冰蓄冷低温送风空调系统风管及保温研究

石俊龙,张宝刚,郭 阳,王红梅

(1.沈阳建筑大学,沈阳110168;2.大连理工大学,大连116024)

当代社会的快速发展和人民生活水平的提高是以严重的能源消耗为代价的,然而过度的能源消耗使得当前国际社会面临着严峻的 “能源危机”。冰蓄冷空调技术作为 “削峰填谷”的有效措施,已经受到世界各国的重视并得到越来越广泛的应用。由于冰蓄冷空调系统增加了蓄冷设备,使其初投资增加。而低温送风系统与冰蓄冷系统相结合能够充分利用冰蓄冷系统所产生的低温冷冻水,使其能以13～20℃的大温差送风,减小风管截面尺寸及设备容量,节省建筑空间,从而在一定程度上弥补了系统初投资及运行费用。但是,大温差送风势必会对室内气流组织及热舒适产生影响。本文主要探讨由于较低的送风温度对风系统的风管及保温层的影响。

1 低温风管及保温

1.1 低温风管

常用的风管一般分为矩形风管和圆形风管2种。圆形风管的强度大,消耗的材料少,沿程的阻力、压降、漏风量小,且便于安装。不过,圆形风管及它的局部设备占的有效空间大。大多数的工程中,用于安装设备的吊顶空间是很局促的,因此在常规空调系统中常使用占空间小的矩形风管,而不是圆形风管[1],尽管前者在其他方面的性能不如后者,但在低温送风系统中,送风量的减少导致了风管尺寸的降低,这就允许设计者选用性能较好的圆形风管,这对于提高整个送风系统的性能也是十分有利的。

1.2 低温风管的得热及温升

风管得热是指气流在风管内流动时,通过风管壁面与外界气流进行传热而得到的热量。由此而引起的气流温度变化称为风管温升。风管得热也是系统负荷的一部分。若不加考虑的话,它会影响送风温度,最终会干扰室内参数。

由于低温送风系统的送风温度低 (一般认为6～8℃的低温送风是最理想的方式),其风管内部空气与周围环境的温差大于常规空调系统 (送风温度13℃),而温差的大幅度增加意味着传热驱动力的增强,低温风管温升明显;此外,由于低温送风系统送风量的降低,相同温升引起的送风温度及室内参数的波动将大于常规空调系统。因此,要格外引起注意。

1.3 低温风管的保温

保温是送风系统的重要组成部分。其形式有内壁保温、外壁保温、双层风管保温等形式。我们常应用的是外壁保温。风管保温有两个作用:一是减小送风的冷量损失;二是防止风管表面结露。在低温送风系统中,由于较低的送风温度而提高了保温要求,与周围空气的较高温差增加了风管得热的驱动力,同时风管壁面温度的降低使结露的可能大大增加。因此,研究低温送风风管的保温有着切实的意义。

影响保温效果的因素概括起来有以下3点:保温材料的性能,保温层的厚度,保温层的施工质量。

在选定保温材料及确保施工质量后,确定保温层厚度的依据有3个:第一,保温层外表面的温度要高于周围空气的露点温度;第二,风管的得热小于预先设定值;第三,有关保温的费用尽可能小。一般总是先满足前两个要求,然后再考虑最后一个要求。

2 低温风管的得热温升计算与分析

2.1 风管温升的计算方法

根据文献3,风管的温升计算公式:

圆形风管

矩形风管

式中,t1为某段风管出口处的风温,℃;te为某段风管入口处的风温,℃;ta为风管外的空气温度,℃;△t为风管温升,℃;C1取常数2.01,W·m·s/(mm·kg);C2取常数 0.5,W·m·s/(mm·kg);A为风管横截面积,m2;V为平均风速,m/s;D为风管直径,m;ρ为保温层密度,kg/m3;U为传热系数,W/(m2·℃);P为风管周长,mm;L为风管长度,m。

其中U值可表示为:

式中,γsi为风管内气流与管壁间的对流换热热阻,m2·℃/W,一般取 γsi=0.026;l为保温层厚度,m,常规系统保温层厚度为0.025～0.09m;k为保温层导热系数,W/(m2·℃),它的取值范围为0.03～0.07;γso为风管外气流与保温层间的对流换热热阻,m2·℃/W,γso一般取=0.1。

由式 (5)可知,风管的传热系数U取决于保冷材料的类型、密度与厚度。设计计算时,风管的总传热系数可以用保冷层热阻加上风管内外表面的对流换热热阻来计算。

2.2 风管温升的计算与分析

以单位长度圆形风管为例,对低温风管的温升进行计算分析。

为方便对比分析,将常规风管的计算参数下标记为 “c”,将低温风管的计算参数下标记为“d”。

取 γsi=0.026,l=0.03,k=0.045, γso=0.1,根据公式 (5)计算出U=1.26W/(m2·℃),取ρ=1.165,计算得出y=465DV。

将y值代入式(2)得:

设定相同的风速Vc=Vd,

由以上参数可求得,△td=1.58△tc。由此可见,使用相同的保温层厚度 (30mm)时,低温送风系统的风管温升是常规系统的1.58倍。继续利用以上公式计算低温送风保温层为40mm、50mm、60mm、70mm,常规送风保温层为30mm时的温升比,由此可得出一条温升比曲线,考虑最不利工况下,tad=tac=34℃,选取和以上计算相同的保温层厚度,对其温升比进行计算,也可得到一条温升比曲线,见图1。

由图1可见,当低温送风系统与常规送风系统的保温层厚度相同时,前者的温升大于后者。由于低温送风的送风温度低,温升对送风温度的影响较常规空调大,因此需要格外注意,以免引起室温偏离设计值。增加保温厚度会减少两者的温升比。若保温层继续增厚,那么低温送风系统的温升会小于常规系统,当保温层厚度约为52mm时两者的温升就相同了。不过,这样的厚度不一定是经济的。一般以上的厚度都能保证不结露,所以确定最佳保温层的厚度是通过额外保温费用与减少风管得热和降低室内送风温度之间的经济分析获得的。

在相同的保温层厚度 (30mm)条件下,为了探究不同环境温度对空调系统温升的影响,计算出了相同保冷条件下不同环境温度 (27～37℃)下的低温送风与常规送风的风管温升比,计算结果见图2。

由图2可以看出,在相同的保温层厚度下,温升比始终大于1。当风管周围环境温度在27～37℃范围内时,低温送风的风管温升约为常规送风风管温升的1.3～1.6倍。温升比与环境温度呈反比,随着环境温度的上升,温升比的降低速度 (斜率)愈来愈慢,当环境温度与室内设计温度相等时,温升比达到最大值。

2.3 风管得热的计算方法

从理论上讲风管的得热量计算公式[3]为:

式中,q为单位长度风管的得热,W/m;te、ta为风管内外的空气温度,℃;a1、a2为管内外空气与壁面间的对流传热系数,W/(m2·℃);d1、dn+1为风管或保温层的内外径,m;Ki为风管或保冷层的导热系数,W/(m2·℃)。

可见风管得热受到管材、保温材料、保温层与管壁厚度、管内外气流的流动状况、温差及管长等众多因素的影响。特别要注意的是,在其他条件变化不大时,送风温差的大幅度增加就意味着传热的出力增大了,那么风管温升和风管得热就会随之增加。为满足同样的冷量需求,在相等的保温条件下,低温送风系统的风管得热与常规送风系统不同,实际计算时,风管的得热可由下式[4]求得:

式中Q1为风管的得热或失热 (负值为失热),W;C3为常数1000,mm/m。

2.4 风管得热的计算与分析

将式 (7)整理得,

为方便对比分析,将常规风管的计算参数下标记为 “c”,将低温风管的计算参数下标记为 “d”。低温送风与常规送风风管的得热比Q1d/Q1c可表示成:

根据式 (9),选取不同的环境温度 (27℃～37℃),可计算出相同保温条件下低温送风与常规送风风管的得热比,计算结果见图3。

图3 不同环境温度下低温送风与常规送风系统得热比

由图3可知,为满足相同冷量需求,在相同条件下,低温送风与常规送风风管的得热比较接近,低温送风风管得热量较常规风管稍大。随着风管周围空气温度的不断升高,其得热比下降。当风管周围空气温度为40～45℃时,其得热量近似相等。

风管得热取决于风管内空气与周围空气之间的温差、风管尺寸和传热系数U。在相同的保温情况下,低温送风系统的风管得热量,可以按从大于常规设计5%～20%的范围内变化。

3 低温风管防结露保温层厚度的计算与分析

低温风管防结露保温层厚度可由以下公式计算:

式中,TS1为风管表面的温度,℃;TS2为保温层表面的温度,℃;TA为周围环境温度,℃;R1为保温层热阻,(m2·℃)/W;RT为总热阻,RT=R1+RF,(m2·℃)/W;RF为空气侧热阻,(m2·℃)/W;l为保温层厚度,m;k为保温层导热系数,W/(m2·℃)。

现取正常工况参数,TA=27℃,相对湿度为55%,根据焓湿图查得其露点温度为17.3℃。当保温层表面的温度等于露点温度时,是风管防结露保温层厚度的临界值。TS2=17.3℃,TS1=8℃,RF=0.126(m2·℃)/W(根据上文得到),求得R1=0.121(m2·℃)/W,根据式 (6),取k的较大值0.07W/(m2·℃),计算出防结露保温层厚度l=8.47mm。常规空调系统的保温层厚度可以满足其不结露的要求。

用以上方法计算夏季最不利工况下的风管防结露保温层厚度,计算参数TA=34℃,相对湿度为80%,根据焓湿图查得其露点温度为29.9℃,计算出保温层厚度l=47.11mm。常规空调的保温层厚度已不能满足其不结露的要求。这就需要设计者在低温送风系统设计中增加风管保温层的厚度,以满足其绝大部分时间保温层表面不结露的要求。具体增加的厚度还要考虑其他两个确定保温层厚度的依据。表1为在不同的环境温度和典型低温送风温度条件下,采用带酚醛泡沫、铝箔的离心玻璃棉、橡塑材料作为保温材料时低温送风风管所需的保温层厚度。

表1 不同条件下低温送风风管保温层厚度(mm)

4 结论

(1)当低温送风系统与常规送风系统的保温层厚度相同时,前者的温升大于后者。由于低温送风的送风温度低,温升对送风温度的影响较常规空调大,因此需要格外注意,以免引起室温偏离设计值。增加保温厚度会减少两者的温升比。若保温层继续增厚,那么低温送风系统的温升会小于常规系统,当保温层厚度约为52mm时两者的温升就近似相同了。

(2)在相同的保温层厚度下,温升比始终大于1。当风管周围环境温度在27～37℃范围内时,低温送风的风管温升约为常规送风风管温升的1.3～1.6倍。

(3)在相同条件下,低温送风与常规送风风管的得热量比较接近,低温送风风管得热量较常规风管稍大。随着风管周围空气温度的不断升高,其得热比下降。当风管周围空气温度为40～45℃时,其得热量近似相等。

(4)当采用冰蓄冷低温送风空调系统时,使用常规空调系统的风管保温层厚度不能满足其表面不结露的要求,需增加其保温层厚度保证其绝大部分时间保温层表面不结露。具体增加的厚度还要考虑其他两个确定保温层厚度的依据。

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