供水回路结构对冷梁换热的影响探讨

吴小田 翁文兵 陈文景

（上海理工大学，上海200093）

0 引言

20世纪80年代，冷梁空调技术［1－2］在欧洲萌芽，因其具有气流组织均匀、外形美观、结构紧凑、节能舒适等特点，故在欧州和美国迅速发展。芬兰的学者Hannu Koskela［3］研究了在办公室建筑中冷梁的节能适用性，并用Fluent模拟冷梁送风的气流组织。针对我国耗能大、能源利用率低这一格局［3］，冷梁系统具有明显的节能效益，能显著提高办公、生活的空气品质。因此，冷梁技术是一项很有发展前景的空调技术。

本文基于冷梁的节能特性，研究冷梁末端翅片换热器在不同供水结构下的换热率，寻找最佳冷梁末端结构，为进一步提高冷梁节能特性展开理论分析和实验验证。

1 冷梁工作原理

主动式冷梁系统是基于一次风系统［4－5］、带新风诱导的气水换热末端装置（冷梁工作原理如图1所示），可以实现制冷、供热和通风的功能。一次风系统主要负责消除室内湿负荷，同时降温及保证新风。末端的冷梁盘管进行室内冷负荷的二次处理，根据国外节能改造项目，整个冷梁系统比传统VAV［5］空调系统可节省能量25%～30%。

图1 冷梁工作原理图

以夏季制冷工况为例，室内空气和新风经一次回风系统处理形成主气流进入冷梁系统，冷梁系统带有喷嘴，一次风通过喷嘴进入冷梁两侧下端。根据文丘里效应，流体流经阻挡物时，在阻挡物背风面上方端口附近形成低压，室内空气由于吸附作用通过回风百叶向上方流动，通过冷梁的冷却盘管，在出口处空腔内混合，达到气水换热之效。冷却后的二次气流与一次气流在混合区混合，通过风口进入室内，从而使室内温度降低。

2 冷梁翅片换热器热力学分析

冷梁系统的热力学分析应在实验验证之前进行。冷却盘管换热量可用有限元方式简单表示如下：

冷却盘管总热阻可以分成以下4个主要方面：冷冻水侧对流传热、盘管的导热、空气侧对流传热、盘管与翅片间的接触热阻。除了冷冻水侧对流传热热阻，其他热阻可表示如下：

对于单向流动，努谢尔特数Nu可以根据雷诺数Re和普朗特数Pr计算得出：

以上参数取决于冷冻水的温度，避免了迭代的繁琐步骤。冷冻水温的变化对这些无量纲参数的影响可忽略不计，通常设为常数。若已知水的体积流量，则水侧对流传热系数可表示为：

压降也是冷却盘管中一个重要的参数，总压降受摩擦、管曲率、水流速和静压影响。压降可表示为：

在实验过程中，压降可直接测出，冷梁盘管换热量等于冷冻水升温或二次空气降温的热量。Q＝－CpρaVsec（Tsec－TN）或Q＝CwρwVw（Tw，out－Tw，in），两者取较大值。

冷梁传热系数ε可表示为：

3 实验验证

3.1 实验过程

本实验所用冷梁如图2所示，外观为0.5m×1.3m，内置对称圆形橡胶喷嘴，翅片尺寸0.3m×1.1m×0.06m，铝翅片厚度及间距分别为0.4mm和4.4mm。盘管由16根铜管平行排布而成，1、2、4、8回路排管方式如图3所示，改变管路连接即可。

主动式冷梁系统主要包括空气循环和水循环。2台350W离心风机保证一次风在恒力下送入充气室。使用高精度压力传感器测量风压，误差±1%。2台高精度涡轮流量计，误差±1.5%。冷冻水循环冷冻水泵750W，浮子流量计测量流量。Pt100铂电阻温度传感器测量冷冻水进出口温度。一次风和冷梁系统各使用4kW螺杆式冷水机组制备冷冻水，出水温度由PID控制。

图2 冷梁系统末端装置

图3 1、2、4、8回路进回水管路安排

3.2 实验结果分析

图4 直观地显示了2回路盘管换热量的实际值，在Excel上作线性回归，可得冷冻水流量与换热量是对数关系，冷冻水流量越大，盘管换热量越大，但这种增长趋势逐步减缓。图5显示了2回路冷冻水流量与管路压降直接关系，作线性回归方程，可得冷冻水流量与管路压降是指数关系，流量越大，压降越大，且趋势增大，呈指数级增长。

图4 冷冻水流量与换热量的关系

图5 冷冻水流量与管路压降的关系

分别对4种供水回路结构的冷梁末端进行实验，计算出所得换热量，将4组数据绘制在图6上，可以直观地看出同一流量下不同冷冻水回路结构盘管的换热量。当盘管冷冻水流量小于0.078L／s时，单盘管冷梁换热率最高；当盘管冷冻水流量大于0.078L／s时，2回路冷梁系统换热率最高。4回路、8回路结构冷梁换热效果均低于单回路和2回路冷梁，且回路越多，换热效果越差，但这种趋势逐步放缓。

图6 不同回路下盘管传热量比较

4 结论

为了进一步研究冷梁的节能特性，针对市场上单回路结构冷梁，本实验改变冷冻水进回水管路结构，选取具有代表性的4种结构分别进行实验，得出以下2个观点：（1）冷梁中盘管换热量与冷冻水流量呈对数增长关系，而管路压降与冷冻水流量呈指数增长关系；（2）在4种回路结构的比较中，2回路结构的冷梁系统在一般流量条件下换热率最高，而压降却不明显，实际适用性最好。单回路系统仅在流量小于0.078L／s时有较高的换热率，适用于冷冻水流量小的系统，应用面狭窄。

总之，本文从实验的角度出发，指出了现阶段冷梁末端装置单回路结构的片面性，为进一步提高冷梁节能特性提出了改进建议、相关理论和实验依据。

［1］宋应乾，龙惟定，吴玉涛.冷梁技术在办公建筑中的应用与设计［J］.暖通空调，2010（11）

［2］赵荣义，范存养，薛殿华，等.空气调节［M］.第4版.北京：中国建筑工业出版社，2009

［3］薛殿华.空气调节［M］.北京：清华大学出版社，1999

［4］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.第4版.北京：高等教育出版社，2006

［5］2008ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment（S1）［Z］