暖通空調工程中換熱器運行節(jié)能方法及實驗案例分析

祁甫

河北建筑工程學院 河北 張家口 075000

隨著時代的發(fā)展，我國的經(jīng)濟發(fā)展水平逐漸提升，暖通空調的能耗在建筑能源消耗中所占的比重不斷增大，其中，換熱器承擔著冷流體、熱流體之間的熱量傳遞工作，是暖通空調系統(tǒng)功能實現(xiàn)的重要設備結構，其能耗在整個暖通空調系統(tǒng)運行能耗中的占比相對較高。在這一背景下，如何加強暖通能源工程中換熱器的能源利用率對于建筑工程領域節(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工程的重要設備，加強對于該設備的運行節(jié)能管理對于降低整個暖通空調設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，對暖通空調工程中換熱器的運行節(jié)能進行深入研究。

1 暖通空調工程節(jié)能設計的必要性

當前，隨著民眾需求的逐漸增長，我國暖通空調工程數(shù)量也在逐漸增多，當前，我國暖通空調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，能源消耗情況愈發(fā)明顯，能源供需不協(xié)調的現(xiàn)象愈發(fā)嚴重，在這一背景下，對暖通空調工程進行節(jié)能設計具有一定意義，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)應用到暖通空調工程當中，這種操作方式不僅能夠有效減少暖通空調工程在實踐中所帶來的能源損耗，還能夠補充暖通空調系統(tǒng)中存在的一些不足，降低空調運行成本。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用于暖通空調工程當中，其安裝操作相對更為靈活，便于對其進行有效控制，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)運行過程中，以水為冷熱量載體，在此基礎上實現(xiàn)土壤、機組之間熱量的有效交換，在實踐中通常能夠達到比較良好的保溫、保濕效果。

2 暖通空調工程中換熱器運行節(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，在換熱器運行中應用蒸汽節(jié)能方法能夠有效減少暖通空調工程在運行過程中產生的能源損耗情況。具體而言，在建筑工程運行過程中，暖通空調的主要作用就是為建筑內的相關人員提供充足的生活熱水以及采暖，在此過程中，自然會產生大量的蒸汽，對這些蒸汽進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、凝結水熱能回收節(jié)能。基本都是通過對蒸汽中的熱量進行重新回收的方式達到節(jié)能目標的，在實際工作中，暖通空調供應商可以通過調整蒸汽的方式優(yōu)化換熱器的節(jié)能條件。在此過程中，技術人員需要清楚地認識到，工業(yè)建筑、民用建筑的暖通空調工程在實踐中具有較為明顯的差異，因此，在應用換熱器蒸汽節(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、換熱器精細化生產兩種方式來實現(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能耗，從而達成節(jié)約能源的基本目標。第二種是換熱器精細化生產的方式，該方法能夠通過對生產工藝進行優(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、安裝、維護等階段也會消耗一定的資源，因此，從這些角度對暖通空調換熱器進行有效控制同樣具有一定的價值與意義[3]。

首先，在換熱器生產方面，相關技術人員可以加強對于換熱器生產研發(fā)工藝的研究，在保證換熱器生產質量的基礎上，盡量降低其生產制造成本，例如，為了實現(xiàn)這一目標，冷凝器可以選擇一級設備。其次，在換熱器安裝過程中，換熱器的安裝費用通常相對較高，因此，相關技術人員應當提前對安裝位置以及安裝合理性進行充分考量，盡量避免出現(xiàn)返工情況，進而導致?lián)Q熱器安裝成本明顯上升。再次，換熱器在運行過程中，會使用大量的溶劑以及中間體，技術人員應當加強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，相關技術人員應當加強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

本文結合實際情況，以暖通工程中應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)中進行并聯(lián)處理，這些換熱器以及相關管路均采用保溫性能良好的聚苯乙烯硬質塑料進行制作，在換熱過程中，以溫度存在顯著差異的水作為主要介質，在實驗過程中，通過對換熱器進出口閥門進行控制來決定使用哪一個換熱器進行實驗，并利用閥門組對換熱器的換熱流向進行有效控制[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行控制，并將其保持在一定范圍內，熱水、冷水在換熱器的進出口處，均有特定設備進行溫度采集，并通過數(shù)字巡檢儀對溫度進行具體顯示，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子流量機進行，在本次試驗中，該設備的型號選擇LZB-15，靈敏度控制在±1L/h。同時，在水泵的進出口處，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)的阻力損失進行有效測量，測量靈敏度為±10Pa。在進行實驗的過程中，通過對冷熱水管道閥門進行調節(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)上述內容，結合相關公式，能夠進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)上述公式完成相關數(shù)據(jù)整理與計算之后，技術人員可以將測得的各項數(shù)據(jù)繪制相應表格，在本次試驗中，采取Excel軟件即可實現(xiàn)這一目標。

4 試驗結果分析

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生的數(shù)據(jù)內容進行了深入分析，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、傳熱效果關系分析

在流量、傳熱效果關系方面，根據(jù)試驗結果可知，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，流體內部的渦體數(shù)量會逐漸增多，同時，摻混也會愈發(fā)強烈，最后，設備底部承擔導熱阻礙功能的層流底層會逐漸受損，進而增加導熱系數(shù)。這也是套管式換熱器、板式換熱器導熱系數(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構與套管式換熱器、板式換熱器之間存在本質差異，與前兩種設備相比，列管換熱器，冷水是在外管之間的空間內部流動的，同時與列管內的熱水進行換熱，由于流動空間相對較大，根據(jù)相關公式，冷水流量的增加并不會導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，設備底部承擔導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、換熱器阻力關系分析

在流量、換熱器阻力關系方面，根據(jù)實驗結果可知，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)上述內容可知，列管式換熱器由于其本身結構的特殊性，在流量增加的背景下并不會導致流速出現(xiàn)較為明顯的增加，因此，其阻力增加也相對較慢[8]。

4.3 換熱器最佳運行情況分析

綜合上述內容可知，流量的增加會同時導致?lián)Q熱器換熱量、流動阻力兩個關鍵數(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)這一內容可知，套管式換熱器、板式換熱器、列管式換熱器在運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)能運行，不管是采取上述哪種方法，相關技術人員均可以結合最佳運行流量數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)節(jié)能效益的最大化。

結論：縱觀全文，當前我國對于環(huán)境保護、能源節(jié)約的重視程度相當突出，換熱器屬于暖通空調工程的核心設備，保證其低耗運行對于降低暖通空調工程能耗、提升資源利用率而言具有十分重要的價值與意義。對于未投入運行的換熱器，本文提出了一定的解決策略，如優(yōu)化生產、安裝成本等，對于已經(jīng)投入運行的換熱器，則可以通過流量控制、加強維護等方式降低其運行能耗。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，本文的研究內容確實具有一定的參考價值。

5 結語

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