DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2021. 05. 001
丁力行，钟天明. 基于体系标准构建的新风空调性能要求及关键部件热力特性研究［J］ . 机电工程技术，2021，50（05）：1-5.
作者简介：
丁力行（1967-），男，博士，教授，硕士生导师，研究领域为能源系统优化、人工环境以及空气净化技术标准化。
钟天明（1988-），男，博士，副教授，硕士生导师，研究领域为制冷及强化传热。
基金项目：
国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会标准研编计划（编号：20142726-T-333、20151946-T-333）；
广东省自然科学基金-面上项目（编号：2114050002858）
基于体系标准构建的新风空调性能要求及关键部件热力特性研究*
丁力行，钟天明※
（仲恺农业工程学院机电工程学院， 广州510225）
摘要：当前新风空调系统已在我国大量公共建筑中获得大规模应用，相应技术标准的构建应运而生，然而新风空调标准体系缺乏归纳构建，基于新风空调系列标准的新风空调关键性能要求仍需规范，而高效换热器作为影响新风空调能耗的关键部件之一，需持续探索。因此归纳构建了新风空调设施的标准体系，通过调研和数据采集研究了新风空调设备性能要求，采用经典管内传热关联式以及管内压降关联式对新型高效蒸发流型全域构建蒸发器（EFGE） 的热力性能进行理论计算，并与实验结果进行了对比。研究获得了新风空调设施的标准体系的基本构建以及基于标准体系的新风空调设备关键性能和评价指标要求；在截面质量流量250~750 kg·m-2·s-1范围下，EFGE的管内传热系数较普通平行流蒸发器（PFE） 提高18.1% ~ 32.2%，在低截面质量流量下，EFGE的管内总压降较PFE低，随着截面质量流量增大，EFGE的管内总压降逐渐超越PFE。此外，通过理论模型与实验结果比较，EFGE理论传热系数和压降的最大偏差分别为14.7%和16.4%。
关键词：新风空调；标准体系；高效蒸发流型全域构建蒸发器；传热系数；压降
中图分类号：TU83 文献标志码：A
文章编号：1009－9492 ( 2021 ) 05－0001－05
Study on Fresh Air Conditioning Performance Requirements Based on System
Standards and Thermal Characteristics of Key Component
Ding Lixing，Zhong Tianming※
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)
Abstract: Now fresh air conditioning system has been applied to public buildings in large-scale in our country, the corresponding technical standard system is built at the historic moment, however, the fresh air conditioning series standard lack of induction and construction, fresh air conditioning performance requirements based on a series of fresh air standard need standardizing. The thermal performance of heat exchanger,one of the key components of fresh air conditioning, still needs to be explored continuously. The standard of the fresh air conditioning system was summarized and built, fresh air-conditioning equipment performance requirements were studied through data collection. The thermal performance theoretical calculation of novel efficient flow pattern global construction evaporator (EFGE) was studied using the classic in-tube heat transfer correlations and in-tube pressure drop correlations, and compared with the experimental results. In the study, the standard system of fresh air conditioning facilities was built basically and the key performance and evaluation index requirements of fresh air conditioning equipment based on the standard system were obtained. In mass flux of 250~750 kg·m-2·s-1 the heat transfer coefficient of the EFGE are 18.1% ~ 32.2% higher than those of parallel flow evaporator(PFE). In small-scale mass flow, total in-tube pressure drop of the EFGE are lower than those of the PFE. With the mass flux increasing, the pressure drop of the EFGE beyond those of the PFE gradually. In addition, comparing the theoretical model results with the experimental results, the maximum deviation of the theoretical heat transfer coefficient and pressure drop of the EFGE are 14.7% and 16.4% respectively.
Key words: fresh air conditioning; standard system; efficient flow pattern global construction evaporator; heat transfer coefficient; pressure drop
0 引言
本研究以归纳构建新风空调标准体系，研制运用于新风空调标准的新风空调性能要求规范，并研究新型换热器的热力性能，以有效提升新风空调系统的能效、降低耗能为目标。新风空调是一种带新风引入和处理的空调系统，在商业、民居、工业以及医院等用途的建筑均有广泛应用。建筑中的新风系统是通风、除湿以及污染源控制的有效手段，显著改善室内空气品质[1]。2020年我国遭遇建国以来传播速度最快、防控难度最大的COV?ID-19新型冠状病毒肺炎疫情，新风空调系统在污染源控制的作用和优势再次获得广泛关注，建筑需求显著增长[2]。由于规范以及标准的不完善，新风空调的建设存在诸多问题，新风空调标准的研制显得尤为重要[3-4]。当前，新风空调系统的技术标准研制已获有效研究，但并未归纳成标准体系。此外，新风空调系统的高能耗也备受关注，换热器作为影响系统效能的关键设备之一，高效换热器的热力性能也获得大量研究[5-6]。
本文对新风空调领域标准进行了系统归纳，以期构建新风空调设施的标准体系；由于标准体系的构建与新风空调设备关键性能要求息息相关，而且尚未获得研究，通过调研和数据采集以获得新风空调设备主要性能和评价系列指标要求；为进一步提升新风空调设施的能效，降低能耗，提出一种新型高效蒸发流型全域构建蒸发器（EFGE），并对其热力性能进行理论计算以及实验研究，获得新型蒸发器与普通蒸发器的热力性能对比结果。
1 新风空调体系标准构建
我国在20世纪末开始新风空调相关标准的建设，新风空调是技术性很强的工业领域，其综合效能受到工程建设过程的各个环节的重要影响，因此，从专业术语、关键设备、系统构建、工程施工、系统维护、安全规范以及评价准则等方面对其作出通用性规范，对确保新风空调系统的综合效能有重要意义[7]。新风空调标准体系是从基础标准、通用标准以及专用标准3个类别进行布局和编制。其中，新风空调基础标准主要对本领域的专用名词进行规定和规范，该类标准一般编制较早，例如GB/T16803-1997《采暖、通风、空调、净化设备术语》[8]以及CJJ/T55-2011《供热术语标准》[9]等；新风空调的常规工程需通用标准进行规范，包含环境规范、设施规范以及评价规范，其中环境规范需对工程建设环境以及人居环境等进行规范，例如：GB/T5701-2008《室内热环境条件》[10]以及规划中的《差异性气候新风空调设备选用标准》；对工程关键设施进行规范十分必要，GB/50736-2012 《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[11]、GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》[12]等已获得编制和应用；新风空调的科学评价规范位于标准体系的上游，起着重要的指导作用，通用标准中现有的评价规范有DB 45/T 394-2007《通风与空调系统性能检测规范》[13]以及JG/T344-2011 《建筑工程室内环境测试》[14]等。在专用标准领域，已构建了GB/T21037-2007《空气-空气能量回收装置》[15]、GB/T19232-2003《风机盘管机组》[16]等设施规范以及DB100S0-2001《空调用通风机安全要求》[17]、JG/T21-1999《空气冷却器与空气加热器性能试验方法》[18]等评价规范。图1所示为目前已构建的新风空调标准体系，可见新风空调领域已构建较完备的标准体系，并正逐渐补充完善，当前正组织编制的标准有《蒸发冷却式新风空调设备》《低温送风独立新风空调设备》以及《工业化建筑评价标准》等。由于2020年COVID-19新型冠状病毒肺炎疫情在全球肆虐，人们对新风空调在防疫和杀菌方面的作用获得广泛认同，同时，新时代我国“碳达峰”和“碳中和”战略的大力推进，公共建筑新风空调系统的防疫标准的编制、特定建筑和领域新风空调系统消杀标准的编制以及零排放（或近零排放） 新风空调系统标准等的编制均是完善标准体系的重要着力点。
2 基于标准的新风空调设备要求
2.1 新风空调设备性能要求
新风空调体系标准的建设需要对新风空调设备的性能进行规范，其中，GB/T37212-2018《新风空调设备通用技术条件》[19]标准的研制规范了新风设备的关键性能指标：设备实测供冷（热） 量不应小于额定供冷（热）量的95% ，设备实测除（加） 湿量不应小于额定除（加） 湿量的95 %，设备实测输入功率不应大于额定输入功率的110%，对于额定新风量大于5 000 m3 / h 的设备，外部漏风率不应大于3%，内部漏风率不应大于5%；对于额定新风量小于5 000 m3 / h 的设备，外部、内部漏风率不应大于3%，设备的实测新风量、送风量不应小于额定值的95 %，而且设备断面风速的均匀度不应小于80 %。设备实测的A 声级噪声值不应大于额定值+1 dB （A）， 设备的机外静压不应小于额定值的90%。设备外表面不应有凝露水外滴，凝结水排除能力设备凝结水排放应流畅，无溢出。抗霉菌材料或部件的抗霉菌等级应满足1级或0级。采用空气-空气能量回收装置时，焓效率应大于50%。
2.2 新风空调设备评价要求
（1） 制冷量评价
新风空调设备的制冷量标准如表1所示。
（2） 冷源适用性评价
新风空调设备根据所选用的冷源形式，依表2所示进行评价。
（3） 能源效率评价
新风空调设备能效等级可分为一级、二级和三级，对应设备的节能水平分别为优秀、良好和合格，如表3所示。
（4） 净化能力评价
新风净化设备按其净化效能可分为A、B、C、D 4个等级，其中A级最高，如表4所示。
3 新风空调用新型蒸发器
换热器是新风空调系统的重要部件，对系统的综合性能、运行效率有直接影响，新风温度和湿度处理、能量回收系统、消杀装置控温等均离不开换热器。近年，不少学者研究了高效换热器对新风处理系统以及空调系统的热力性能影响，验证了强化换热器的热力性能能显著提升新风处理系统以及空调系统的综合能效[20-22]。构建新型高效蒸发器是其中的重要途径。
3.1 新型蒸发器提出
基于Nakiyama经典沸腾理论，在充分的核态沸腾以前蒸发传热系数增长平缓，而到达充分的核态沸腾以及膜态沸腾之间时，传热系数出现迅速增大的“峰值”现象，主要原因是气泡的产生和脱离管壁无规则运动，对两相工质造成强烈扰动[23]。管内蒸发的高效换热干度区域大致为0.70~0.90 之间。假设原始工质流的干度为0.30，现将它分离成干度为0.8以及干度为0.08的高、低干度两股流体平行流动换热，通过优化过流截面积，高干度支流形成高效蒸发流型，如图2所示。可见，低干度支流的传热系数仅小幅下降，而高效蒸发流型支流的传热系数则迅速增大。因此，通过高效蒸发流型全域构建，原流体的整体蒸发效率将获得明显提高。该新型传热强化机制称为高效蒸发流型全域构建机制。
3.2 新型蒸发器结构
图3所示为新型高效蒸发流型全域构建蒸发器(effi?cient flow-pattern global-construction evaporator, EFGE)。高效蒸发流型全域构建蒸发器由翅片管排和一对集液联箱构成，翅片管与两端集液管连通。联箱中前、后管程交接处设置隔板组，将蒸发器分隔成若干管程。隔板组由带导管有孔隔板和盲隔板构成，配合应用，其中沿联箱流动轴向，带导管有孔隔板设置在盲隔板的前面，而且两隔板间设置换热管。其中带导管有孔隔板，称作分流器。分流器小孔的孔径为3~5.0 mm，而且小孔中设置不同长度的导流管。由隔板组划分的不同管程可拥有相同管数或者不同换热管数。制冷剂从蒸发器底部进入换热管，经过换热后，气-液相混合物进入联箱，由于液相的大惯性和反向环流，联箱顶部积存部分液相，但由于气、液相密度差，大部分气相制冷剂仍处于联箱的上部，并从分流器中不带导管的小孔分流进与盲隔板之间的联箱中，而部分液相制冷剂也从带导管的小孔引流进与盲隔板之间的联箱中，共同构成高干度流（干度约0.7 ~ 0.9），进入分流器后面的换热管进行高效蒸发，剩下的液相为主的制冷剂则从干度分流器前面的换热管继续换热。根据努塞尔经典蒸发理论，两相流体在高干度（约0.7 ~ 0.9） 区域蒸发时出现显著的强化，而低干度区域的蒸发换热效率变化平缓。因此，通过若干分流器在蒸发器全干度域进行高效蒸发流型全域构建，经过若干管程的多次高效流型蒸发换热，从而有效强化低干度流蒸发效率，使得整个蒸发过程均获得有效强化。本文建造的高效蒸发流型全域构建蒸发器，以某普通平行流蒸发器换热管数和总面积为基础，并与该平行流蒸发器的热力性能进行对比。两蒸发器的结构尺寸如表5所示。
3.3 热力性能分析
式中：Ipre, lo 为预冷器后制冷剂流量焓值，kJ；QR 为外绕式加热器的热负荷，kJ；Iv, sat 和Il, sat 分别是基于平均蒸发压力下的饱和气相及饱和液相的流量焓值，kJ；制冷剂的物性参数获自REFPROP 7.0。
蒸发器出口干度为：
图4 所示为EFGE 的管内传热系数随截面质量流量变化的规律。当截面质量流量由250 kg·m-2·s-1增至750 kg·m-2·s-1时，管内传热系数在平均干度为0.25下增大82.3%，管内传热系数在平均干度为0.75 下增大75.1%。当平均干度由0.25提升为0.75时，EFGE的管内传热系数增大86.1%~93.8%。采用Kanizawa[23]模型在各管程假设分流干度为0.75时的结果与实验进行了对比，其中模型结果较实验干度为0.25时高6.1%~11.6%，较实验干度为0.75时高11.5%~14.7%，而且截面质量流量增大时，模型与实验结果的偏差趋于增大。主要原因是质量流量较小时，两相流体进入分流器中滞留时间较长，分流器中扰流较弱，两相分层较明显，因此获得较理想的高、低干度分流效果，质量流量较大时，两相流体进入分流器中滞留时间较短，分流器中扰流较强，两相分层不明显，因此高、低干度分流效果较差。
图5所示为PFE的管内传热系数随质量流量变化的规律。当截面质量流量由250 kg·m-2·s-1增至750 kg·m-2·s-1时，管内传热系数在平均干度为0.25下增大84.5%，在平均干度为0.75下增大59.0%。当平均干度由0.25提升为0.75时，PFE的管内传热系数增大80.4%~109.3%。采用Kanizawa[23]模型计算结果与实验进行了对比，在干度为0.25~0.75 范围时， 模型计算与实验结果的偏差为-15.2% ~ 11.5%，总体上，截面质量流量低时模型计算与实验结果偏差较小。对比图4，相同条件下，EFGE的管内传热系数较PFE高18.1% ~ 32.2%。主要原因是在高效蒸发流型全域构建机制作用下，EFGE在全流程提前形成高干度蒸发区，使EFGE的管内传热系数获得整体的较明显提升，此外，截面质量流量不断增大，高效蒸发流型全域构建机制在本研究分流器结构下的作用不断减弱。
图6所示为EFGE的管内压降随质量流量变化的规律。当截面质量流量由250 kg·m-2·s-1增至750 kg·m-2·s-1时，压降在平均干度为0.25下增大1.23倍，在平均干度为0.75 下增大0.95 倍。当平均干度由0.25 提升为0.75时，EFGE的管内压降增大1.15~1.44倍。采用Choi[24]阻力压降模型与Payne[25]局部压降模型在各管程假设分流干度为0.75 时的结果与实验进行了对比，在干度为0.25时，模型计算与实验结果的偏差为-4.3% ~ 5.1%，在干度为0.75时，模型计算较实验结果偏低6.8% ~ 16.4%，结果表明截面质量流量增大时，模型计算与实验结果的偏差趋于增大。主要原因是质量流量较大时，分流器分流效果较差，同时，工质通过分流器造成的压降损失愈加明显，共同导致未包括分流器压降的理论计算较实验结果偏低。
图7 所示为PFE 的管内压降随质量流量变化的规律。当截面质量流量由250 kg·m-2·s-1增至750 kg·m-2·s-1时，压降在平均干度为0.25下增大1.23倍，在平均干度为0.75 下增大0.95 倍。当平均干度由0.25 提升为0.75时，PFE的管内压降增大1.15~1.44倍。当截面质量流量由250 kg·m-2·s-1增至750 kg·m-2·s-1时，管内传热系数在平均干度为0.25下增大81.5%，在平均干度为0.75下增大79.2%。当平均干度由0.25提升为0.75时，PFE的管内压降增大73.6%~92.5%。采用Choi[24]阻力压降模型与Payne[25]局部压降模型的压降计算与实验进行了对比，在干度为0.25 ~ 0.75范围时，模型计算与实验结果的偏差为-11.3% ~ 6.8%，模型计算与实验结果偏差较小。对比图6，EFGE的管内压降在截面质量流量为250 kg·m-2·s-1时较PFE低9.5%~17.6%，在截面质量流量为750 kg·m-2·s-1时较PFE高0.8%~9.5%。主要原因仍然是质量流量较大时，工质通过EFGE中的分流器造成较大的压降损失，因此截面质量流量增大时EFGE的总压降较PFE更大。
4 结束语
本文研究了新风空调标准体系的构建和新风空调设备性能要求，并实验探究了新风空调系统重要部件，新型蒸发器的换热性能以及阻力特性，获得以下结论。
（1） 新风空调新技术不断涌现，现有新风空调标准需要在实践中阶段性完善，而且，当前新风空调标准体系与国家“碳中和”战略尚未衔接，因此，未来应在实现碳中和目标下对标准体系进行修订和补充。
（2） 新风空调标准体系中在公共建筑、特定领域的防疫、消杀规范仍存在较多空白，而且在COVID-19新型冠状病毒肺炎疫情防控常态化的后疫情时代，新风空调在分级防疫、分级消杀的标准编制应有所作为。
（3） 新型高效蒸发流型全域构建蒸发器（EFGE） 的管内传热系数较PFE提高约25%，在蒸发器全流程构建高效蒸发流型可有效提升蒸发器的传热性能。
（4） 在低截面质量流量下，EFGE的管内总压降较PFE低，随着截面质量流量增大，EFGE的管内总压降逐渐超越PFE；在高截面质量流量下，工质干度越高，EFGE的压降劣势越明显。
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