板式換熱器在暖通空調設計中的應用研究

熊耀宇，李思蕓

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，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，相較于傳統的殼管式換熱器，板式換熱器具備更高的傳熱系數，使其在暖通空調領域的應用價值較高。為保證板式換熱器較好地用于暖通空調設計，設計人員必須深入了解板式換熱器的特點，并關注其結構對傳熱性能產生的影響。因此，本文主要是圍繞板式換熱器的特點及數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值分析

2.1 特點分析

板式換熱器的特點可從結構和技術2個方面進行分析。基于結構特點進行分析可以發現，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，一般會配合設置再生冷卻系統或過濾器。基于技術特點進行分析可以發現，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。總體來說，相較于傳統的殼管式換熱器等其他換熱器，板式換熱器具備設備清洗方便、制作簡單、成本低、傳熱系數高等優勢[1]。

2.2 數值分析

結合相關研究可以發現，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；A為換熱面積；Δtm為傳熱平均溫度差。

基于式（1）進行分析不難發現，板式換熱器的換熱性能會受到傳熱平均溫差、總傳熱系數、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，結垢的概率也會提升，因此，板式換熱器多數時候不會選擇波紋深度較大的板片。結合相關研究不難發現，可以在總傳熱系數中總結對板式換熱器換熱能力產生影響的參數，總傳熱系數的大小能反映導熱性能強弱。在傳熱系數高、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，與實際生產要求相符。因此，相關設計需要關注板式換熱器的總傳熱系數，也是板式換熱器板片研究的重要任務。設計人員只有深入了解板式換熱器的板結構特點，明確其傳熱的幾何關系，板式換熱器在暖通空調設計中的科學應用方可得到保障，順利實現設計效果提升與能源節約。此外，為了更好地開展暖通空調設計，必要時還可以應用信息技術開展板式換熱器的數值模擬分析，實現對最優傳熱性能板式換熱器結構的優選，基于實際工況開展進一步的優化設計[2]。

3 暖通空調設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，設有3層地下室和3層裙樓。本節僅介紹該工程暖通空調設計中板式換熱器的具體應用。

3.2 空調冷熱源選擇

案例工程屬于典型的超高層建筑，因此，暖通空調設計需結合空調末端需求、價格因素、能源供應等實際情況，并遵循安全、環保、經濟、可靠等原則。考慮到案例工程涉及辦公樓、酒店、公寓等設施，結合業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、酒店分設的方案。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 空調水系統設計

空調水系統設計對工程的安全性、經濟性、節能性及運行管理均會帶來深遠影響，而綜合考慮各類因素，設計嚴格遵循了5個豎向分區原則：（1）優選一次換熱方案，以實現減少換熱次數減少；（2）板式換熱器和冷水機組基于系統設計優選承壓要求，如板式換熱機組或冷水機組和水泵需要增大承壓，應優先增大水泵和板式換熱機組的承壓；（3）設法實現冷水機組直供區域增大，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的末端設備承壓；（5）保證存在最大2.0 MPa的系統工作壓力[3]。

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

圖1 B塔樓辦公區冷源及水系統分區示意圖

圖2 公寓冷源及水系統分區示意圖

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

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

公寓高區、辦公高區、酒店高區選擇板式換熱器間接供冷作為冷水系統，使用變頻泵為二次水循環泵，變頻泵的轉速基于供回水壓差控制。對應設置板式換熱器與冷水循環泵，連接采用共用集管，設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鎖。

酒店風機盤管冷熱水系統和空調機組系統、B塔樓辦公區變頻空調機組冷水系統分別采用同程系統、異程系統設計。A塔樓公寓及辦公區風機盤管冷水系統和空調機制系統采用同程系統設計。

4 結論

綜上所述，板式換熱器在暖通空調設計中的應用具有重要的現實意義。本文研究的空調冷熱源選擇、空調水系統設計等內容提供了可行性較高的暖通空調設計路徑，可為保證暖通空調設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計提供借鑒。