洁净厂房新风机组的空气预热处理计算分析
在一次回风空调机组中，如果冬季室外空气焓值低于一定值时，就需要对新风进行预热，否则混合后的空气无法处理到送风状态点。而在洁净厂房的空气处理中常用到独立新风机组（
MAU
）系统。舒适空调系统的新风机组用于处理满足空调房间的人员的新风需求的新风量，风量相对较小，而对于洁净厂房的空调系统，一方面由于洁净厂房的换气次数比较大，千级洁净室为
50~60
次
/h
，万级洁净室为
15~25
次
/h
，十万级洁净室为
10~15
次
/h
[1]
，新风机组处理的风量比较大；另一方面考虑洁净度的要求，洁净室风口末端安装有高效过滤器，而高效过滤器的容尘能力有限，因此需要在新风机组中安装初、中效过滤器。当遇上冰雨天气
(
冰雨天气是由于冷暖空气对流，大气上层气温在冰点以上，而地面温度在冰点以下，使得雨水在下降过程中结成冰粒而形成的特殊降水方式
)
，
过滤器视空气中
冰晶
为颗粒物而阻拦，水滴在零度以下的滤材上结冰，并迅速地将过滤器封堵，导致新风机组严重出力不足，进而影响整个洁净厂房的洁净度及空气品质
[2]
。
鉴于上述问题的存在，当室外温度低于
5
℃时应对新风进行预热，就是在新风机组入口增加一套预热盘管，在新风温度低于
5
℃时将其预热至
5
℃，这样以来，即使遇上冰雨和大雾天气，由于盘管的加热，冰雨转化为水滴，大部分水滴碰到预热盘管壁面会附着在上面，积累成大的水滴沿着盘管壁流到下面的接水盘中，同时由于新风经预热到
5
℃再吹向过滤器，滤材的温度不会达到零度以下，因此滤材上即使有水滴也不会结冰，过滤器也就不会出现封堵现象。
另外，在新风和一次回风时也应考虑混合点是否在雾区的问题，需要根据最小新风比和室外空气状态点的焓值确定新风的预热。当室外气温降到
0℃
以下时，如进风或新风系统中未采取有效的防冻措施，空气加热器中的水有可能结冻。结冻的结果，轻则影响正常运行，重则使加热器的盘管破裂，必须更新或修理。一般可以采用的预防新风机组盘管冻结的方法有电加热法、值班风机法和旁通导流法
[3][4]
，这里考虑用混水站的方法来消除预热盘管冻结的隐患。
1.
预热盘管水量调节的方案比较
方案一
：一般的空调机组的热水盘管都是通过在机组盘管的供水和回水管道上用三通阀连接，根据盘管后的空气的温度调节电动三通阀，从而控制热水盘管的水流量，如图1中所示。这种用三通阀进行调节的水系统，尽管通过末端设备的水流量变化了，但是对整个水系统而言却是定流量的。定流量系统中用户末端盘管采用三通阀调节，水泵大部分时间在较低的效率点工作，耗能严重。
而在实际工程中有的通风或空调系统间歇运行，当系统停止运行后，预热盘管内的水停止循环，由于进风口处阀门的热损耗和室外冷空气的渗入，会使预热盘管内的水因局部温度逐渐降低而冻结，以至将预热盘管的铜管冻裂，影响通风、空调系统的正常运行。也就是说如果预热盘管水路系统采用三通阀的连接方式，预热盘管仍存在着冻裂的安全隐患。
方案二：
预热盘管水路控制更简单的控制方式是采用电动二通阀，使整个水系统成为变流量系统，如图2中所示。在这一变流量系统中，用户末端盘管采用二通阀调节，整个系统循环水流量随负荷变化而成比例变化。变水量的目的是使由热源输出的流量所载热量与经常变化的末端所需冷量相匹配，节约热量输送动力和热源的运行费用。
这种方案与方案一存在着相同的问题，即在通风或空调系统间歇运行时，当系统停止运行后，预热盘管存在着冻裂的安全隐患。
方案三：
采用混水站的控制方式可以消除以上两种方案都存在的问题，其具体连接方式如图3所示。
如图3所示，
a
点接热水管网供水管，
d
点接热水管网回水管，
ac
段设置一过滤器，
cb
段加装一水泵，
ed
段加控制阀（电动二通阀），
ec
段加止回阀。预热盘管采用这种混水站的方式预防盘管冻裂的原理在于：在正常情况下，通过新风机组的预热盘管后面的空气温度来调节
ed
段的控制阀，当其温度低于
5
℃时，增加控制阀的开度，即增加热水盘管的水流量
,
直至预热盘管后面的空气温度达到
5
℃为止。
从图3中可以看出，即使
ed
点的控制阀开度为
0
，由于
bc
段的循环水泵的存在，在环路
bcfe
中依然有一定量的水在循环流动，也就是说无论何时在环路
bcfe
中都有循环水。即使在通风或空调系统间歇运行时，当系统停止运行后，预热盘管内仍然有水循环流动，有效的消除了盘管冻裂的安全隐患。
另外
ed
段装有电动二通阀，从而使整个水路系统成为变流量系统。通过调节末端盘管采用二通阀，使整个系统循环流量随负荷变化而成比例变化，变水量的目的是使由热源输出的流量所载热量与经常变化的末端所需热量相匹配，节约热量输送动力和热源的运行费用。
分析比较上述三种预热盘管水量调节方案：方案一采用三通阀调节，水泵大部分时间在降低的效率点工作，耗能严重，而且存在预热盘管冻裂的安全隐患；方案二通过变流量节约热量输送动力和热源的运行费用，但是也存在着预热盘管冻结的安全隐患；方案三虽然管路复杂些，由于预热盘管侧循环水泵的存在，此管路系统在有效消除预热盘管冻结的同时，还分担了一部分管网的资用压头，变流量的系统也满足节能的需要。因此，对于新风量要求较大的洁净厂房新风机组预热盘管水路系统宜采用混水站的方式。
2.
实例分析
下面以某制药厂的新风机组为例，说明洁净厂房新风机组的空气预热盘管混水站水系统的设计及选型计算。
3.1
基本资料
空调新风机组的总新风量：
m3/h;
室外空气设计参数：
t
w
=-11
℃
,
φ
=53%
室内空气设计参数：
t
n
=21
℃
,
φ
=60%
预热后的空气温度：
5
℃
热水管网供回水温度：
70
℃
/50
℃
热水盘管供回水温度：
60
℃
/50
℃
3.2
热水盘管换热量及接管管径的确定
根据公式（
1
）确定热水盘管所需换热量。
式中，
Q
——盘管换热量，
W
；
G
——新风量，
m3/h
；
ρ
——新风密度，
1.342kg/m
3
；
i
c
——新风预热后焓值，
6.9KJ/Kg
（预热后的温度为
5
℃，相对湿度仍为
53%
）；
i
w
——室外空气计算状态点焓值，-
9.2KJ/Kg
；
计算得热水盘管的换热量为
438KW
。再由公式（
2
）确定盘管水量。
计算得热水质量流量为10.5kg/s,进而求得体积流量为37.8m
3
/h，比摩阻取
250Pa/m
，接管管径取
DN100
，校核流速
1.2m/s
。
3.3
新风机组空气处理过程的焓湿图
空气处理过程的流程如下：
其处理过程的焓湿图表示如图4所示。
3.4
控制阀（电动二通阀）位置的确定
此混水站为二级系统，一级侧为热水管网，二级侧为预热盘管，盘管50℃回水通过ec段止回阀与管网70℃供水混合为60℃的二级系统供水供给预热盘管。下面来讨论控制阀位置的确定。如图3中所示，一级系统的供水温度t
1
=70℃,回水温度t
2
=50℃,流量为G
1
,二级系统的供水温度t
3
=60℃,回水温度t
2
=50℃,流量为G
3
。控制阀若放在二级系统中，当二级系统的负荷发生变化，比如负荷变小时，二级系统所需的制冷量变小，虽然可以通过调节阀调小二级系统的流量，但是若控制阀关小，则预热盘管流量变小，相应的bc管段的流量变小，而ac管段的流量不变，那么就的旁通管路ec段流量变小才能满足系统的流量要求。这样以来，70℃高温水流量变小，而50℃的低温水流量不变，那么bc管段的混水温度将会低于60℃，无法满足预热盘管的设计供水温度；另外，由上述分析易知，当二机级系统负荷变化时，一级系统流量却没有变化，显然不符合节能的要求。更为重要的一点是，根据设计，当新风温度低于5℃时控制阀开启，那么当新风温度略高于5℃时，控制阀就是关闭的状态，也就是说此时盘管中的水流量为零，若此时室外气温剧降，那么预热盘管仍存在冻结的可能性，盘管冻裂的安全隐患并没有消除，所以控制阀不应设置在二级系统中。
下面来分析控制阀放在一级系统中情况。如图3中所示，当二级系统的负荷变化时，如负荷减小，相应的二级系统流量变小，调节控制阀使一级系统的流量减小，即bc管段流量减小，ac管段的流量变小，旁通阀也关小，这样不仅可以满足流量要求，也可以满足温度的要求，即70℃高温水和50℃的低温水的流量同时减小，仍可以保证二级系统60℃的供水，而且二级系统的负荷变化时，一级系统的流量有相应的变化，符合节能的要求，此外，不论控制阀的开启和关闭，即不论一级系统中是否有水流量，二级系统中始终有水循环流动，不存在盘管冻裂的安全隐患，所以控制阀应放在一级系统中。
3.5
水泵流量和扬程的确定
热水管网的供水温度t
1
=70℃,回水温度t
2
=50℃,流量为G
1
,预热盘管的供水温度t
3
=60℃,回水温度t
2
=50℃,流量为G
3
。G
2
为旁通管ce段流量。如图3中所示可知流量关系：
根据2.2中的计算，G
3
=33.6m
3
/h。
又由混水热量平衡：
根据以上条件可以求解得G
1
=G
2
=16.8m
3
/h。这样水泵和控制阀的流量就都确定了，即水泵流量为33.6m
3
/h，控制阀流量为16.8m
3
/h。所以图3中的ed和ac段的接管管径为DN65（比摩阻取250Pa/m），校核流速1.4m/s。
如图3中所示，此混水系统各点压头满足以下几点：
（1）
a点的资用压头满足向c点供水即可；
（2）
c点的资用压头满足向b点供水即可；
（3）
e点的资用压头应满足向d点及向c点提供压头，同时流量满足平衡关系。
（4）
ad间有6mH
2
O的资用压力。
由此可以得到以下关系式：
由(5)(6)式可得混水泵水泵扬程：
查止回阀样本，计算得混水泵扬程H为86.5KPa。
由（7）式可以看出，bc管段所设置的混水泵只要克服fecbf环路的阻力即可。
此外还有：
将（8）（9）式代入(6)式可得控制阀的压力损失：
查止回阀样本，计算得控制阀压力损失
为97KPa。
3.6
控制阀尺寸和型号的确定
根据2.5中计算出的控制阀压力降
,利用如下公式可以求得控制阀的流量系数
：
式中，Q——热水流量，16.8m
3
/h；
r——液体重度，1g/cm
3
；
△P——控制阀压力降，97KPa。
计算得Kr=17，查找通用电动二通阀的样本，Kvs为19时，管径为DN32，
Kvs
为10时，管径为DN25，如果Kr>Kvs,不能满足流量调节的要求,所以取
Kvs
为19时，管径DN32，工作压力PN16。
3.
结论
对于洁净厂房的新风空调机组，为了防止在冰雨和大雾天气冰粒堵塞过滤器，从而影响整个空调系统正常运行，采用对新风进行预热的方案，即当室外气温低于5℃时，对新风进行预热，可以有效地避免新风预过滤器结冻现象的发生。分析表明，对新风预热盘管水路系统的控制连接，由电动调节阀和循环水泵构成的小型混水系统在有效的预防预热盘管冻结及节能设计方面优于单独采用二通阀或三通阀的控制方式。此外，本文通过一个实际工程案例，对小型混水系统进行了设计选型计算的说明和分析。
来
源
：洁净技术与应用
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