暖通空调工程中换热器运行节能方法及实验案例分析

祁甫

河北建筑工程学院 河北 张家口 075000

随着时代的发展，我国的经济发展水平逐渐提升，暖通空调的能耗在建筑能源消耗中所占的比重不断增大，其中，换热器承担着冷流体、热流体之间的热量传递工作，是暖通空调系统功能实现的重要设备结构，其能耗在整个暖通空调系统运行能耗中的占比相对较高。在这一背景下，如何加强暖通能源工程中换热器的能源利用率对于建筑工程领域节能减排工作的顺利实现具有十分重要的价值与意义。换热器属于暖通空调工程的重要设备，加强对于该设备的运行节能管理对于降低整个暖通空调设备能耗具有十分重要的价值与意义，本文从理论、实验两方面角度，对暖通空调工程中换热器的运行节能进行深入研究。

1 暖通空调工程节能设计的必要性

当前，随着民众需求的逐渐增长，我国暖通空调工程数量也在逐渐增多，当前，我国暖通空调能源消耗几乎占到了建筑能耗总量的40%及以上，几乎家家户户都安装了暖通空调，能源消耗情况愈发明显，能源供需不协调的现象愈发严重，在这一背景下，对暖通空调工程进行节能设计具有一定意义，能够显著降低能源消耗，同时也能够降低继发的生态污染问题出现概率[1]。

暖通空调工程节能主要可以从两个方向着手。首先是变频系统，即将变频系统应用到暖通空调工程当中，这种操作方式不仅能够有效减少暖通空调工程在实践中所带来的能源损耗，还能够补充暖通空调系统中存在的一些不足，降低空调运行成本。其次就是地源热泵系统，这种系统能够以埋管式的方式应用于暖通空调工程当中，其安装操作相对更为灵活，便于对其进行有效控制，值得注意的是，在埋管过程中，一般都采用立埋交换方式，在系统运行过程中，以水为冷热量载体，在此基础上实现土壤、机组之间热量的有效交换，在实践中通常能够达到比较良好的保温、保湿效果。

2 暖通空调工程中换热器运行节能方法

2.1 蒸汽节能方法

蒸汽节能方法在实践中是最为常见的，在换热器运行中应用蒸汽节能方法能够有效减少暖通空调工程在运行过程中产生的能源损耗情况。具体而言，在建筑工程运行过程中，暖通空调的主要作用就是为建筑内的相关人员提供充足的生活热水以及采暖，在此过程中，自然会产生大量的蒸汽，对这些蒸汽进行合理利用就是蒸汽节能，这种方式能够有效减轻换热器的能耗压力。具体到实践中，比较常见的蒸汽节能措施包括蒸汽温控节能、汽水加热节能、凝结水热能回收节能。基本都是通过对蒸汽中的热量进行重新回收的方式达到节能目标的，在实际工作中，暖通空调供应商可以通过调整蒸汽的方式优化换热器的节能条件。在此过程中，技术人员需要清楚地认识到，工业建筑、民用建筑的暖通空调工程在实践中具有较为明显的差异，因此，在应用换热器蒸汽节能方法时，同样需要根据实际情况选择合适的方式方法，其中，工业建筑暖通空调工程换热器蒸汽节能措施一般都需要通过对尾气余热进行回收的方式实现节能[2]。

2.2 电能节约方法

电能节约方法也是实际工作中比较常见的换热器运行节能方式。具体而言，换热器电能节约方法可以通过低沸点溶剂蒸馏回流、换热器精细化生产两种方式来实现，第一种是低沸点溶剂蒸馏回流的方法，能够使换热器在无冷却介质环境下就能够完成冷却作业，从而降低冷却过程中的电机能耗，从而达成节约能源的基本目标。第二种是换热器精细化生产的方式，该方法能够通过对生产工艺进行优化，从而降低换热器的蒸馏时间，以此种方式提升换热器的作业效率，最终达成电能节约的最终目的，降低整体能耗。

2.3 节约资金方法

在实际工作中，除了在运行过程中，换热器需要消耗大量的资源成本以外，换热器本身在生产、安装、维护等阶段也会消耗一定的资源，因此，从这些角度对暖通空调换热器进行有效控制同样具有一定的价值与意义[3]。

首先，在换热器生产方面，相关技术人员可以加强对于换热器生产研发工艺的研究，在保证换热器生产质量的基础上，尽量降低其生产制造成本，例如，为了实现这一目标，冷凝器可以选择一级设备。其次，在换热器安装过程中，换热器的安装费用通常相对较高，因此，相关技术人员应当提前对安装位置以及安装合理性进行充分考量，尽量避免出现返工情况，进而导致换热器安装成本明显上升。再次，换热器在运行过程中，会使用大量的溶剂以及中间体，技术人员应当加强对于此类物体的回收与再利用，尽量节约使用成本。最后，换热器本身存在一定的寿命极限，因此，在使用过程中，相关技术人员应当加强对于换热器本身的维修与保养工作，降低换热器使用过程中各种故障的出现概率，以此来延长换热器的使用年限，通过这种方式能够降低换热器的综合使用成本[4]。

3 实验方法与实验数据处理

3.1 实验方法

本文结合实际情况，以暖通工程中应用较为广泛的三种间壁式换热器为例，主要包括套管式换热器、板式换热器、列管式换热器，对其进行了换热性能测试。

试验方法为：三个换热器均采用水-水换热的方法，在管路系统中进行并联处理，这些换热器以及相关管路均采用保温性能良好的聚苯乙烯硬质塑料进行制作，在换热过程中，以温度存在显著差异的水作为主要介质，在实验过程中，通过对换热器进出口阀门进行控制来决定使用哪一个换热器进行实验，并利用阀门组对换热器的换热流向进行有效控制[5]。

试验系统的电加热器采用数字温控仪对热水温度进行控制，并将其保持在一定范围内，热水、冷水在换热器的进出口处，均有特定设备进行温度采集，并通过数字巡检仪对温度进行具体显示，测温灵敏度约在±0.1℃之间，冷水与热水的流量也需要采用特定转子流量机进行，在本次试验中，该设备的型号选择LZB-15，灵敏度控制在±1L/h。同时，在水泵的进出口处，还有U型压力计、压力表，对不同流量背景下换热器管网的阻力损失进行有效测量，测量灵敏度为±10Pa。在进行实验的过程中，通过对冷热水管道阀门进行调节，按照特定变化量，实现对流量的改变，等到换热工况稳定之后，便对整个系统进行温度、流量、压差的测量，最终得到一系列实验数据。

3.2 实验数据处理

根据上述试验方法，测得换热器进出口温度、冷水流量、热水流量、换热压降等重要数据，根据上述内容，结合相关公式，能够进一步获取换热器的换热量数据。具体公式为：。

同时，需要计算出换热器的传热系数，具体计算方式可以通过这一公式来实现，即，其中，K表示传热系数；Q表示平均换热量，计算方法为（Q1+Q2）/2；F表示换热器换热面积；表示换热器的平均温度差[6]。

在本次实验中，为了保证试验有效性，笔者采用逆向流进行换热，具体计算公式为，在上式中，。

在根据上述公式完成相关数据整理与计算之后，技术人员可以将测得的各项数据绘制相应表格，在本次试验中，采取Excel软件即可实现这一目标。

4 试验结果分析

根据上述试验，笔者对热水流量不变而改变冷水流量、冷水流量不变改变热水流量两种情况产生的数据内容进行了深入分析，最终发现，这两组数据在三种换热器上都存在较为相似的规律。

4.1 流量、传热效果关系分析

在流量、传热效果关系方面，根据试验结果可知，在流量增加的背景下，套管式换热器、板式换热器、列管式换热器三种不同类型换热器的传热系数、平均换热量均随之增加，其中，前两种的传热系数增加较为显著，列管式换热器传热系数的增加情况则不是十分明显[7]。

基于换热器工作原理进行分析可知，在流量增加的背景下，流体雷诺数会出现比较明显的增加情况，流体内部的涡体数量会逐渐增多，同时，掺混也会愈发强烈，最后，设备底部承担导热阻碍功能的层流底层会逐渐受损，进而增加导热系数。这也是套管式换热器、板式换热器导热系数明显增加的核心原因，同时，列管式换热器换热没有明显增加也是有一定原因的，通过分析可知，列管换热器本身的结构与套管式换热器、板式换热器之间存在本质差异，与前两种设备相比，列管换热器，冷水是在外管之间的空间内部流动的，同时与列管内的热水进行换热，由于流动空间相对较大，根据相关公式，冷水流量的增加并不会导致冷水流速明显增加，因此，整体的流体雷诺数就不会出现比较明显的增加，设备底部承担导热阻碍功能的层流底层受损程度也较轻，根据这一原理，流量的增加并不会明显改善套管式换热器的传热效果。

4.2 流量、换热器阻力关系分析

在流量、换热器阻力关系方面，根据实验结果可知，在流量增加的背景下，不仅传热系数会明显增加，管式换热器、板式换热器、列管式换热器三种不同类型换热器的阻力也会随之增加，其中，管式换热器、板式换热器的增加幅度较为明显，列管式换热器的增加幅度较小。

基于换热器工作原理进行分析可知，在流量增加的背景下，会在一定程度上增加流体本身的了流速，而在一般情况下，流体阻力的变化与流速是成正比的，而根据上述内容可知，列管式换热器由于其本身结构的特殊性，在流量增加的背景下并不会导致流速出现较为明显的增加，因此，其阻力增加也相对较慢[8]。

4.3 换热器最佳运行情况分析

综合上述内容可知，流量的增加会同时导致换热器换热量、流动阻力两个关键数据增加，其中，换热器换热量的增加会提升能源利用率，降低能耗，而流动阻力的增加又会导致水泵功耗增加，且根据实验可知，相比于换热器换热量以及传热系数而言，流动阻力的增加更为明显，根据这一内容可知，套管式换热器、板式换热器、列管式换热器在运行过程中均存在一个最佳流量，能够在最大程度提升换热器换热量的同时减少水泵功耗增加情况。

因此，想要实现换热器的节能运行，不管是采取上述哪种方法，相关技术人员均可以结合最佳运行流量数据，以实现节能效益的最大化。

结论：纵观全文，当前我国对于环境保护、能源节约的重视程度相当突出，换热器属于暖通空调工程的核心设备，保证其低耗运行对于降低暖通空调工程能耗、提升资源利用率而言具有十分重要的价值与意义。对于未投入运行的换热器，本文提出了一定的解决策略，如优化生产、安装成本等，对于已经投入运行的换热器，则可以通过流量控制、加强维护等方式降低其运行能耗。在本文的试验过程中，基于最为常见的水-水换热器，提出了最佳运行流量这一概念，在实践中，由其他流体组成的换热器与水-水换热器之间普遍存在一定的相似性，均是通过流体热量传递实现基本换热功能的。因此，本文的研究内容确实具有一定的参考价值。

5 结语

总之，随着时代的发展，我国科学技术水平必将逐渐提升，暖通空调工程建设水平也在不断提升，为了保障暖通空调系统中换热器的节能运行，从而降低空调实际运行过程中产生的能耗，相关技术人员必须不断加强对于换热器的理论与实践研究，不断改善现有技术，并提出更加科学有效的节能方法，只有这样才能满足我国对于经济可持续发展的深刻要求。