新风、空调机组防冻措施分析

【摘要】介绍了发生在我国寒冷、严寒地区空调新风系统中加热器被冻坏的原因以及防冻措施，并对各种防冻措施进行分析比较，旨在说明各种防冻措施的优缺点及其适用性，以降低维护、运行成本，保证系统正常运行。

【关键词】新风加热器；电动保温阀；防冻

1. 引言

在我国寒冷、严寒地区，集中空调系统空调机组加热器、供回水管经常被冻裂，其原因主要是加热盘管内流体凝固时体积膨胀所造成，这不仅影响了新风机组的正常运行、增加了设备的维修量和用户的运行管理费用，也在一定程度上影响了新风系统在我国寒冷地区的推广应用。尤其是在药厂、电子、化纤行业损失严重。本文着重阐述加热器、供回水管被冻坏的原因以及防冻措施，结合本公司的实际设计、施工、生产经验对防冻措施进行分析比较，对北方地区新风机组系统的设计、使用提出一些看法，供有关人员参考。

图1-14行程水路图

2. 表冷、加热器的概述

表冷、加热器是空调末端机组的重要组成部件，是用于新风机组以及组合式空调机组的换热设备。其性能主要表达为传热系数、风侧阻力及水侧阻力，其性能的好坏可决定空调系统的设计能否实现。

3. 表冷、加热器冻裂的原因

（1）严寒、寒冷地区，空调机组被冻裂的事故多发生在加热盘管上，事故的直接原因是当机组的加热盘管（通常是紫铜管）中的水温低于其工作压力对应的凝固点温度时，水开始结冰、体积膨胀，最终导致加热器铜管被胀裂。

（2）加热器管路内的水路流程设计形式，管路内有脏堵、气堵、室外空气温差大、建筑朝向、管路内水不能有效排放，以及运行、维护不当也是冻裂的重要原因。

4. 采取防冻措施的重要性

新风机组多安装在吊顶内，一旦冻裂漏水对吊顶、室内设备、物品损害较大。药厂、电子、化纤行业的空调机组加热器一旦冻裂，不能满足正常的生产工艺要求，损失严重。因此，空调机组的防冻非常重要。

图1-26行程水路图

图1-312行程水路图

5. 新风、空调机组加热器冻裂的原因分析

5.1加热器被冻裂的两个必要条件：（1）空调机组加热盘管内的流体凝固时体积膨胀。（2）空调机组的加热盘管中流体的温度等于或低于该流体工作压力下所对应的凝固点，只有当两个条件同时具备时，才会发生加热器被冻裂的事故，也就是说避免两个条件之一就能防止空调机组加热器被冻坏。

5.2空调系统中的加热盘管绝大多数都以水为工作介质，水的物理性质决定了当其凝固时体积膨胀。所以，在以水为介质的空调系统中，第二个条件就成了加热器被冻坏的唯一因素。

6. 新风、空调机组的防冻措施

6.1设计合理的表冷、加热器的水路流程形式。

目前，我国大多数空调生产厂家所生产的表冷器设计都不尽合理，表冷器迎风面长宽比变化有6倍之多（一些超薄吊顶新风机组），其水路流程形式只有一种，新、回风工况水路也无区别。出现气堵、脏堵、进出水温差很小或很大，实际换热量达不到公称值，排水不畅导致冬季冻坏等各种问题。

6.1.1水路的设计原则。

笔者认为寒冷、严寒地区表冷器的水路设计应遵循以下原则：

（1）合理的水速（1.0～1.6m/s），以保证较高的换热系数。

（2）较低的水阻力，保证水泵的选择和较低的能量消耗。

（3）按国家标准温差进行设计。

（4）保证水和空气的逆叉流交换，以保证最大的换热温差。

（5）保证表冷器内的水能自然排出，以防冬季冻坏，这对于防冻来说是最关键的。

（6）工艺简单，装配焊接易实现。

6.1.2表冷器水路流程设计。

（1）文献[1]中以应用较多的6排管为例进行分析研究，提出了12行程、6行程、4行程三种水路流程设计方法，水路设计能保证常压下放净积水，有利于防冻。12行程管路流程太长，导致系统水阻力过大，在大风量空调机组中表现更加突出；4行程虽然流程较小，但焊接工艺复杂，因此笔者比较同意采用6行程水路流程设计方法，如图1（图1-1、图1-2、图1-3）。

图210行程水路图

（2）为了满足建筑安装高度，吊顶空调机组制作高度降低到500mm，若表冷器采用16的紫铜管，孔距38mm，单排可作成10孔，采用图2所示水路流程形式：

（3）V为水速，紫铜管的内壁粗糙度为0.0032mm，集水管多为镀锌管，内壁粗糙度约为0.1mm.，因此集水管的表面粗糙度和管径对表冷器的水阻力起主要作用，若集水管水速为1.0～1.5m/s，紫铜管内的水速可取为1.5 ～2.0m/s ，

（4）图2所示形式与风机盘管空调机组的流程形式完全相同，在相同传热面积的情况下，制冷量基本是一样的，但这种流程形式能完全把水排净，且无气堵，因此在建筑物楼层较低，且吊顶高度较高的情况下，比较适用。

6.2采用特殊载冷剂，降低表冷、加热器内流体的凝固温度。

水结冰时有5～6℃的过冷度，即结冰初始时刻蓄冰水必须降至-5～-6℃才能开始凝固，若在蓄冰时采用添加成核剂的办法，使水的过冷度减少至2℃（即水在-2℃左右开始结冰），文献[2]中提出添加成核剂的25%乙二醇水溶液可使凝固温度降低到-5～ -7℃。由于乙二醇水溶液对钢管、铜管有腐蚀性且黏度较大，因此在施工安装时应考虑到管路的防腐问题、提高系统水泵的压头，同时需要增加系统的初投资和运行费用，其实际应用受到限制。

6.3保证新风、空调机组加热器的水流速。

6.3.1在北方严寒、寒冷地区，冬季室外空气温度大多在零下10℃以下，为了达到空调设计要求温度，加热器必须提供足够大的热量，当加热器的结构和供水温度确定之后，其热量的大小主要取决于加热器内水流速的大小。如果机组的风机正常运行，而新风机组盘管中的水流速过低或接近静止，加器会被迅速降温，最终加热器中的介质水会结冰导致换热器冻裂。

6.3.2导致加热器中的流体流速过低的原因主要有：（1）系统排气不畅，换热器管道中流体混有大量气体，致使循环管路流动阻力加大、流速降低。（2）系统中存在杂质阻塞加热器的管道使流体速度降低或静止。这种情况经常发生在新风系统的最低层和系统运行初期。

6.3.3在这种情况下，即使循环水泵不停地工作，通过该管道流体的流速也会很低甚至为零，解决方法如下：

（1）系统应设置排气装置，及时排除系统内的气体，以保证管道内水的流速在设计范围内，这样，即使系统内积存了少量的气体，也不会对管道内工质的流速有较大的影响。

（2）在施工过程中，一定把好系统管道清洗关。将系统中的一些焊渣、麻及其他杂质清洗干净。

图3电加热法防冻

6.4防止冷风渗透。

6.4.1电加热防冻法。

电加热法是防止新风机组防冻的最常用的方法。如图3所示，采用风机6、循环热水泵和电动保温阀1进行连锁的方法来实现。在电动保温阀1与多叶调节阀3之间的风管管道上加设电加热器2，电动保温阀1关闭后，电加热器2开始工作，电加热器2的开与关由电动保温阀1后面的感温元件控制，实现当电动保温阀1后部温度低于设定值下限温度时接通电加热器，温度高于设定温度上限时电加热器断电。只要电加热器的功率选择适当，就可以有效地加热渗透的冷风，但这种方法在实际应用当中电加热器损坏时，仍会发生新风机组加热器管道被冻裂的事故。

图4值班风机法

6.4.2值班风机法。

（1）文献[3]中提出采用值班风机法如图4所示，其工作原理是通过加设值班风机6把走廊的空气送入电动保温阀1和多叶调节阀2之间的管道内，与渗透的冷风一起进入新风机组，只要风机6的选择适当完全可以避免冻裂事故的发生。

（2）但笔者认为此方法只适合室内温度较高的场所，若风机6长期运行会对空调使用场所造成负压，最后导致冷风进入冻坏加热器，而且必须连锁控制。

图5旁通导流法

图6电加热、导流法

6.4.3旁通导流法。

文献[4]中提出采用旁通导流法如图5所示，其工作原理是在电动保温阀1和新风机组之间的风管道底部设置旁通管和电动阀门5，同时将电动保温阀1和电动阀门5连锁。当新风机组停止运行时，电动保温阀1关闭，同时打开电动阀门5，渗透的冷风90%会在室内外热压和风压共同的作用下，通过阀5流至走廊内，避免了冷空气进入新风机组。此方法的优点是可靠性强，不足之处是在过渡季节以及水温较低时难以实现所需的空调温度。

6.4.4电加热、导流符合法。

如图6所示，在旁通导流法的基础上，在电动保温阀1和多叶调节阀2之间加辅助电加热。采取这种防冻措施的好处是：

（1）在过渡季节，由于电加热的辅助加热作用，可提供舒适的新风。

（2）对于室内外温度极低且室内外温差相当较小时，通过电动保温阀1后面的感温元件控制，实现当电动保温阀1后部温度低于设定值下限温度时接通电加热器，温度高于设定温度上限时电加热器断电。

（3）在空调热水断水以及电动保温阀失效时起双保险作用。此方法已使用在很多北方寒冷尤其是对温湿度较严格的场合。

6.5运行管理措施。

要制定完整的空调运行、调节及维护制度，对运行管理人员进行必要的技术培训：

（1） 空调工程竣工后仔细检查水系统的泄水阀安装情况，没有安装的要补装，原来没有设计泄水阀的也要补装上。

（2）加热器出水管应设置自动排气阀保证排气畅通，进水管最低处设置排水阀，表冷器停止使用时，打开水系统最低处的泄水阀，放掉冷冻水管路中的冷冻水。要做到将表冷器管内的水彻底放净。

（3）空气加热器停止工作时，如担心新风阀浸入寒冷天气的室外空气，可在关闭进、出口热媒管路阀门的基础上，再将空气加热器的泄水阀打开放掉热水或蒸汽冷凝水水，并且不关闭该泄水阀以保证设备内不存水。

（4）使用手动新风控制阀时要严格做到工作时开阀，停机时关阀的操作要求。对于风机联动的新风控制阀工作动作情况也应进行经常检查，确保其工作正常。

（5）空调系统设计安装监测工作运行状况的热工仪表与低温报警装置，以方便运行管理人员对空调机组的正常工作调节与防冻操作处理。可在空调予热器出口安装一个低温报警装置。这样，一旦在工作中空气预热器出现问题时可及时发出警报，及连动风机停止工作，新风阀关闭，以防止空调机组内的水系统设备结冰、冻坏。

7. 结论

（1）上述各种方法在实际应用中均较为实用，但都有一定的局限性。新风空调机组加热器在冬季被冻坏的原因是多方面的，有空调产品质量、空调系统设计的原因，也有空调运行管理方面的原因。设计、质量、管理三个环节中任何一个环节考虑不周，都会导致加热器冻裂，造成经济损失。

（2）如在设计方面，不同风量、不同环境温度、不同工作场所的表冷加热器应分别设计，对空调设计要求较高的系统应设计自动控制系统，其中包括低温报警、停机、关闭新风控制阀等多个防冻技术措施；在空调产品制作方面，新风控制阀应严格按照国家标准制作，以保证其严密性与保温性能，另外要研制新型的新风控制阀，提高新风控制阀的产品档次；在运行管理方面，应当加强对空调系统的管理，及时发现、解决问题 。

参考文献

[1]《表冷器水路设计方法》，2001《制冷与空调》第3期陈宝山.

[2]《冰蓄冷平板堆积床蓄冷特性试验研究》方贵银.

[3]《寒冷地区通风空调新风加热器防冻问题》夏喜英.

[4]《寒冷地区集中空调系统新风机组防冻措施》郭海丰 .