潔凈廠房新風機組的空氣預熱處理計算分析
在一次回風空調機組中，如果冬季室外空氣焓值低于一定值時，就需要對新風進行預熱，否則混合后的空氣無法處理到送風狀態點。而在潔凈廠房的空氣處理中常用到獨立新風機組（
MAU
）系統。舒適空調系統的新風機組用于處理滿足空調房間的人員的新風需求的新風量，風量相對較小，而對于潔凈廠房的空調系統，一方面由于潔凈廠房的換氣次數比較大，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]
，新風機組處理的風量比較大；另一方面考慮潔凈度的要求，潔凈室風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冰，并迅速地將過濾器封堵，導致新風機組嚴重出力不足，進而影響整個潔凈廠房的潔凈度及空氣品質
[2]
。
鑒于上述問題的存在，當室外溫度低于
5
℃時應對新風進行預熱，就是在新風機組入口增加一套預熱盤管，在新風溫度低于
5
℃時將其預熱至
5
℃，這樣以來，即使遇上冰雨和大霧天氣，由于盤管的加熱，冰雨轉化為水滴，大部分水滴碰到預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，同時由于新風經預熱到
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冰，過濾器也就不會出現封堵現象。
另外，在新風和一次回風時也應考慮混合點是否在霧區的問題，需要根據最小新風比和室外空氣狀態點的焓值確定新風的預熱。當室外氣溫降到
0℃
以下時，如進風或新風系統中未采取有效的防凍措施，空氣加熱器中的水有可能結凍。結凍的結果，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。一般可以采用的預防新風機組盤管凍結的方法有電加熱法、值班風機法和旁通導流法
[3][4]
，這里考慮用混水站的方法來消除預熱盤管凍結的隱患。
1.
預熱盤管水量調節的方案比較
方案一
：一般的空調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，根據盤管后的空氣的溫度調節電動三通閥，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節的水系統，盡管通過末端設備的水流量變化了，但是對整個水系統而言卻是定流量的。定流量系統中用戶末端盤管采用三通閥調節，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或空調系統間歇運行，當系統停止運行后，預熱盤管內的水停止循環，由于進風口處閥門的熱損耗和室外冷空氣的滲入，會使預熱盤管內的水因局部溫度逐漸降低而凍結，以至將預熱盤管的銅管凍裂，影響通風、空調系統的正常運行。也就是說如果預熱盤管水路系統采用三通閥的連接方式，預熱盤管仍存在著凍裂的安全隱患。
方案二：
預熱盤管水路控制更簡單的控制方式是采用電動二通閥，使整個水系統成為變流量系統，如圖2中所示。在這一變流量系統中，用戶末端盤管采用二通閥調節，整個系統循環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常變化的末端所需冷量相匹配，節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，即在通風或空調系統間歇運行時，當系統停止運行后，預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
點接熱水管網供水管，
d
點接熱水管網回水管，
ac
段設置一過濾器，
cb
段加裝一水泵，
ed
段加控制閥（電動二通閥），
ec
段加止回閥。預熱盤管采用這種混水站的方式預防盤管凍裂的原理在于：在正常情況下，通過新風機組的預熱盤管后面的空氣溫度來調節
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
段的循環水泵的存在，在環路
bcfe
中依然有一定量的水在循環流動，也就是說無論何時在環路
bcfe
中都有循環水。即使在通風或空調系統間歇運行時，當系統停止運行后，預熱盤管內仍然有水循環流動，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成為變流量系統。通過調節末端盤管采用二通閥，使整個系統循環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常變化的末端所需熱量相匹配，節約熱量輸送動力和熱源的運行費用。
分析比較上述三種預熱盤管水量調節方案：方案一采用三通閥調節，水泵大部分時間在降低的效率點工作，耗能嚴重，而且存在預熱盤管凍裂的安全隱患；方案二通過變流量節約熱量輸送動力和熱源的運行費用，但是也存在著預熱盤管凍結的安全隱患；方案三雖然管路復雜些，由于預熱盤管側循環水泵的存在，此管路系統在有效消除預熱盤管凍結的同時，還分擔了一部分管網的資用壓頭，變流量的系統也滿足節能的需要。因此，對于新風量要求較大的潔凈廠房新風機組預熱盤管水路系統宜采用混水站的方式。
2.
實例分析
下面以某制藥廠的新風機組為例，說明潔凈廠房新風機組的空氣預熱盤管混水站水系統的設計及選型計算。
3.1
基本資料
空調新風機組的總新風量：
m3/h;
室外空氣設計參數：
t
w
=-11
℃
,
φ
=53%
室內空氣設計參數：
t
n
=21
℃
,
φ
=60%
預熱后的空氣溫度：
5
℃
熱水管網供回水溫度：
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
——新風量，
m3/h
；
ρ
——新風密度，
1.342kg/m
3
??；
i
c
——新風預熱后焓值，
6.9KJ/Kg
?。A熱后的溫度為
5
℃，相對濕度仍為
53%
?。?；
i
w
——室外空氣計算狀態點焓值，-
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，一級側為熱水管網，二級側為預熱盤管，盤管50℃回水通過ec段止回閥與管網70℃供水混合為60℃的二級系統供水供給預熱盤管。下面來討論控制閥位置的確定。如圖3中所示，一級系統的供水溫度t
1
=70℃,回水溫度t
2
=50℃,流量為G
1
,二級系統的供水溫度t
3
=60℃,回水溫度t
2
=50℃,流量為G
3
。控制閥若放在二級系統中，當二級系統的負荷發生變化，比如負荷變小時，二級系統所需的制冷量變小，雖然可以通過調節閥調小二級系統的流量，但是若控制閥關小，則預熱盤管流量變小，相應的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℃，無法滿足預熱盤管的設計供水溫度；另外，由上述分析易知，當二機級系統負荷變化時，一級系統流量卻沒有變化，顯然不符合節能的要求。更為重要的一點是，根據設計，當新風溫度低于5℃時控制閥開啟，那么當新風溫度略高于5℃時，控制閥就是關閉的狀態，也就是說此時盤管中的水流量為零，若此時室外氣溫劇降，那么預熱盤管仍存在凍結的可能性，盤管凍裂的安全隱患并沒有消除，所以控制閥不應設置在二級系統中。
下面來分析控制閥放在一級系統中情況。如圖3中所示，當二級系統的負荷變化時，如負荷減小，相應的二級系統流量變小，調節控制閥使一級系統的流量減小，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60℃的供水，而且二級系統的負荷變化時，一級系統的流量有相應的變化，符合節能的要求，此外，不論控制閥的開啟和關閉，即不論一級系統中是否有水流量，二級系統中始終有水循環流動，不存在盤管凍裂的安全隱患，所以控制閥應放在一級系統中。
3.5
水泵流量和揚程的確定
熱水管網的供水溫度t
1
=70℃,回水溫度t
2
=50℃,流量為G
1
,預熱盤管的供水溫度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中所示可知流量關系：
根據2.2中的計算，G
3
=33.6m
3
/h。
又由混水熱量平衡：
根據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；
（2）
c點的資用壓頭滿足向b點供水即可；
（3）
e點的資用壓頭應滿足向d點及向c點提供壓頭，同時流量滿足平衡關系。
?。?）
ad間有6mH
2
O的資用壓力。
由此可以得到以下關系式：
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管段所設置的混水泵只要克服fecbf環路的阻力即可。
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
?。?/p>
式中，Q——熱水流量，16.8m
3
/h；
r——液體重度，1g/cm
3
?。?/p>
△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,不能滿足流量調節的要求,所以取
Kvs
為19時，管徑DN32，工作壓力PN16。
3.
結論
對于潔凈廠房的新風空調機組，為了防止在冰雨和大霧天氣冰粒堵塞過濾器，從而影響整個空調系統正常運行，采用對新風進行預熱的方案，即當室外氣溫低于5℃時，對新風進行預熱，可以有效地避免新風預過濾器結凍現象的發生。分析表明，對新風預熱盤管水路系統的控制連接，由電動調節閥和循環水泵構成的小型混水系統在有效的預防預熱盤管凍結及節能設計方面優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，對小型混水系統進行了設計選型計算的說明和分析。
來
源
?。簼崈艏夹g與應用
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