結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器最小換熱單元的確定

1、結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器最小換熱單元的確定             摘要 本文在結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器的基礎(chǔ)上，提出了其增量式結(jié)構(gòu)形式；針對(duì)該種換熱器在空調(diào)機(jī)組中的應(yīng)用，根據(jù)空調(diào)室內(nèi)溫濕度控制精度要求，給出了換熱器最小換熱單元的約束條件；由房間動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性，提出了換熱器最小換熱單元確定方法及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器從結(jié)構(gòu)上改善了現(xiàn)有空調(diào)機(jī)組的水力調(diào)節(jié)特性，克服了現(xiàn)有空調(diào)機(jī)組因連續(xù)型水量調(diào)節(jié)閥的快開特性而導(dǎo)致機(jī)組水量調(diào)節(jié)范圍小等問題，特別適于模糊控制。關(guān)鍵詞 換熱器 增量式控制 模糊

2、控制 溫濕度控制精度 最小換熱單元 動(dòng)態(tài)負(fù)荷 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 前言文1從表面式換熱器的性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化和便于實(shí)現(xiàn)模糊控制調(diào)節(jié)的角度，提出了結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器的結(jié)構(gòu)型式，如圖1所示，其中，1為介質(zhì)總注入管，2為母管，3為調(diào)節(jié)閥，4為子管，5為肋片管簇，6為介質(zhì)總流出管，7為框架；給出了換熱量模糊等級(jí)劃分方法，初步分析了其用作空調(diào)機(jī)組表冷器的優(yōu)越性。由于結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器用一個(gè)小規(guī)格的電動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)閥和多個(gè)雙位調(diào)節(jié)閥代替大規(guī)格的電動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)閥，在價(jià)格上較為經(jīng)濟(jì)；在用于空氣處理機(jī)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器可實(shí)現(xiàn)氣流旁通的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，而無需另設(shè)氣流旁通，這與相同出力的旁通式機(jī)組相比，減小了機(jī)組的體積；在部分負(fù)荷工況下，

3、充分利用室外新風(fēng)除熱（加熱）能力，可降低了冷熱源的出力；在電氣實(shí)現(xiàn)上，利用數(shù)字量代替模擬量降低了硬件的消耗。圖1所示的換熱器換熱量模糊等級(jí)劃分是控制系統(tǒng)的控制量直接對(duì)應(yīng)于室內(nèi)負(fù)荷的大小，該方式稱為位式控制方式。而實(shí)際控制過程則是在于換熱器當(dāng)前換熱量再增加一調(diào)節(jié)量，即采用增量式控制方式來實(shí)現(xiàn)換熱量的調(diào)節(jié)。本文將在文1的基礎(chǔ)上，提出結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器增量式結(jié)構(gòu)型式，以用作空調(diào)機(jī)組一冷器為背景，由室內(nèi)溫濕度控制精度，確定換熱器最小換熱單元的約束條件，根據(jù)房間動(dòng)態(tài)負(fù)荷，提出換熱器最小換熱單元確定方法，最后給出其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。2 結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器增量調(diào)節(jié)方式在換熱器增量式調(diào)節(jié)方式中，控制系統(tǒng)的輸入量是室內(nèi)

4、溫濕度狀態(tài)的偏差和偏差變化，輸出量是換熱器熱量的變化值。于是可將換熱器的換熱量Q分成兩部分，即基礎(chǔ)換熱量 和可變換熱量 ，如式（1）所示。對(duì)應(yīng)于換熱面積，則有式（2），其中， 為換熱器基本換熱面積，m2；這里可以認(rèn)為， 始終參與換熱過程，而 為滿足室內(nèi)負(fù)荷要求而參與調(diào)節(jié)過程， 對(duì)應(yīng)于室內(nèi)空氣狀態(tài)的偏差和偏差變化。對(duì) 進(jìn)行"大、中、小"模糊等級(jí)劃分，如圖2所示，其中，1為調(diào)節(jié)閥，2為母管，3為子管；考慮到各閥門有開/關(guān)兩種動(dòng)作，定義閥門開啟為"正"，閥門關(guān)閉為"負(fù)"，即可實(shí)現(xiàn) 的"正大、正中、正小、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大"

5、模糊等級(jí)操作。 的"大、中、小"在面積大小上有一定關(guān)系，為便于設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)，將 按式（3）分割，其中， 小為 的最小換熱單元；中要確定了 小，即可確定 中和 大。圖1 結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器1圖2 結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器增量式結(jié)構(gòu) （1） （2） （3）這樣，無論換熱器面積有多大，只要將 分割成了 小、 中和 大，加上 ，可由5個(gè)雙位調(diào)節(jié)閥來控制，利用 小、 中、 中和 大的不同組合，可以靈活地得到不同的可調(diào)換熱面積。3 換熱器最小換熱單元約束條件結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器在進(jìn)行能量調(diào)節(jié)時(shí)，換熱單元閥門的開關(guān)，不僅影響空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度的變化，而且影響送風(fēng)含濕量的變化。為保證空調(diào)機(jī)組在進(jìn)行能量調(diào)節(jié)時(shí)

6、能夠滿足室內(nèi)溫濕度控制精度要求， 小的大小必須滿足最小換熱單元 小的變化而引起室內(nèi)溫濕度的變化應(yīng)小于等于室內(nèi)溫濕度控制精度要求，因此， 小的約束條件如式（4）所示，其中，tr為調(diào)節(jié)最小換熱單元所引起的室溫變化，即室溫偏差，；tr為室內(nèi)溫度，；trg為室溫設(shè)定值，；t為室溫控制精度，；r為調(diào)節(jié)最小換熱單元所引起的室內(nèi)相對(duì)濕度室溫變化，即相對(duì)濕度偏差，；r為相對(duì)濕度；rg為相對(duì)濕度設(shè)定值，%，為相對(duì)濕度控制精度，%。 （4）室內(nèi)溫濕度的變化與房間動(dòng)態(tài)負(fù)荷、送風(fēng)參數(shù)和排風(fēng)狀況等因素有關(guān)，而送風(fēng)參數(shù)又與新風(fēng)比、空調(diào)機(jī)組換熱量及加濕量（冬季）等因素有關(guān)，因此，要使最小換熱單元滿足式（4）的要求，必須分析

7、整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。4 換熱器最小換熱單元的確定41送風(fēng)溫度數(shù)學(xué)模型的建立圖3為一次回風(fēng)集中空調(diào)系統(tǒng)示意圖，其中，N、W為室內(nèi)外空氣狀態(tài)，H為新回風(fēng)混合狀態(tài)，L為機(jī)器露點(diǎn)，O為送風(fēng)狀態(tài)，為室內(nèi)熱濕比，l為最小換熱單元 小，2為風(fēng)機(jī)混合段，3為新風(fēng)和回風(fēng)混合段。僅討論 小閥門開關(guān)引起的室內(nèi)室內(nèi)空氣狀態(tài)變化。為便于計(jì)算,假設(shè)：空調(diào)系統(tǒng)各部個(gè)（如風(fēng)機(jī)、換熱器等）能夠滿足空調(diào)設(shè)計(jì)工況要求；風(fēng)管道能量損失很小，忽略不計(jì)；不計(jì)房間氣流組織及漏風(fēng)影響；空調(diào)機(jī)組內(nèi)不同斷面處的迎面風(fēng)速相同；開關(guān)結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器任一換熱單元上閥門時(shí)，該單元換熱量為0，且不影響其他單元換熱量大小。以空調(diào)房間為研究對(duì)象，由能量守

8、恒定律可知：房間內(nèi)顯熱量的變化=流入房間的顯熱量+房間內(nèi)部顯熱量-流出房間的顯熱量 （5）（1）房間內(nèi)顯熱量的變化量當(dāng)室內(nèi)溫度tr( )發(fā)生變化時(shí)，將引起房間內(nèi)顯熱量的變化量如式（6）所示（以差分格式表示），其中，Qr為室內(nèi)顯熱量，kW； 為時(shí)間變量，s；r為室內(nèi)空氣密度，kg/m3；Cp為空氣的定壓比熱，kJ/kg·；Vr為空調(diào)房間的容積，m3；T為采樣周期，s。 （6）（2）流入空調(diào)房間的顯熱量流入空調(diào)房間的顯熱量主要是送風(fēng)帶入的熱量，如式（7）所示，其中，QO為送風(fēng)帶入的顯熱量，kW；O為送風(fēng)密度，kg/m3；G為送風(fēng)量，m3/s；tO為送風(fēng)溫度， 。 （7）（3）房間內(nèi)部產(chǎn)生

9、的顯熱量房間內(nèi)部顯熱量主要有兩種，一是由傳熱進(jìn)入房間所形成的瞬時(shí)顯冷負(fù)荷，用QL（ ）表示，單位kW，QL（ ）已知；一是由蓄熱進(jìn)入房間所形成的瞬時(shí)蓄熱冷負(fù)荷，用QSL（ ）表示，單位kW，QSL（ ）的計(jì)算如式（8）所示，其中，Wz（j）為室溫變化（室溫對(duì)設(shè)定值的偏差）所引起的除熱權(quán)系數(shù)，kW/，其意義是指當(dāng)室溫在 =0時(shí)刻高于設(shè)定值1時(shí)，在 =jT時(shí)刻的除熱量，Wz（j）已知；K為由于室溫變化tr而對(duì)送風(fēng)負(fù)荷的修整系數(shù)，如式（9）所示。 （8） （9）（4）流出空調(diào)房間的顯熱量流出房間的顯熱量主要是空調(diào)房間排風(fēng)和回風(fēng)帶走的熱量，如式（10）所示，其中，QE為排風(fēng)和回風(fēng)帶走的顯熱量，kW。

10、（10）不計(jì)溫度對(duì)空氣密度的影響，即 。將式（6）（10）代入式（5），可得 （11）由上式可知，送風(fēng)溫度不僅與當(dāng)前時(shí)刻的室溫變化、房間容積、送風(fēng)量、顯冷負(fù)荷有關(guān)，而且與從空調(diào)系統(tǒng)開始運(yùn)行起到當(dāng)前前一時(shí)刻的室溫變化、系統(tǒng)降熱特性有關(guān)，還與采樣周期有關(guān)。為了簡化計(jì)算，假設(shè)在換熱器最小換熱單元閥門調(diào)節(jié)之前，室內(nèi)溫度完全滿足控制精度要求，即 （12）于是，式（11）可以簡化為 （13）根據(jù)式（4）可計(jì)算出滿足室內(nèi)溫度控制精度要求的室溫變化tr（ ），進(jìn)而由式(13)即可計(jì)算出所要求的送風(fēng)溫度tO（ ）。42 送風(fēng)含濕量數(shù)學(xué)模型的建立空調(diào)房間含濕量的變化規(guī)律通過房間的潛熱量來描述。設(shè)空調(diào)房間沒有自由水

11、面，則由能量守恒定律可知房間潛熱量的增量=流入房間的潛熱量+房間產(chǎn)生的潛熱量-流出的潛熱量 （14）（1）房間潛熱增量 （15）其中，Qq為室內(nèi)潛熱量，kW；dr為室內(nèi)空氣含濕量，kg/kg干空氣。（2）流入空調(diào)房間的潛熱量 （16）其中， 為送風(fēng)帶入的潛熱，kW；dO為送風(fēng)含濕量，kg/kg干空氣；r為水的汽化潛熱，kJ/kg。（3）房間內(nèi)部的潛熱量主要是房間潛熱負(fù)荷，用QLq（ ）表示，單位kW，QLq（ ）已知。（4）流出空調(diào)房間的潛熱量 （17）其中，QEq為排風(fēng)和回風(fēng)帶走的潛熱量，kW。同樣不計(jì)溫度對(duì)空氣密度的影響，將式（15）（17）代入式（14），可得 （18）其中，dr（ ）為

12、 為時(shí)刻室內(nèi)含濕量變化，kg/kg干，如式（19）所示；drg為含濕量設(shè)定值，kg/kg干空氣。 （19）同樣為簡化計(jì)算，假設(shè) ，則式（5-29）為 （20）根據(jù)式（4）可計(jì)算出滿足室內(nèi)相對(duì)濕度控制精度要求的相對(duì)濕度變化r（ ），根據(jù)式（21）即可得到相應(yīng)的dr（ ），進(jìn)而由式（20）即可計(jì)算出所要求的送負(fù)溫度dO（ ）。 （21）其中，Pq，b為tr下濕空氣的飽和水蒸氣分壓力，Pa；Ba為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，Pa。43 送風(fēng)焓值數(shù)學(xué)模型的建立將式（13）和式（20）代入式（22）即可計(jì)算出送風(fēng)焓值。 （22）其中，hO（ ）為送風(fēng)焓值，kJ/kg干空氣。這樣，根據(jù)式（22）即可計(jì)算出滿足室內(nèi)溫溫度

13、控制精度要求的送風(fēng)焓值hO（ ）。44 最小換熱單元迎風(fēng)面積的確定滿足室內(nèi)溫濕度控制精度要求的送風(fēng)焓值hO（ ）是換熱器最小換熱單元上閥門開關(guān)后旁通空氣和冷卻減濕空氣相混合的結(jié)果，以圖3中的風(fēng)機(jī)混合段為研究對(duì)象，則有式（23）和式（24）存在。 （23）G=GH+GL （24）其中，H和L分別為混合點(diǎn)H和機(jī)器露點(diǎn)L處的空氣密度，kg/m3；GH和GL分別為旁通風(fēng)量和冷卻減濕處理風(fēng)量，m3/s；hH和hL分別混合點(diǎn)H和機(jī)器露點(diǎn)L處的空氣焓值，kJ/kg干空氣。不計(jì)空氣密度的變化，由式（23）和（24）可得 （25）又 （26）其中，Vy為換熱器迎面風(fēng)速，m/s；Fy小和Fy分別為最小換熱單元和整

14、臺(tái)換熱器的迎風(fēng)面積，m2。故有 （27）在式（27）中，hO可由式（22）計(jì)算；hL可取設(shè)計(jì)工況下機(jī)器露點(diǎn)焓值，已知；Fy已知；只有hH為未知，下面就來計(jì)算hH。以新風(fēng)和回風(fēng)混合段為研究對(duì)象，則有 （28）G=GN+GW （29）其中，W為室外新風(fēng)密度，kg/m3；GN和GW分別為回風(fēng)量和新風(fēng)量，m3/s；hN和hW分別室內(nèi)和室外的空氣焓值，kJ/kg干空氣。設(shè)新風(fēng)比為m，則 （30）不計(jì)空氣密度的變化，由式（28）（30）可得 （31）這樣，將式（31）代入式（27）即可計(jì)算出最小換熱單元的迎風(fēng)面積Fy小。       &

15、#160; 45 最小換熱單元換熱面積的確定為確定是小換熱單元 小的換熱面積F小，必須考察結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器的幾何結(jié)構(gòu)。圖4為換熱器幾何結(jié)構(gòu)示意圖，其中，A、B和H分別為換熱器的長、寬和高，m。設(shè)換熱器在氣流方向上單排熱面積為Fdp，單排管高度為Hdp，要確定F小，實(shí)際上確定F小中包含F(xiàn)dp的個(gè)數(shù)n小，即 （30）又 （31）故有 （32）將式（32）代入式（30）可得 （33）這樣，由式（33）即可計(jì)算出滿足室內(nèi)溫濕度控制精度要求的最小換熱單元的換熱面積F小，實(shí)際上，式（32）更為有用，即只要知道單排管高度Fdp和n小，即可知道最小換熱單元迎風(fēng)面高度H小，如式（34）所示，由式（3）即可得到的

16、 中和 大的迎風(fēng)高度H中和H大，如式（35）所示，由此即可將整臺(tái)換熱器"H小、H中、H中、H大"形式實(shí)現(xiàn)增量式劃分。 （34） （35）5 增量型結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器設(shè)計(jì)方法根據(jù)上述換熱器最小換熱單元確定方法，增量型結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器的設(shè)計(jì)與建筑物的動(dòng)態(tài)負(fù)荷、設(shè)計(jì)負(fù)荷、建筑物空間大小、室外氣象條件、空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方式、換熱器幾何特性等因素有關(guān)，其基本設(shè)計(jì)步驟如下。（1）計(jì)算建筑物動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷，確定空調(diào)方案，確定設(shè)計(jì)負(fù)荷；（2）確定結(jié)構(gòu)柯調(diào)式換熱器的型號(hào)，包括換熱面積、幾何尺寸、單排管面積、單排管高度等；（3）確定空調(diào)室內(nèi)濕濕度控制精度，計(jì)算為滿足室內(nèi)溫濕度控制精度要求的送風(fēng)狀態(tài)參數(shù)

17、；（4）計(jì)算換熱器最小換熱單元迎風(fēng)面積，計(jì)算最小換熱單元迎風(fēng)面高度；（5）確定增量型結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器的分割結(jié)構(gòu)；（6）為各換熱單元選擇雙位調(diào)節(jié)閥,完成整臺(tái)換熱器設(shè)計(jì)。上述過程可開發(fā)專用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。6 結(jié)論空調(diào)房間室內(nèi)外負(fù)荷的變化將導(dǎo)致室內(nèi)溫濕度圍繞其設(shè)定值上下波動(dòng)，即產(chǎn)生tr和r，空調(diào)的目的就是消除室內(nèi)的tr和r，使溫濕度滿足控制精度要求。本文綜合考慮室內(nèi)溫濕度的變化、空調(diào)負(fù)荷特性、建筑物空間大小、空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方式和室外氣象條件等多種因素，提出了既適于模糊控制，又能夠滿足室內(nèi)溫濕度控制精度要求的結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器最小換熱單元確定方法，并提出了結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器增量式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。該方

18、法似乎很復(fù)雜，既要考慮空調(diào)負(fù)荷特性，又要考慮其運(yùn)行方式等多種因素。事實(shí)上，一個(gè)既有高精度控制功能、又具有較好節(jié)能效果的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身，就不是空調(diào)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)簡單的疊加，而是基于空調(diào)系統(tǒng)和建筑熱工系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)過程，亦即空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過程，只有這樣，才能真正實(shí)現(xiàn)建筑熱工系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三者有機(jī)地統(tǒng)一，才能真正實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)高精度節(jié)能運(yùn)行。正是基于這一思想，才有本文的研究結(jié)果，目前，已經(jīng)加工出增量型結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器及換熱結(jié)構(gòu)可調(diào)式空調(diào)機(jī)組。通過本文的分析，可以得到以下結(jié)論：（1）增量型結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器結(jié)構(gòu)合理，符合實(shí)際控制動(dòng)作要求，其模糊分割適于實(shí)現(xiàn)模糊控制，適于實(shí)現(xiàn)相關(guān)空調(diào)設(shè)備的機(jī)電一體化；（2）基于空調(diào)房間溫濕度控制精度要求的結(jié)構(gòu)可調(diào)式換熱器最小換熱單元能夠滿足空調(diào)系統(tǒng)控制要求，其設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)了建筑熱工系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三者有