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摘要：随着我国经济的快速发展，空调机在广泛应用的同时也面临着一个严峻的损耗问题，尤其是对老旧办公大楼，风机盘管使用时间长、系统效率降低导致能耗不断增高。在进行空调系统节能改造时，干式风机盘管的优化设计非常重要。本文主要对空调风机盘管设计的要点及优化进行研究，降低材料消耗。
关键词：空调；干式风机盘管；优化设计
引言
干式风机盘管具备投资较少、占用空间少、易于改造等优点，在设计时应根据工程实际情况，才能设计出符合实际的系统。同时为了确保风机盘管系统的良好运行，应从设计及维护方面采取积极措施。
一、风机盘管设计要点
（一）干盘管基本规格的确定原则
在满足于建筑实际内、外区最大显热冷量、温湿度独立控制空调系统等需求，即可以满足需求，又能保证其兼容标准型号风机盘管的风机规格、结构形式和尺寸。为保证与高温冷水机组的参数协调一致，根据暖通空调的设计要求，确定干式风机盘管的测试工况的空气状态为：干球温度26℃、相对湿度50%，湿球温度18.7℃，此时露点温度约为15℃；供冷量为1KW干式盘管所对应的风量应不大于500m3/h或干式盘管供冷量和风量之比不小于2W/m3/h，这样的要求既可以满足内、外区最大显热冷量的需求，又可以保证兼容现有标准型号风机盘管的风机系列规格、结构形式和尺寸。
（二）换热量设计
随着出水温度的升高（即进、出水温差的增大），机组的供冷量呈逐渐减小趋势。在20℃、21℃、21.5℃出水温度工况条件下，20℃工况的供冷量最大。从增大供冷量的角度看，进、出水温差取4℃具有更大的优势，但此时水阻力的增加也很大，空调系统的水输配系统的能耗同时增大，产品性能需要综合评价。结合冷水机组的设计，因此进、出水温差定为5℃。干式风机盘管的规格与标准盘管的规格应保持一致，即名义风量相同。供冷量为1KW干式盘管所对应的风量应不大于500m3/h或干式盘管供冷量和风量之比不小于2W/m3/h，来作为设计的要求。供热量设计，通过试验验证，由于制冷、制热均为干盘管系统运行，两者的换热行为非常类似，无冷凝水（无传质过程），并且风速相等，忽略空气物性随温度的变化，同一换热器在两种工况下的换热效率是相同的。
（三）提高换热效率
干式风机盘管主要技术研发在于表冷器换热效率的提高，由于机组进水温度为16℃～20℃，与标准风盘7℃进水对比温度提高较大，风侧与水侧的传热温差急剧减小，换热效率明显降低，见图1。针对此问题寻找解决方案，经过理论计算和反复实验验证，研发全新φ5小管径换热器，同时采用完全逆流分路如图2，可以大大提高换热效率。φ5管可增加管内冷冻水紊流状态，提高换热系数，降低出风温度，提高单位风量下的供冷量，实现2.5W/m2甚至更高的冷风比，表1为φ7管和φ5管全逆流分路出风温度与冷风比的对比测试数据，显然φ5管的换热效果更优。采用φ5管提高换热效率的同时，金属耗材减少，在节能的同时节省原材料，降低产品成本。
（四）降低整机噪音
1.风机噪声原理分析
随着计算流体力学和计算机技术的发展，风机的性能优化及降噪己逐渐采用数值流场模拟和试验验证相结合的方式。与传统的试验测量方法相比，数值流场模拟有投资少、研究周期短的特点。先通过数值模拟完成对风机流场及声强分析，根据分析结果改进风叶及蜗壳结构型线，优化后的结构再通过实验验证，这样可以避免前期较高的成本及人力投入，大大节省了开发成本同时提高效率。同时经过模拟分析后，降噪效果更加明显，从而避免传统开发只靠试验去摸索的缺点。以下为通过对风叶及蜗壳的改进实现风机降噪目的，从而实现风机盘管降噪的目的设计过程。所分析的风机盘管使用两个风机，单风机风量为425m3/h。
2．风叶降噪分析
干盘整机结构相对简单，主要噪声产生于离心风机进、出风口气流扰动噪声，而离心风机运转噪声来源于空气动力噪声，由旋转噪声和涡流噪声两部分组成。
a.风叶优化。普通风机属于一种前弯叶片离心式通风机，这种风机的叶片表面及叶道出口附近非常容易形成紊流附面层及涡流脱离现象，因而将产生较大的涡流噪声。普通风叶通过软件数值模拟，风叶叶道之间存在明显分离如图3，同时风叶存在明显不同声强，导致风机的气流噪声存在较高的峰值。通过CFD软件分析，优化风叶结构采用机翼形叶型，同时增加叶片与圆周切线的角度可以大大改善整机流场。改进后的风叶消除了原风叶空气分离，风叶产生较强声强分部比较均匀，从而改善气流流场，降低整机噪音。离心风机流场CFD模拟分析如图3。
b.蜗壳优化。因风机蜗舌与叶轮的间隙最小，气流不均匀性最强，在蜗舌部位产生旋转噪声最强，可以通过改进蜗壳结构，使空气在蜗壳内的流场更流畅，从而降低噪声。优化前风机模拟流场如图4，从图中可以明显看出流场不均匀多处出现局部风速较高，易产生较高噪音。针对这些问题对蜗壳结构进行了改进，分别优化蜗壳下方结构加大蜗舌和风叶的距离，改进后的流场分析如图5流场较为均匀，可以减少局部高速气流区域，降低整机噪音。离心风机流程CFD模拟分析如图4和图5。分别用改进、前后的风机装配在同一干式风机盘管上，进行定风量及静压测试，记录转速，再在相同风量下测试噪声，测试结果通过风叶和蜗壳的改进，相同风量整机转速减少60r/min，噪声降低约2dB（A），降噪效果明显。
二、优化设计，降低材料消耗
从前面的分析可知，提高表冷器的迎面风速与水流速度，可以提高机组的制冷量。如要保持制冷量不变，则可以减少换热面积、缩短盘管尺寸。但由式（1）可知，由于换热面积减少，制冷量又会减少；如何通过优化设计，在选用基本材料类型与加工方法不变的情况下，在满足机组基本参数要求的前提下，尽量降低材料的消耗。
（1）优化设计，节约原材料消耗
如将这些机组的管流程数进行修改，适当提高管内流速，在换热器长度不变、迎面风速不变的情况下，经过实测，其制冷量等技术参数的数据见表4。显然，实测数据表明，水流速度的提高，导致传热系数提高，制冷量也相应的得到了提高。考虑到迎面风速的提高，也可提高机组的制冷量。因此，在保证原设计风量的前提下，对管流程进行优化，适当的缩短风机盘管表冷器的长度以提高迎面风速，是可以保证机组原机组制冷量的要求的。经优化设计并实测后，其机组的主要技术参数见表5。因此，通过优化水管流程的设计，提高管内水流速，同时缩短表冷器的长度，提高迎面风速，同样可以满足原设计要求的制冷量。而缩短表冷器的设计，即可相应减少相应材料的消耗，达到节约材料，降低成本的目的。
（2）成本节约分析
根据计算，通过优化设计，原换热器的长度尺寸降低约10%左右。根据相关资料我们可以得知，钢材、铜材、铝材的寿命周期综合能耗折合成标准煤分别为1.17t/t，2.85t/t，4.43t/t。考虑到上述材料在制造过程中的材料损耗，因此，实际对机组通过优化设计以后，上述风机盘管机组分别节约的析合标准煤。
三、结束语
综上所述，干式风机盘管优化设计是暖通空调中极为重要的工作，将风机盘管不断加以深化和优化，一方面可以空调降低能耗，一方面可以为用户带来更加舒适的使用环境。
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论文作者:曹竞
论文发表刊物:《基层建设》2015年21期供稿
论文发表时间:2016/3/28
标签：风机论文; 盘管论文; 风量论文; 噪声论文; 机组论文; 干式论文; 风叶论文; 《基层建设》2015年21期供稿论文;