熱冷負(fù)荷比結(jié)果

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)表3即可直觀清晰地明確風(fēng)機(jī)盤管變流量工況下的最大熱冷負(fù)荷比在不同供水溫度下的變化情況。結(jié)合表3可知，當(dāng)熱水溫度逐漸提升時(shí)，相對應(yīng)的對數(shù)平均溫差隨之增大，同時(shí)會造成液體黏度減小，在此狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)表面對流換熱系數(shù)相應(yīng)的增大。除此之外，當(dāng)熱水流量逐漸增大時(shí)，水流速度將根據(jù)熱水流量情況而增大，此時(shí)風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)表面對流換熱系數(shù)將隨之增大。在上述條件下，室內(nèi)空調(diào)風(fēng)機(jī)盤管實(shí)際供熱能力將急劇上升，繼而導(dǎo)致室內(nèi)最大熱冷負(fù)荷比高于定流量工況。當(dāng)熱水溫度下降、熱水流量下降時(shí)，上述狀態(tài)將會呈現(xiàn)出相反表現(xiàn)，而該表現(xiàn)將會隨著下降幅度的增大而變得愈發(fā)明顯，將空調(diào)機(jī)組的供水溫度調(diào)節(jié)至30℃時(shí)，最大熱冷負(fù)荷比將會降低至15%，此時(shí)空調(diào)風(fēng)機(jī)盤管需增大選型，成本將會提高，因此，本次工況變化研究僅用于數(shù)據(jù)分析，在現(xiàn)實(shí)生活中，可通過提高供水溫度保障空調(diào)設(shè)備使用效益[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，選擇風(fēng)機(jī)盤管分析定流量、變流量工況下的空調(diào)末端供熱能力變化，在分析期間搭建了物理模型，用于明確風(fēng)機(jī)盤管結(jié)構(gòu)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合多種參數(shù)，探究空調(diào)機(jī)組出水溫度與室內(nèi)冷熱負(fù)荷比之間的關(guān)系，以此得出空調(diào)系統(tǒng)供熱時(shí)最適宜的供回水溫度，繼而確保空調(diào)所表現(xiàn)出的供熱能力能夠與室內(nèi)熱冷負(fù)荷比相適宜，避免出現(xiàn)供熱過剩、能源浪費(fèi)現(xiàn)象。