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1、减阻技术在集中供热及空调水输配摘要： 集中供热与空调系统在我国已经成为耗能大户，其中很大比例能耗消耗在水泵上以来输送热水或冷冻水、冷却水。减阻技术在集中供热及空调水输配系统的应用可以极大降低泵耗，从而具有广阔的节能前景。本文介绍了可用来降低泵耗的粘性减阻技术的减阻机理、减阻方法，并介绍了国、内外减阻技术在暖通空调领域的应用研究情况。 关键词： 集中供热 粘性减阻 水泵1 引言集中供热及中央空调系统在我国得以长足发展。截至2002年，中国城市集中供热面积达15. 6亿平方米，占房屋总面积的40%左右；城市高层建筑发展迅速，仅上海2000年建成的高层（8层以上）建筑已达3529幢，成为世界上高层建
2、筑最多的城市，高层建筑中商业建筑占很大比例，这些商业建筑几乎全部设有中央空调系统。集中供热与空调系统以成为耗能大户，其中集中供热、空调系统输配管网中水泵的能耗占有很大比例。集中供热系统水泵包括循环水泵、中继泵及补水泵，所有这些泵的电力消耗折合一次能耗有的高达总供热量的30.3%。空调系统水泵包括冷冻水泵及冷却水泵，国内多数的冷冻水系统由于存在各种各样的设计和运行问题，使得冷冻水泵的全年电耗往往达到冷机全年电耗的30、40甚至50。研究发现，不少系统中水泵的全年电耗已经接近冷机全年电耗的一半。根据目前的能源形势，节约用能，合理用能是我国必须坚持的长期国策。为此围绕集中供热及空调水输配系统的节能，
3、国内开展了广泛的研究，研究重点大多为输配系统的系统设计及运行调节方面。目前，我们已掌握了供热及空调水输配系统的动力学特征，很好的指导了输配系统的运行管理，并且已取得了显著的节能效益。为了进一步降低供热及空调水输配系统中水泵的能耗，必须进行更深层次的研究工作。考虑水泵的能耗是为了来克服水在热（冷）源、输配系统及用户末端流动阻力，则减小流动阻力即可进一步实现供热及空调水输配系统的节能目的。因此研究理想的减阻技术应用于供热及空调水输配系统具有重要的意义。2 流体输配减阻机理及减阻方法有关减阻的研究可追溯到 2 0世纪 3 0年代，但直到 2 0世纪 60年代中期，研究工作主要是减小表面粗糙度，隐含的
4、假设是光滑表面的阻力最小。2 0世纪90年代，湍流理论的发展，使得湍流减阻理论和应用取得了突破性的进展。就减阻技术讲，有肋条减阻、粘性减阻 (它包括柔顺壁减阻、聚合物添加剂减阻以及微气泡减阻等 )、仿生减阻、壁面振动减阻等。本文重点介绍可用于供热及空调水输配系统粘性减阻的减阻机理、减阻方法。2.1 粘性减阻机理粘性减阻就是通过或从外部改变流体边界条件或从内部改变其边界条件，依靠改变边界材料的物理、化学、力学性质或在流动的近壁区注入物理、化学、力学性质不同的气体、液体来改变近壁区流体的运动和动力学性质，从而达到减阻目的的技术。当粘性流体沿边界流过时，由于在边界上流速为零，边界面上法向流速梯度异于
5、零，产生了流速梯度和流体对边界的剪力。边壁剪力作功的结果消耗了流体中部分能量，并最终以热量形式向周围发散。边界面的粗糙程度，决定微观的分离和边界的无数小旋涡几何尺寸的差异，从而决定流体能量消散的差异和阻力系数的差异。如想达到粘性减阻，首先要实现壁的光滑减阻，就要改变层流边界层和湍流边界层中层流附面层的内部结构：1）减小层流边界层和层流附面层贴近边界处的流速梯度值和流体对边界的剪力，减小通过粘性直接发散的能量值，达到减阻。 2）增大层流边界层和层流附面层的厚度，从而达到减阻。2.2 粘性减阻的方法2.2.1 柔顺壁减阻分析发现，海豚和一些鱼类皮肤在海水压力下会分泌出一种油状液体，游泳时所受阻力大
6、大降低。据此，20世纪60年代Kramer制作出“人造海豚皮”进行了柔顺壁湍流减阻试验。他仿造出 “人造海豚皮”，用密封的橡胶包裹着细长型物体做成了弹性覆盖层，并用销钉将这一层固定在物体的表面上，在外套与物体之间的空间中充填不同粘度的液体，将这样物体放在水中作拖曳运动时，与同体型同尺寸的光洁硬壳模型相比，阻力就减小了。此后，许多学者深入进行了柔顺壁减阻理论与实验研究。2.2.2 微气泡减阻早在 1 8世纪人们就开始在船壳和水的边界之间注入一层空气，减小其表面摩擦力。但是，由于气液交界面的不稳定性，这种设想在实际中很难应用。微气泡减阻就是基于这种设想提出来的，它有效的避开了气液交界面的不稳定问题
7、。苏联、美国和日本的许多学者都采用了多孔壁面喷气的方法进行微气泡减阻试验。他们的实验结果表明，微气泡能够降低湍流边界层的表面摩擦阻力，局部阻力降幅可达 80 % 90 %。但是，上述试验结果在微气泡含量、气流喷射孔孔径以及水速对减阻效果的影响方面，不仅数据不一，而且存在许多矛盾之处。国内西北工业大学的宋保维等研究了边界层中的微气泡对平板表面摩擦阻力的影响，得到了 60 %左右的减阻。他们认为微气泡减阻的机理在于：位于边界层内的微气泡本身具有变形能，它把剪切力作用于流体的一部分功转为变形能而储存起来，从而减少了能量损耗，导致了减阻。2.2.3 聚合物添加剂减阻在牛顿流体中溶入少量长链高分子添加剂
8、，可以大幅度的降低流体在湍流区的运动阻力，减缓湍流的发生。它最早是Toms1947年在观察管内流动聚合物机械降解时发现的，故又称Tom效应。聚合物添加剂减阻是通过从液体内侧边界创造条件，以实现减阻。长链高分子聚合物添加剂能导致减阻的共同特点是：其额定分子量数量级都是高达百万的。关于聚合物添加剂减阻的机理自Tom效应问世以来，国，内外学者开展了大量的研究工作。迄今为止，虽然有了不少有关聚合物添加剂减阻的论著，但现有的理论还没有一种可以圆满解释减阻的系列特征，有待于进行深入的研究。人们重视高聚物减阻的研究，首先是因为这一技术具有很大经济价值，并有两个显著的特点：一是投入量少；二是减阻效果非常显著。
9、所以在国防、工业、交通和消防等领域具有广泛的应用前景，特别是长距离管道输送流体，应用这一技术将大大提高运输量，或节省输送能源的消耗。其次，由于高聚物减阻与湍流密切相关，减阻机理的研究，能促进湍流理论的发展。聚合物添加剂减阻由于方便实现，在很多领域得到了广泛的应用。尤其用在原油的输送中，可减少长输送管线的中间泵站，节约能源和设备，提高流量和缩短船只的在港停泊时间。例如美国的一条海底输油管线，直径0.356，年输能力800万桶，添加聚合物减阻剂后，减阻率达26%，输量提高了 18%，基本取消了驳船。现在世界各国几十个地区的30多条管线的原油或成品油输送使用了聚合物添加剂。此外，在医学上可以用来减少
10、血液流动的粘性摩阻，增大血流量，以治疗冠心病。在水射流技术方面，也可采用聚合物添加剂，以提高高速水射流的出口动量、切割能力、射喷量和射程。3 粘性减阻技术在暖通空调领域的应用暖通空调领域无论是供热中的热水还是空调中的冷冻水、冷却水其输送都需要消耗很大比例的泵耗，因此粘性减阻技术在该领域的应用具有可观的节能效益。粘性减阻技术在暖通空调领域应用研究在国外已有报道，而在国内研究还处于空白。鉴于输送热水及冷水管道系统的特点，合适的粘性减阻技术为聚合物添加剂减阻技术。早在1986年丹麦已经开始开展减阻技术在供热系统热水输送中研究工作。迄今为止，丹麦成功的研制了多种可用来输送热水及冷冻水、冷却水的高分子聚
11、合物添加剂，并且用于实际系统中。日本在这方面也开展了大量的研究工作，在很多供热、集中空调系统已经得以应用。川口靖夫研究组研究的高分子添加剂用于热水及冷冻水、冷却水输送系统中可降低一半以上的泵耗（试验测试结果），目前已处于商业推广阶段。4 结论节约能源消耗是人类一直追求的目标。减阻技术的应用可进一步降低供热及空调水输配系统水泵的能耗，同时可以提高水输送热量（冷量）的能力有助于减少输配管网的初投资。参考文献几种BCHP技术及其能源利用效率的简要分析摘要： BCHP是能量梯级综合利用的技术，对于解决我国面临的环境、能源问题有重要作用。本文对BCHP与传统空调用能方式的优缺点进行了分析，讨论了现有技术
12、条件下几种BCHP技术的性能和特点，对基于微型燃气轮机和燃气内燃机的BCHP技术进行了分析，结果表明，在目前的技术水平下，当”以热定电”时，燃气内燃机方案较微燃机方案的一次能耗要低。 关键词： BCHP 微型燃气轮机 燃气内燃机 以热定电1 引言能源、环境问题是中国实现可持续发展战略所面临的重大挑战之一，应对这一挑战，需要各行各业密切协作，在各自的领域里作出巨大努力，空调制冷业也不能例外。事实上近年来空调制冷业的发展，正在造成我国乃至全球能源、环境危机：空调用电不仅已成为城市能源消费最多的领域之一，还在夏季造成电网尖峰负荷，致使电力供应出现紧张局势；而空调在全球的使用也直接、间接地造成诸如大气
13、臭氧层破坏，温室气体排放，城市热岛1等环境问题。因此，解决能源、环境问题，空调制冷行业有着不可推卸的责任，理应有所作为和贡献。提高设备性能虽然是解决问题的一个重要方面，但在空调使用飞速增长的中国，仅仅这样还远不够，必须从提高整个能源系统效率的角度出发，研究提高空调系统用能的高效化、清洁化，有效降低空调制冷能耗，减少环境污染，这是一个不可忽视的领域1,2，而BCHP作为一种能量梯级综合利用的技术，可以在这方面发挥重要作用1,2,3，本文就几种BCHP技术的能效作一初步分析。2 BCHP的概念及其优越性BCHP即楼宇冷热电联产，是Building Cooling, Heating and Powe
14、r的缩写，其原理是：燃料（油、气等）先经热功或电化学过程转换为电力供建筑物使用，燃料发电后的余热则用于建筑物供热、空调等，如图1所示。而在传统的以电力为能源的空调系统中，高品质的能源在中国目前最主要的部份是煤首先以较低的效率被转换为“清洁的”二次能源电力，经输配电设施到建筑物，再经制冷制热设备转换为低品位的空调冷热源通常是冷水或热水，在此过程中能量不仅在质上贬值了高品位的能量被转换成了低品位的空调冷热水，且数量上也“减少了”：大部份排热因远离用户而作为废热与NOx、SO2、粉尘等污染物一起被排入大气，造成环境污染，如图2所示。比较上面两种空调用能模式可见，BCHP的用能方式具有诸多优点：用能合
15、理，实现了能量的梯级利用，减少了能量转化和利用过程中的不可逆损失；高效，燃料作功后的余热也得到充份利用；清洁，可使用天然气等清洁燃料；环保，燃气内燃机、燃气轮机、燃料电池均有低排放特点；分布式现场发电，提高供电可靠性。在当今中国，空调用电持续增加，而污染严重的矿物燃料煤又占能源消耗绝对多数比例，为缓解环境、能源问题，国家已启动了一系列天然气工程，预计未来天然气在能源消费中所占比例将有较大幅度提高。但我国是一个人均能源、资源稀少的国家，已探明天然气储量并不能满足国内能源需求，因此，应当尽可能高效、经济地使用，如BCHP，CCHP，DHC等等，使之在解决人口密集的城市的能源、环境问题方面有效发挥作
16、用。3 几种BCHP技术3.1 BCHP的系统构成根据其功能，BCHP系统可分为三个子系统：燃料电力转换及接入设备、空调冷热源热备、包括空气处理末端的空调系统。各子系统均有多种技术方案，各有特点。3.2 几种 BCHP技术方案的性能特点3.2.1 微型燃气轮机余热溴化锂机组方案此方案中，微型燃气轮机（出力300kW以下）发电后的余热被直接用以驱动吸收式制冷机，制冷量不足时可补燃以增加冷机出力。目前小型燃机发电效率在30以下，国外有数家公司有商品化机组，国内也已开始投入力量进行研发。吸收式机组国内外均有生产厂家。此方案系统较简单，且不用氟利昂制冷剂，与建筑用能匹配也较容易。3.2.2 燃气内燃机
17、余热投入型溴化锂机组方案在此方案中内燃机发电后的余热先进行回收，然后被导入直燃机用以预热溶液，减少燃料消耗量。燃气内燃机特别是带增压中冷的机组发电效率较高，目前在30-42间，依机组容量而异。冷（热）负荷较低时，也可仅以排热驱动制冷机。3.2.3 高温燃料电池余热溴化锂机组方案燃料电池是将燃料化学能直接转化为电能的装置，不受卡诺定律的限制，有很高的发电效率（50-79）。SOFC（固体氧化物燃料电池）和MCFC（熔融碳酸盐燃料电池）可直接以天然气作燃料发电4，不仅发电效率高，且排热温度高，可达750，用以驱动吸收式制冷机，可获得较高的能效比。此方案因发电效率高，排热相应较少，也需要补燃才可提供
18、足够冷量。3.2.4 燃气内燃发电机压缩式制冷这是一个无吸收式制冷技术的方案。燃气机除用以发电外，还可用以直接驱动蒸汽压缩式制冷机或热泵，也可以发电后驱动电动制冷机组，依建筑物需要而定。燃气机的余热可作各种用途，包括用于除湿干燥，这可以提高制冷机出水温度，使制冷机组能效比大幅提高；在热泵应用中则可以提高制热量，使之在外界环境温度下降时仍能维持一定的制热量。因燃气机热效率较高，这个方案的一次能利用效率也是较高的。除以上方案外，还可能有其它方案的组合，而其它技术如PAFC（磷酸型燃料电池）、PEMFC（质子交换膜燃料电池）也是合适的BCHP动力设备，在此不一一述及。下表列出了国内外知名厂家如康明斯
19、，卡特彼勒，宝曼等的发电机组所能达到的性能。由表可见，不同产品发电效率、余热品位（温度）相差较大，要分析与其相应的BCHP的能效，只有火用效率才是合理的指标1，但这在计算上有些不便，为使分析可行，本文将在一定的热（冷）、电负荷下进行不同方案的一次能消耗的分析比较。表1.几种动力转换设备的性能参数 项目参数内燃机外燃机微燃机*SOFC发电效率32-383015202550-60高温余热温度（）520/550/700制冷系数*1.0/1.0/1.25低温余热温度（）9050/9595/制冷系数*0.75/0.80.8/*理论估计值，根据直燃机高发温度160度、COP较高值为1.35推算得到。*某公
20、司热水型溴冷机数据。*见Bowman 公司产品介绍。4 两种BCHP技术的能效分析鉴于微型燃气轮机和燃气内燃机在目前是较成熟的技术，因此本文着重讨论基于这两种技术的BCHP技术：方案1 和方案4。设有一建筑物，其冷负荷为Qc，自发电负荷为W。则依方案1的能量转换方式可得：上式中，吸收式制冷机的性能系数；t燃气轮机发电效率；吸收式制冷机补燃功率。设补燃功率制冷量为总冷负荷的x倍，即，则设燃气内燃机发电效率为e，压缩式制冷机性能系数为，不考虑内燃机余热回收，则方案1的一次能消耗量及方案4的一次能消耗量分别为由于关于补燃的溴冷机的性能参数比较少，为便于讨论，现假设x=0，即不考虑补燃，建筑物冷负荷全
21、部由燃气轮机余热满足，这实际上是”以热定电”。以目前蒸汽压缩冷水机组的技术水平，高水平的螺杆机COPc可达5.2，离心机则可达7.0，这里取5.2。燃气内燃发电机效率取35%，代入表1的其它相关参数可得各方案的PE值，如表2所示，这里还未计入内燃机的可利用排热。由表2可见，在不补燃、不计入内燃机可利用排热的条件下，仅当微燃机效率大于25时，方案2.2.4的一次能耗才较方案2.2.1 为低，但由于此时余热温度较低，制冷性能系数低，为满足冷负荷要求，发电功率就将超出建筑自身负荷，需要向电网售电，而这将遇到很大阻力；此外若将内燃机的排热用于空调制冷，如干燥除湿等，则方案2.2.4的一次能耗仍将低于方案2.2.1，将另文进行分析讨论。表2. 两种方案的一次能耗比较 方案PE值方案2.2.16.67W5W4W方案2.2.45.97W4.6W4.18W5 结束语BCHP是能量梯级利用的新型能源、环境技术，其技术仍在不断发展，在目前及可预见的将来，有多种技术方案可供选择，其中基于内燃机的BCHP技术在某些情况下具有较高的一次能效率，且目前内燃机远较微燃机廉价，未来内燃机效率更将高达50（见美国能源部网站），因此可以预计将有更好的技术经济性能。看来，只有在准确地预计建筑物电、热负荷的基础上，在可行的技术条件下结合能源价格和政策进行综合优化才能得到技术、经济均为最佳的BCHP技术方案。参考文献