迎面风速对空调机组运行能耗影响的研究

熊宇聪 戴飞 袁建华

1大连理工大学电子信息与电气工程学部

2湖南中烟工业有限责任公司常德卷烟厂

迎面风速对空调机组运行能耗影响的研究

熊宇聪1戴飞2袁建华2

1大连理工大学电子信息与电气工程学部

2湖南中烟工业有限责任公司常德卷烟厂

针对空气处理机组迎面风速采用2.5m/s经典的设计值，本文从节能的角度对不同迎面风速下的表冷盘管的冷却除湿能力、空气处理机组的内部阻力损失等参数进行了性能测试和对比分析，并结合空气处理机组的两种不同应用案例的全年能耗模拟分析，提出降低空气处理机组的迎面风速设计值，有益于减少空调制冷系统的运行能耗。对于全年运行时间长、室内负荷大、温湿度精度要求高的空调应用场合，其投资回报效果更好。

迎面风速空气处理机组表冷盘管空气过滤器能耗

空气处理机组广泛应用于不同类型建筑物的通风空调系统，实现空气的集中过滤、净化、热湿处理以及输送等多种功能。据不完全统计，空调风机运行能耗占据了建筑物通风空调系统能耗的30%～40%。风机运行能耗与系统阻力成正比。因此，通风管道系统和设备的限制越多，系统阻力越高，风机能耗也越大。目前空气处理机组的断面尺寸均采用典型的2.5m/s迎面风速进行设计，而不考虑实际应用的具体情况。随着建筑节能形势对高能效设备的需求，这种典型的2.5m/s迎面风速设计是不是最佳的选择？本文针对空气处理机组在不同类型建筑物的应用，探索研究了降低迎面设计风速后，空气处理机组的运行能耗、初投资、表冷器的换热性能、过滤器的阻力等参数变化，并对其节能效果及投资回报期进行了评估。

1 理论根据

空气处理机组的风机运行功率消耗可通过下面的公式进行评估[1]：

式中：Np为风机电机的额定功率，W；Pt为风机总压头（系统压降），Pa；L为风机风量，m3/s；ηt为风机的全压效率；ηc为机械传动效率；m为电机容量安全系数。

从式（1）可以看出，通风空调系统的阻力损失是影响风机能耗的重要因素，而通风空调系统的阻力损失一半以上发生在空气处理机组内部。

2 迎面风速对表冷盘管性能的影响

在进行空气处理机组截面尺寸设计时，通常的做法是将表冷盘管的迎面风速确定为2.5m/s，因为这一风速不会导致翅片表面的冷凝水滴吹落到表冷盘管出风侧的外沿。当表冷盘管的翅片间距采用3.2mm时，实践证明效果很好。但当翅片间距减小时（如2.8mm），若表冷盘管的迎面风速仍按2.5m/s设计，则盘管表面的冷凝水会从出风侧飘出，此时应在表冷盘管的出风侧安装挡水板，盘管空气侧的阻力也随之增加，清洗盘管时翅片间的缝隙也将变小，并且在盘管的出风面不方便清洗表冷盘管。

从空气处理机组的制造成本角度考虑，降低迎面风速的设计值，如从2.5m/s降低到2.0m/s，机组在截面的高度和宽度尺寸上将有所增加，但在长度尺寸上可以减少。首先，表冷盘管的出风侧可以不设挡水板，盘管底部的不锈钢凝水盘在气流方向上的长度随之减小，机组表冷段的段长尺寸也随之缩短。笔者认为，降低迎面风速的设计值，不会导致空气处理机组制造成本的明显增加，更详细的成本核算需要空气处理机组制造商的数据支持，在此不再赘述。

降低空气处理机组迎面风速的设计值，在表冷盘管上一个很明显的节能效果是降低了盘管空气侧的阻力损失（包括挡水板的阻力损失）。笔者对一台六排、片距为3.2mm表冷盘管在迎面风速分别为2.5m/s和2.0m/s条件下阻力损失进行了测试[2]，测试结果表明：表冷盘管空气侧的阻力损失从145.6Pa（含挡水板阻力）降到了73Pa（无挡水板），阻力损失几乎减少了一半。进一步，笔者对该表冷盘管在迎面风速分别为2.5m/s、2.0m/s和1.5m/s三种条件下的换热性能进行了测试[2]。测试方法及测试方案依据GB/T 14296-2008《空气冷却器与空气加热器》标准规定进行，测试的工况条件是：冷冻供水温度统一为9℃、盘管水流速1m/s（额定工况）；盘管进风侧的空气参数统一为：干球温度27℃、湿球温度22℃。测试内容是表冷盘管在三种不同迎面风速下对空气冷却除湿的出风参数，测试结果表1所示。

表1 不同迎面风速下表冷盘管冷却除湿能力测试数据

将上述三种迎面风速工况下表冷盘管的空气冷却除湿处理过程绘制在焓湿图上，如图1所示。

图1 不同迎面风速下表冷盘管的空气处理过程

从图1的焓湿图分析上可以看出，对于相同的冷冻供水温度和进风空气参数工况下，表冷盘管的迎面风速越小，其处理后的空气露点温度越低，即冷却除湿能力越强。其原因在于，迎面风速降低时，空气在盘管翅片间的停留时间更长。这一点对于空调制冷系统的变冷冻水温节能运行具有更大的意义。即：当室内温湿度工艺参数一定时，其对应的空气处理机组的机器露点温度随之确定，采用较低迎面风速的表冷盘管对冷冻供水温度的需求也随之提高。提高冷冻供水温度，可以明显节省制冷机组的运行能耗。对于水冷离心式制冷机组，每提高1℃的供水温度，制冷机组可节省3%～4%左右的运行能耗[3]。

3 迎面风速对空气过滤器运行的影响

空气过滤器作为空气处理机组的必备部件，为建筑物的室内环境以及通风空调系统和设备的本身提供了卫生保证，其功能是对建筑物内部产生的微颗粒污染物和通过新风系统吸入的室外悬浮颗粒物进行过滤净化。因为空气过滤器不断地捕捉微颗粒，因此其寿命是有限的，当其阻力达到终阻力时，空气过滤器需要定期清洗或更换。空气过滤器的有效使用寿命一般取决于其过滤效率级别、滤料材质、结构尺寸和使用环境。

通过滤料的过滤风速是影响空气过滤器过滤效率、运行阻力的关键因素。按GB/T 14295-2008《空气过滤器》的分类，从中效过滤器到高效过滤器，空气过滤器在结构设计上基本上要通过扩大过滤面积来获得较低的运行初阻力，比如：中效过滤器通常采用袋式结构，高效过滤器采用密褶式结构。对于空气处理机组内部安装的特定空气过滤器，其阻力损失与过滤风速的平方成正比，过滤效率随着过滤风速的降低而提高。减少空气处理机组的迎面风速设计值，有利于降低风机的运行能耗，同时获得更高的过滤效率。

据国外有关文献报道[4]，空气过滤器全寿命周期的成本（Total Life-Cycle Cost,LCC）由四部分组成：过滤器的采购成本、过滤器的更换或清洗人工成本、过滤器的废弃环境成本、以及通风空调系统花在过滤器上的运行能耗成本。其中，前三项成本合计只占LCC的30%，而运行能耗成本占到LCC的70%。因此，降低空气处理机组的迎面设计风速，有益于空气过滤器的LLC值。

4 案例对比分析

为评估迎面风速设计值小于2.5m/s时，空气处理机组可能出现的节能效果以及对初投资的影响，笔者选择了空气处理机组的两种不同的应用场合来进行模拟分析。运行成本是按实际的室内温湿度工艺、运行时间要求，并通过建筑设备能耗模拟软件测算得来。空气处理机组的初投资成本由项目中标的制造商提供。两种场合下的变风量空气处理机组的运行，采用静压重设控制模式进行全年能耗模拟计算。在模拟测算模型中，采用了常德地区的工业用电电费表来计算节省下的电费，其平均电费按0.72元/kWh计算。

表2 精密实验室变风量空气处理机组

案例1（表2）是某卷烟厂技术中心精密实验室用全新风变风量（VAV）空气处理机组，室内要求恒温恒湿控制，系统采用7天×24小时运行模式。机组在每天早8点到晚6点处于正常运行状态，维持至少每小时6次换气量；其余时间为值班运行状态，维持至少每小时3次换气量。表2为空气处理机组采用2.0m/s和2.5m/s两种迎面风速设计值导致的各种差异。从模拟计算的结果可以看出，其投资回报期为3.19年。

案例2（表3）是应用于同一栋技术中心大楼的办公用空调系统，该空调系统采用一台带回风的变风量（VAV）空气处理机组。其工作时间模式为周一至周五的早8点到晚6点。模拟结果显示其节约下来的能耗费用比案例1需要更长的回报期，这是因为其相对短的全年运行时间和较低的室内温湿度精度要求。案例1和案例2都没有在机组重量方面存在较大的差别，该差异主要由表冷盘管和电机重量造成。

表3 办公楼变风量空气处理机组

上述年度运行能耗成本中，考虑了空气处理机组的风机运行能耗及冷量消耗所折算的制冷机组能耗，没有考虑加热所消耗的能耗。同时，忽略了空气处理机组在截面尺寸增加、长度减少所对应安装空间成本的变化。笔者认为，降低迎面风速设计值，取得最佳的节能效果和投资回报期，需要和空调制造商通力合作。对于全年运行时间长、室内负荷大、温湿度控制精度要求高的空调应用场合，更合适选择迎面风速设计值较低的空气处理机组。

5 结论

降低空气处理机组的迎面风速设计值，有利于减少空气处理机组的运行阻力损失，提高表冷盘管的冷却除湿能力，从而节省空调系统的运行能耗。同时，它还具有噪音低、更高过滤效率等优点。其投资回报期的长短取决于空气处理机组的应用场合、空调负荷强度和全年运行时间。通过能量模拟测算软件工具有助于更好地理解全年不同负荷下的运行成本，以及如何选择空气处理机组的最佳迎面风速设计值。

[1]赵荣义.简明空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 1998

[2]国家空调设备质量监督检测中心.不同工况下的表冷器性能检测报告(国空质检(委)字(2013)第GZLR05号)[R].北京:国家空调设备质量监督检测中心,2013

[3]林荣欣,敖顺荣.卷烟厂空调与制冷系统联机运行节能策略[J].烟草科技,2002,(6):38-42

[4]M Chimack,D Sellers.Using Extended Surface Air Filters in HVAC Systems:Reducing Utility and Maintenance Costs while Benefiting the Environment[R].ACEEE,2000

Study on AHU’s Ene rgy Cons um ption unde r Diffe re nt Fa c e Ve loc ity Se le c tion

XIONG Yu-cong1,DAI Fei2,YUAN Jian-hua2
1 School of Electronic Information and Electrical Engineering,Dalian University of Technology
2 Changde Cigarette Factory of China Tobacco Hunan Industrial Co.,Ltd.

For AHU’s face velocity using 2.5m/s classic design value,this article,from the point of view of energy saving,describes the cooling coil’s performance tests and comparative analysis under different AHU’s face velocity,in terms of cooling coil’s dehumidifying ability and AHU internal pressure drop and other parameters.With combination of the annual energy simulation analysis in two different AHU applications,this article makes a point that lower AHU’s face velocity would be beneficial to reduce the operating cost of the HVAC system.It will get a much shorter payback for the projects that tend to have higher annual operating hours,high internal loads and precise environment requirement. Keywords:face velocity,air handling unit,cooling coil,air filter,energy consumption

1003-0344（2014）06-090-4

2013-11-8

熊宇聪（1994～），男，本科；辽宁省大连市甘井子区凌工路2号大连理工大学电信学部（116024）；E-mail:xsc_2@sina.com