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风机盘管与地板辐射联合供冷应用分析
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·2018-09-06 12:23:06
 
    

摘 要 本文分析了地板辐射供冷的特点,并从风机盘管与地板辐射匹配的角度出发,分析了风机盘管容量的确定方法以及进水温度对风机盘管性能的影响,讨论了风机盘管与地板辐射不同连接方式和控制方式的特点。

关键词 风机盘管;辐射供冷;地板;地暖


一、概述

随着地板辐射应用的增加,地板辐射供冷在80年代后也开始不断得到应用。由于存在结露及供冷能力不足等一些问题,地板辐射供冷在炎热及潮湿地区的应用受到了限制,但如将地板辐射供冷结合其他空调方式联合运行则可以优势互补。本文针对地板辐射供冷的特点,对风机盘管与地板辐射的联合供冷运行作一探索分析。

二、地板辐射供冷的特点

1 地板辐射供冷的优点

1.1 采用地板辐射供冷时,室内温度场比较均匀,并有“冷辐射”效应,室内实感温度低于室内空气温度;不存在冷风直接吹在人体上导致不适的问题,且室内无噪音,其舒适性优于普通空调系统。

1.2 地板辐射供冷采用较高的供回水温度(如1l℃~18℃),以避免地板表面结露并满足舒适性要求。这一特性使得地板辐射供冷的制冷效率提高,从而节约能耗。

1.3 地板辐射具有较好的蓄冷/蓄热能力,可以有效地调节峰值冷/热负荷,减小机组容量。

1.4 考虑到地暖的舒适性和节能意义,在夏季利用地板辐射供冷可以降低总投资,扩大辐射地暖的应用范围。

2 地板辐射供冷缺点

2.1 地板表面存在结露问题:在气候较潮湿地区的夏季,当地板的冷水供应温度过低,地面温度低于室内空气的露点温度时,地面上就会出现结露现象。

2.2 供冷能力有限:从人体舒适性考虑,夏季供冷地面温度最好高于18℃。地板辐射表面与室内空气的综合换热系数在6W/m2·℃ ~7W/m2·℃左右,当设计室温定为26℃时,可以很快估算出地板辐射供冷能力:约48W/m2 ~56W/m2。显然,这一供冷能力尚不能满足我国东南部炎热地区的夏季供冷要求。

2.3 启动时间较长:在较温暖或炎热地区应用地板辐射供暖/供冷系统,必须考虑到间歇运行带来的启动时间的问题。由于冬季气候相对较温暖,同时考虑到人们在上班离家时间经常会停止使用空调系统。因此无论是冬季供暖还是夏季供冷,系统经常处于间歇工作的状态,系统启动时间的长短直接影响到用户使用的舒适性。根据参考文献提供的计算数据显示,在供水平均温度为40℃~45℃时,将室温从5℃加热到16℃所需的时间为1.9~3天。当地板辐射供冷时因室内降温幅度小,故启动时间会有所缩短,但与普通空调相比,启动时间仍然偏长。

显然,在夏季负荷较大以及较潮湿地区采用地板辐射供冷,必须另设除湿与辅助供冷设备。风机盘管是常见的空调末端装置,它和地板辐射一样使用冷水对空气降温,价格较低是其最大优势。它具有可以将室内空气迅速冷却的能力,同时也具有一定的除湿能力,也可以用来处理新风;但室内温度分布不均匀,舒适感不佳。将风机盘管与地板辐射两者结合起来正好可以优势互补。既解决了地板辐射启动较慢的问题,又可解决地板辐射供冷结露问题,同时仍能保持地板辐射供冷室内温度均匀的优点。

3 风机盘管与地板辐射的匹配

为充分发挥风机盘管与地板辐射二者结合的优势,应从以下方面考虑二者的匹配。

3.1 风机盘管容量的确定

风机盘管与地板辐射的组合,必须考虑如何进行负荷分担的问题。考虑到他们各自的特点,风机盘管应负担如下负荷:

3.1.1 启动阶段为避免地板结露而除湿所必须的冷负荷Q1;

3.1.2 地板辐射正常供冷时相对于室内负荷不足的部分Q2;

3.1.3 地板辐射正常供冷时室内不断产生的湿负荷。

其中,启动阶段的湿负荷会远远大于正常湿负荷,因为启动阶段湿负荷除了正常湿负荷外,还有为避免地板辐射结露而必须消除的室内空气原有含湿量。笔者将地板辐射供冷系统启动至地板表面温度达到设计温度的过程中,为消除室内空气含湿量超过设计状态空气含湿量的那部分湿负荷称为启动湿负荷。有关启动湿负荷的计算见相关文献。

为消除启动湿负荷,风机盘管应有足够的冷量,而正常湿负荷在选择风机盘管时可以不予考虑。

4 可以考虑的风机盘管容量的选择方案

4.1 启动阶段保证新风量

风机盘管的容量为新风负荷Q3与启动除湿冷负荷Q1、补充冷负荷Q2之间大者之和,以公式表示为Q=Q3+MAX(Q1,Q2)。

4.2 启动阶段不保证新风量

新风阀在启动阶段完成后再开启。风机盘管容量为启动除湿冷负荷Q1、补充冷负荷Q2与新风负荷Q3之和的大者,以公式表示为Q=MAX(Q1,Q2+Q3)。

4.3 无新风

风机盘管容量为启动除湿冷负荷Q1与补充冷负荷Q2之间大者。即Q=MAX(Q1,Q2)。

5 风机盘管进水温度的确定

由于地板辐射水温较高,从风机盘管与地板辐射匹配的角度出发,风机盘管进水温度应尽量选高一些。这样主机的制冷效率也会较高。但水温过高会影响风机盘管除湿效果,且会增大风机盘管初投资。因而可以将满足除湿要求作为确定风机盘管进水温度的一个依据。

风机盘管除湿能力取决于它的处理焓差大小。风机盘管处理焓差及冷量随进水温度的上升而迅速下降。笔者曾对国内一些合资公司的风机盘管做过统计,在7℃~11℃范围内,以7℃冷水为基准,水温每上升1℃,制冷量(处理焓差)下降约7.5%~9.8%,依次推算,假设水温为14℃,则其制冷量(处理焓差)较7℃时下降52.5%~68.6%。将风机盘管应用于地板辐射供冷时,由于地板辐射供冷的冷水温度一般在11℃~18℃,远高于空调冷水7℃的水温,故风机盘管与地板辐射联合运行时制冷和除湿能力会大大降低。必须认真考虑这一因素,对风机盘管的制冷量及处理焓差进行校正。

表1给出了在不同室内状态下,风机盘管具备除湿能力的最小处理焓差。从表中可见,地板表面温度越低,对风机盘管处理焓差要求越大。对风机盘管而言,如供水温度为7℃时处理焓差为20kJ/kg,最小焓差按10kJ/kg计时,则设计供水温度不能高于12℃~13℃。如风机盘管供水温度为7℃时处理焓差小于20kJ/kg,则设计供水温度需更低。实际确定风机盘管时,应根据风机盘管不同进水温度校正后的处理焓差计算除湿量并校核制冷量,然后确定合适的设计水温。

为地板辐射配套的风机盘管应选用处理焓差大的型号。一般国内产品处理焓差不超过20kJ/kg,有的只有15kJ/kg上下,生产企业开发出适合地板辐射的大焓差风机盘管是一件亟待解决的事情。

6 连接方式

风机盘管与地板辐射的连接方式可以有串连和并联两种。

6.1 串连连接

串连连接方式的优点是夏季冷水可以由风机盘管供冷升温后进入地板辐射埋管,从而可以同时满足风机盘管除湿的低水温要求和地板辐射供冷水温不宜过低的要求。根据系统大小和用户要求的不同,循环泵可位于地板辐射分集水器前(图1)或将循环泵设在主机回水管上(图2)。循环泵设于地板辐射分集水器前的优点是可以对地板辐射循环部分设混水管,控制地板辐射的水温,不受风机盘管进水温度的限制。当系统较大时,还可采用多组循环泵控制不同区域地板辐射供水,或停或开,控制灵活。但三通比例调节阀等调节附件价格较高,故总投资较大。

循环泵设在主机回水管上,系统造价较低,但无法单独控制调节地板辐射水温。为保证地板辐射进水温度不至于过低,可能需要提高风机盘管入口水温,故风机盘管型号会较大。系统较小时该方式控制简单,且水泵可以和主机一起布置在室外,室内噪音小。串连方式的主要缺点是循环水泵的扬程要求略高,这可能会使水泵能耗有所增加。

6.2 并联连接

并联连接时为防止地板辐射进水温度过低,必须设置混水管(见图3)。在这种连接方式下,在风机盘管回路和地板辐射回路各设独立循环泵具有很多优点。

首先,控制灵活,可选择单开风机盘管、单开地板辐射以及二者同时开。

其次,有利于加快地板辐射的启动过程,由于可以将风机盘管循环泵与风机盘管串联,当风机盘管自动停机时其循环泵也停机,此时地板辐射的循环水量将增加,有利于缩短启动时间。

另外,循环泵的扬程较小,减少了能耗,提高了系统整体COP。当然,该系统控制部分的投资将进一步增加。

7 控制方式

7.1 供水温度的控制

在确定风机盘管进水温度后,可根据设计循环水流量,通过设定制冷主机的回水温度来控制水温。

为充分利用地板辐射的蓄冷能力,冷水机组配备一定容积的储水箱,可以大大减少机组的启动次数,从节能和延长机组寿命角度看都有一定意义。

7.2 风机盘管的控制方式

风机盘管应与地板辐射分别独立控制,但在控制参数上应考虑互补。风机盘管可考虑的控制参数有室内空气温度、室内相对湿度及露点温度等。

7.2.1 风机盘管根据室内空气温度一个参数控制其启停。

该方式控制成本低,易于推广。缺点是当负荷较低而湿度较大时风机盘管因室温下降较快而较短时间内就停止工作,可能会因房间内空气含湿量仍然较大而出现地板结露现象。

7.2.2 根据室内空气温度和相对湿度两个参数反馈控制风机盘管。

该方式控制成本略高,能同时兼顾降温和除湿的功能。但由于室内空气相对湿度与露点之间并无直接联系,故仍然存在特殊情况下地板表面结露的可能。

7.2.3 根据室内空气温度和露点温度两个参数控制风机盘管。当预先设定室内空气露点温度低于地板表面设计温度时,可以保证地板表面不会结露。但露点测控部件价格较高,投资增加较为可观。

8 地板辐射的控制方式

地板辐射控制方式也有多种,常见的有室温反馈、地板表面温度反馈、室外气温反馈等。

当采用风机盘管除湿补充时,由于启动快,不管风机盘管采用哪一种控制方式,实际上室内瞬时波动的负荷肯定由风机盘管承担。因而地板辐射可简单地采用室温或地板表面温度控制地板辐射循环水泵的启停。

8.1 采用室内空气温度控制。通过设定比风机盘管略低的控制温度即可实现地板辐射承担稳态负荷、风机盘管承担室内瞬态负荷的负荷分担。这一控制方式简单便宜,且易为用户掌握。但存在出现地板表面温度过低影响舒适度的可能。

8.2 采用地板表面温度控制。该控制方式可以避免地板表面温度过低,而且室温波动较小,舒适性较佳。

由于风机盘管必然要采用室温进行控制,因而地板辐射采用地板表面温度控制与风机盘管的控制搭配,是较理想的一种控制方式。

另外,如能简单地根据主机供水温度来控制地板辐射的运行,使地板辐射的表面温度始终不低于18℃,这可能是最理想的方式。但在不同场合下这个温度不易确定,可能需要长期实验与实践总结。

三、结语

地板辐射供冷有许多优点,但也存在一些问题,如地板表面结露、供冷能力有限以及启动时间较长等,因而应用于炎热或潮湿地区需加设除湿及辅助供冷设备。风机盘管与地板辐射的组合正好可以优势互补。

本文从风机盘管与地板辐射匹配的角度出发,讨论了风机盘管容量的确定方法,分析了供水温度对风机盘管性能的影响:当风机盘管供水温度提高时,风机盘管的制冷量与处理焓差迅速下降,因而必须加大风机盘管的型号。

确定一个合适的供水温度是风机盘管应用于地板辐射首先要解决的问题。本文还分析了风机盘管与地板辐射的不同连接方式和控制方式的特点。


 
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