半容积式换热器储热效率评价及试验方法研究

邱建华 刘峰 应超

浙江省建设工程质量检验站有限公司

1 引言

带有冷温水滞水区的换热器，其滞水区水温一般在20 ℃-30 ℃之间，是细菌繁殖生长最适宜的环境。《建筑给水排水设计标准》（GB50015-2019）[1]明确规定，医院等病菌滋生繁殖严重的场所不得采用有冷温水滞水区的水加热设备，目前医院及其他对热水品质要求高的集中热水供应系统水加热设备多数选择半容积式换热器。它的工作原理是：通过提高内置换热器管内热媒与管外被加热水的流速，将层流换热转变为紊流换热，充分发挥换热管的热交换作用，大幅提高换热系数。它的工作流程是：内置换热器换热好的水经管路输送至换热器罐底，罐底的冷温水换热后向上流动，容器内贮存的全是高于系统回水温度的热水。理论上半容积式换热器不存在冷温水滞水区，容积利用率可达100%，当热媒受影响或停止运行时，换热器贮存的热水仍能在一定时间内平稳的供应。若换热器罐底没有导流稳流器等防死水装置，运行过程中冷温水换热不充分，则该区域或存在冷温水滞水区。

综上所述，半容积式换热器无冷温水滞水区是保证产品质量的关键因素，也是用户的选型依据，确定半容积式换热器无冷温水滞水区的评价指标及试验方法是亟待解决的问题。

2 评价指标

2.1 传热温差

传热温差分静态传热温差和动态传热温差，分别指换热器静态换热和动态换热过程中罐内顶部、中部和底部三者之间热水的最大温差。换热器罐底无冷温水滞水区，则换热时水温较低的罐底与罐内其他部位的温差应保持在一定范围。经实验统计，半容积式换热器罐顶、罐中、罐底之间的热水传热温差基本在15 ℃内。可将罐底、罐中、灌顶之间的传热温差作为判定冷温水滞水区的重要指标之一，根据《建筑给水排水设计标准》（GB50015-2019）[1]6.8.9 条对水加热器温度控制装置的要求，半容积式换热器的自动温度控制阀温级范围为±4 ℃，故要求静态传热和动态传热的最大传热温差均应不超过8 ℃。

2.2 热水输出率

热水输出率参照《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》（GB/T 21362-2008）[2]关于热泵热水机使用性能的定义，为额定条件下实际热水输出量同额定容积的比值。理论上无冷温水滞水区的半容积式换热器，容积利用率可达100%，可利用的热水量会更多，相应的热水输出率会更高。半容积式换热器与热泵热水机均属于水的加热储热设备。在相同的放热条件下，可将热泵热水机使用性能的要求作为半容积式换热器热水输出率的要求，即半容积式换热器的热水输出率不得低于65%。

3 试验方法研究

3.1 试验条件

1）温度测点布置要求。为了准确测量罐内各部位的温度，要求在罐顶、罐中、罐底分别布置温度测点。

2）热媒供水温度要求。换热器热水设计温度一般为50 ℃～60 ℃，热媒与热水的温差在20 ℃以上，故要求热媒供水温度应不得低于70 ℃，热媒温度过低会影响换热效果。

3）环境温度要求。换热器的保温性能受所处的环境温度影响，根据《商业及工业用及类似用途的热泵热水机》（GB/T21362-2008）[2]对热泵热水机使用性能的试验方法，测试环境温度要求控制在20 ℃±5 ℃。《家用和类似用途热泵热水器》（GB/T23137-2020）[3]对热泵热水器使用性能的试验方法，测试环境温度要求控制在20 ℃±2 ℃。两者对使用性能参数测试时的环境温度的要求基本一致，考虑到现场检测条件受限，半容积式换热器热水输出率测试的环境温度要求为20 ℃±5 ℃。

4）冷水供水温度要求。不同温度的冷水进水对换热器的换热效果也会产生影响，考虑到进水温度不好控制，要求尽量接近检测时的环境温度，且水温一般低于环境温度，故冷水供水温度要求为15 ℃±5 ℃。

5）流量控制要求。在热水出水口处安装流量调节阀门以控制放水流量。

3.2 试验方法

3.2.1 静态传热温差试验方法

在规定的环境温度条件下，将半容积式换热器注满15 ℃±5 ℃的水后关闭冷水进水阀。开启回水循环泵进行混水，使灌顶、罐中、罐底三个测点的温差在1 ℃以内，记录此时各测点的初始温度。然后开启热媒循环泵，稳定后每隔2 min 记录一次灌顶、罐中、罐底三个测点的温度，当罐顶测点温度达到设计温度时停止测量。计算每组数据中灌顶、罐中、罐底的平均温度T1、T2、T3，测点之间的静态传热温差ΔTji按下式计算：

式中：ΔTji—第i次测量时的静态传热温差，℃；T1i、T2i、T3i—分别为第i次测量时灌顶、罐中、灌底的平均温度，℃。

3.2.2 动态传热温差试验方法

当罐顶测点温度达到设计温度的±0.5 ℃时，打开冷水进水阀和热水出水阀，每分钟热水放水量分别调至额定容积的1%、2%、3%、4%和5%五档连续测量，每个放水量测试6 min，每2 min 记录一次罐内顶部、中部、底部三个测点的温度。计算每组数据中灌顶、罐中、罐底的平均温度T1、T2、T3，测点之间的动态传热温差ΔTdi按下式计算：

式中：ΔTdi—第i次测量时的动态传热温差，℃；T1i、T2i、T3i—分别为第i次测量时灌顶、罐中、灌底的平均温度，℃。

3.2.3 换热器热水输出率试验方法

热水输出率的试验方法参照《商业或工业用及类型用途的热泵热水机》（GB/T21362-2008）[2]中关于热泵热水机使用性能的测试方法。即换热系统补满水，换热器通过热媒换热至55 ℃±5 ℃后，关闭热媒循环泵，打开冷水进水阀门和热水出水阀门。将每分钟放水流量调为额定容积的3%，水流量允许偏差±水流。当罐顶温度降至比最高水温低10 ℃时，认为半容积式换热器储热失效，关闭冷水进水阀，停止试验。计算累积的热水放水质量或累积流量，并按下式计算热水输出率：

式中：μ—热水输出率，%；L—热水累积流量，L；mp—放出水的质量，kg；ρ—在平均放水温度下水的密度，kg/L；CR—换热器的额定容积，L。

4 测试案例

4.1 换热系统介绍

本次测试的换热系统由立式半容积式换热器、热媒循环泵、回水循环泵、管网及各类仪表阀门等组成。立式半容积式换热器设备型号为NBHRV-02-1.5，贮热罐额定贮水容积1.5 m3，换热面积5.9 m2。换热系统热媒水接自锅炉，罐内冷水经换热器换热后用于生活热水。热媒设计供回水温度95/70 ℃，换热器热水出水设计温度60 ℃。通过在灌顶、罐中、灌底设置的铂电阻记录试验时罐内不同位置温度的变化情况。换热系统组成及测点示意图见图1。

图1 换热系统组成及测点示意图

4.2 静态传热温差试验

试验前先启动回水循环泵混水，待罐内三个测点的水温稳定后，开启热媒循环泵开始换热，至灌顶温度达到60 ℃时结束测试，记录各测点的温度及温差。

从图2 可以看出换热器静态换热时灌顶、罐中、罐底三处测点的水温均能同步平稳上升，三处测点之间的最大温差为1.9 ℃，当灌顶温度达到设计温度60 ℃时，灌底温度为58.5 ℃。

图2 静态换热时罐顶、罐中、灌底温度变化曲线图

4.3 动态传热温差试验

当罐顶测点温度达到设计温度的60 ℃时，打开冷水进水阀和热水出水阀，通过热水出水口处安装的流量调节阀门，将放水量分别调至15 L/min、30 L/min、45 L/min、60 L/min、75 L/min 连续测量，每个放水量测试6 min，记录各测点的温度及温差。

从图3 可以看出换热器在不同的放水量动态换热时的灌顶、罐中、罐底三处测点的水温变化情况，其中底部的水温波动幅度较大，开始时受冷水进水的影响，温度稍有下降后逐步升温，当放水量加大时，水温又开始下降。中部和顶部水温几乎不受影响，逐步升温后成稳定状态，三处测点之间的最大温差为1.8 ℃。

图3 动态换热时罐顶、罐中、灌底温度变化曲线图

4.4 热水输出率试验

测试开始时罐顶温度为55.5 ℃，按45 L/min 固定水流量放热水，冷水进水温度为19.8 ℃，当罐顶温度降至45.5 ℃时，停止测试，记录各测点的温度及累积放水量。

当罐内顶部温度降至45.5 ℃时，热水累积放水量为1233 L，热水输出率为82.2%。从图4 可以看出，前3 分钟罐内各位置的水温均保持在50 ℃以上，然后罐底水温开始陡降，11 分钟中部水温开始陡降，24 分钟后顶部水温开始陡降。放热过程中罐体内的热水总体上按层流的形态推进。

图4 放热时罐顶、罐中、灌底水温的变化曲线图

4.5 试验结论

本次测试对象半容积式换热器最大静态传热温差为1.9 ℃，最大动态传热温差为1.8 ℃，热水输出率为82.2%。通过测试结果分析，该半容积式换热器换热效果好，且容积利用率高于普通的半容积式换热器，可以判定罐内不存在冷温水滞水区。

5 结论

本文通过对半容积式换热器的换热原理和类似产品性能指标的研究分析，提出了半容积式换热器无冷温水滞水区的评价指标、试验方法及判定标准。并通过实际案例测试验证了该评价指标的科学性与试验方法的可操作性，完善了半容积式换热器产品的质量评价方法。其他类似用途的水加热设备亦可参照本文提出的测试方法和评价指标。