浅谈寒冷地区暖通空调的受冻问题

于欣 康静 王丙亮 裴仲勋

【摘要】通过崇礼太子城冰雪小镇项目引出冬季空调系统机组盘管受冻的问题，分析和讨论空调系统受冻的原因和条件，提出了一些有益的措施，使得在寒冷地区的实际工程在设计、施工、订货和后期使用、维护全方面对严寒地区的寒冷天气有充分的认识，清楚考虑所有可能产生冻害的因素，提前制定相应应对策略。

【关键词】崇礼太子城;机组受冻;设计

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.28.082

1、工程背景

张家口市崇礼太子城冰雪小镇位于河北省2022年冬奥会张家口赛区核心区域。是太子城高铁站前最显著的建筑群，总占地面积2.89平方公里，涵盖了冬奥颁奖广场、国际会议中心、国际度假酒店群、冰雪特色配套区等开发建设内容。

2、设计计算参数

以下以项目的会展中心参数为例进行说明

2.1室外空气计算参数（崇礼）

2.2室内主要房间空气调节设计参数

2.3通风系统室内设计参数

3、系统冷热源介绍

3.1冷、热负荷

3.2热源系统

本工程热源为承压燃气热水锅炉+承压电热水锅炉及蓄热水箱，热源设于会展中心地下一层的锅炉房及热水箱间内。蓄热系统通过三组板式换热器向二次侧系统供热，为空调热水系统提供：60℃/45℃热水;为高温预热及散热器系统提供：70℃/50℃热水;为低温热水地面辐射供暖系统提供：55℃/45℃热水。

3.3冷源系统

本工程冷源為离心式（变频）冷水机组+螺杆式（变频）冷水机组。冷源设于会展中心地下一层的制冷站内，冷冻水供、回水温度为6/12℃，冷却水供、回水温度为：28℃/33℃，冷冻水采用一次泵变流量系统、冷却水定流量系统，冷却塔设置于室外地坪绿化带内;部分电气用房，如变电所、消防控制室等采用局部冷源供冷，采用分体（多联）式空调，外机主要设置在车库内。

4、严寒地区新风机组盘管受冻问题的分析

由于是寒冷地区，尤其是冬季时间长，室外气温也会降的很低。新风机组盘管被冻裂的情况发生的非常普遍。这不仅给用户的使用增加了费用和不便，同时也增加了维修的工作量和费用，在很大程度上影响着新风系统在寒冷地区的应用 [1]。并且每当发生这样的事故时，对于在寒冷冬季的用户和物业都是非常大的挑战。

首先，进行事故的原因分析，受冻事故多发生于新风机组的盘管上，主要是由于新风机组从室外引入的新风温度较低，使得盘管中的水急速失温，达到水的冰点温度，水结冰后体积膨胀，导致盘管中的铜管被胀大直到被胀裂。

由于空调风在设计时，为了保证设备新风口处有足够量的负压，所以机组接新风端口的风管长度都尽量的短。这种措施在夏季时不会产生任何的问题，但是在寒冷地区，尤其是冬季室外温度较低的地区，甚至非寒冷地区在发生寒流的情况下，这种设计做法极易造成新风机组的盘管受冻问题。

最终，新风机组盘管被冻裂需要达到这两个必要条件：①机组盘管内的流体介质在系统的工作压力下达到或低于了凝固的温度，并产生凝固现象;②机组盘管内的流体介质凝固时体积变大。所以要解决新风机组盘管被冻裂的情况就必须使这两个条件无法达成。

机组盘管中的介质绝大多数都是以水作为工作介质的，水的物理性能就决定了第二条条件几乎可以废弃，因为水在凝固时体积是变大的。那么更换工作介质理论上可以达到要求，选择其它流体作为工作介质，使流体在系统的工作压力下凝固温度低于寒冷地区的最低温度，这样就避免的一切的问题。这个方法可行，但是出于投资和运行以及相应的费效比来说，对于一般的生活舒适性空调系统来说会受到非常多的限制，在实际应用中是做不到的。为此，只有第一个条件可以帮助我们防止发生冻坏情况的产生。我们将重点研究如何防止机组盘管内的流体介质在系统的工作压力下达到或低于了凝固的温度，并产生凝固现象。

在设计进行设计时应对所有吸入室外新风的部分增加设置预热盘管，在电动保温阀与多叶调节阀之间的风管道上一次风的预热盘管，同时为避免由于空调热水系统电动阀自动关小造成盘管内的水流速降低，为此在该预热系统上不设电动阀门只设手动阀门，确保预热盘管内水流速恒定不变，同时需保证预热盘管流动情况在供暖期里一直保持不间断。或是加设电加热器，电加热器的开闭由电动保温阀后面的感温元件控制，电动保温阀关闭后，电加热器就开始工作，温度低于设定值下限温度时自动接通电加热器，温度高于设定上限温度时电加热器断电。只要电加热器的功率选择适当。经过预热盘管加热后的新风再进入加热盘管加热，此时，加热盘管热水系统的电动阀门根据进风温度通过水量调节，使加热盘管加热量与需求量相适应。这种解决方式必须经设计仔细计算确定参数，并会造成设备及初投资增长，并使系统复杂化。在实际应用当中当预热器出问题时，仍会发生新风机组加热器管道被冻裂的事故。

只要是盘管处理不好都会受到冻害，如遇寒流加热盘管也可能受冻，为此通过相应措施，简单保证盘管中的热水流速也是从一定程度预防此类问题。在寒冷的冬季，在北方地区室外空气温度常出现低于零下10℃的情况，在严寒地区甚至。在新风系统工作时会抽入室外新风，室外进来的新风与加热盘管进行热交换。为了将室外进来的新空气加热到空调设计要求的温度，加热盘管的必须达到一定的热功率。而加热盘管一旦确定，它的管径、排数、结构、供水温度就是死数了，如果想要改变其热功率只有靠盘管内的水流流速，为此水流速非常重要。当新风机组的风机正常运行，而新风机组盘管中的水流速很低或接近静止时，盘管就会急速降温，从而导致结冰管道冻裂。[2]除了前面所说的电动控制阀造成流速低外，另一些可能造成流速过低的原因有：①由于系统排气不畅，管道中介质混入大量气体，从而导致循环管路流动阻力加大流速降低;②管道系统中存在有大量杂质物，主要是施工中遗留的一些焊渣、油麻及其他杂物，在系统冲洗时没有清除干净或运行后才脱落产生的。由此沉淀到较低层和过滤器过滤网前，造成管路阻塞，影响了管道流动，使流速降低。这两种情况多发生于系统第一次投入运行或者是系统的较低位置。

解决措施：①在管路系统上合理的上返位置或者管路的最高位置设置自动排气装置，可以及时排除系统内的气体。②在设备热水入口处加设一个过滤器，初次运行时经常清洗过滤器。建议选择SG型过滤器，其优点是体积小，阻力小，清污方便（清污时只要先关闭前后阀门，拧开铜排污盖，然后抽出滤芯，去掉杂物后在装回）。[3]

在设计规范中规定了严寒地区新风进风口处应装设能严密关闭且保温的阀，也就是常说的防冻阀。通过切断新风端与外界的联通来改善该问题的产生。但有很多工程实际并没有设制相关的阀门，另一些情况是运营管理人员没有及时关闭或没有关闭严密该阀门，还有由于电动保温阀执行机构机械零件磨损和设计缺欠使电动保温阀关闭不严，这时可以考虑前文中增设电加热器的方式，防止停机后漏风造成受冻。还有就是办公型建筑在早晨刚启机时，由于盘管内热水还未循环起来，盘管内水温度较低，加上新风口处的负压较大造成机组新风端漏风严重，使得室外低温度新风进入设备，设备新风端的盘管温度低，造成了机组盘管内的水达到或低于凝固温度，结冰胀坏盘管。针对这种情况，可采取相应的一些措施来解决：

（1）在新风口处装设质量好、能关闭严密的保温阀，适当的降低新风的流速;

（2）如果是高层建筑，可集中设置新风竖井，新风处理机制分设于各层，或直接加大盘管与新风口的距离;[4]

（4）为新风机组设置防冻自控系统，合理的调节阀门和水流。

（5）装设新风排风全热交换器，为新风预热，提高新风温度。

（6）在运行时，注意工作人员的操作顺序，先不开风机，只开启热水循环泵，使盘管温度升高后，再开启风机。[5]这种方法对于热水供水温度较低，新风量较大的系统，需谨慎尝试。

为此集中空调新风机组防冻工作人员的操作顺序，首先开启新风机组顺序：开启空调热水循环泵预热后;通过电动保温阀根据情况合理打开新风吸入口;再开启机组风机。关闭新风机组顺序：关闭机组风机;关闭电动保温阀封闭新风吸入口;最后关闭循环水泵。也可以采用自控连锁的方式，制定相应控制策略控制风机、循环泵、电动保温阀开关来实现防冻操作。

处于当前环保的考慮，根据相关研究“严寒地区宜选用显热回收装置”，同时考虑实际回收能量的排风多来自卫生间，为避免发生热回收装置排风与新风发生渗漏影响新风品质问题，最终采用了板式热回收机组。但是由于严寒地区室外温度过低，即出现板式热回收机组排风侧出现结霜现象。严寒地区使用包括板式热回收机组在内存在冬季排风侧结霜问题的热回收机组时，不能按平常的处理流程进行机组内的流程设计。

在机组新风侧入口处设置预热盘管，冬季将室外新风先等湿加热至0℃以上点后，才能进入热回收段等湿加热段，所以在订购可能有冬季排风侧结霜问题的热回收机组时，必须要求设置预热盘管，使冬季室外新风先预热后再进入热交换段，以此保证回收机组的正常工作。

结语：

虽然寒冷地区的天气给我们带来很多麻烦，但是为了满足广大人民对于物质和生活水平提高的需要，也为了在寒冷地区安装空调系统的需求。通过上述问题分析和讨论，对于寒冷地区的天气特点所带来的系统危害有了较为清楚的认识，同时由于自然条件带给系统的损害在实际工程设计、施工、订货和后期使用、维护等各个方面都需要严肃认真的对待。全方面对寒冷天气的温度有充分的认识，清楚识别所有可能产生冻害的因素，提前制定相应应对策略，认真对待和科学施策。希望通过此文的分析和讨论对今后的严寒地区的空调受冻问题起到一定的帮助、借鉴和参考作用。

参考文献：

[1]孙玉军.浅谈空调新风机组冬季防冻措施.[J].才智.2011，（14）：73.

[2]董淳.医院新风机组防冻浅析及经验总结.[J].工程建设与设计.2013，（5）：113-114.

[3]贺晓;胡桂秋;逯国强.寒冷地区空调设计若干问题[J]. 承德石油高等专科学校学报.2017， （5）：49-50，55

作者简介：

于欣（1974-），男，山东文登人，高级工程师，1997年毕业于北京建筑大学，工程硕士，现在主要从事机电安装和暖通空调方面的研究。

康静（1983-），男，汉族，河北省保定市，工程师，2007年毕业于淮海工学院，土木工程专业，毕业后一直在施工单位从事施工和项目相关的技术、管理工作。

王丙亮（1986-），男，江苏徐州人，工程师，2011年3月毕业于同济大学，管理学硕士，现在主要从事建筑工程施工管理工作。

裴仲勋（1990-），男，河北承德人，工程师，2012年毕业于辽宁工程技术大学，工学学士，现在主要从事建筑工程施工管理工作。