Пластинчатые теплообменники в комбинированных системах отопления и охлаждения
В результате развития современной архитектуры и повышения стандартов комфорта, здания, такие как коммерческие здания, гостиницы, больницы и многофункциональные комплексы, больше не нуждаются только в отоплении или только в охлаждении. В течение большей части года одновременное потребление тепла и холода может возникать на разных фасадах или в разных зонах здания. Разработанные для удовлетворения этой сложной тепловой потребности, комбинированные системы отопления и охлаждения являются одной из самых сложных областей инженерии ОВК (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха). Ключевым компонентом, обеспечивающим эффективную, безопасную и гибкую работу этих систем, является пластинчатый теплообменник, который часто остается в тени, но выполняет критически важную функцию.
В этой статье мы углубимся в техническую роль этого инженерного чуда в основе комбинированных систем, его вклад в энергоэффективность и правильные сценарии интеграции.
Общая структура комбинированных систем отопления и охлаждения
Комбинированные системы отопления и охлаждения — это системы ОВК, которые могут одновременно обеспечивать здание как нагретой, так и охлажденной водой. Это позволяет отапливать офис на северной стороне здания, одновременно охлаждая переговорную или серверную комнату, где высокая нагрузка на персонал и оборудование. Наиболее распространенной и известной конфигурацией является «четырехтрубная система».
Общая структура этих систем состоит из следующих основных компонентов:
Центр генерации тепла: Обычно состоит из конденсационных котлов, тепловых насосов или центрального источника тепла. Этот центр производит горячую воду для контура отопления.
Центр генерации холода: Вода генерируется чиллерами. Этот центр производит охлажденную воду для контура охлаждения.
Распределительная сеть: Это трубопроводы, по которым нагретая и охлажденная вода транспортируется к точкам конечного потребления в здании. В четырехтрубной системе две трубы используются для подачи и возврата горячей воды, и две трубы — для подачи и возврата охлажденной воды.
Оборудование конечного потребления: Это такое оборудование, как фанкойлы (FCU) и воздухообрабатывающие установки (AHU). Эти установки имеют теплообменники как для горячей, так и для холодной воды и нагревают или охлаждают окружающую среду, открывая соответствующий клапан в соответствии с командой термостата.
Гидравлическое разделительное и регулирующее оборудование: Насосы, клапаны, датчики и пластинчатые теплообменники, составляющие основу этой системы.
Роль и преимущества пластинчатых теплообменников в этих системах
Пластинчатые теплообменники играют множество важных ролей в этих сложных системах. Их основная функция заключается в физическом разделении первичного контура, где расположены источники отопления и охлаждения, от вторичного контура, где эта энергия распределяется по зданию. Этот принцип «гидравлического разделения» обеспечивает многочисленные инженерные преимущества:
Защита оборудования: Чиллеры и котлы являются наиболее дорогими и чувствительными компонентами системы. Пластинчатый теплообменник действует как барьер, предотвращая попадание потенциальных загрязняющих веществ, осадка, воздуха и химических веществ, которые могут присутствовать в воде, циркулирующей в распределительной сети здания, на это дорогостоящее оборудование.
Совместимость с жидкостями: В контурах охлаждения, особенно в трубопроводах, работающих на открытом воздухе, может потребоваться добавление гликоля в воду для предотвращения замерзания. Однако многие чиллеры достигают максимальной эффективности при работе с чистой водой. Пластинчатые теплообменники позволяют безопасно использовать чистую воду в первичном контуре (со стороны чиллера) и воду, содержащую гликоль, во вторичном контуре (со стороны здания).
Функция снижения давления: Особенно в высотных зданиях из-за статического давления возникают значительные перепады давления между нижними и верхними этажами. Теплообменники разделяют здание на различные зоны давления, позволяя каждой зоне работать в своем идеальном режиме давления и предотвращая воздействие высокого давления на оборудование.
Гибкость и модульность системы: Использование теплообменников позволяет проектировать, эксплуатировать и обслуживать различные части системы независимо друг от друга. Изменения или техническое обслуживание в одном контуре не влияют на другие контуры.
Тепловое равновесие и управление направлением потока
Тепловые характеристики пластинчатых теплообменников напрямую зависят от способа прохождения жидкости через поверхности пластин. Для достижения максимальной эффективности практически во всех областях применения используется принцип противоточного потока. В этом принципе горячие и холодные жидкости входят и выходят из теплообменника с противоположных направлений.
Такая схема обеспечивает более однородное распределение разности температур (ΔT) по теплообменнику, максимизируя логарифмическую среднюю разность температур (LMTD). Высокая LMTD означает, что для той же теплопередачи требуется меньшая площадь поверхности пластин, что приводит к созданию более компактного и экономичного теплообменника.
Одним из наиболее важных параметров на этапе проектирования является температура на входе. Это разница между температурой на выходе одного контура и температурой на входе другого. Например, в контуре охлаждения, если вода из чиллера поступает при 7°C, возвращается через теплообменник при 12°C и подается в контур здания при 9°C, температура на входе составляет (9°C – 7°C) 2°C. Более низкие температуры на входе означают более высокую эффективность, но также требуют больших затрат.