黄河
摘要：介绍了节能型汽一水板式换热机组的原理及系统特性，并对设备设计水量、水温进行了节能讨论，通过具体的项目对其节能效果进行了分析，指出了节能型板式换热设备在建筑热水供应方面的适用范围及节能评估方法。
关键词：汽一水板式换热机组；设计用水童；节能效果分析；建筑热水供应；节能技术
中图分类号：TU822+1文献标识码：B文章编号：1004一7948（2006）01一0050一05
1概述
谈到建筑热水供应系统换热设备的发展，首先要提到容积式换热设备，应当说其在这个领域里至今仍占重要地位，并在相当长的一段时期对人民生活水平的提高做出了积极贡献。容积式换热设备具有承压较好、有一定量的蓄水容积、对温度自动控制要求低等优点。目前，一方面，随着国外技术的引进及国内相关应用技术的迅速发展使人们对换热设备的认识逐渐深入，传统换热设备换热效率低、设备中存在较大容积的流动与传热死区、设备占用空间大等缺陷慢慢在工程实践中暴露出来；另一方面，近年的相关研究报告表明，热交换设备内存在活动死区，当水温合适时，其内部将成为滋生细菌（如军团菌、肺炎双球菌等）的好场所。已修订的（建筑给水排设计规范）第5.4.3条中明确规定了“医院建筑不采用滞水区的容积式水加热器”。综上所述，近年“热水供应”行业新技术、新产品不断涌现，其中节型板式换热机组由于具有运行安全、高效节能、安空间小、数据通讯兼容性良好等特点越来越受到主的青睐，笔者结合板式换热机组在上海某厂区活热水节能设计中遇到的一些间题谈谈体会，与行共同探讨。
2节能型板式热水机组的原理及特性
2.1机组运行工作原理
节能型板式热水机组在热水系统上替代了原有板式热交换器＋蓄热罐形式，实现了无蓄热罐的全自动热水供应系统．其设备换热原理图参见图1。
当无人使用热水时，换热机组通过热水供水管、热水循环管与热水立管形成闭式热交换循环。此时，控制器接受温度传感信号（生活热水循环管）通过比例积分控制温控阀微微开启确保整个热水系统水温恒定在设定值。
当有人使用热水时，换热机组通过热水供水管、城市自来水补水管与末端用水设备形成开式热水供应系统。此时，控制器接受温度传感信号（生活热水供水管）通过比例积分控制温控阀开启程度确保热水系统供给水温平稳。
2.2系统特征
2.2.1热水供应系统采用无热水贮水器设计
一般在采用板式换热器为换热核心的热水供应系统中，设在板式换热器热水供水口与末端用水口之间的热水贮水器起到两大作用：其一，若温控系统精度低，当热水负荷变化大时，热水贮水器可在一定程度上起到平稳末端出水水温的作用；其二，可避免若不设热水贮水器的热水供应系统，其热媒供应量及板式换热器的换热量应按设计秒流量计算（根据国标GB50015一2003，以下简称“新规范”）。
但随着国外先进热水供应自控理念、技术设备在中国的工程实践应用，一方面，我们发现板式换热器的出口水温并不难以控制（如图2所示），在热水负荷变化大时，其实际供水水温也可控制在设定温控点士4℃的范围内波动（蒸汽为热源）。当热源为高温热水时，其设备的供水水温可控制在士2℃的范围；另一方面，在进行大、中型集中生活热水供应系统的热水耗热量计算时，对比设计秒流量耗热量值及设计小时耗热量值（采用“新规范”中的5.3.1一1公式），我们发现以上两种计算结果并非前者的计算值都远大于后者。
1)根据设计秒流量计算法
式中α—根据建筑物用途而定的系数，取α=2.5；
Ng—计算管段的卫生器具热水给水当量总数（按6人和8人拥有一套淋浴器计算）。
(2)根据人数及热水用水定额的计算法
式中Kh—小时变化系数（见“新规范”表5.3.1一1）；
M—用水计算单位数；
q0—最高用水日的热水用水定额（见“新规范”表5.1.1一1）。
选择厂区集中热水供应中常见的类型即6人室、8人室，对以上两种计算方法进行热水耗量对比计算：
由图3可见，
①当具有一定规模的用水量时，以设计秒流量计算法得出的热水耗量并不比用水定额计算法得出的热水耗量大很多：
②当厂区集中热水供应的人数超过2000人即300套淋浴器时，按设计秒流量计算法得出的热水耗量较小。因设计蒸汽供应量同热水耗量正相二其蒸汽最大小时供汽量也较小。
③根据“新规范”的计算公式，对医院的住院部、大学城的集体宿舍等热水耗量进行上述比较计算也会有相近的结论，本文不再赘述。
综上所述，一方面，在大、中型生活区、医院住部等的集中热水供应设计中采用换热效率高、设占用空间小的即热型板式换热器不会产生增加热最大小时供气量的间题；另一方面，由于设备相对稳的供水水温及系统中摒弃热水贮水器的设计，仅满足了热水供应舒适度的要求，同时也避免了水贮水器散热、耗能和贮水卫生安全的问题。
3板式热水机组的能耗分析
3.1蒸汽热媒的系统能耗效率指标
在使用蒸汽为热源的热水板式换热系统中，可采用日平均单位热水耗汽系数（以下简称均耗汽系数）的概念作为衡量系统整体能耗效率的重要指标。
均耗汽系数计算法：
3.2降低均耗汽系数的几个主要环节
在汽一水板式换热的热水系统中，节能应注意控制好“两温一流量”的问题即热水供水水温、蒸汽冷凝水温、进板式换热器的瞬时蒸汽流量。
3.2.1经济、合理的供水水温
(1)确定经济的供水水温
当采用相同的蒸汽热源时，偏高的供水水温设计一方面会减小换热对数温差导致需采用较大面私的换热设备，同时还会加速热水管道结垢；另一方面，会导致提高热水管路热损耗及废水水温。通常，以淋浴、盥洗为目的的废水水温在28～36℃之间，其平均水温在30℃。当设计供水水温高于55℃时，其废水的平均水温可达33℃以上。
(2)节能计算
一方面，适度降低热水系统的供、回水水温可减少管路热损耗，从而减少蒸汽热源耗量。通常设计生活热水供水及循环回水温分别为60℃、50℃，循环水定性温度可取为55℃。在长江以南的大数地区，我们取规范建议的下限供水温度即55℃完全可满足要求，其循环热水定性温度取为50℃。
由式(4)可知：合理设计热水管路布局，缩短L参数；选择合适热水回水管径，降低D参数；选择K参数较小并经济的热水管道材料都是区域热水系统设计时必须注意的。
另一方面，提高的废水水温会造成蒸汽热源耗量增加。以淋浴、盥洗为目的系统设计的出水水温在55℃以下（其控温精度在±4C以内），经过正常混水使用后，废水定性水温取为30℃；当设计出水水温高于55℃时或其水温控温精度大于士4℃，废水定性水温取为33℃。
式中△M2—过高的废水定性水温造成的标准蒸汽耗量，t/d；
偏高的热水供水水温及水温波动较大的热水系统不仅在实际使用时易造成较多的无效水流失，同时也带来热能的浪费。由式（5）可知：根据热水的使用用途并结合当地的室外气象条件，通过控制供水水温及减小热水水温波动幅度，从而达到降低热水使用后的废水水温，进而可减少实际蒸汽热源耗量。
3.2.2较低的凝结水温设计
(1)降低蒸汽冷凝水温
通过对板式换热器出水温度的控制，在保持换热负荷不变及换热器内压损相对稳定时，得出蒸汽凝结温度对传热的影响曲线（参见图4，以某板换厂家GC型号换热器为数据模型）。
①随着冷凝水温的降低，蒸汽耗量以线性的方式递减；
②该换热器的高效换热区间（其传热系数在4000W/(m2"℃)以上）对应的凝结水温在70℃到35℃之间。
综上所述，考虑到热水系统在实际运行时，热水的回水会提高换热器的二次侧平均进水水温，从而使传热系数曲线前移。兼顾减小蒸汽耗量及确保换热器的高效运行，以淋浴、盥洗为目的热水系统的蒸汽冷凝水温的经济运行点宜控制在40℃附近。
(2)节能计算
通常以淋浴、盥洗为目的节能换热机组设计平均凝结水温t1为40℃（其控温精度在土5℃以内），而未对蒸汽凝结水温控制的热水系统，其平均凝结水温t2通常在70℃以上。
通过对蒸汽凝结水温的监控，正确的选择板式换热器、疏水器、排气阀、高精度蒸汽调节阀及设定同该热水系统匹配的PID控制器参数，都是此类热水系统设计时必须注意的。由式（6）可知，采用合理的系统设计及必要的设备部件，降低瓦的温度值不仅可达到废热排放的环保要求，也能获得节能运行的较好经济效果。
3.2.3采用合理蒸汽控制系统
(1)控制瞬时蒸汽流量
由于生活热水用水量负荷具有变化大、频度高的特点，故其换热系统的瞬时蒸汽耗量波动较大。在此类系统中，蒸汽调节阀在单位时间内的开关频度较大，因此，对蒸汽调节阀的初开启瞬时蒸汽流量的节能控制尤为重要。对于换热效率高、加热速度快、换热器内水容积较小的板式换热器来说，控制其蒸汽热源入口的蒸汽阀应选择执行速度快、定位时间较短、具有自复位功能（安全方面考虑）的电动或汽动蒸汽调节阀，并设定与项目管路布局情况匹配的PID参数，控制阀门输入调节信号。
在板式换热热水系统中造成初开启过大瞬时蒸汽流量的原因，主要有以下几点：
①蒸汽侧，板式换热器前未设必要的不凝性气体排放部件；
②蒸汽阀的选择不当，一方面阀门的KVs值特性曲线同实际蒸汽流量曲线不匹配，另一方面阀门的流量特性曲线不具有较好的等百分比特征；
③系统选择的疏水器对不凝性气体排放能力差。
注：不凝性气体是指主要因蒸汽凝结形成局部负压吸入系统蒸汽侧的空气（除去水蒸气）。
(2)节能计算
有效控制热水系统的热源蒸汽流量是此类系统节能、高效运行的重点，是控制其系统平均凝结水温较低的关键。对系统的运行影响可通过蒸汽的有效利用率η2量化。
4应用实例及其节能效果分析
上海某中型电子企业，厂区员工宿舍提供全日制生活热水供应（三班制上班），热源为电厂1MPa的过热蒸汽通过两级减压至0.4MPa送到热水换热站，员工宿舍一期设计容纳2000人，共有355个淋浴、盥洗热水用水点（其中淋浴217个）。每个热水用水点的热水给水当量数Ng取为0.5，根据设计秒流量计算公式（1）可得计算热水最大耗量为23.98t/h(根据用水定额计算公式（2）可得热水最大耗量为22.25t/h)。该工程实际热水最大设计耗量为25t/h，平均热水供、回水管外径取为0.065m，计算管道长度取为80m，热源损失系数Cr取5%，系统平均冷凝水温对应的焙值i取167.5kj/kg，平均日热水计算供应量1，取为140t/d，将以上参数代入公式(4)、(5)、(6)、(7)计算可得平均日相关蒸汽耗量级均耗汽系数（见表1）。
由图5及表1可见：
(1)采用节能措施后，蒸汽节能效果明显，蒸汽耗量节能比率可达9％以上；
(2)采用节能措施后，均耗汽系数αH0指标明显下降，由9.77％下降到8.86%。
该工厂使用的热源蒸汽价格为135元／m3，采用节能换热机组后，实际运行吨热水的热源耗费成本小于12元。热水系统经过一年的实际运行，用户反映系统稳定、使用良好，仅节约蒸汽耗量就为企业减少了5万余元的支出。实践表明，在热水换热机组中采用节能设计，有效处理好汽一水换热热水系统的“两温一流量”问题，不仅减少了系统废热排放，同时也达到了节能、降耗的经济效果。
5结语
综上所述，节能型板式换热机组适用于具有一定用水规模的分散型建筑用水（如集体宿舍、宾馆、医院等）。其换热系统通过对传统板式换热热水系统的优化及采用必要技术设备措施对可靠性进行完善，解决了供水水温控制问题，并具有系统高效节能、小安装空间、换热负荷可调节性等优势。系统采用有效节能措施，降低其换热系统均耗汽系数，达到节能经济运行效果。通过今后各种具体工程的灵活运用，将成为在大、中型生活区、医院住院部等集中热水供应节能设计的主流方向。
参考文献
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