板式换热器在暖通空调设计中的应用研究

熊耀宇，李思芸

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430060）

1 引言

板式换热器指的是一种典型的高效换热器，由具备一定波纹形状的金属片叠装而成，相较于传统的壳管式换热器，板式换热器具备更高的传热系数，使其在暖通空调领域的应用价值较高。为保证板式换热器较好地用于暖通空调设计，设计人员必须深入了解板式换热器的特点，并关注其结构对传热性能产生的影响。因此，本文主要是围绕板式换热器的特点及数值分析和板式换热器的具体应用开展深入探讨。

2 板式换热器的特点及数值分析

2.1 特点分析

板式换热器的特点可从结构和技术2个方面进行分析。基于结构特点进行分析可以发现，板式换热器由密封垫圈、压紧装置、传热板片、其他种类元件构成，其中最为重要的为传热板片，人字形板、水平平直波纹板均属于其中代表。密封用的垫圈在板式换热器中也发挥着重要作用，负责流体密封，工作过程会受到温度和压力的双重影响，一般会配合设置再生冷却系统或过滤器。基于技术特点进行分析可以发现，板式换热器不采用胶连接的垫片工艺，使其在安装和维护方面优势明显，趋于大面积化的单元和单片面积也使其实用性较强，能够满足不同的压降。总体来说，相较于传统的壳管式换热器等其他换热器，板式换热器具备设备清洗方便、制作简单、成本低、传热系数高等优势[1]。

2.2 数值分析

结合相关研究可以发现，板式换热器垢层及板片的传热类型为导热，在理论层面可将其视作沿厚度方向的一维导热，由于板式换热器存在非常小的垢层及板片厚度和板面尺寸，因此，可基于式（1）计算传热量：

式中，Q为传热量；K为总传热系数；A为换热面积；Δtm为传热平均温度差。

基于式（1）进行分析不难发现，板式换热器的换热性能会受到传热平均温差、总传热系数、换热面积等因素的影响。很多研究指出，波纹深度较大的板片的实际换热面积较大，这种板式换热器的换热效果更为显著，但相较于波纹深度小的板片，其局部区域的温降效果往往存在一定的不足，可见板式换热器的温度场会受到波纹深度的深远影响。但需要注意的是，板片的波纹深度增大会导致其清洗难度增加，结垢的概率也会提升，因此，板式换热器多数时候不会选择波纹深度较大的板片。结合相关研究不难发现，可以在总传热系数中总结对板式换热器换热能力产生影响的参数，总传热系数的大小能反映导热性能强弱。在传热系数高、温度相同、换热量相同条件下，需要更小的换热面积，同时能够降低成本，与实际生产要求相符。因此，相关设计需要关注板式换热器的总传热系数，也是板式换热器板片研究的重要任务。设计人员只有深入了解板式换热器的板结构特点，明确其传热的几何关系，板式换热器在暖通空调设计中的科学应用方可得到保障，顺利实现设计效果提升与能源节约。此外，为了更好地开展暖通空调设计，必要时还可以应用信息技术开展板式换热器的数值模拟分析，实现对最优传热性能板式换热器结构的优选，基于实际工况开展进一步的优化设计[2]。

3 暖通空调设计中板式换热器的具体应用

3.1 工程概况

为提升研究的实践价值，以某超高层建筑工程作为研究对象进行板式换热器的应用研究。该工程为地标性建筑，由2栋塔楼组成，总建筑面积为232 400 m2，2座塔楼的高度分别为156 m、300.8 m。B塔楼上部为五星级酒店（43～61层），下部为甲级办公楼，设有3层地下室和3层裙楼。本节仅介绍该工程暖通空调设计中板式换热器的具体应用。

3.2 空调冷热源选择

案例工程属于典型的超高层建筑，因此，暖通空调设计需结合空调末端需求、价格因素、能源供应等实际情况，并遵循安全、环保、经济、可靠等原则。考虑到案例工程涉及办公楼、酒店、公寓等设施，结合业主和酒店管理集团的具体需求，项目冷热源采用按公寓、办公区、酒店分设的方案。表1为案例工程的冷热源配置。

表1 其某超高层建筑冷热源配置

3.3 空调水系统设计

空调水系统设计对工程的安全性、经济性、节能性及运行管理均会带来深远影响，而综合考虑各类因素，设计严格遵循了5个竖向分区原则：（1）优选一次换热方案，以实现减少换热次数减少；（2）板式换热器和冷水机组基于系统设计优选承压要求，如板式换热机组或冷水机组和水泵需要增大承压，应优先增大水泵和板式换热机组的承压；（3）设法实现冷水机组直供区域增大，但需要以冷水机组承压要求满足为前提；（4）保证存在最大1.6 MPa的末端设备承压；（5）保证存在最大2.0 MPa的系统工作压力[3]。

基于上述原则，案例工程酒店空调冷水系统设置2个竖向分区，高区在27层换热间内设置循环泵及板式换热器，循环泵及板式换热器承压控制在2.0 MPa内，末端设备承压控制在1.6 MPa内，系统工作压力最大值设置为2.0 MPa。低区在地下3层制冷机房设置冷水机组，系统工作压力控制在2.0 MPa内，冷水机组承压和末端设备承压均控制在1.6 MPa内。低区、高区供水温度分别为6℃、7℃，回水温度分别为11℃、12℃；酒店空调热水系统设置2个竖向分区，高区在地下1层锅炉房内设置循环泵及一次板式换热器，在27层换热间内设置循环泵及二次板式换热器，循环泵及一次板式换热器、循环泵及二次板式换热器的承压分别在1.6 MPa和2.0 MPa以内，末端设备承压在1.6 MPa以内，系统工作压力最大为2.0 MPa。低区在地下1层锅炉房内设置循环泵及板式换热器，循环泵及板式换热器承压、末端设备承压、系统工作压力均小于1.0 MPa。高区、低区的供水温度均为60℃，回水温度均为50℃；B楼办公区空调冷水系统设置2个竖向分区，在13层换热间内设置循环泵及板式换热器，末端设备承压、循环泵及板式换热器承压均在1.6 MPa内，系统工作压力最大值为2.0 MPa。低区设置2个竖向分区，在地下3层制冷机房设置冷水机组，末端设备承压、系统工作压力、冷水机组承压均在1.6 MPa以内。高区、低区供水温度分别为7℃、6℃，回水温度分别为12℃、11℃。图1为B塔楼办公区冷源及水系统分区示意图。A塔楼公寓空调冷水系统设置2个竖向分区，高区在21层换热间内设置循环泵及板式换热器，末端设备、循环泵及板式换热器承压均在1.0 MPa以内。低区在地下3层制冷机房设置冷水机组，末端设备承压、系统工作压力、冷水机组承压均在1.6 MPa以内。高区、低区供水温度分别为7℃、6℃，回水温度分别为12℃、11℃。图2为公寓冷源及水系统分区示意图。

图1 B塔楼办公区冷源及水系统分区示意图

图2 公寓冷源及水系统分区示意图

本项目酒店采用四管制的风机盘管冷热水系统和空调机组系统；办公区采用两管制的风机盘管冷水系统和空调机组冷水系统；公寓采用两管制的风机盘管冷水系统和空调机组系统。

公寓低区、办公低区、酒店低区均选择一级泵变流量系统作为冷水系统，旁通阀开度控制基于供回水压差实现。

公寓高区、办公高区、酒店高区选择板式换热器间接供冷作为冷水系统，使用变频泵为二次水循环泵，变频泵的转速基于供回水压差控制。对应设置板式换热器与冷水循环泵，连接采用共用集管，设置电动阀于每台板式换热器二次水出口管道处，对应的水泵与电动阀联锁。

酒店风机盘管冷热水系统和空调机组系统、B塔楼办公区变频空调机组冷水系统分别采用同程系统、异程系统设计。A塔楼公寓及办公区风机盘管冷水系统和空调机制系统采用同程系统设计。

4 结论

综上所述，板式换热器在暖通空调设计中的应用具有重要的现实意义。本文研究的空调冷热源选择、空调水系统设计等内容提供了可行性较高的暖通空调设计路径，可为保证暖通空调设计更好地应用板式换热器，不同工况下板式换热器的合理选择与科学设计提供借鉴。