高效热水系统

工程师应致力于设计尽可能高效的热水系统或锅炉。理解相关规范和标准至关重要，其次是要掌握锅炉及类似系统的关键设备功能。

学习目标

了解构成热水系统的各组成部分：锅炉、水泵和盘管。掌握系统控制策略，以实现高效运行。学习如何最大限度地提升这些组件的效率。

设计任何类型的高效系统，都需要同时考虑各个系统组件的效率以及整个系统的运行情况。就热水系统而言，其各个组件包括锅炉、水泵和换热器。

锅炉

锅炉是热水系统中能耗最高的设备。在整个设备使用寿命期间，其能源消耗所涉及的成本将远远超过初始设备购置成本。在设备选型和经济性分析过程中，应仔细比较燃料到水的效率。燃料到水的效率是衡量锅炉整体效率的一个指标，它综合考虑了燃烧器和换热器的性能，以及通过锅炉外壳产生的热损失。美国能源部、ASHRAE标准90.1：《除低层住宅建筑以外的建筑节能标准》等能源标准，以及各州的能源法规，都对锅炉的最低效率提出了要求。

锅炉效率因锅炉类型和运行参数而异。传统非冷凝式锅炉的效率通常在80%至85%之间。这类锅炉的设计运行烟气排放温度高于127华氏度，即燃烧气体的露点温度。因此，热水系统的运行温度需保持在供水160至180华氏度、回水135至140华氏度，以确保回水温度远高于燃烧气体的露点温度。如果将此类锅炉的运行温度降至燃烧气体露点以下，将显著缩短锅炉的使用寿命。非冷凝式锅炉在60%至80%负荷范围内运行时效率最高，因而非常适合作为基本负荷或高峰负荷运行的锅炉。 冷凝锅炉的效率处于90%左右的中低水平。效率提升的主要原因在于从燃烧烟气中回收潜热。这使得锅炉能够在低于燃烧烟气露点的冷凝区间内运行。因此，采用冷凝锅炉的热水系统运行温度较低：供水温度为140至160华氏度，回水温度为100至120华氏度。较低的回水温度能够进一步回收燃烧烟气中的潜热，从而提高锅炉的运行效率。冷凝锅炉在较低的负荷范围内——即20%至50%——效率最高（参见图1）。这使它们特别适合于部分负荷工况。 由于冷凝锅炉具有潜在的更高效率，其应用正日益增多。然而，在采用冷凝技术时，必须重新审视非冷凝系统中所采用的传统考量因素。其中首要的就是负荷调节能力。 人们普遍认为，调节比越高越好。让我们比较一下一种5:1恒定流量的调节系统与一种20:1的调节系统。在本例中，该系统配备了一台1,800 MBH输出的锅炉、一台90 gpm的恒速泵，以及130°F的热水供应温度。忽略损失的情况下，锅炉的输入功率必须等于输送到热水系统的输出功率：

Q = mCpΔT

其中Q为锅炉净输出

m是质量流量

Cp是流体的比热容

dT是流体的温差（Ts-TR）

对于水，该方程可简化为Q = (加仑/分钟)500ΔT。 在全负荷运行时，温差为40华氏度，回水温度达到90华氏度（见表1），锅炉效率为94%（见图1）。

采用5:1的负荷调节比，该系统将在20%的容量下运行，温差为8华氏度，回水温度为122华氏度（参见表1）。尽管温差已显著降低，锅炉仍将继续在冷凝范围内运行，并能在低负荷状态下保持较高的效率（参见图1）。

20:1的负荷调节系统将在5%的容量下运行，此时温差为2华氏度，回水温度为128华氏度（参见表1），这一温度高于燃烧烟气的冷凝温度。其结果是效率下降至88%或更低。目前，该冷凝锅炉的投资效果已等同于非冷凝锅炉。负荷调节比取决于锅炉的容量及其预期的部分负荷情况，必须纳入整个系统的综合评估之中。

还需对锅炉的分阶段运行方式进行评估。在配备多台非冷凝式锅炉的供热厂中，通常会在启用另一台锅炉之前，先将正在运行的锅炉的负荷率提高至90%以上。这一策略旨在尽量缩短锅炉运行于其最高效燃烧范围以下的时间。而在采用冷凝式锅炉时，这种思路需要相应调整，以充分发挥其优异的低负荷效率。与满负荷运行相比，同时多台锅炉以50%或更低的燃烧率运行，其效率可提升4到8个百分点，具体提升幅度取决于热水回水温度（参见图1）。

所有锅炉在频繁启停时都会降低效率。这是由于热量会通过炉壳、停机后的余热吹扫、停机后环境空气流经锅炉，以及预吹扫过程而散失。为了使锅炉达到工作温度，必须补充这些损失的热量。频繁启停会导致能耗增加，整体效率下降。可通过避免锅炉选型过大，并采用多台小型锅炉替代单台大型锅炉，来尽量减少短时频繁启停现象。此外，出于安全考虑以及延长锅炉和烟道使用寿命的需要，仍需进行吹扫操作。

冷凝锅炉房的水泵方案与采用定流量泵或一次/二次泵的传统非冷凝锅炉房的方案存在显著差异。与非冷凝锅炉不同，大多数冷凝锅炉均可采用一次变流量泵。在设计时需考虑锅炉所需的最低流量，但通常并无最低回水温度要求。最小流量旁通管应设置于管网末端附近。管道尺寸须足以满足最低流量需求，以避免压力损失过大并降低所需泵送能耗。这样做可最大限度地减少温差损失，并确保回水在返回锅炉房前实现充分混合。旁通管应配备一个与锅炉房控制器硬接线的调节型控制阀。这样可消除因阀门连接至控制系统中其他控制器而可能产生的控制延迟。旁通阀应根据锅炉两侧压差传感器所测得的锅炉最低流量进行控制，并留有一定安全裕量，以避免误触发。若旁通水量过多，将导致回水温度升高，从而对锅炉效率产生不利影响。 必须进行详尽的压力降计算，以评估所需的泵扬程并优化管道系统。只有在完成这一分析后，才应纳入合理的安全系数。从效率角度来看，在变流量应用中，选用过大功率的泵并不理想。应选择能够最大限度提升效率的泵。电子换向电机（ECM）技术使为那些所需泵电机功率低于5马力的系统经济地实现变频供水成为可能。

盘管

为新系统选择盘管相对简单明了。盘管两侧的水温差应与锅炉的水温差相匹配。在气候温和、供暖负荷较低的地区，有时即使保持盘管内流体呈湍流状态，也难以完全实现这一要求。此时，应选用在满负荷运行时出水温度较高的盘管，以确保锅炉能在冷凝工况下运行。同时，应尽量降低盘管两侧（空气侧和水侧）的压力损失，但又不能过度增大盘管尺寸。空气侧的出水温度应低于90华氏度，以避免在人员活动区域内出现分层现象。

改造项目可能无需更换现有的加热盘管，仅仅因为热水供应温度降低了。现有盘管尺寸过大并不罕见，尤其是在区域级再热系统中更是如此。因此，有必要对现有加热盘管在新热水供应温度下的运行性能进行核查。第一个例子是一台现有的单排盘管，其进风流量为145立方英尺/分钟，进风温度为52华氏度，出风温度为90.5华氏度，进热水温度为180华氏度，出热水温度为141.1华氏度，加热能力为6.05兆英热单位。该区域的供暖需求为5.4兆英热单位。当同一台盘管改用160华氏度的进热水时，其加热能力降至4.5兆英热单位（参见表2中的运行1）。

由于运行1的供热能力低于所需供热能力，因此还需进一步评估。在本例中，必须增大供暖风量，才能选出合适的盘管。这一点在运行2中得到了体现：此时的风量为220立方英尺/分钟，供热能力达到5.48百万英热单位。由此得出的出水温度处于冷凝锅炉系统的理想范围之内，同时所需水流量也有所降低。通往盘管的支路管道以及盘管本身均可重复利用。尽管单个盘管风量的增加对风机能耗的影响并不显著，但含有多个供暖盘管的系统，其空气侧的影响却不可忽视。任何因风量变化而导致的风机能耗变动，都应纳入热水系统的整体能耗分析之中，并需确认供暖负荷及盘管排数与容量是否匹配。 盘管处的控制阀应采用双向调节型阀门。这样，在建筑物未处于供暖高峰负荷时，变流量分配泵便可低速运行。在改造工程中，当将定流量非冷凝系统改为变流量冷凝系统时，所有现有的三通阀均需更换。在采用双向阀的变流量系统中，盘管处无需安装平衡阀。在这种系统中使用平衡阀只会导致系统压降增加，而并不会带来流量控制性能的改善。如果该系统服务于需要即时供应热水的关键负荷，则应在为该负荷供热水的末端安装一个小型双向阀和温度传感器，而非三通阀。通过调节该双向阀，使流向关键负荷的管道内供水温度至少比系统供水温度低10华氏度。

系统控制

既然组件的效率已得到最大化，就必须在控制系统设计时充分考虑这些效率指标。热水厂应配备一套由流量计和配套温度传感器组成的英热单位（Btu）计量装置，以测量配电系统的负荷。此外，还应对锅炉的燃料供应进行计量。根据这些数据计算出电厂的运行效率，并在操作员控制系统的界面上显示、绘制趋势曲线以及存档保存。

如果恒定热水供应温度导致冷凝锅炉处于非冷凝运行状态，那么这种做法已不再可取。应根据系统需求重新设定供水温度，并依据热水控制阀的开度进行调节。当系统需求降低时，可采用较低的供水温度，以确保系统中至少有一只热水控制阀保持在85%至90%的开启状态。此外，降低供水温度还有助于减少旁通阀的使用，从而维持通过锅炉的最小流量。 锅炉分阶段运行需考虑冷凝锅炉的部分负荷效率。可通过将各燃烧阶段的效率与热水回水温度的关系数据编程输入控制系统来实现这一目标。结合Btu计量表所测得的系统负荷信息，便可确定最高效的锅炉分阶段运行方案。大多数锅炉制造商都提供锅炉房控制器，可对锅炉进行分阶段控制，以优化整体锅炉效率。这些控制器必须集成到楼宇控制系统中，有时可能需要使用网关设备。 变速泵需要根据系统中的负荷波动做出响应。过去，这一功能通常是通过在输配系统末端附近安装一个压差传感器来实现的。采用直接数字控制（DDC）系统后，可轻松通过设定的热水阀开度来确定最苛刻的负荷需求。当以阀门开度作为泵的控制依据时，压差传感器便可直接安装在或靠近热力站内，从而更经济地将传感器线路直接连接至站内控制器。压差设定值应重新调整，以确保最开启的阀门保持在85%至90%的开度范围内。这样做能够最大限度地降低系统的水泵能耗。

阀门位置控制信号也可直接发送至泵的变频驱动器（VFD），以实现对泵转速的控制。在此情况下，建议在热力站配备一个差压传感器，并将其集成到DDC系统中，以便在需要时用于故障排查。无论哪种情况，都必须确保锅炉维持所需的最低流量。由于许多末端设备再热盘管阀门的尺寸均针对小流量设计，可能需要同时开启多个阀门才能维持锅炉的最低流量要求。此外，可在锅炉处增设一台小型循环泵，但这可能会增加能耗，因此应结合初始投资成本与运行成本进行综合评估。

DDC系统可轻松与制造商的锅炉控制器对接，从而提供以往难以获取的信息。通过采集烟道温度、燃烧百分比及锅炉出口温度等数据，可在系统调试期间建立基准数据。控制系统可定期将实际数据与基准数据进行对比，以帮助设施工作人员及早发现换热器性能的下降趋势。基于这些信息的维护报警应作为控制规范和工厂运行顺序的一部分予以提供。

成本考量

尽管设计尽可能高效的系统是一个崇高的目标，但真正如此无私的客户却寥寥无几。冷凝锅炉的成本通常高于同等尺寸的非冷凝锅炉。根据所选用的基准锅炉不同，成本溢价可能低至基准锅炉成本的20%，也可能高达四倍。为比较热水系统方案并最终提出建议，应进行详细的节能计算和全生命周期成本分析。

降低成本的一种方法是评估一种混合式锅炉装置，该装置结合了两种类型的锅炉技术。图2展示了一个简化的控制原理图。（请注意，该图并未涵盖完整系统所需的所有阀门和配件。）在这一混合式装置中，通过冷凝锅炉保持一次侧泵的变流量运行，同时将非冷凝锅炉从冷凝锅炉下游的热水供应主干管上分流出来。非冷凝锅炉则配备了一台定流量泵。建议考虑采用ECM泵，因为它既能精确调节所需流量，又能实现节能效果。在这种配置下，冷凝锅炉优先运行，充分利用其在部分负荷下的出色性能。当系统负荷超过非冷凝锅炉的容量时，可重新设定冷凝锅炉的出水温度，以确保非冷凝锅炉的进水温度相对恒定。这不仅保证了非冷凝锅炉的最低进水温度始终得到满足，还使冷凝锅炉始终处于基本负荷状态，而非冷凝锅炉则继续在部分负荷下运行。 在对现有非冷凝式锅炉容量过大且频繁启停的系统进行改造时，采用混合式装置也是一个不错的选择。这样既能最大限度地减少冷凝式锅炉的数量，又能提升整个系统的运行性能，并延长现有锅炉的使用寿命。

对于这种类型的设备，必须充分考虑冷凝锅炉的最大流量需求。有时，系统负荷所需流量或负荷会超过冷凝锅炉的处理能力，从而导致锅炉性能下降。可通过在冷凝锅炉周围设置一个可调节（分流）旁通管来解决这一问题。旁通阀的开度根据每台冷凝锅炉两侧的压差进行调节。随后，冷凝锅炉的出水温度将被重新设定，以确保输送到非冷凝锅炉的混合水最低温度不低于140华氏度。

通过对提高部件效率和更高效地运行系统有了更深入的了解，我们便能设计出高效的热水系统，同时满足客户对经济实惠解决方案的需求。

辛西娅·卡拉威，注册工程师，是P2S工程公司的高级机械工程师。她在机械与工艺项目的设计和调试领域拥有超过30年的丰富经验，尤其擅长能源分析、趋势数据收集与分析，以及节能措施的制定与实施。

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

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