（潔凈廠房新風(fēng)機組的空氣預(yù)熱處理計算分析）
在一次回風(fēng)空調(diào)機組中，如果冬季室外空氣焓值低于一定值時，就需要對新風(fēng)進行預(yù)熱，否則混合后的空氣無法處理到送風(fēng)狀態(tài)點。而在潔凈廠房的空氣處理中常用到獨立新風(fēng)機組（
MAU
）系統(tǒng)。舒適空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)機組用于處理滿足空調(diào)房間的人員的新風(fēng)需求的新風(fēng)量，風(fēng)量相對較小，而對于潔凈廠房的空調(diào)系統(tǒng)，一方面由于潔凈廠房的換氣次數(shù)比較大，千級潔凈室為
50~60
次
/h
，萬級潔凈室為
15~25
次
/h
，十萬級潔凈室為
10~15
次
/h
[1]
，新風(fēng)機組處理的風(fēng)量比較大；另一方面考慮潔凈度的要求，潔凈室風(fēng)口末端安裝有高效過濾器，而高效過濾器的容塵能力有限，因此需要在新風(fēng)機組中安裝初、中效過濾器。當遇上冰雨天氣
(
冰雨天氣是由于冷暖空氣對流，大氣上層氣溫在冰點以上，而地面溫度在冰點以下，使得雨水在下降過程中結(jié)成冰粒而形成的特殊降水方式
)
，
過濾器視空氣中
冰晶
為顆粒物而阻攔，水滴在零度以下的濾材上結(jié)冰，并迅速地將過濾器封堵，導(dǎo)致新風(fēng)機組嚴重出力不足，進而影響整個潔凈廠房的潔凈度及空氣品質(zhì)
[2]
。
鑒于上述問題的存在，當室外溫度低于
5
℃時應(yīng)對新風(fēng)進行預(yù)熱，就是在新風(fēng)機組入口增加一套預(yù)熱盤管，在新風(fēng)溫度低于
5
℃時將其預(yù)熱至
5
℃，這樣以來，即使遇上冰雨和大霧天氣，由于盤管的加熱，冰雨轉(zhuǎn)化為水滴，大部分水滴碰到預(yù)熱盤管壁面會附著在上面，積累成大的水滴沿著盤管壁流到下面的接水盤中，同時由于新風(fēng)經(jīng)預(yù)熱到
5
℃再吹向過濾器，濾材的溫度不會達到零度以下，因此濾材上即使有水滴也不會結(jié)冰，過濾器也就不會出現(xiàn)封堵現(xiàn)象。
另外，在新風(fēng)和一次回風(fēng)時也應(yīng)考慮混合點是否在霧區(qū)的問題，需要根據(jù)最小新風(fēng)比和室外空氣狀態(tài)點的焓值確定新風(fēng)的預(yù)熱。當室外氣溫降到
0℃
以下時，如進風(fēng)或新風(fēng)系統(tǒng)中未采取有效的防凍措施，空氣加熱器中的水有可能結(jié)凍。結(jié)凍的結(jié)果，輕則影響正常運行，重則使加熱器的盤管破裂，必須更新或修理。一般可以采用的預(yù)防新風(fēng)機組盤管凍結(jié)的方法有電加熱法、值班風(fēng)機法和旁通導(dǎo)流法
[3][4]
，這里考慮用混水站的方法來消除預(yù)熱盤管凍結(jié)的隱患。
1.
預(yù)熱盤管水量調(diào)節(jié)的方案比較
方案一
?。阂话愕目照{(diào)機組的熱水盤管都是通過在機組盤管的供水和回水管道上用三通閥連接，根據(jù)盤管后的空氣的溫度調(diào)節(jié)電動三通閥，從而控制熱水盤管的水流量，如圖1中所示。這種用三通閥進行調(diào)節(jié)的水系統(tǒng)，盡管通過末端設(shè)備的水流量變化了，但是對整個水系統(tǒng)而言卻是定流量的。定流量系統(tǒng)中用戶末端盤管采用三通閥調(diào)節(jié)，水泵大部分時間在較低的效率點工作，耗能嚴重。
而在實際工程中有的通風(fēng)或空調(diào)系統(tǒng)間歇運行，當系統(tǒng)停止運行后，預(yù)熱盤管內(nèi)的水停止循環(huán)，由于進風(fēng)口處閥門的熱損耗和室外冷空氣的滲入，會使預(yù)熱盤管內(nèi)的水因局部溫度逐漸降低而凍結(jié)，以至將預(yù)熱盤管的銅管凍裂，影響通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)的正常運行。也就是說如果預(yù)熱盤管水路系統(tǒng)采用三通閥的連接方式，預(yù)熱盤管仍存在著凍裂的安全隱患。
方案二：
預(yù)熱盤管水路控制更簡單的控制方式是采用電動二通閥，使整個水系統(tǒng)成為變流量系統(tǒng)，如圖2中所示。在這一變流量系統(tǒng)中，用戶末端盤管采用二通閥調(diào)節(jié)，整個系統(tǒng)循環(huán)水流量隨負荷變化而成比例變化。變水量的目的是使由熱源輸出的流量所載熱量與經(jīng)常變化的末端所需冷量相匹配，節(jié)約熱量輸送動力和熱源的運行費用。
這種方案與方案一存在著相同的問題，即在通風(fēng)或空調(diào)系統(tǒng)間歇運行時，當系統(tǒng)停止運行后，預(yù)熱盤管存在著凍裂的安全隱患。
方案三：
采用混水站的控制方式可以消除以上兩種方案都存在的問題，其具體連接方式如圖3所示。
如圖3所示，
a
點接熱水管網(wǎng)供水管，
d
點接熱水管網(wǎng)回水管，
ac
段設(shè)置一過濾器，
cb
段加裝一水泵，
ed
段加控制閥（電動二通閥），
ec
段加止回閥。預(yù)熱盤管采用這種混水站的方式預(yù)防盤管凍裂的原理在于：在正常情況下，通過新風(fēng)機組的預(yù)熱盤管后面的空氣溫度來調(diào)節(jié)
ed
段的控制閥，當其溫度低于
5
℃時，增加控制閥的開度，即增加熱水盤管的水流量
,
直至預(yù)熱盤管后面的空氣溫度達到
5
℃為止。
從圖3中可以看出，即使
ed
點的控制閥開度為
0
，由于
bc
段的循環(huán)水泵的存在，在環(huán)路
bcfe
中依然有一定量的水在循環(huán)流動，也就是說無論何時在環(huán)路
bcfe
中都有循環(huán)水。即使在通風(fēng)或空調(diào)系統(tǒng)間歇運行時，當系統(tǒng)停止運行后，預(yù)熱盤管內(nèi)仍然有水循環(huán)流動，有效的消除了盤管凍裂的安全隱患。
另外
ed
段裝有電動二通閥，從而使整個水路系統(tǒng)成為變流量系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)末端盤管采用二通閥，使整個系統(tǒng)循環(huán)流量隨負荷變化而成比例變化，變水量的目的是使由熱源輸出的流量所載熱量與經(jīng)常變化的末端所需熱量相匹配，節(jié)約熱量輸送動力和熱源的運行費用。
分析比較上述三種預(yù)熱盤管水量調(diào)節(jié)方案：方案一采用三通閥調(diào)節(jié)，水泵大部分時間在降低的效率點工作，耗能嚴重，而且存在預(yù)熱盤管凍裂的安全隱患；方案二通過變流量節(jié)約熱量輸送動力和熱源的運行費用，但是也存在著預(yù)熱盤管凍結(jié)的安全隱患；方案三雖然管路復(fù)雜些，由于預(yù)熱盤管側(cè)循環(huán)水泵的存在，此管路系統(tǒng)在有效消除預(yù)熱盤管凍結(jié)的同時，還分擔了一部分管網(wǎng)的資用壓頭，變流量的系統(tǒng)也滿足節(jié)能的需要。因此，對于新風(fēng)量要求較大的潔凈廠房新風(fēng)機組預(yù)熱盤管水路系統(tǒng)宜采用混水站的方式。
2.
實例分析
下面以某制藥廠的新風(fēng)機組為例，說明潔凈廠房新風(fēng)機組的空氣預(yù)熱盤管混水站水系統(tǒng)的設(shè)計及選型計算。
3.1
基本資料
空調(diào)新風(fēng)機組的總新風(fēng)量：
m3/h;
室外空氣設(shè)計參數(shù)：
t
w
=-11
℃
,
φ
=53%
室內(nèi)空氣設(shè)計參數(shù)：
t
n
=21
℃
,
φ
=60%
預(yù)熱后的空氣溫度：
5
℃
熱水管網(wǎng)供回水溫度：
70
℃
/50
℃
熱水盤管供回水溫度：
60
℃
/50
℃
3.2
熱水盤管換熱量及接管管徑的確定
根據(jù)公式（
1
?。┐_定熱水盤管所需換熱量。
式中，
Q
——盤管換熱量，
W
??；
G
——新風(fēng)量，
m3/h
；
ρ
——新風(fēng)密度，
1.342kg/m
3
??；
i
c
——新風(fēng)預(yù)熱后焓值，
6.9KJ/Kg
?。A(yù)熱后的溫度為
5
℃，相對濕度仍為
53%
?。?/p>
i
w
——室外空氣計算狀態(tài)點焓值，-
9.2KJ/Kg
；
計算得熱水盤管的換熱量為
438KW
。再由公式（
2
?。┐_定盤管水量。
計算得熱水質(zhì)量流量為10.5kg/s,進而求得體積流量為37.8m
3
/h，比摩阻取
250Pa/m
，接管管徑取
DN100
，校核流速
1.2m/s
。
3.3
新風(fēng)機組空氣處理過程的焓濕圖
空氣處理過程的流程如下：
其處理過程的焓濕圖表示如圖4所示。
3.4
控制閥（電動二通閥）位置的確定
此混水站為二級系統(tǒng)，一級側(cè)為熱水管網(wǎng)，二級側(cè)為預(yù)熱盤管，盤管50℃回水通過ec段止回閥與管網(wǎng)70℃供水混合為60℃的二級系統(tǒng)供水供給預(yù)熱盤管。下面來討論控制閥位置的確定。如圖3中所示，一級系統(tǒng)的供水溫度t
1
=70℃,回水溫度t
2
=50℃,流量為G
1
,二級系統(tǒng)的供水溫度t
3
=60℃,回水溫度t
2
=50℃,流量為G
3
?？刂崎y若放在二級系統(tǒng)中，當二級系統(tǒng)的負荷發(fā)生變化，比如負荷變小時，二級系統(tǒng)所需的制冷量變小，雖然可以通過調(diào)節(jié)閥調(diào)小二級系統(tǒng)的流量，但是若控制閥關(guān)小，則預(yù)熱盤管流量變小，相應(yīng)的bc管段的流量變小，而ac管段的流量不變，那么就的旁通管路ec段流量變小才能滿足系統(tǒng)的流量要求。這樣以來，70℃高溫水流量變小，而50℃的低溫水流量不變，那么bc管段的混水溫度將會低于60℃，無法滿足預(yù)熱盤管的設(shè)計供水溫度；另外，由上述分析易知，當二機級系統(tǒng)負荷變化時，一級系統(tǒng)流量卻沒有變化，顯然不符合節(jié)能的要求。更為重要的一點是，根據(jù)設(shè)計，當新風(fēng)溫度低于5℃時控制閥開啟，那么當新風(fēng)溫度略高于5℃時，控制閥就是關(guān)閉的狀態(tài)，也就是說此時盤管中的水流量為零，若此時室外氣溫劇降，那么預(yù)熱盤管仍存在凍結(jié)的可能性，盤管凍裂的安全隱患并沒有消除，所以控制閥不應(yīng)設(shè)置在二級系統(tǒng)中。
下面來分析控制閥放在一級系統(tǒng)中情況。如圖3中所示，當二級系統(tǒng)的負荷變化時，如負荷減小，相應(yīng)的二級系統(tǒng)流量變小，調(diào)節(jié)控制閥使一級系統(tǒng)的流量減小，即bc管段流量減小，ac管段的流量變小，旁通閥也關(guān)小，這樣不僅可以滿足流量要求，也可以滿足溫度的要求，即70℃高溫水和50℃的低溫水的流量同時減小，仍可以保證二級系統(tǒng)60℃的供水，而且二級系統(tǒng)的負荷變化時，一級系統(tǒng)的流量有相應(yīng)的變化，符合節(jié)能的要求，此外，不論控制閥的開啟和關(guān)閉，即不論一級系統(tǒng)中是否有水流量，二級系統(tǒng)中始終有水循環(huán)流動，不存在盤管凍裂的安全隱患，所以控制閥應(yīng)放在一級系統(tǒng)中。
3.5
水泵流量和揚程的確定
熱水管網(wǎng)的供水溫度t
1
=70℃,回水溫度t
2
=50℃,流量為G
1
,預(yù)熱盤管的供水溫度t
3
=60℃,回水溫度t
2
=50℃,流量為G
3
。G
2
為旁通管ce段流量。如圖3中所示可知流量關(guān)系：
根據(jù)2.2中的計算，G
3
=33.6m
3
/h。
又由混水熱量平衡：
根據(jù)以上條件可以求解得G
1
=G
2
=16.8m
3
/h。這樣水泵和控制閥的流量就都確定了，即水泵流量為33.6m
3
/h，控制閥流量為16.8m
3
/h。所以圖3中的ed和ac段的接管管徑為DN65（比摩阻取250Pa/m），校核流速1.4m/s。
如圖3中所示，此混水系統(tǒng)各點壓頭滿足以下幾點：
?。?）
a點的資用壓頭滿足向c點供水即可；
?。?）
c點的資用壓頭滿足向b點供水即可；
?。?）
e點的資用壓頭應(yīng)滿足向d點及向c點提供壓頭，同時流量滿足平衡關(guān)系。
（4）
ad間有6mH
2
O的資用壓力。
由此可以得到以下關(guān)系式：
由(5)(6)式可得混水泵水泵揚程：
查止回閥樣本，計算得混水泵揚程H為86.5KPa。
由（7）式可以看出，bc管段所設(shè)置的混水泵只要克服fecbf環(huán)路的阻力即可。
此外還有：
將（8）（9）式代入(6)式可得控制閥的壓力損失：
查止回閥樣本，計算得控制閥壓力損失
為97KPa。
3.6
控制閥尺寸和型號的確定
根據(jù)2.5中計算出的控制閥壓力降
,利用如下公式可以求得控制閥的流量系數(shù)
?。?/p>
式中，Q——熱水流量，16.8m
3
/h；
r——液體重度，1g/cm
3
??；
△P——控制閥壓力降，97KPa。
計算得Kr=17，查找通用電動二通閥的樣本，Kvs為19時，管徑為DN32，
Kvs
為10時，管徑為DN25，如果Kr>Kvs,不能滿足流量調(diào)節(jié)的要求,所以取
Kvs
為19時，管徑DN32，工作壓力PN16。
3.
結(jié)論
對于潔凈廠房的新風(fēng)空調(diào)機組，為了防止在冰雨和大霧天氣冰粒堵塞過濾器，從而影響整個空調(diào)系統(tǒng)正常運行，采用對新風(fēng)進行預(yù)熱的方案，即當室外氣溫低于5℃時，對新風(fēng)進行預(yù)熱，可以有效地避免新風(fēng)預(yù)過濾器結(jié)凍現(xiàn)象的發(fā)生。分析表明，對新風(fēng)預(yù)熱盤管水路系統(tǒng)的控制連接，由電動調(diào)節(jié)閥和循環(huán)水泵構(gòu)成的小型混水系統(tǒng)在有效的預(yù)防預(yù)熱盤管凍結(jié)及節(jié)能設(shè)計方面優(yōu)于單獨采用二通閥或三通閥的控制方式。此外，本文通過一個實際工程案例，對小型混水系統(tǒng)進行了設(shè)計選型計算的說明和分析。
來
源
?。簼崈艏夹g(shù)與應(yīng)用
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