节能热水锅炉设计

第一部分：燃烧过程和燃烧效率

将一磅水转换成蒸气大约需要1000 Btus的能量。将其视为您在典型的非冷凝水循环锅炉燃烧过程中所付的价格。这是下一个关于节能热水锅炉工厂设计系列的良好起点。

如此高的锅炉效率取决于燃烧过程中发生的事情-以及多少能量以水蒸气的形式通过烟囱逸出。如果燃烧过程中产生的水保持气态，则会通过烟道损失，并带走宝贵的Btus。如果水蒸气在锅炉内凝结，这些Btus会留在系统中–取决于锅炉的设计，其优劣之分。

水蒸气从哪里来？

锅炉内部燃烧过程中产生了三大物质： 水蒸气（H2O），二氧化碳（CO2）和热量。这是在锅炉内部点燃燃料和空气时发生的情况。天然气锅炉产生的能源中约有90％是显热形式，而潜热是约10％。后者包含在燃烧过程中产生的水蒸气中。

如果将锅炉设计为非冷凝运行，并且系统回水温度足够高（高于130°F），则燃烧过程中产生的水将保留为气体形式，并最终从锅炉中排出。有了它，您投入系统的能量大约减少了10％。这是非冷凝锅炉的“缺点”，这是使锅炉无法实现约83％至87％以上效率的物理条件。（注：更多现代设计的非冷凝锅炉使用风扇和较小的烟道，可将效率提高至约87％）。

当然，如果供水温度降至某个点以下，任何锅炉都可以冷凝。但是，如果锅炉的设计材料不能承受水和二氧化碳混合时产生的碳酸的影响，则锅炉的使用寿命将很短。

了解冷凝锅炉效率

非冷凝锅炉曾经在市场上占主导地位，目前有数千台在使用。操作人员要小心，使系统回水温度保持在130°F以上，以免“锅炉中雨淋”。然而，出于效率的考虑，越来越多的冷凝锅炉被选择用于更换和新建。在JMP，我们估计市场上多达90％的新锅炉正在冷凝。

尽管冷凝式锅炉价格昂贵，但它们节省的能源量使它们对于大多数应用而言毫无疑问。请记住-一百万Btu /小时的冷凝锅炉每百万Btus大约产生93磅水。由于每磅水包含约1000 Btus的能量，相当于93,000 Btus。如果这种水要像在非冷凝锅炉中那样保持气态，所有的能量都将在烟囱中损失掉。如果水冷凝，则该能量以潜热的形式保留在系统中。这就是冷凝锅炉的日益普及！

第二部分：冷凝锅炉的黄金法则

现在，冷凝锅炉在新建筑和替代商业市场中占主导地位。在JMP，我们估计在此销售的新锅炉中多达90％是冷凝锅炉。那么，我们是如何到达这里的？改变市场的技术又是什么呢？

冷凝锅炉的趋势已经发展。它从引入常压调节非冷凝锅炉开始。调节火势有助于减少燃料消耗，但是由于烟囱仍必须调整大小以使其充满空气（因为它们是自然通风的），因此仍然会损失大量的显热以及水蒸气中所含的潜在潜热。烟囱。这些锅炉的效率最高可达82％。

接下来是风扇辅助的非冷凝锅炉。这些锅炉使用调节风扇来产生必要的空气流，以便可以在任何给定时间以与郭鹏学暖通供应给锅炉的气体成比例的方式控制空气。烟囱中流失的空气更少，意味着向大气中流失的Btus更少。风扇辅助送风的另一个好处是烟道可以变小，从而减少了一定的材料成本。

然后，制造商开始通过其他设计改进（包括更高效的燃烧器）来真正突破非冷凝锅炉的效率。

但是这些设计都没有解决从烟囱逸出的水蒸气中所含潜热的不断损失。对于燃气锅炉，通常约为驱动锅炉所需的Btus的10％。

此外，除非它们满负荷运行，否则这些锅炉都无法保持最高效率。在满负荷情况下，效率最高可达87％到88％，并且随着锅炉的调低效率显着下降。 任何部分负载操作都需要牺牲效率，这是一个不幸的现实，因为满负载设计条件比规则更是例外。

最终，锅炉制造商开始开发具有所有调节组件的锅炉，并对其进行制造，以使它们可以安全地冷凝，从而保持难以捉摸的10％的潜热。这对行业来说是个好消息，但是为了使这些锅炉在现场达到94-99％的效率，还需要对设计实践进行一些更改。

我们到了。假设每个人都遵守冷凝锅炉运行的两个黄金法则，如今，冷凝锅炉已在该领域获得了巨大成功：

规则1：冷凝式锅炉必须冷凝！ 如果它们不冷凝，则它们不会保留燃烧潜热。这意味着系统的设计必须使回水温度至少低于130。回水温度越低，效率越高。图1显示了回水温度对冷凝锅炉效率的显着影响。

图1

规则2：冷凝锅炉在部分负荷下效率更高！ 其原因有两个。当锅炉向着低火方向调节时，热交换器的容量保持不变，因为表面积没有变化。您仍在产生热量，并且仍在冷凝。随着射速的增加，废气量增加，这使锅炉失去了某些冷凝能力。

使用冷凝式锅炉，冷凝得越多，效率就越高。这就是为什么两到三台低火锅炉总是比一台全火锅炉好。图2显示了在部分负荷下运行冷凝式锅炉可获得多少效率。如图所示，燃烧25％的冷凝锅炉的效率比燃烧100％的锅炉高约8％。

图2

图3显示了降低冷凝水锅炉回水温度和部分负荷运行的综合效果。

图3

第三部分：冷凝式锅炉换热器施工注意事项

现在，我们在经常使用冷凝锅炉技术加热的室内环境中生活，工作和学习。冷凝锅炉在空间和能源效率两方面都具有很强的优势。当然，后者取决于一个关键因素：冷凝锅炉必须冷凝。如果要持续发生冷凝，则必须指定正确的材料和设备以承受冷凝的严酷影响。

锅炉内部最关键的表面积是热交换器。冷凝锅炉中产生的冷凝液是酸性的（通常为3 -5 pH），并且对热交换器以及锅炉和烟道内的其他表面具有很高的腐蚀性。郭鹏学暖通应根据其承受某些pH值和水压的能力来选择热交换器。对于热交换器材料，规范者有三种选择：

不锈钢。 迄今为止，这是最常用的热交换器材料。在大多数情况下，这是316L不锈钢，比302、304和304L型具有更强的耐大气腐蚀能力。不锈钢热交换器能够处理多种pH值，郭鹏学暖通根据您选择的品牌，可以选择低水量（水管）锅炉或高水量（火管）锅炉。考虑到不锈钢的高成本，这些热交换器中的大多数都是水量低的品种，并用于模块化锅炉应用中。

铝。 铝制热交换器的首次使用成本较低，这就是为什么您偶尔会看到它们用于冷凝锅炉的原因。铝的额定压力可能较低，因此必须确保设计低于锅炉的最大额定压力。同样重要的是要注意，铝制热交换器只能处理较窄的pH范围，因此规格人员需要注意其应用范围应保持在该范围内。这意味着必须有一个有效的化学处理计划，以保持pH值中性。铝制热交换器仅用于低水量应用。

铸铁。 有时冷凝式锅炉可能配备铸铁热交换器。选择将起作用，具体取决于应用程序，但铸铁必须至少为?”厚。表面会生锈，但不会破裂，无论水温如何，铸铁热交换器的使用寿命通常都会很长。但是，遵循严格的操作和排污程序绝对至关重要，否则，您可能会使锅炉制造商的保修失效。

第五部分：风机盘管、泵和流量控制

在围绕传统非冷凝技术设计的系统中，冷凝锅炉无法正常运行。我们所说的“传统，非冷凝技术”是什么意思？回水温度高得多的系统。

在过去，大多数锅炉厂都是为给风机盘管提供180度甚至更高的供水温度而设计的。为了使供水温度远高于冷凝水平，回水温度也非常高，进水/回水Delta T仅约为20度左右。水的速度通常很高，并且由于水温高，盘管内部的传热表面可以减小。

对于冷凝式锅炉而言，情况并非如此，冷凝式锅炉需要130度或更低的回水温度才能冷凝（120度是良好的设计经验法则）。将回水温度降低到冷凝水平要求供水温度也要低得多-尽管实际设计温度可能更高，但在大多数情况下不超过140度。请记住，锅炉冷凝的水蒸气越多，它们的运行效率就越高，因此温度（供气和回水）越低越好。

调整风机盘管设计

在这些较低的温度和?Ts下运行的风机盘管将需要增加传热面积，以从供水中提取出所需的热量，以维持空间温度设定点。花费时间调整线圈设计（而且更好！）的工程师会发现，他们可能需要额外的线圈行来保持足够的热量传递。

当然，在传热方面，一种变化会带来另一种变化。风扇线圈内部表面积的增加意味着静压头的增加。您的风扇可能需要更大，功率更高。从好的方面来看，系统始终将在部分负载下运行（请记住，冷凝锅炉在部分负载下更有效地运行！），因此，流量较低的结果是泵的能耗会降低。

适当的流量控制

较低的流量需要进行另一项重要的设计调整：流量控制。标准的压力相关控制阀不适用于冷凝锅炉系统，因为它们在压力波动时无法保持稳定的流量。由于部分负荷操作的增加以及冷凝水锅炉系统中压力的波动很大，而且通常是这些高性能系统随附的变速泵，但往往不是这样。因此，应指定独立于压力的控制阀（PICV）。这些阀设计用于在空间需求发生变化时自动在内部重新定位，并保持精确的流量控制，直至非常小的负载。

部分负荷下更多的锅炉

最后，除了这些细微的调整外，冷凝式锅炉系统还应设计有多台锅炉，这些锅炉应在任何时间，尽可能长的时间内以部分负荷同时运行。随着负荷的增加，冷凝锅炉的效率将大大降低。但是，长期的运营节省已证明，对设备的这种额外投资（如果设计正确！）是完全值得的。

第六部分：冷凝锅炉的最佳应用

冷凝锅炉的应用与当今大多数节能HVAC策略以及ASHRAE 90.1 – 2010和2013的要求很好地吻合。新的和现有的锅炉厂已经成熟了冷凝技术的机会，并且可以在短短的2-3年内收回投资。

在这里，我们列出了冷凝锅炉的一些顶级应用，以及为什么它们在每种情况下都是不错的选择。

水源热泵（WSHP）

WSHP已成为许多多租户应用程序以及新的多区域学校设计的“首选”解决方案。WSHP通过回收某些空间中原本浪费的能源并在系统中的其他地方利用，来利用整个建筑物中每个空间的供暖和制冷需求。这样的系统由通过水回路互连的高效包装的反向循环热泵单元组成。郭鹏学暖通每个单元都满足其相应区域的空气舒适性要求。在寒冷的天气中，热泵通过设备的制冷剂-水同轴热交换器从水循环中带走热量，并将其传递到空气中。多余的热量通过冷却塔或闭路冷却器排出。

由于WSHP在低温（通常为60至90度）下运行，因此非常适合与冷凝锅炉一起使用。它们不仅操作效率更高，而且在相同的WSHP应用中不易遭受与非冷凝锅炉相同的维护问题。我们已经看到许多安装了传统非冷凝锅炉的WSHP，它们由于维护问题而困扰，因为热泵产生的较低温度的水会导致锅炉冷凝。进行这项工作的唯一方法是在排热器和锅炉之间安装带有回路设定器或恒温控制阀的旁通管线（图1），以使锅炉供水与锅炉回水混合以使其保持在130度以上。

安装冷凝锅炉并利用低回水温度的优势更加简单高效。WSHP不仅在理想的低温下运行，而且几乎总是在部分负荷下运行，这进一步提高了冷凝锅炉的效率。

图1

该系统没有冷凝锅炉，但是应该！请注意，旁通管线位于锅炉的进水和回水管线之间。对于WSHP应用中使用的非冷凝锅炉，这是必要的复杂性。旁路管线必须将热水和回水混合在一起，以使其保持在冷凝温度以上。

许多水力加热（和冷却）系统都将温度重置作为一种节省能源的方法。实际上，现在重置是ASHRAE 90.1 – 2010和2013的要求。唯一的例外是，重置应用会干扰供热，制冷，加湿或除湿系统的运行，或者使用可变流量泵作为替代方法。节约能源。

带温度复位功能的系统非常适合冷凝锅炉。

虽然这些系统可以设计成可供应180度的水，但是重置控制意味着它们将经常在180度以下运行。考虑在供暖季节室外温度达到50度时会发生什么，就像在我们国家的东南部经常发生的那样。在这些条件下，系统将根据指定的时间表自动重置，可能会降低到大约130度的供水量。郭鹏学暖通到水回到锅炉时，温度可能会达到110或120度-远低于冷凝阈值。这是非冷凝锅炉的问题，但是如果使用冷凝锅炉则是个好消息。使用冷凝式锅炉时，无需安装任何额外的管道或阀门即可保护锅炉免受低温水的侵害。此外，

重置系统改造的混合解决方案

对于当前包含两个或多个按重置时间表运行的非冷凝锅炉的系统，单个冷凝锅炉改造是一个完美的解决方案。由于锅炉的雨水，系统很可能已经遇到了维护问题。仅用冷凝锅炉代替一个非冷凝锅炉可以提高系统效率，并消除了这些维护问题。冷凝锅炉将被设置为变频锅炉，并且将始终在部分负载条件下运行。（图2）其他锅炉只有在室外空气温度达到峰值条件并且供水温度高于160左右时才会启动。

图2

这种“混合”解决方案的前期成本相对较低，具有极高的投资回收率和减少维护的潜力。

双温度或“ 2管”系统

曾经有一段时间，HVAC系统被设计为不进行加热或冷却。这些非常基本的系统使用一组通往系统的管道，根据季节，水可以通过锅炉加热，也可以通过冷却器冷却。（图3）

图3

我们仍然遇到这些系统，它们在冷凝锅炉中是一个很好的应用，因为它们有助于在加热和冷却模式之间进行转换。对于非冷凝锅炉，从供热切换到制冷，反之亦然，这是一个繁琐的任务，通常需要几天的时间。必须花时间和小心，以免将过热的水送入冷却器或将冷水送入非冷凝锅炉。但是，如果锅炉设计为冷凝式，那么在制热模式下您很可能会在较低的温度下运行，因此在打开冷却器之前，无需等待很长时间（如果有的话）使水冷却。。如果您从制冷模式切换到供暖模式，则不会浪费时间，因为锅炉将按照设计进行冷凝，效率只会提高。

辐射供热应用

辐射供热的应用是冷凝锅炉的又一重要应用，辐射供热的管道嵌在混凝土中或建筑物的地板正下方。这些系统通常在85至125度的供应温度范围内运行，因此，它们大部分时间总是冷凝并运行部分负荷。