高寒地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)防凍問題淺析

劉靜曉 吳 熙

（中國電子系統(tǒng)工程第四建設(shè)有限公司，上海 200050）

在我國長江以北的大部分地區(qū)，冬季極端溫度都低于零度，這就導(dǎo)致了每年都有大量的空調(diào)盤管被凍裂的報(bào)告[1]，今年蘭生所就已出現(xiàn)了三次盤管凍裂事件，這是一個(gè)普遍存在的，亟需解決的問題。下面本文就從設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行方面，對(duì)冬季空調(diào)系統(tǒng)的防凍問題做一探討。

1 盤管凍裂原因

要分析空調(diào)盤管的凍裂原因，從理論上說首先要弄清楚盤管中凍結(jié)的根本是“水結(jié)冰”，而水結(jié)冰的問題又可分水靜止時(shí)的結(jié)冰與水流動(dòng)時(shí)的結(jié)冰，也就是說空調(diào)在非運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

（1）靜水結(jié)冰：靜水結(jié)冰與室外氣溫有關(guān)，就未保溫的圓管而論，國外有人做過試驗(yàn)，裸管的完全結(jié)冰時(shí)間，與管徑、管周圍溫度、熱水溫度有關(guān)，管子越大，完全結(jié)冰的時(shí)間越長，熱水溫度越高，結(jié)冰時(shí)間越長，管周圍的溫度越低，完全結(jié)冰的時(shí)間越短?？傊苤徐o止的水管在0℃以下時(shí)是要結(jié)冰的。

（2）流水結(jié)冰的情況：流水結(jié)冰的問題尚待研究，一般認(rèn)為水在管道中的凍結(jié)是因?yàn)楫?dāng)室外空氣溫度為負(fù)值時(shí)，水在管中流動(dòng)呈層流狀態(tài)，即可出現(xiàn)結(jié)冰；目前常用空調(diào)機(jī)組加熱盤管的管徑d = 0.022 m，當(dāng)其流速小于0.1 m/s即為層流。而個(gè)別的新風(fēng)機(jī)組還有用管徑為d = 0.015 m的盤管的，則其流速為0.15 m/s時(shí)即為層流。在層流狀態(tài)下，流速的斷面分布不勻，且又不會(huì)混合，靠近管壁處的流速趨近于零，溫度較低時(shí)盤管接觸室外空氣一側(cè)的第一排盤管就會(huì)凍結(jié)。知道了盤管結(jié)冰凍裂的原因，我們就可以通過分析影響盤管結(jié)冰的原因來避免結(jié)冰，再將其應(yīng)用到設(shè)計(jì)與運(yùn)行之中，那么盤管結(jié)冰都與哪些因素有關(guān)呢？

通過查資料，并匯總各方觀點(diǎn)[2-4]，水在紊流很難結(jié)冰，出現(xiàn)結(jié)冰的最主要影響因素是盤管外溫度；對(duì)于層流，則與盤管管徑、供水溫度、盤管外空氣溫度、濕度等諸多因素有關(guān)，但只是定性的分析而不能給出定量的關(guān)系，查到的數(shù)據(jù)也是固定一個(gè)條件的單變量對(duì)比試驗(yàn)，多變量的對(duì)比試驗(yàn)尚沒有人做過。表1和表2是層流狀態(tài)下水溫與結(jié)冰時(shí)間的對(duì)比試驗(yàn)。

表1 水溫與結(jié)冰時(shí)間對(duì)比表

試驗(yàn)條件（盤管水流流速0.15 m/s，室外溫度-9℃，盤管迎風(fēng)面風(fēng)速3.2 m/s，時(shí)間計(jì)量單位為s。）

由上表作圖：

圖1 水溫與結(jié)冰時(shí)間關(guān)系圖

表2 空氣溫度與結(jié)冰時(shí)間對(duì)比表

試驗(yàn)條件（盤管水流流速0.15 m/s，供水溫度65℃，回水溫度55℃，盤管迎風(fēng)面風(fēng)速3.2 m/s，時(shí)間計(jì)量單位為s。）

由上表作圖：

從以上圖表可以看出，當(dāng)盤管內(nèi)水流成層流狀態(tài)，水溫在常規(guī)的65～55℃時(shí)，盤管的凍結(jié)是很快的，這也再次證明了解決防凍問題的急切性。知道了盤管結(jié)冰的原因和影響因素，我們應(yīng)如何在設(shè)計(jì)與運(yùn)行中來避免這些問題呢？下面結(jié)合工程作簡(jiǎn)單的論述。

圖2 空氣溫度與結(jié)冰時(shí)間關(guān)系圖

2 如何避免防凍

首先從設(shè)計(jì)上來說，通過這兩年本公司所接工程的圖紙和以前在設(shè)計(jì)院的一些經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)防凍易忽略的主要問題有：①對(duì)于冷、熱水盤管共用的機(jī)組在設(shè)計(jì)選型中常以冷量為準(zhǔn)，而供熱能力的富裕量過大，造成冬季水速低，層流嚴(yán)重；②熱源的溫差較冷源大（通常制冷為7 ～ 12℃，而加熱為60 ～ 50℃，有時(shí)直接采用一次管網(wǎng)高達(dá)95 ～ 70℃水)；③為提高換熱效率，盤管熱水流與空氣流采用逆流熱交換，造成迎風(fēng)面盤管壁溫低于0℃；④整個(gè)系統(tǒng)水管路差異較大，難以調(diào)平衡，部分支路水量過小，水速低，層流嚴(yán)重；⑤自動(dòng)控制系統(tǒng)的熱水調(diào)節(jié)閥選型偏大，閥門小開度運(yùn)行，水速低，層流嚴(yán)重；⑥新風(fēng)設(shè)計(jì)中未采用預(yù)熱措施。

為解決這些問題，如果當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)的室外空調(diào)計(jì)算溫度是低于零度的，設(shè)計(jì)中最好能設(shè)預(yù)熱段，預(yù)熱段建議使用熱水，不支持使用蒸汽和電加熱。蒸汽防凍也可以，但是容易出現(xiàn)溫度不均勻的現(xiàn)象，造成盤管上部溫度比較高，底部已經(jīng)開始凍。而電加熱容易出現(xiàn)危險(xiǎn)，比較費(fèi)電不節(jié)能。另外，在負(fù)荷計(jì)算時(shí)需對(duì)冷熱進(jìn)行復(fù)核，或設(shè)置單獨(dú)盤管而不使用共用盤管，這樣盤管中水流速度可以較大，避免了層流的發(fā)生。

現(xiàn)場(chǎng)一般做法是當(dāng)加熱盤管后的空氣溫度低于5℃時(shí)，溫度傳感器使風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行并發(fā)出低溫警報(bào)信號(hào)，這種“防凍保護(hù)”在寒冷地區(qū)往往不能起到作用。有些熱媒為水的預(yù)熱盤管，雖然設(shè)有這種自動(dòng)保護(hù)防凍裝置，但也發(fā)生了盤管凍裂的情況。因?yàn)?，這種保護(hù)裝置只是一個(gè)低溫極限控制，它只能在低溫時(shí)切斷、報(bào)警，使送風(fēng)機(jī)停止工作。換句話說，這種防凍保護(hù)裝置實(shí)質(zhì)上是安全保護(hù)，而不能解決系統(tǒng)在低溫下既要運(yùn)行而又不結(jié)凍的要求。如新風(fēng)系統(tǒng)，在冬季氣溫低時(shí)雖然預(yù)熱盤管后未達(dá)到低限溫度，但盤管迎室外空氣的一側(cè)有時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)凍裂。比較好的解決方案就是設(shè)一個(gè)迷走式沉降室并設(shè)同程式采暖裝置，可以完全避免上述問題的發(fā)生。

從施工角度來說，可能存在的問題應(yīng)該是：①蒸汽管路疏水器安裝位置不當(dāng)，冷凝水排不出；②預(yù)熱盤管感溫探頭安裝位置不當(dāng)；③設(shè)備安裝時(shí)有反向坡度，且系統(tǒng)管路中盤管前壓力較低，管內(nèi)阻力較高，流動(dòng)受阻，層流嚴(yán)重，特別是盤管的彎管段易積水、流動(dòng)易受阻。以上這些要在施工時(shí)多加注意。

從運(yùn)行維護(hù)的角度來說，可能出現(xiàn)凍裂的原因主要包括：①對(duì)于冷、熱盤分開的機(jī)組，冬季不用時(shí)盤管未排水或排水不盡，造成存水；②新風(fēng)閥未關(guān)閉或關(guān)閉不嚴(yán)造成滲漏；③由于外因?qū)е卤P管進(jìn)口水溫偏低，熱交換不充分，同時(shí)又未引起注意。這些就要靠我們交工時(shí)對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員的培訓(xùn)和運(yùn)行維護(hù)人員的責(zé)任心了，比如冬季表冷不用時(shí)將水放凈，甚至特別冷的地方盤管放完水后還要使用壓縮空氣吹掃，注意巡查盤管進(jìn)水溫度等。

3 結(jié)束語

當(dāng)然，上述每個(gè)影響因素并非是絕對(duì)的、孤立的，通常是在幾個(gè)影響因素相互作用下、共同造成盤管凍裂的，應(yīng)多總結(jié)并找出解決辦法，避免因?yàn)閮隽驯P管而造成的資金和時(shí)間上的損失。

[1] Christine B.Tayntor鐘鳴等譯.Six Sigma Software Development.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 李娥飛.暖通空調(diào)設(shè)計(jì)通病分析手冊(cè)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1991.

[3] 劉茂堂，鄭克白，孫敏生.嚴(yán)寒地區(qū)的吉林霧松賓館空凋設(shè)計(jì)[J].暖通空調(diào)，2000，30(30)：58-60.

[4] 何斌.嚴(yán)寒地區(qū)大商場(chǎng)空調(diào)熱交換器防凍措施[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2003，24(6)：58-59.

[5] GB 50019采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范.