暖通空調(diào)工程中換熱器運(yùn)行節(jié)能方法及實驗案例分析

祁甫

河北建筑工程學(xué)院 河北 張家口 075000

隨著時代的發(fā)展，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平逐漸提升，暖通空調(diào)的能耗在建筑能源消耗中所占的比重不斷增大，其中，換熱器承擔(dān)著冷流體、熱流體之間的熱量傳遞工作，是暖通空調(diào)系統(tǒng)功能實現(xiàn)的重要設(shè)備結(jié)構(gòu)，其能耗在整個暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗中的占比相對較高。在這一背景下，如何加強(qiáng)暖通能源工程中換熱器的能源利用率對于建筑工程領(lǐng)域節(jié)能減排工作的順利實現(xiàn)具有十分重要的價值與意義。換熱器屬于暖通空調(diào)工程的重要設(shè)備，加強(qiáng)對于該設(shè)備的運(yùn)行節(jié)能管理對于降低整個暖通空調(diào)設(shè)備能耗具有十分重要的價值與意義，本文從理論、實驗兩方面角度，對暖通空調(diào)工程中換熱器的運(yùn)行節(jié)能進(jìn)行深入研究。

1 暖通空調(diào)工程節(jié)能設(shè)計的必要性

當(dāng)前，隨著民眾需求的逐漸增長，我國暖通空調(diào)工程數(shù)量也在逐漸增多，當(dāng)前，我國暖通空調(diào)能源消耗幾乎占到了建筑能耗總量的40%及以上，幾乎家家戶戶都安裝了暖通空調(diào)，能源消耗情況愈發(fā)明顯，能源供需不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，在這一背景下，對暖通空調(diào)工程進(jìn)行節(jié)能設(shè)計具有一定意義，能夠顯著降低能源消耗，同時也能夠降低繼發(fā)的生態(tài)污染問題出現(xiàn)概率[1]。

暖通空調(diào)工程節(jié)能主要可以從兩個方向著手。首先是變頻系統(tǒng)，即將變頻系統(tǒng)應(yīng)用到暖通空調(diào)工程當(dāng)中，這種操作方式不僅能夠有效減少暖通空調(diào)工程在實踐中所帶來的能源損耗，還能夠補(bǔ)充暖通空調(diào)系統(tǒng)中存在的一些不足，降低空調(diào)運(yùn)行成本。其次就是地源熱泵系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠以埋管式的方式應(yīng)用于暖通空調(diào)工程當(dāng)中，其安裝操作相對更為靈活，便于對其進(jìn)行有效控制，值得注意的是，在埋管過程中，一般都采用立埋交換方式，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，以水為冷熱量載體，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)土壤、機(jī)組之間熱量的有效交換，在實踐中通常能夠達(dá)到比較良好的保溫、保濕效果。

2 暖通空調(diào)工程中換熱器運(yùn)行節(jié)能方法

2.1 蒸汽節(jié)能方法

蒸汽節(jié)能方法在實踐中是最為常見的，在換熱器運(yùn)行中應(yīng)用蒸汽節(jié)能方法能夠有效減少暖通空調(diào)工程在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的能源損耗情況。具體而言，在建筑工程運(yùn)行過程中，暖通空調(diào)的主要作用就是為建筑內(nèi)的相關(guān)人員提供充足的生活熱水以及采暖，在此過程中，自然會產(chǎn)生大量的蒸汽，對這些蒸汽進(jìn)行合理利用就是蒸汽節(jié)能，這種方式能夠有效減輕換熱器的能耗壓力。具體到實踐中，比較常見的蒸汽節(jié)能措施包括蒸汽溫控節(jié)能、汽水加熱節(jié)能、凝結(jié)水熱能回收節(jié)能。基本都是通過對蒸汽中的熱量進(jìn)行重新回收的方式達(dá)到節(jié)能目標(biāo)的，在實際工作中，暖通空調(diào)供應(yīng)商可以通過調(diào)整蒸汽的方式優(yōu)化換熱器的節(jié)能條件。在此過程中，技術(shù)人員需要清楚地認(rèn)識到，工業(yè)建筑、民用建筑的暖通空調(diào)工程在實踐中具有較為明顯的差異，因此，在應(yīng)用換熱器蒸汽節(jié)能方法時，同樣需要根據(jù)實際情況選擇合適的方式方法，其中，工業(yè)建筑暖通空調(diào)工程換熱器蒸汽節(jié)能措施一般都需要通過對尾氣余熱進(jìn)行回收的方式實現(xiàn)節(jié)能[2]。

2.2 電能節(jié)約方法

電能節(jié)約方法也是實際工作中比較常見的換熱器運(yùn)行節(jié)能方式。具體而言，換熱器電能節(jié)約方法可以通過低沸點溶劑蒸餾回流、換熱器精細(xì)化生產(chǎn)兩種方式來實現(xiàn)，第一種是低沸點溶劑蒸餾回流的方法，能夠使換熱器在無冷卻介質(zhì)環(huán)境下就能夠完成冷卻作業(yè)，從而降低冷卻過程中的電機(jī)能耗，從而達(dá)成節(jié)約能源的基本目標(biāo)。第二種是換熱器精細(xì)化生產(chǎn)的方式，該方法能夠通過對生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而降低換熱器的蒸餾時間，以此種方式提升換熱器的作業(yè)效率，最終達(dá)成電能節(jié)約的最終目的，降低整體能耗。

2.3 節(jié)約資金方法

在實際工作中，除了在運(yùn)行過程中，換熱器需要消耗大量的資源成本以外，換熱器本身在生產(chǎn)、安裝、維護(hù)等階段也會消耗一定的資源，因此，從這些角度對暖通空調(diào)換熱器進(jìn)行有效控制同樣具有一定的價值與意義[3]。

首先，在換熱器生產(chǎn)方面，相關(guān)技術(shù)人員可以加強(qiáng)對于換熱器生產(chǎn)研發(fā)工藝的研究，在保證換熱器生產(chǎn)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡量降低其生產(chǎn)制造成本，例如，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，冷凝器可以選擇一級設(shè)備。其次，在換熱器安裝過程中，換熱器的安裝費(fèi)用通常相對較高，因此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)提前對安裝位置以及安裝合理性進(jìn)行充分考量，盡量避免出現(xiàn)返工情況，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q熱器安裝成本明顯上升。再次，換熱器在運(yùn)行過程中，會使用大量的溶劑以及中間體，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對于此類物體的回收與再利用，盡量節(jié)約使用成本。最后，換熱器本身存在一定的壽命極限，因此，在使用過程中，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對于換熱器本身的維修與保養(yǎng)工作，降低換熱器使用過程中各種故障的出現(xiàn)概率，以此來延長換熱器的使用年限，通過這種方式能夠降低換熱器的綜合使用成本[4]。

3 實驗方法與實驗數(shù)據(jù)處理

3.1 實驗方法

本文結(jié)合實際情況，以暖通工程中應(yīng)用較為廣泛的三種間壁式換熱器為例，主要包括套管式換熱器、板式換熱器、列管式換熱器，對其進(jìn)行了換熱性能測試。

試驗方法為：三個換熱器均采用水-水換熱的方法，在管路系統(tǒng)中進(jìn)行并聯(lián)處理，這些換熱器以及相關(guān)管路均采用保溫性能良好的聚苯乙烯硬質(zhì)塑料進(jìn)行制作，在換熱過程中，以溫度存在顯著差異的水作為主要介質(zhì)，在實驗過程中，通過對換熱器進(jìn)出口閥門進(jìn)行控制來決定使用哪一個換熱器進(jìn)行實驗，并利用閥門組對換熱器的換熱流向進(jìn)行有效控制[5]。

試驗系統(tǒng)的電加熱器采用數(shù)字溫控儀對熱水溫度進(jìn)行控制，并將其保持在一定范圍內(nèi)，熱水、冷水在換熱器的進(jìn)出口處，均有特定設(shè)備進(jìn)行溫度采集，并通過數(shù)字巡檢儀對溫度進(jìn)行具體顯示，測溫靈敏度約在±0.1℃之間，冷水與熱水的流量也需要采用特定轉(zhuǎn)子流量機(jī)進(jìn)行，在本次試驗中，該設(shè)備的型號選擇LZB-15，靈敏度控制在±1L/h。同時，在水泵的進(jìn)出口處，還有U型壓力計、壓力表，對不同流量背景下?lián)Q熱器管網(wǎng)的阻力損失進(jìn)行有效測量，測量靈敏度為±10Pa。在進(jìn)行實驗的過程中，通過對冷熱水管道閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，按照特定變化量，實現(xiàn)對流量的改變，等到換熱工況穩(wěn)定之后，便對整個系統(tǒng)進(jìn)行溫度、流量、壓差的測量，最終得到一系列實驗數(shù)據(jù)。

3.2 實驗數(shù)據(jù)處理

根據(jù)上述試驗方法，測得換熱器進(jìn)出口溫度、冷水流量、熱水流量、換熱壓降等重要數(shù)據(jù)，根據(jù)上述內(nèi)容，結(jié)合相關(guān)公式，能夠進(jìn)一步獲取換熱器的換熱量數(shù)據(jù)。具體公式為：。

同時，需要計算出換熱器的傳熱系數(shù)，具體計算方式可以通過這一公式來實現(xiàn)，即，其中，K表示傳熱系數(shù)；Q表示平均換熱量，計算方法為（Q1+Q2）/2；F表示換熱器換熱面積；表示換熱器的平均溫度差[6]。

在本次實驗中，為了保證試驗有效性，筆者采用逆向流進(jìn)行換熱，具體計算公式為，在上式中，。

在根據(jù)上述公式完成相關(guān)數(shù)據(jù)整理與計算之后，技術(shù)人員可以將測得的各項數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)表格，在本次試驗中，采取Excel軟件即可實現(xiàn)這一目標(biāo)。

4 試驗結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗，筆者對熱水流量不變而改變冷水流量、冷水流量不變改變熱水流量兩種情況產(chǎn)生的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行了深入分析，最終發(fā)現(xiàn)，這兩組數(shù)據(jù)在三種換熱器上都存在較為相似的規(guī)律。

4.1 流量、傳熱效果關(guān)系分析

在流量、傳熱效果關(guān)系方面，根據(jù)試驗結(jié)果可知，在流量增加的背景下，套管式換熱器、板式換熱器、列管式換熱器三種不同類型換熱器的傳熱系數(shù)、平均換熱量均隨之增加，其中，前兩種的傳熱系數(shù)增加較為顯著，列管式換熱器傳熱系數(shù)的增加情況則不是十分明顯[7]。

基于換熱器工作原理進(jìn)行分析可知，在流量增加的背景下，流體雷諾數(shù)會出現(xiàn)比較明顯的增加情況，流體內(nèi)部的渦體數(shù)量會逐漸增多，同時，摻混也會愈發(fā)強(qiáng)烈，最后，設(shè)備底部承擔(dān)導(dǎo)熱阻礙功能的層流底層會逐漸受損，進(jìn)而增加導(dǎo)熱系數(shù)。這也是套管式換熱器、板式換熱器導(dǎo)熱系數(shù)明顯增加的核心原因，同時，列管式換熱器換熱沒有明顯增加也是有一定原因的，通過分析可知，列管換熱器本身的結(jié)構(gòu)與套管式換熱器、板式換熱器之間存在本質(zhì)差異，與前兩種設(shè)備相比，列管換熱器，冷水是在外管之間的空間內(nèi)部流動的，同時與列管內(nèi)的熱水進(jìn)行換熱，由于流動空間相對較大，根據(jù)相關(guān)公式，冷水流量的增加并不會導(dǎo)致冷水流速明顯增加，因此，整體的流體雷諾數(shù)就不會出現(xiàn)比較明顯的增加，設(shè)備底部承擔(dān)導(dǎo)熱阻礙功能的層流底層受損程度也較輕，根據(jù)這一原理，流量的增加并不會明顯改善套管式換熱器的傳熱效果。

4.2 流量、換熱器阻力關(guān)系分析

在流量、換熱器阻力關(guān)系方面，根據(jù)實驗結(jié)果可知，在流量增加的背景下，不僅傳熱系數(shù)會明顯增加，管式換熱器、板式換熱器、列管式換熱器三種不同類型換熱器的阻力也會隨之增加，其中，管式換熱器、板式換熱器的增加幅度較為明顯，列管式換熱器的增加幅度較小。

基于換熱器工作原理進(jìn)行分析可知，在流量增加的背景下，會在一定程度上增加流體本身的了流速，而在一般情況下，流體阻力的變化與流速是成正比的，而根據(jù)上述內(nèi)容可知，列管式換熱器由于其本身結(jié)構(gòu)的特殊性，在流量增加的背景下并不會導(dǎo)致流速出現(xiàn)較為明顯的增加，因此，其阻力增加也相對較慢[8]。

4.3 換熱器最佳運(yùn)行情況分析

綜合上述內(nèi)容可知，流量的增加會同時導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱量、流動阻力兩個關(guān)鍵數(shù)據(jù)增加，其中，換熱器換熱量的增加會提升能源利用率，降低能耗，而流動阻力的增加又會導(dǎo)致水泵功耗增加，且根據(jù)實驗可知，相比于換熱器換熱量以及傳熱系數(shù)而言，流動阻力的增加更為明顯，根據(jù)這一內(nèi)容可知，套管式換熱器、板式換熱器、列管式換熱器在運(yùn)行過程中均存在一個最佳流量，能夠在最大程度提升換熱器換熱量的同時減少水泵功耗增加情況。

因此，想要實現(xiàn)換熱器的節(jié)能運(yùn)行，不管是采取上述哪種方法，相關(guān)技術(shù)人員均可以結(jié)合最佳運(yùn)行流量數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)節(jié)能效益的最大化。

結(jié)論：縱觀全文，當(dāng)前我國對于環(huán)境保護(hù)、能源節(jié)約的重視程度相當(dāng)突出，換熱器屬于暖通空調(diào)工程的核心設(shè)備，保證其低耗運(yùn)行對于降低暖通空調(diào)工程能耗、提升資源利用率而言具有十分重要的價值與意義。對于未投入運(yùn)行的換熱器，本文提出了一定的解決策略，如優(yōu)化生產(chǎn)、安裝成本等，對于已經(jīng)投入運(yùn)行的換熱器，則可以通過流量控制、加強(qiáng)維護(hù)等方式降低其運(yùn)行能耗。在本文的試驗過程中，基于最為常見的水-水換熱器，提出了最佳運(yùn)行流量這一概念，在實踐中，由其他流體組成的換熱器與水-水換熱器之間普遍存在一定的相似性，均是通過流體熱量傳遞實現(xiàn)基本換熱功能的。因此，本文的研究內(nèi)容確實具有一定的參考價值。

5 結(jié)語

總之，隨著時代的發(fā)展，我國科學(xué)技術(shù)水平必將逐漸提升，暖通空調(diào)工程建設(shè)水平也在不斷提升，為了保障暖通空調(diào)系統(tǒng)中換熱器的節(jié)能運(yùn)行，從而降低空調(diào)實際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的能耗，相關(guān)技術(shù)人員必須不斷加強(qiáng)對于換熱器的理論與實踐研究，不斷改善現(xiàn)有技術(shù)，并提出更加科學(xué)有效的節(jié)能方法，只有這樣才能滿足我國對于經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的深刻要求。