直膨式空調(diào)機(jī)組應(yīng)用于配電室的適用性分析

曾敏，楊品德，鄒均名Zeng Min,Yang Pinde,Zou Junming

（1中國(guó)輕工業(yè)長(zhǎng)沙工程有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410114；2湖南城市學(xué)院設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南益陽(yáng) 413002）

0 引言

直膨式空調(diào)機(jī)組屬于直接蒸發(fā)式機(jī)組，可集送風(fēng)、制冷、加熱、加濕、除濕、空氣凈化及電氣控制組合為一體，具有組成簡(jiǎn)單、安裝方便、造價(jià)低等特點(diǎn)。直膨式空調(diào)機(jī)組有整體式和分體式兩種，分體式（圖1）由蒸發(fā)送風(fēng)段和壓縮冷凝段組合而成，使制冷系統(tǒng)與通風(fēng)系統(tǒng)兩者結(jié)合。機(jī)組以空氣為冷熱源，無需冷卻水及冷凍水系統(tǒng)、末端設(shè)備等，系統(tǒng)的流動(dòng)介質(zhì)只有制冷劑。機(jī)組可自帶控制裝置，運(yùn)行管理方便，空調(diào)房間內(nèi)采用全空氣系統(tǒng)，沒有空調(diào)水管，免除了漏水隱患；室外機(jī)安裝于屋頂或室外空地上，無需機(jī)房，節(jié)省了建筑空間及初投資。其缺點(diǎn)是：受壓縮機(jī)回油問題的影響，室內(nèi)外機(jī)的距離，即制冷劑管路的有效長(zhǎng)度受到一定限制。

圖1 分體式直膨空調(diào)機(jī)組示意圖

對(duì)于造紙車間的配電室，干式變壓器、電容器、變頻器等設(shè)備在運(yùn)行過程中常散發(fā)出大量熱量，為了保證這類設(shè)備全年均能安全高效運(yùn)行及具有正常的使用壽命，對(duì)其工作環(huán)境溫濕度、空氣潔凈度均有一定的要求。目前，一些中小型造紙企業(yè)通常缺乏專業(yè)的運(yùn)行管理人員，或廠房布置緊湊，較難設(shè)置集中冷熱源，因此在配電室無條件設(shè)置單獨(dú)的空調(diào)機(jī)房時(shí)，直膨式空調(diào)機(jī)組均是較好的選擇，其無需冷凍水或冷卻水管路進(jìn)入配電室，消除了安全隱患。通常，工程設(shè)計(jì)人員對(duì)直膨式空調(diào)機(jī)組采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，制冷量的計(jì)算結(jié)果基本一致，但送風(fēng)量計(jì)算結(jié)果往往有較大偏差，與空調(diào)廠商標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量存在偏離，造成建設(shè)方最終訂貨參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)偏離。

基于以上情況，本文以某造紙廠配電室為例，選用直膨式空調(diào)機(jī)組一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)進(jìn)行全年供冷，探討其風(fēng)冷比的影響因素及其適用的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度范圍。

1 直膨式空調(diào)機(jī)組樣本的風(fēng)冷比

1.1 直膨空調(diào)機(jī)組風(fēng)冷比范圍

常規(guī)的水冷組合空調(diào)機(jī)組，流經(jīng)換熱盤管的冷凍水系統(tǒng)與空調(diào)機(jī)組風(fēng)系統(tǒng)獨(dú)立，其溫度、流量調(diào)節(jié)靈活，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整各組件配置以與設(shè)計(jì)參數(shù)相匹配。而對(duì)于直膨式空調(diào)機(jī)組，沒有二次換熱，機(jī)組的制冷量與制冷劑流量、蒸發(fā)冷凝溫度及壓力等參數(shù)密切相關(guān)，制冷系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響[1]。同時(shí)，直膨式空調(diào)機(jī)組的空氣冷卻器換熱過程比冷水盤管復(fù)雜，很難進(jìn)行純理論的分析計(jì)算[2]。盡管目前很多項(xiàng)目設(shè)備廠商根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)來搭配風(fēng)量，但卻鮮有再去核對(duì)這種變更相比原樣本參數(shù)帶來制冷量的變化值，還有很多項(xiàng)目直接根據(jù)空調(diào)機(jī)組制冷量來定，而忽略送風(fēng)量的偏差?？梢姡L(fēng)冷比是與設(shè)計(jì)計(jì)算息息相關(guān)的參數(shù)，只有在合適的風(fēng)冷比范圍內(nèi)，運(yùn)行工況才會(huì)穩(wěn)定，才會(huì)滿足配電房相應(yīng)的溫濕度要求。表1是行業(yè)內(nèi)幾家常用直膨式空調(diào)機(jī)組的廠商產(chǎn)品樣本的參數(shù)對(duì)比。由表中數(shù)據(jù)可看出，不同廠家直膨空調(diào)機(jī)組的風(fēng)冷比不同，波動(dòng)范圍在135～235m3/（kW·h）之間。

表1 直膨式空調(diào)機(jī)組不同廠商樣本參數(shù)對(duì)比

1.2 同一廠家冷水型與直膨式對(duì)比

對(duì)于配電室這類顯熱量占比高達(dá)90%以上的空調(diào)房間，通常要求大風(fēng)量小冷量，即風(fēng)冷比要高于常規(guī)空調(diào)。表2為某一廠家組合式空調(diào)機(jī)組盤管內(nèi)為冷水（4排管）和制冷劑R410A時(shí)，在回風(fēng)工況及相同額定風(fēng)量條件下的制冷量對(duì)比。

表2 直膨式空調(diào)機(jī)組與冷水型制冷量對(duì)比

從表2可以看出：當(dāng)風(fēng)量一定時(shí)，4排管冷水型機(jī)組制冷量大于直膨式空調(diào)機(jī)組，風(fēng)冷比小于直膨式，且盤管排數(shù)不宜在4排管基礎(chǔ)上再減少。對(duì)于配電房采用直膨空調(diào)機(jī)組供冷時(shí)，一般計(jì)算采用最大溫差，即露點(diǎn)溫度送風(fēng)，同時(shí)從節(jié)能的角度出發(fā)不希望有二次加熱，此時(shí)計(jì)算出來的風(fēng)冷比是最經(jīng)濟(jì)的。

2 直膨式空調(diào)機(jī)組風(fēng)冷比的影響因素分析

2.1 室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《制漿造紙廠設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 5109—2015）12.2.1的規(guī)定，低壓配電室夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度≤27℃，高壓配電室＜40℃，對(duì)相對(duì)濕度未作具體要求。同時(shí)，參考某國(guó)外項(xiàng)目對(duì)MCC室的規(guī)定：溫度23℃±2℃，相對(duì)濕度50%±5%。以下將通過一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目案例，在tn=21℃～25℃、φ＝35%～55%的溫濕度范圍內(nèi)計(jì)算分析不同室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)直膨式空調(diào)機(jī)組計(jì)算風(fēng)量的影響。

東莞地區(qū)某造紙車間二樓的一個(gè)傳動(dòng)控制室：長(zhǎng)×寬×高為24.090m×9.770m×5.0m，屋面為鋼筋混凝土屋面（保溫為50mm厚擠塑板），外墻為雙層壓型鋼板屋面[100mm厚粉紅色保溫棉，容重16kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.037W/m·K，傳熱系數(shù)K=0.70W/（m2·K）]，外窗為4個(gè)6mm厚高透光Low-E玻璃窗[尺寸為3.0m×1.8m，K=3.40W/（m2·K）]，內(nèi)墻為240mm厚MU10實(shí)心頁(yè)巖磚，考慮室外滲透空氣量為0.5次/h。

以鄰近城市廣州夏季室外氣象參數(shù)[3]進(jìn)行計(jì)算，并加上電氣專業(yè)提資的熱損340kW，匯總得到不同室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)下房間的熱濕負(fù)荷及對(duì)應(yīng)的空調(diào)機(jī)組參數(shù)，見表3。

由表3可知：（1）在相同的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度下，相對(duì)濕度要求越高，所要求的空調(diào)機(jī)組風(fēng)冷比越大。這是因?yàn)槭覂?nèi)設(shè)計(jì)溫度tn相同，熱濕比ξ相差不大，相對(duì)濕度越高，對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度越高，送回風(fēng)焓差△h越小，計(jì)算出的送風(fēng)量也就越大，機(jī)組的風(fēng)冷比也越大；（2）在相同相對(duì)濕度條件下，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度tn越高，空調(diào)機(jī)組的風(fēng)冷比越小，但差值幅度明顯小于相對(duì)濕度的影響幅度。這是因?yàn)閠n升高，ξ減小，室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)與送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的比焓差增速小于單位相對(duì)濕度變化的焓差增速。同時(shí)，室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷減小，從而計(jì)算送風(fēng)量減少，送風(fēng)量與制冷量同時(shí)減小的綜合結(jié)果為風(fēng)冷比變化不大，甚至在一定設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度范圍內(nèi)，可以認(rèn)為決定風(fēng)冷比的就是相對(duì)濕度。

表3 不同室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)熱濕負(fù)荷及計(jì)算的空調(diào)機(jī)組參數(shù)對(duì)比

2.2 室外空氣計(jì)算參數(shù)

結(jié)合瀘州、東莞、連云港的同等產(chǎn)能造紙項(xiàng)目的傳動(dòng)控制室，假定其朝向方位、圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法與上述一致，熱損等均維持不變，計(jì)算三者在室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)為tn=23℃、φ＝30%時(shí)，采用直膨空調(diào)的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)果見表4。

表4 不同室外空氣計(jì)算參數(shù)時(shí)熱濕負(fù)荷及計(jì)算的空調(diào)機(jī)組參數(shù)對(duì)比

可以看出：東莞和瀘州室外干球溫度接近，計(jì)算的空調(diào)冷負(fù)荷幾乎一致，空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)量及風(fēng)冷比偏差率均為1%。連云港室外計(jì)算干球溫度低于東莞，但兩者濕球溫度相同，計(jì)算出的空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量偏差率為1%，風(fēng)冷比偏差率為0.655%，小于東莞和瀘州的偏差率。因此，可推測(cè)室外濕球溫度對(duì)風(fēng)冷比的影響大于干球溫度，室外濕球溫度接近，由自然滲透帶來的濕負(fù)荷接近，風(fēng)冷比也更接近，同時(shí)濕球溫度對(duì)空調(diào)機(jī)計(jì)算制冷量的影響也遠(yuǎn)大于干球溫度的偏差帶來的影響，即室外相對(duì)濕度降低，由滲透風(fēng)帶來空調(diào)機(jī)組風(fēng)冷比增大。

3 直膨式空調(diào)機(jī)組適用的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度

由以上得到：在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度直接決定著直膨空調(diào)機(jī)組的風(fēng)冷比。仍以2.1為例，φ=35%時(shí)，風(fēng)冷比比較貼合幾家廠商的參數(shù)，計(jì)算在室內(nèi)溫度tn分別為21℃、23℃、25℃時(shí)，相對(duì)濕度在φ=25%～35%風(fēng)冷比的變化，結(jié)果見表5。

直膨式空調(diào)機(jī)組的制冷量和室內(nèi)機(jī)的送風(fēng)量需滿足一定的匹配關(guān)系，風(fēng)冷比的適宜范圍為170～200m3/（kW·h）[2]。由表5可以看出，在tn=23℃±2℃、φ=25%～35%范圍內(nèi)，計(jì)算出的空調(diào)機(jī)組所需風(fēng)冷比，一般廠家標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品基本滿足要求，而不用非標(biāo)定制增加造價(jià)。參考國(guó)內(nèi)類似規(guī)范的規(guī)定，tn=18℃～28℃，φ=30%～75%[5]，同時(shí)結(jié)合一個(gè)近期涉外設(shè)計(jì)項(xiàng)目的技術(shù)規(guī)定，可知其中沒有對(duì)相對(duì)濕度的控制要求，根據(jù)相關(guān)專業(yè)提資只對(duì)配電室相對(duì)濕度上限有限制，由此我們可以得出，絕大多數(shù)廠家的標(biāo)準(zhǔn)型直膨式空調(diào)機(jī)組都是適用于配電室的，設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)過程中擇取以上推薦的相對(duì)濕度范圍進(jìn)行計(jì)算，選型的空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量是一個(gè)相應(yīng)的范圍值，以避免在設(shè)計(jì)選型時(shí)的困惑，建設(shè)方采購(gòu)設(shè)備也將有更大的自由度。相對(duì)濕度每變化5%，風(fēng)冷比變化率約為15%左右，因此風(fēng)冷比取決于室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度。

表5 25%～35%熱濕負(fù)荷及計(jì)算的空調(diào)機(jī)組參數(shù)對(duì)比

（3）在室外干球溫度接近，考慮相同的滲透換氣次數(shù)條件下，室外相對(duì)濕度越高，風(fēng)冷比越小，對(duì)于新風(fēng)量較大的空調(diào)系統(tǒng)會(huì)維持相對(duì)較高的室內(nèi)相對(duì)濕度。

（4）一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)適用的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度范圍為tn=23℃±2℃、φ=25%～35%，對(duì)于常規(guī)項(xiàng)目中未對(duì)室內(nèi)相對(duì)濕度提出特殊要求的配電室，標(biāo)準(zhǔn)型直膨式空調(diào)都是適用的，無需非標(biāo)定制，可以減少建設(shè)方成本。

4 結(jié)論

（1）對(duì)比空調(diào)廠家樣本上標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)機(jī)型，直膨式空調(diào)機(jī)組比冷凍水式空調(diào)機(jī)組的風(fēng)冷比更大，在不更改標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品參數(shù)的前提下，不考慮能效比等其他因素時(shí)，直膨式空調(diào)機(jī)組更適用于高顯熱比的配電室。

（2）對(duì)于一次回風(fēng)全空氣空調(diào)系統(tǒng)而言，在配電室常采用的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度范圍內(nèi)，室內(nèi)干球溫度的變化對(duì)風(fēng)冷比的影響為：室內(nèi)相對(duì)濕度越高，機(jī)組的風(fēng)冷比越大；同一相對(duì)濕度條件下，溫度變化2℃，風(fēng)冷比變化率為0.15%；同一室內(nèi)溫度條件下，