板式換熱器在暖通空調(diào)設(shè)計中的應用研究

熊耀宇，李思蕓

（中交第二航務工程勘察設(shè)計院有限公司，武漢430060）

1 引言

板式換熱器指的是一種典型的高效換熱器，由具備一定波紋形狀的金屬片疊裝而成，相較于傳統(tǒng)的殼管式換熱器，板式換熱器具備更高的傳熱系數(shù)，使其在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應用價值較高。為保證板式換熱器較好地用于暖通空調(diào)設(shè)計，設(shè)計人員必須深入了解板式換熱器的特點，并關(guān)注其結(jié)構(gòu)對傳熱性能產(chǎn)生的影響。因此，本文主要是圍繞板式換熱器的特點及數(shù)值分析和板式換熱器的具體應用開展深入探討。

2 板式換熱器的特點及數(shù)值分析

2.1 特點分析

板式換熱器的特點可從結(jié)構(gòu)和技術(shù)2個方面進行分析?；诮Y(jié)構(gòu)特點進行分析可以發(fā)現(xiàn)，板式換熱器由密封墊圈、壓緊裝置、傳熱板片、其他種類元件構(gòu)成，其中最為重要的為傳熱板片，人字形板、水平平直波紋板均屬于其中代表。密封用的墊圈在板式換熱器中也發(fā)揮著重要作用，負責流體密封，工作過程會受到溫度和壓力的雙重影響，一般會配合設(shè)置再生冷卻系統(tǒng)或過濾器。基于技術(shù)特點進行分析可以發(fā)現(xiàn)，板式換熱器不采用膠連接的墊片工藝，使其在安裝和維護方面優(yōu)勢明顯，趨于大面積化的單元和單片面積也使其實用性較強，能夠滿足不同的壓降?？傮w來說，相較于傳統(tǒng)的殼管式換熱器等其他換熱器，板式換熱器具備設(shè)備清洗方便、制作簡單、成本低、傳熱系數(shù)高等優(yōu)勢[1]。

2.2 數(shù)值分析

結(jié)合相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，板式換熱器垢層及板片的傳熱類型為導熱，在理論層面可將其視作沿厚度方向的一維導熱，由于板式換熱器存在非常小的垢層及板片厚度和板面尺寸，因此，可基于式（1）計算傳熱量：

式中，Q為傳熱量；K為總傳熱系數(shù)；A為換熱面積；Δtm為傳熱平均溫度差。

基于式（1）進行分析不難發(fā)現(xiàn)，板式換熱器的換熱性能會受到傳熱平均溫差、總傳熱系數(shù)、換熱面積等因素的影響。很多研究指出，波紋深度較大的板片的實際換熱面積較大，這種板式換熱器的換熱效果更為顯著，但相較于波紋深度小的板片，其局部區(qū)域的溫降效果往往存在一定的不足，可見板式換熱器的溫度場會受到波紋深度的深遠影響。但需要注意的是，板片的波紋深度增大會導致其清洗難度增加，結(jié)垢的概率也會提升，因此，板式換熱器多數(shù)時候不會選擇波紋深度較大的板片。結(jié)合相關(guān)研究不難發(fā)現(xiàn)，可以在總傳熱系數(shù)中總結(jié)對板式換熱器換熱能力產(chǎn)生影響的參數(shù)，總傳熱系數(shù)的大小能反映導熱性能強弱。在傳熱系數(shù)高、溫度相同、換熱量相同條件下，需要更小的換熱面積，同時能夠降低成本，與實際生產(chǎn)要求相符。因此，相關(guān)設(shè)計需要關(guān)注板式換熱器的總傳熱系數(shù)，也是板式換熱器板片研究的重要任務。設(shè)計人員只有深入了解板式換熱器的板結(jié)構(gòu)特點，明確其傳熱的幾何關(guān)系，板式換熱器在暖通空調(diào)設(shè)計中的科學應用方可得到保障，順利實現(xiàn)設(shè)計效果提升與能源節(jié)約。此外，為了更好地開展暖通空調(diào)設(shè)計，必要時還可以應用信息技術(shù)開展板式換熱器的數(shù)值模擬分析，實現(xiàn)對最優(yōu)傳熱性能板式換熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)選，基于實際工況開展進一步的優(yōu)化設(shè)計[2]。

3 暖通空調(diào)設(shè)計中板式換熱器的具體應用

3.1 工程概況

為提升研究的實踐價值，以某超高層建筑工程作為研究對象進行板式換熱器的應用研究。該工程為地標性建筑，由2棟塔樓組成，總建筑面積為232 400 m2，2座塔樓的高度分別為156 m、300.8 m。B塔樓上部為五星級酒店（43～61層），下部為甲級辦公樓，設(shè)有3層地下室和3層裙樓。本節(jié)僅介紹該工程暖通空調(diào)設(shè)計中板式換熱器的具體應用。

3.2 空調(diào)冷熱源選擇

案例工程屬于典型的超高層建筑，因此，暖通空調(diào)設(shè)計需結(jié)合空調(diào)末端需求、價格因素、能源供應等實際情況，并遵循安全、環(huán)保、經(jīng)濟、可靠等原則?？紤]到案例工程涉及辦公樓、酒店、公寓等設(shè)施，結(jié)合業(yè)主和酒店管理集團的具體需求，項目冷熱源采用按公寓、辦公區(qū)、酒店分設(shè)的方案。表1為案例工程的冷熱源配置。

表1 其某超高層建筑冷熱源配置

3.3 空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計

空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計對工程的安全性、經(jīng)濟性、節(jié)能性及運行管理均會帶來深遠影響，而綜合考慮各類因素，設(shè)計嚴格遵循了5個豎向分區(qū)原則：（1）優(yōu)選一次換熱方案，以實現(xiàn)減少換熱次數(shù)減少；（2）板式換熱器和冷水機組基于系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)選承壓要求，如板式換熱機組或冷水機組和水泵需要增大承壓，應優(yōu)先增大水泵和板式換熱機組的承壓；（3）設(shè)法實現(xiàn)冷水機組直供區(qū)域增大，但需要以冷水機組承壓要求滿足為前提；（4）保證存在最大1.6 MPa的末端設(shè)備承壓；（5）保證存在最大2.0 MPa的系統(tǒng)工作壓力[3]。

基于上述原則，案例工程酒店空調(diào)冷水系統(tǒng)設(shè)置2個豎向分區(qū)，高區(qū)在27層換熱間內(nèi)設(shè)置循環(huán)泵及板式換熱器，循環(huán)泵及板式換熱器承壓控制在2.0 MPa內(nèi)，末端設(shè)備承壓控制在1.6 MPa內(nèi)，系統(tǒng)工作壓力最大值設(shè)置為2.0 MPa。低區(qū)在地下3層制冷機房設(shè)置冷水機組，系統(tǒng)工作壓力控制在2.0 MPa內(nèi)，冷水機組承壓和末端設(shè)備承壓均控制在1.6 MPa內(nèi)。低區(qū)、高區(qū)供水溫度分別為6℃、7℃，回水溫度分別為11℃、12℃；酒店空調(diào)熱水系統(tǒng)設(shè)置2個豎向分區(qū)，高區(qū)在地下1層鍋爐房內(nèi)設(shè)置循環(huán)泵及一次板式換熱器，在27層換熱間內(nèi)設(shè)置循環(huán)泵及二次板式換熱器，循環(huán)泵及一次板式換熱器、循環(huán)泵及二次板式換熱器的承壓分別在1.6 MPa和2.0 MPa以內(nèi)，末端設(shè)備承壓在1.6 MPa以內(nèi)，系統(tǒng)工作壓力最大為2.0 MPa。低區(qū)在地下1層鍋爐房內(nèi)設(shè)置循環(huán)泵及板式換熱器，循環(huán)泵及板式換熱器承壓、末端設(shè)備承壓、系統(tǒng)工作壓力均小于1.0 MPa。高區(qū)、低區(qū)的供水溫度均為60℃，回水溫度均為50℃；B樓辦公區(qū)空調(diào)冷水系統(tǒng)設(shè)置2個豎向分區(qū)，在13層換熱間內(nèi)設(shè)置循環(huán)泵及板式換熱器，末端設(shè)備承壓、循環(huán)泵及板式換熱器承壓均在1.6 MPa內(nèi)，系統(tǒng)工作壓力最大值為2.0 MPa。低區(qū)設(shè)置2個豎向分區(qū)，在地下3層制冷機房設(shè)置冷水機組，末端設(shè)備承壓、系統(tǒng)工作壓力、冷水機組承壓均在1.6 MPa以內(nèi)。高區(qū)、低區(qū)供水溫度分別為7℃、6℃，回水溫度分別為12℃、11℃。圖1為B塔樓辦公區(qū)冷源及水系統(tǒng)分區(qū)示意圖。A塔樓公寓空調(diào)冷水系統(tǒng)設(shè)置2個豎向分區(qū)，高區(qū)在21層換熱間內(nèi)設(shè)置循環(huán)泵及板式換熱器，末端設(shè)備、循環(huán)泵及板式換熱器承壓均在1.0 MPa以內(nèi)。低區(qū)在地下3層制冷機房設(shè)置冷水機組，末端設(shè)備承壓、系統(tǒng)工作壓力、冷水機組承壓均在1.6 MPa以內(nèi)。高區(qū)、低區(qū)供水溫度分別為7℃、6℃，回水溫度分別為12℃、11℃。圖2為公寓冷源及水系統(tǒng)分區(qū)示意圖。

圖1 B塔樓辦公區(qū)冷源及水系統(tǒng)分區(qū)示意圖

圖2 公寓冷源及水系統(tǒng)分區(qū)示意圖

本項目酒店采用四管制的風機盤管冷熱水系統(tǒng)和空調(diào)機組系統(tǒng)；辦公區(qū)采用兩管制的風機盤管冷水系統(tǒng)和空調(diào)機組冷水系統(tǒng)；公寓采用兩管制的風機盤管冷水系統(tǒng)和空調(diào)機組系統(tǒng)。

公寓低區(qū)、辦公低區(qū)、酒店低區(qū)均選擇一級泵變流量系統(tǒng)作為冷水系統(tǒng)，旁通閥開度控制基于供回水壓差實現(xiàn)。

公寓高區(qū)、辦公高區(qū)、酒店高區(qū)選擇板式換熱器間接供冷作為冷水系統(tǒng)，使用變頻泵為二次水循環(huán)泵，變頻泵的轉(zhuǎn)速基于供回水壓差控制。對應設(shè)置板式換熱器與冷水循環(huán)泵，連接采用共用集管，設(shè)置電動閥于每臺板式換熱器二次水出口管道處，對應的水泵與電動閥聯(lián)鎖。

酒店風機盤管冷熱水系統(tǒng)和空調(diào)機組系統(tǒng)、B塔樓辦公區(qū)變頻空調(diào)機組冷水系統(tǒng)分別采用同程系統(tǒng)、異程系統(tǒng)設(shè)計。A塔樓公寓及辦公區(qū)風機盤管冷水系統(tǒng)和空調(diào)機制系統(tǒng)采用同程系統(tǒng)設(shè)計。

4 結(jié)論

綜上所述，板式換熱器在暖通空調(diào)設(shè)計中的應用具有重要的現(xiàn)實意義。本文研究的空調(diào)冷熱源選擇、空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容提供了可行性較高的暖通空調(diào)設(shè)計路徑，可為保證暖通空調(diào)設(shè)計更好地應用板式換熱器，不同工況下板式換熱器的合理選擇與科學設(shè)計提供借鑒。