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节能型换热机组在供暖系统中的应用
一  概述

    目前我国城镇供暖建筑面积中约70%采用不同类型的集中供暖。随着城市化进程步伐的加快与人民生活水平的普遍提高,使得我国传统采暖地区及传统非采暖地区的集中供暖面积都呈现快速增长的势头。一方面,我国正处于工业化及能源结构转型阶段(可能需婆相当长一段时间),能源缺口非常大;另一方面,我们的建筑单位面积采暖负荷较高、供暖换热站效率较低。以上海及江浙地区为例,民用建筑空调热负荷为60~110W/m2不等,与同纬度发达国家25~40W/m2的空调热负荷相比差距较大。巨大的差异固然同建筑保温设计、管道保温、管路系统设计等有关,但集中供暖机房内的浪费也不可小视。为了解决集中供暖行业的能源耗费大的问题,近年来新技术、新产品不断涌现,其中节能型板式换热机组由于具有高效节能设计、运行安全、小安装空间、良好的数据通讯兼容性等特点越来越受到业主的青睐。笔者结合板式换热机组在上海某宾馆空调热水节能设计中遇到的一些问题谈谈体会,与同行共同探讨。

二  节能型板式空调换热机组的原理及特性

  2.1机组运行工作原理

    节能型板式空调换热机组在系统上替代了原有板式热交换器+单回路温控的简单化形式,实现了对系统负荷变化进行闭环控制的自动空调热水供应,当供热负荷减小时,水系统的供/回水压差△P相应增大,供水温度Ts升高,回水温度Tr升高,供/回水温差减小,换热机组即时采集供/回水温度信号、水系统压差信号、室外温度信号和变频器反馈信号,通过控制器对上述信号进行比对及算法处理,相应减少蒸汽流量及降低循环水泵的转速,使板式换热机组的输出热量与实际热负荷相匹配。当供热负荷增加时,各情况相反。

2.2系统特征

    2.2.1建筑热空调负荷特征

公共和民用建筑空调系统的负荷主要来自新风和围护结构传热负荷,以上两类负荷都随室外气象条件变化。空调设计与设备选型是按最大负荷进行的,决定了空调系统大部分时间是处在部分负荷工况下工作的。

2.2.2控制系统的特点

    2.2.2.1扰动补偿的节能原理

    节能型板式空调换热机组控制系统设有室外温度及系统压差扰动补偿。

    (1)室外温度扰动补偿控制是指当供暖目标建筑的室外气象条件出现变化、波动时,相应调整换热机组出水水温(即室内供水水温),从而保持室内温度的相对稳定的自动控制措施。

2.2.2.2采用闭环信号控制

    通常,在用板式换热器为换热核心的集中采暖系统中,仅由设在热水供水或回水管上的温度传感器控制蒸汽阀门开度,从而控制蒸汽流量适应负荷的变化,稳定热水供水水温。开环信号控制方式在一定时期满足了人们的要求,但随着国外先进空调热水供应节能理念、自控技术设备在我国的工程实践应用,一方面,我们发现传统方案在控制的敏捷性及系统稳定性方面存在不足。当单回路的控制信号源从系统供水管采集时,由于缺乏正馈信号,其系统的稳定性较差,表现出换热器热水及冷凝水出口水温波动较大;当单回路的控制信号源从系统回水管采集时,由于缺乏纠正环,其系统的敏捷性较差,表现出换热器热水及蒸气冷凝水出口水温普遍过高。另一方面,传统方案在系统的节能性及安全性方面存在不足。过高或波动较大的热水供水与冷凝排水水温都会引起系统局部末端房间过热、较高的管道热损耗和凝结水显热浪费,从而增加系统的蒸气耗量,同时水泵控制运行信号与蒸气阀开度信号的分离控制也带来了系统安全隐患。

三  板式空调换热机组的能耗分析

    3.1空调板式换热机组(蒸汽热媒)的主要节能环节

    在汽一水板式换热的空调热水系统中,节能控制应注意控制好“两补偿两流量”的问题,即室外温度补偿、系统压差补偿及板式换热器的瞬时蒸汽流量和循环热水流量。

3.1.2采用合理蒸汽控制系统

    (1)控制瞬时蒸汽流量。

    由于热空调负荷具有随季节、时段、使用情况、气象条件等因素变化而变化的特点,其换热系统的瞬时蒸汽耗量波动大。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,在此类系统中对于蒸汽调节阀的初开启瞬时蒸汽流量的节能控制尤为重要。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控制常量参数,控制阀门输入调节信号。

    在板式换热供热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(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除去水蒸气的空气);
    ②蒸汽阀的选择不当,一方面阀门的K一Vs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。

    (2)节能计算。

    有效地控制供热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k2量化。

(10)
式中:k2一蒸汽的有效利用率;
      Cr一热源损失系数,同式(6);
      一系统平均冷凝水温对应的焓值,kJ /kg。
    3.1.3采用分段启动、同步变频的水泵控制系统

    (1)分段启动、同步变频的水泵运行原理

    由于空调系统的循环流量是按最大负荷设计,而系统的大部分时间是在较低负荷下运行的。传统的定水量设计使系统普遍存在大流量、小温差的现象,造成较大程度的电能浪费。

    节能型板式空调换热机组采用双泵并联设计,通过系统传感信号判断负荷变化,根据实际负荷变化,控制循环水泵运行台数和运行频率。

    当系统负荷加大时,首先调高单泵运行频率,当其工频运行还不能满足负荷要求时,切换到双泵工频运行并根据实际负荷要求调节水泵运行频率;当系统负荷减小时,首先调节双泵运行频率,当其达到设定的最低运行频点还不能满足负荷要求时,切换到单泵工频运行并根据实际负荷要求调节水泵运行频率。采用分段启动、同步变频的运行模式可确保水泵在高效率区间运行的同时满足20%一100%的系统循环流量调节,

四 结语

    综上所述,节能型板式空调换热机组通过采用温度、压差补偿及闭环信号控制方式,当系统负荷变化时,实现了供热系统变流量、变供水水温、变压差的稳定节能运行。由于其系统具有显著节能效果、对末端控制方式适应性好、小安装空间、换热负荷可适度调节等优势。通过今后各种具体供热工程的灵活运用,将成为在大、中型集中供热空调节能设计的主流方向。