高效熱水系統(tǒng)

工程師應(yīng)致力于設(shè)計(jì)盡可能高效的熱水系統(tǒng)或鍋爐。理解相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，其次是要掌握鍋爐及類似系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備功能。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解構(gòu)成熱水系統(tǒng)的各組成部分：鍋爐、水泵和盤(pán)管。掌握系統(tǒng)控制策略，以實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。學(xué)習(xí)如何最大限度地提升這些組件的效率。

設(shè)計(jì)任何類型的高效系統(tǒng)，都需要同時(shí)考慮各個(gè)系統(tǒng)組件的效率以及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。就熱水系統(tǒng)而言，其各個(gè)組件包括鍋爐、水泵和換熱器。

鍋爐

鍋爐是熱水系統(tǒng)中能耗最高的設(shè)備。在整個(gè)設(shè)備使用壽命期間，其能源消耗所涉及的成本將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)初始設(shè)備購(gòu)置成本。在設(shè)備選型和經(jīng)濟(jì)性分析過(guò)程中，應(yīng)仔細(xì)比較燃料到水的效率。燃料到水的效率是衡量鍋爐整體效率的一個(gè)指標(biāo)，它綜合考慮了燃燒器和換熱器的性能，以及通過(guò)鍋爐外殼產(chǎn)生的熱損失。美國(guó)能源部、ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)90.1：《除低層住宅建筑以外的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》等能源標(biāo)準(zhǔn)，以及各州的能源法規(guī)，都對(duì)鍋爐的最低效率提出了要求。

鍋爐效率因鍋爐類型和運(yùn)行參數(shù)而異。傳統(tǒng)非冷凝式鍋爐的效率通常在80%至85%之間。這類鍋爐的設(shè)計(jì)運(yùn)行煙氣排放溫度高于127華氏度，即燃燒氣體的露點(diǎn)溫度。因此，熱水系統(tǒng)的運(yùn)行溫度需保持在供水160至180華氏度、回水135至140華氏度，以確保回水溫度遠(yuǎn)高于燃燒氣體的露點(diǎn)溫度。如果將此類鍋爐的運(yùn)行溫度降至燃燒氣體露點(diǎn)以下，將顯著縮短鍋爐的使用壽命。非冷凝式鍋爐在60%至80%負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)效率最高，因而非常適合作為基本負(fù)荷或高峰負(fù)荷運(yùn)行的鍋爐。 冷凝鍋爐的效率處于90%左右的中低水平。效率提升的主要原因在于從燃燒煙氣中回收潛熱。這使得鍋爐能夠在低于燃燒煙氣露點(diǎn)的冷凝區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。因此，采用冷凝鍋爐的熱水系統(tǒng)運(yùn)行溫度較低：供水溫度為140至160華氏度，回水溫度為100至120華氏度。較低的回水溫度能夠進(jìn)一步回收燃燒煙氣中的潛熱，從而提高鍋爐的運(yùn)行效率。冷凝鍋爐在較低的負(fù)荷范圍內(nèi)——即20%至50%——效率最高（參見(jiàn)圖1）。這使它們特別適合于部分負(fù)荷工況。 由于冷凝鍋爐具有潛在的更高效率，其應(yīng)用正日益增多。然而，在采用冷凝技術(shù)時(shí)，必須重新審視非冷凝系統(tǒng)中所采用的傳統(tǒng)考量因素。其中首要的就是負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。 人們普遍認(rèn)為，調(diào)節(jié)比越高越好。讓我們比較一下一種5:1恒定流量的調(diào)節(jié)系統(tǒng)與一種20:1的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在本例中，該系統(tǒng)配備了一臺(tái)1,800 MBH輸出的鍋爐、一臺(tái)90 gpm的恒速泵，以及130°F的熱水供應(yīng)溫度。忽略損失的情況下，鍋爐的輸入功率必須等于輸送到熱水系統(tǒng)的輸出功率：

Q = mCpΔT

其中Q為鍋爐凈輸出

m是質(zhì)量流量

Cp是流體的比熱容

dT是流體的溫差（Ts-TR）

對(duì)于水，該方程可簡(jiǎn)化為Q = (加侖/分鐘)500ΔT。 在全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，溫差為40華氏度，回水溫度達(dá)到90華氏度（見(jiàn)表1），鍋爐效率為94%（見(jiàn)圖1）。

采用5:1的負(fù)荷調(diào)節(jié)比，該系統(tǒng)將在20%的容量下運(yùn)行，溫差為8華氏度，回水溫度為122華氏度（參見(jiàn)表1）。盡管溫差已顯著降低，鍋爐仍將繼續(xù)在冷凝范圍內(nèi)運(yùn)行，并能在低負(fù)荷狀態(tài)下保持較高的效率（參見(jiàn)圖1）。

20:1的負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)將在5%的容量下運(yùn)行，此時(shí)溫差為2華氏度，回水溫度為128華氏度（參見(jiàn)表1），這一溫度高于燃燒煙氣的冷凝溫度。其結(jié)果是效率下降至88%或更低。目前，該冷凝鍋爐的投資效果已等同于非冷凝鍋爐。負(fù)荷調(diào)節(jié)比取決于鍋爐的容量及其預(yù)期的部分負(fù)荷情況，必須納入整個(gè)系統(tǒng)的綜合評(píng)估之中。

還需對(duì)鍋爐的分階段運(yùn)行方式進(jìn)行評(píng)估。在配備多臺(tái)非冷凝式鍋爐的供熱廠中，通常會(huì)在啟用另一臺(tái)鍋爐之前，先將正在運(yùn)行的鍋爐的負(fù)荷率提高至90%以上。這一策略旨在盡量縮短鍋爐運(yùn)行于其最高效燃燒范圍以下的時(shí)間。而在采用冷凝式鍋爐時(shí)，這種思路需要相應(yīng)調(diào)整，以充分發(fā)揮其優(yōu)異的低負(fù)荷效率。與滿負(fù)荷運(yùn)行相比，同時(shí)多臺(tái)鍋爐以50%或更低的燃燒率運(yùn)行，其效率可提升4到8個(gè)百分點(diǎn)，具體提升幅度取決于熱水回水溫度（參見(jiàn)圖1）。

所有鍋爐在頻繁啟停時(shí)都會(huì)降低效率。這是由于熱量會(huì)通過(guò)爐殼、停機(jī)后的余熱吹掃、停機(jī)后環(huán)境空氣流經(jīng)鍋爐，以及預(yù)吹掃過(guò)程而散失。為了使鍋爐達(dá)到工作溫度，必須補(bǔ)充這些損失的熱量。頻繁啟停會(huì)導(dǎo)致能耗增加，整體效率下降。可通過(guò)避免鍋爐選型過(guò)大，并采用多臺(tái)小型鍋爐替代單臺(tái)大型鍋爐，來(lái)盡量減少短時(shí)頻繁啟停現(xiàn)象。此外，出于安全考慮以及延長(zhǎng)鍋爐和煙道使用壽命的需要，仍需進(jìn)行吹掃操作。

冷凝鍋爐房的水泵方案與采用定流量泵或一次/二次泵的傳統(tǒng)非冷凝鍋爐房的方案存在顯著差異。與非冷凝鍋爐不同，大多數(shù)冷凝鍋爐均可采用一次變流量泵。在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮鍋爐所需的最低流量，但通常并無(wú)最低回水溫度要求。最小流量旁通管應(yīng)設(shè)置于管網(wǎng)末端附近。管道尺寸須足以滿足最低流量需求，以避免壓力損失過(guò)大并降低所需泵送能耗。這樣做可最大限度地減少溫差損失，并確保回水在返回鍋爐房前實(shí)現(xiàn)充分混合。旁通管應(yīng)配備一個(gè)與鍋爐房控制器硬接線的調(diào)節(jié)型控制閥。這樣可消除因閥門(mén)連接至控制系統(tǒng)中其他控制器而可能產(chǎn)生的控制延遲。旁通閥應(yīng)根據(jù)鍋爐兩側(cè)壓差傳感器所測(cè)得的鍋爐最低流量進(jìn)行控制，并留有一定安全裕量，以避免誤觸發(fā)。若旁通水量過(guò)多，將導(dǎo)致回水溫度升高，從而對(duì)鍋爐效率產(chǎn)生不利影響。 必須進(jìn)行詳盡的壓力降計(jì)算，以評(píng)估所需的泵揚(yáng)程并優(yōu)化管道系統(tǒng)。只有在完成這一分析后，才應(yīng)納入合理的安全系數(shù)。從效率角度來(lái)看，在變流量應(yīng)用中，選用過(guò)大功率的泵并不理想。應(yīng)選擇能夠最大限度提升效率的泵。電子換向電機(jī)（ECM）技術(shù)使為那些所需泵電機(jī)功率低于5馬力的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)變頻供水成為可能。

盤(pán)管

為新系統(tǒng)選擇盤(pán)管相對(duì)簡(jiǎn)單明了。盤(pán)管兩側(cè)的水溫差應(yīng)與鍋爐的水溫差相匹配。在氣候溫和、供暖負(fù)荷較低的地區(qū)，有時(shí)即使保持盤(pán)管內(nèi)流體呈湍流狀態(tài)，也難以完全實(shí)現(xiàn)這一要求。此時(shí)，應(yīng)選用在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出水溫度較高的盤(pán)管，以確保鍋爐能在冷凝工況下運(yùn)行。同時(shí)，應(yīng)盡量降低盤(pán)管兩側(cè)（空氣側(cè)和水側(cè)）的壓力損失，但又不能過(guò)度增大盤(pán)管尺寸。空氣側(cè)的出水溫度應(yīng)低于90華氏度，以避免在人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

改造項(xiàng)目可能無(wú)需更換現(xiàn)有的加熱盤(pán)管，僅僅因?yàn)闊崴?yīng)溫度降低了。現(xiàn)有盤(pán)管尺寸過(guò)大并不罕見(jiàn)，尤其是在區(qū)域級(jí)再熱系統(tǒng)中更是如此。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有加熱盤(pán)管在新熱水供應(yīng)溫度下的運(yùn)行性能進(jìn)行核查。第一個(gè)例子是一臺(tái)現(xiàn)有的單排盤(pán)管，其進(jìn)風(fēng)流量為145立方英尺/分鐘，進(jìn)風(fēng)溫度為52華氏度，出風(fēng)溫度為90.5華氏度，進(jìn)熱水溫度為180華氏度，出熱水溫度為141.1華氏度，加熱能力為6.05兆英熱單位。該區(qū)域的供暖需求為5.4兆英熱單位。當(dāng)同一臺(tái)盤(pán)管改用160華氏度的進(jìn)熱水時(shí)，其加熱能力降至4.5兆英熱單位（參見(jiàn)表2中的運(yùn)行1）。

由于運(yùn)行1的供熱能力低于所需供熱能力，因此還需進(jìn)一步評(píng)估。在本例中，必須增大供暖風(fēng)量，才能選出合適的盤(pán)管。這一點(diǎn)在運(yùn)行2中得到了體現(xiàn)：此時(shí)的風(fēng)量為220立方英尺/分鐘，供熱能力達(dá)到5.48百萬(wàn)英熱單位。由此得出的出水溫度處于冷凝鍋爐系統(tǒng)的理想范圍之內(nèi)，同時(shí)所需水流量也有所降低。通往盤(pán)管的支路管道以及盤(pán)管本身均可重復(fù)利用。盡管單個(gè)盤(pán)管風(fēng)量的增加對(duì)風(fēng)機(jī)能耗的影響并不顯著，但含有多個(gè)供暖盤(pán)管的系統(tǒng)，其空氣側(cè)的影響卻不可忽視。任何因風(fēng)量變化而導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)能耗變動(dòng)，都應(yīng)納入熱水系統(tǒng)的整體能耗分析之中，并需確認(rèn)供暖負(fù)荷及盤(pán)管排數(shù)與容量是否匹配。 盤(pán)管處的控制閥應(yīng)采用雙向調(diào)節(jié)型閥門(mén)。這樣，在建筑物未處于供暖高峰負(fù)荷時(shí)，變流量分配泵便可低速運(yùn)行。在改造工程中，當(dāng)將定流量非冷凝系統(tǒng)改為變流量冷凝系統(tǒng)時(shí)，所有現(xiàn)有的三通閥均需更換。在采用雙向閥的變流量系統(tǒng)中，盤(pán)管處無(wú)需安裝平衡閥。在這種系統(tǒng)中使用平衡閥只會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓降增加，而并不會(huì)帶來(lái)流量控制性能的改善。如果該系統(tǒng)服務(wù)于需要即時(shí)供應(yīng)熱水的關(guān)鍵負(fù)荷，則應(yīng)在為該負(fù)荷供熱水的末端安裝一個(gè)小型雙向閥和溫度傳感器，而非三通閥。通過(guò)調(diào)節(jié)該雙向閥，使流向關(guān)鍵負(fù)荷的管道內(nèi)供水溫度至少比系統(tǒng)供水溫度低10華氏度。

系統(tǒng)控制

既然組件的效率已得到最大化，就必須在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮這些效率指標(biāo)。熱水廠應(yīng)配備一套由流量計(jì)和配套溫度傳感器組成的英熱單位（Btu）計(jì)量裝置，以測(cè)量配電系統(tǒng)的負(fù)荷。此外，還應(yīng)對(duì)鍋爐的燃料供應(yīng)進(jìn)行計(jì)量。根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出電廠的運(yùn)行效率，并在操作員控制系統(tǒng)的界面上顯示、繪制趨勢(shì)曲線以及存檔保存。

如果恒定熱水供應(yīng)溫度導(dǎo)致冷凝鍋爐處于非冷凝運(yùn)行狀態(tài)，那么這種做法已不再可取。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需求重新設(shè)定供水溫度，并依據(jù)熱水控制閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)需求降低時(shí)，可采用較低的供水溫度，以確保系統(tǒng)中至少有一只熱水控制閥保持在85%至90%的開(kāi)啟狀態(tài)。此外，降低供水溫度還有助于減少旁通閥的使用，從而維持通過(guò)鍋爐的最小流量。 鍋爐分階段運(yùn)行需考慮冷凝鍋爐的部分負(fù)荷效率。可通過(guò)將各燃燒階段的效率與熱水回水溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)編程輸入控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。結(jié)合Btu計(jì)量表所測(cè)得的系統(tǒng)負(fù)荷信息，便可確定最高效的鍋爐分階段運(yùn)行方案。大多數(shù)鍋爐制造商都提供鍋爐房控制器，可對(duì)鍋爐進(jìn)行分階段控制，以優(yōu)化整體鍋爐效率。這些控制器必須集成到樓宇控制系統(tǒng)中，有時(shí)可能需要使用網(wǎng)關(guān)設(shè)備。 變速泵需要根據(jù)系統(tǒng)中的負(fù)荷波動(dòng)做出響應(yīng)。過(guò)去，這一功能通常是通過(guò)在輸配系統(tǒng)末端附近安裝一個(gè)壓差傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采用直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)后，可輕松通過(guò)設(shè)定的熱水閥開(kāi)度來(lái)確定最苛刻的負(fù)荷需求。當(dāng)以閥門(mén)開(kāi)度作為泵的控制依據(jù)時(shí)，壓差傳感器便可直接安裝在或靠近熱力站內(nèi)，從而更經(jīng)濟(jì)地將傳感器線路直接連接至站內(nèi)控制器。壓差設(shè)定值應(yīng)重新調(diào)整，以確保最開(kāi)啟的閥門(mén)保持在85%至90%的開(kāi)度范圍內(nèi)。這樣做能夠最大限度地降低系統(tǒng)的水泵能耗。

閥門(mén)位置控制信號(hào)也可直接發(fā)送至泵的變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD），以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵轉(zhuǎn)速的控制。在此情況下，建議在熱力站配備一個(gè)差壓傳感器，并將其集成到DDC系統(tǒng)中，以便在需要時(shí)用于故障排查。無(wú)論哪種情況，都必須確保鍋爐維持所需的最低流量。由于許多末端設(shè)備再熱盤(pán)管閥門(mén)的尺寸均針對(duì)小流量設(shè)計(jì)，可能需要同時(shí)開(kāi)啟多個(gè)閥門(mén)才能維持鍋爐的最低流量要求。此外，可在鍋爐處增設(shè)一臺(tái)小型循環(huán)泵，但這可能會(huì)增加能耗，因此應(yīng)結(jié)合初始投資成本與運(yùn)行成本進(jìn)行綜合評(píng)估。

DDC系統(tǒng)可輕松與制造商的鍋爐控制器對(duì)接，從而提供以往難以獲取的信息。通過(guò)采集煙道溫度、燃燒百分比及鍋爐出口溫度等數(shù)據(jù)，可在系統(tǒng)調(diào)試期間建立基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)可定期將實(shí)際數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以幫助設(shè)施工作人員及早發(fā)現(xiàn)換熱器性能的下降趨勢(shì)。基于這些信息的維護(hù)報(bào)警應(yīng)作為控制規(guī)范和工廠運(yùn)行順序的一部分予以提供。

成本考量

盡管設(shè)計(jì)盡可能高效的系統(tǒng)是一個(gè)崇高的目標(biāo)，但真正如此無(wú)私的客戶卻寥寥無(wú)幾。冷凝鍋爐的成本通常高于同等尺寸的非冷凝鍋爐。根據(jù)所選用的基準(zhǔn)鍋爐不同，成本溢價(jià)可能低至基準(zhǔn)鍋爐成本的20%，也可能高達(dá)四倍。為比較熱水系統(tǒng)方案并最終提出建議，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的節(jié)能計(jì)算和全生命周期成本分析。

降低成本的一種方法是評(píng)估一種混合式鍋爐裝置，該裝置結(jié)合了兩種類型的鍋爐技術(shù)。圖2展示了一個(gè)簡(jiǎn)化的控制原理圖。（請(qǐng)注意，該圖并未涵蓋完整系統(tǒng)所需的所有閥門(mén)和配件。）在這一混合式裝置中，通過(guò)冷凝鍋爐保持一次側(cè)泵的變流量運(yùn)行，同時(shí)將非冷凝鍋爐從冷凝鍋爐下游的熱水供應(yīng)主干管上分流出來(lái)。非冷凝鍋爐則配備了一臺(tái)定流量泵。建議考慮采用ECM泵，因?yàn)樗饶芫_調(diào)節(jié)所需流量，又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。在這種配置下，冷凝鍋爐優(yōu)先運(yùn)行，充分利用其在部分負(fù)荷下的出色性能。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷超過(guò)非冷凝鍋爐的容量時(shí)，可重新設(shè)定冷凝鍋爐的出水溫度，以確保非冷凝鍋爐的進(jìn)水溫度相對(duì)恒定。這不僅保證了非冷凝鍋爐的最低進(jìn)水溫度始終得到滿足，還使冷凝鍋爐始終處于基本負(fù)荷狀態(tài)，而非冷凝鍋爐則繼續(xù)在部分負(fù)荷下運(yùn)行。 在對(duì)現(xiàn)有非冷凝式鍋爐容量過(guò)大且頻繁啟停的系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)，采用混合式裝置也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。這樣既能最大限度地減少冷凝式鍋爐的數(shù)量，又能提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能，并延長(zhǎng)現(xiàn)有鍋爐的使用壽命。

對(duì)于這種類型的設(shè)備，必須充分考慮冷凝鍋爐的最大流量需求。有時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷所需流量或負(fù)荷會(huì)超過(guò)冷凝鍋爐的處理能力，從而導(dǎo)致鍋爐性能下降。可通過(guò)在冷凝鍋爐周圍設(shè)置一個(gè)可調(diào)節(jié)（分流）旁通管來(lái)解決這一問(wèn)題。旁通閥的開(kāi)度根據(jù)每臺(tái)冷凝鍋爐兩側(cè)的壓差進(jìn)行調(diào)節(jié)。隨后，冷凝鍋爐的出水溫度將被重新設(shè)定，以確保輸送到非冷凝鍋爐的混合水最低溫度不低于140華氏度。

通過(guò)對(duì)提高部件效率和更高效地運(yùn)行系統(tǒng)有了更深入的了解，我們便能設(shè)計(jì)出高效的熱水系統(tǒng)，同時(shí)滿足客戶對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠解決方案的需求。

辛西婭·卡拉威，注冊(cè)工程師，是P2S工程公司的高級(jí)機(jī)械工程師。她在機(jī)械與工藝項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和調(diào)試領(lǐng)域擁有超過(guò)30年的豐富經(jīng)驗(yàn)，尤其擅長(zhǎng)能源分析、趨勢(shì)數(shù)據(jù)收集與分析，以及節(jié)能措施的制定與實(shí)施。

原文：https://www.csemag.com/efficient-hot-water-systems/

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