1 引言
集中供熱及中央空調系統(tǒng)在我國得以長足發(fā)展。截至2002年，中國城市集中供熱面積達15. 6億平方米，占房屋總面積的40%左右；城市高層建筑發(fā)展迅速，僅上海2000年建成的高層（8層以上）建筑已達3529幢，成為世界上高層建筑最多的城市，高層建筑中商業(yè)建筑占很大比例，這些商業(yè)建筑幾乎全部設有中央空調系統(tǒng)。
集中供熱與空調系統(tǒng)以成為耗能大戶，其中集中供熱、空調系統(tǒng)輸配管網中水泵的能耗占有很大比例。集中供熱系統(tǒng)水泵包括循環(huán)水泵、中繼泵及補水泵，所有這些泵的電力消耗折合一次能耗有的高達總供熱量的30.3%。空調系統(tǒng)水泵包括冷凍水泵及冷卻水泵，國內多數的冷凍水系統(tǒng)由于存在各種各樣的設計和運行問題，使得冷凍水泵的全年電耗往往達到冷機全年電耗的30％、40％甚至50％。研究發(fā)現，不少系統(tǒng)中水泵的全年電耗已經接近冷機全年電耗的一半。根據目前的能源形勢，節(jié)約用能，合理用能是我國必須堅持的長期國策。為此圍繞集中供熱及空調水輸配系統(tǒng)的節(jié)能，國內開展了廣泛的研究，研究重點大多為輸配系統(tǒng)的系統(tǒng)設計及運行調節(jié)方面。目前，我們已掌握了供熱及空調水輸配系統(tǒng)的動力學特征，很好的指導了輸配系統(tǒng)的運行管理，并且已取得了顯著的節(jié)能效益。為了進一步降低供熱及空調水輸配系統(tǒng)中水泵的能耗，必須進行更深層次的研究工作。考慮水泵的能耗是為了來克服水在熱（冷）源、輸配系統(tǒng)及用戶末端流動阻力，則減小流動阻力即可進一步實現供熱及空調水輸配系統(tǒng)的節(jié)能目的。因此研究理想的減阻技術應用于供熱及空調水輸配系統(tǒng)具有重要的意義。
2 流體輸配減阻機理及減阻方法
有關減阻的研究可追溯到 2 0世紀 3 0年代，但直到 2 0世紀 60年代中期，研究工作主要是減小表面粗糙度，隱含的假設是光滑表面的阻力最小。2 0世紀90年代，湍流理論的發(fā)展，使得湍流減阻理論和應用取得了突破性的進展。就減阻技術講，有肋條減阻、粘性減阻 (它包括柔順壁減阻、聚合物添加劑減阻以及微氣泡減阻等 )、仿生減阻、壁面振動減阻等。本文重點介紹可用于供熱及空調水輸配系統(tǒng)粘性減阻的減阻機理、減阻方法。
2.1 粘性減阻機理
粘性減阻就是通過或從外部改變流體邊界條件或從內部改變其邊界條件，依靠改變邊界材料的物理、化學、力學性質或在流動的近壁區(qū)注入物理、化學、力學性質不同的氣體、液體來改變近壁區(qū)流體的運動和動力學性質，從而達到減阻目的的技術。
當粘性流體沿邊界流過時，由于在邊界上流速為零，邊界面上法向流速梯度異于零，產生了流速梯度和流體對邊界的剪力。邊壁剪力作功的結果消耗了流體中部分能量，并最終以熱量形式向周圍發(fā)散。邊界面的粗糙程度，決定微觀的分離和邊界的無數小旋渦幾何尺寸的差異，從而決定流體能量消散的差異和阻力系數的差異。如想達到粘性減阻，首先要實現壁的光滑減阻，就要改變層流邊界層和湍流邊界層中層流附面層的內部結構：1）減小層流邊界層和層流附面層貼近邊界處的流速梯度值和流體對邊界的剪力，減小通過粘性直接發(fā)散的能量值，達到減阻。 2）增大層流邊界層和層流附面層的厚度，從而達到減阻。
2.2 粘性減阻的方法
2.2.1 柔順壁減阻
分析發(fā)現，海豚和一些魚類皮膚在海水壓力下會分泌出一種油狀液體，游泳時所受阻力大大降低。據此，20世紀60年代Kramer制作出“人造海豚皮”進行了柔順壁湍流減阻試驗。他仿造出 “人造海豚皮”，用密封的橡膠包裹著細長型物體做成了彈性覆蓋層，并用銷釘將這一層固定在物體的表面上，在外套與物體之間的空間中充填不同粘度的液體，將這樣物體放在水中作拖曳運動時，與同體型同尺寸的光潔硬殼模型相比，阻力就減小了。此后，許多學者深入進行了柔順壁減阻理論與實驗研究。
2.2.2 微氣泡減阻
早在 1 8世紀人們就開始在船殼和水的邊界之間注入一層空氣，減小其表面摩擦力。但是，由于氣液交界面的不穩(wěn)定性，這種設想在實際中很難應用。微氣泡減阻就是基于這種設想提出來的，它有效的避開了氣液交界面的不穩(wěn)定問題。
蘇聯、美國和日本的許多學者都采用了多孔壁面噴氣的方法進行微氣泡減阻試驗。他們的實驗結果表明，微氣泡能夠降低湍流邊界層的表面摩擦阻力，局部阻力降幅可達 80 %～ 90 %。但是，上述試驗結果在微氣泡含量、氣流噴射孔孔徑以及水速對減阻效果的影響方面，不僅數據不一，而且存在許多矛盾之處。國內西北工業(yè)大學的宋保維等研究了邊界層中的微氣泡對平板表面摩擦阻力的影響，得到了 60 %左右的減阻。他們認為微氣泡減阻的機理在于：位于邊界層內的微氣泡本身具有變形能，它把剪切力作用于流體的一部分功轉為變形能而儲存起來，從而減少了能量損耗，導致了減阻。
2.2.3 聚合物添加劑減阻
在牛頓流體中溶入少量長鏈高分子添加劑，可以大幅度的降低流體在湍流區(qū)的運動阻力，減緩湍流的發(fā)生。它最早是Toms1947年在觀察管內流動聚合物機械降解時發(fā)現的，故又稱Tom效應。
聚合物添加劑減阻是通過從液體內側邊界創(chuàng)造條件，以實現減阻。長鏈高分子聚合物添加劑能導致減阻的共同特點是：其額定分子量數量級都是高達百萬的。關于聚合物添加劑減阻的機理自Tom效應問世以來，國，內外學者開展了大量的研究工作。迄今為止，雖然有了不少有關聚合物添加劑減阻的論著，但現有的理論還沒有一種可以圓滿解釋減阻的系列特征，有待于進行深入的研究。
人們重視高聚物減阻的研究，首先是因為這一技術具有很大經濟價值，并有兩個顯著的特點：一是投入量少；二是減阻效果非常顯著。所以在國防、工業(yè)、交通和消防等領域具有廣泛的應用前景，特別是長距離管道輸送流體，應用這一技術將大大提高運輸量，或節(jié)省輸送能源的消耗。其次，由于高聚物減阻與湍流密切相關，減阻機理的研究，能促進湍流理論的發(fā)展。
聚合物添加劑減阻由于方便實現，在很多領域得到了廣泛的應用。尤其用在原油的輸送中，可減少長輸送管線的中間泵站，節(jié)約能源和設備，提高流量和縮短船只的在港停泊時間。例如美國的一條海底輸油管線，直徑0.356ｍ，年輸能力800萬桶，添加聚合物減阻劑后，減阻率達26%，輸量提高了 18%，基本取消了駁船。現在世界各國幾十個地區(qū)的30多條管線的原油或成品油輸送使用了聚合物添加劑。此外，在醫(yī)學上可以用來減少血液流動的粘性摩阻，增大血流量，以治療冠心病。在水射流技術方面，也可采用聚合物添加劑，以提高高速水射流的出口動量、切割能力、射噴量和射程。
3 粘性減阻技術在暖通空調領域的應用
暖通空調領域無論是供熱中的熱水還是空調中的冷凍水、冷卻水其輸送都需要消耗很大比例的泵耗，因此粘性減阻技術在該領域的應用具有可觀的節(jié)能效益。
粘性減阻技術在暖通空調領域應用研究在國外已有報道，而在國內研究還處于空白。鑒于輸送熱水及冷水管道系統(tǒng)的特點，合適的粘性減阻技術為聚合物添加劑減阻技術。
早在1986年丹麥已經開始開展減阻技術在供熱系統(tǒng)熱水輸送中研究工作。迄今為止，丹麥成功的研制了多種可用來輸送熱水及冷凍水、冷卻水的高分子聚合物添加劑，并且用于實際系統(tǒng)中。日本在這方面也開展了大量的研究工作，在很多供熱、集中空調系統(tǒng)已經得以應用。川口靖夫
研究組研究的高分子添加劑用于熱水及冷凍水、冷卻水輸送系統(tǒng)中可降低一半以上的泵耗（試驗測試結果），目前已處于商業(yè)推廣階段。
4 結論
節(jié)約能源消耗是人類一直追求的目標。減阻技術的應用可進一步降低供熱及空調水輸配系統(tǒng)水泵的能耗，同時可以提高水輸送熱量（冷量）的能力有助于減少輸配管網的初投資。
參考文獻
（1）Jiri Myska, Vaclav Mik. Energy and buiding, 2003, 35: 813～819.
（2）田軍，徐錦芬，薛群基. 實驗力學，1997，12（2）：198～203.
（3）陳學生，陳在禮，陳維山. 高技術通訊，2000，12：91～95.
集中供熱及中央空調系統(tǒng)在我國得以長足發(fā)展。截至2002年，中國城市集中供熱面積達15. 6億平方米，占房屋總面積的40%左右；城市高層建筑發(fā)展迅速，僅上海2000年建成的高層（8層以上）建筑已達3529幢，成為世界上高層建筑最多的城市，高層建筑中商業(yè)建筑占很大比例，這些商業(yè)建筑幾乎全部設有中央空調系統(tǒng)。
集中供熱與空調系統(tǒng)以成為耗能大戶，其中集中供熱、空調系統(tǒng)輸配管網中水泵的能耗占有很大比例。集中供熱系統(tǒng)水泵包括循環(huán)水泵、中繼泵及補水泵，所有這些泵的電力消耗折合一次能耗有的高達總供熱量的30.3%。空調系統(tǒng)水泵包括冷凍水泵及冷卻水泵，國內多數的冷凍水系統(tǒng)由于存在各種各樣的設計和運行問題，使得冷凍水泵的全年電耗往往達到冷機全年電耗的30％、40％甚至50％。研究發(fā)現，不少系統(tǒng)中水泵的全年電耗已經接近冷機全年電耗的一半。根據目前的能源形勢，節(jié)約用能，合理用能是我國必須堅持的長期國策。為此圍繞集中供熱及空調水輸配系統(tǒng)的節(jié)能，國內開展了廣泛的研究，研究重點大多為輸配系統(tǒng)的系統(tǒng)設計及運行調節(jié)方面。目前，我們已掌握了供熱及空調水輸配系統(tǒng)的動力學特征，很好的指導了輸配系統(tǒng)的運行管理，并且已取得了顯著的節(jié)能效益。為了進一步降低供熱及空調水輸配系統(tǒng)中水泵的能耗，必須進行更深層次的研究工作。考慮水泵的能耗是為了來克服水在熱（冷）源、輸配系統(tǒng)及用戶末端流動阻力，則減小流動阻力即可進一步實現供熱及空調水輸配系統(tǒng)的節(jié)能目的。因此研究理想的減阻技術應用于供熱及空調水輸配系統(tǒng)具有重要的意義。
2 流體輸配減阻機理及減阻方法
有關減阻的研究可追溯到 2 0世紀 3 0年代，但直到 2 0世紀 60年代中期，研究工作主要是減小表面粗糙度，隱含的假設是光滑表面的阻力最小。2 0世紀90年代，湍流理論的發(fā)展，使得湍流減阻理論和應用取得了突破性的進展。就減阻技術講，有肋條減阻、粘性減阻 (它包括柔順壁減阻、聚合物添加劑減阻以及微氣泡減阻等 )、仿生減阻、壁面振動減阻等。本文重點介紹可用于供熱及空調水輸配系統(tǒng)粘性減阻的減阻機理、減阻方法。
2.1 粘性減阻機理
粘性減阻就是通過或從外部改變流體邊界條件或從內部改變其邊界條件，依靠改變邊界材料的物理、化學、力學性質或在流動的近壁區(qū)注入物理、化學、力學性質不同的氣體、液體來改變近壁區(qū)流體的運動和動力學性質，從而達到減阻目的的技術。
當粘性流體沿邊界流過時，由于在邊界上流速為零，邊界面上法向流速梯度異于零，產生了流速梯度和流體對邊界的剪力。邊壁剪力作功的結果消耗了流體中部分能量，并最終以熱量形式向周圍發(fā)散。邊界面的粗糙程度，決定微觀的分離和邊界的無數小旋渦幾何尺寸的差異，從而決定流體能量消散的差異和阻力系數的差異。如想達到粘性減阻，首先要實現壁的光滑減阻，就要改變層流邊界層和湍流邊界層中層流附面層的內部結構：1）減小層流邊界層和層流附面層貼近邊界處的流速梯度值和流體對邊界的剪力，減小通過粘性直接發(fā)散的能量值，達到減阻。 2）增大層流邊界層和層流附面層的厚度，從而達到減阻。
2.2 粘性減阻的方法
2.2.1 柔順壁減阻
分析發(fā)現，海豚和一些魚類皮膚在海水壓力下會分泌出一種油狀液體，游泳時所受阻力大大降低。據此，20世紀60年代Kramer制作出“人造海豚皮”進行了柔順壁湍流減阻試驗。他仿造出 “人造海豚皮”，用密封的橡膠包裹著細長型物體做成了彈性覆蓋層，并用銷釘將這一層固定在物體的表面上，在外套與物體之間的空間中充填不同粘度的液體，將這樣物體放在水中作拖曳運動時，與同體型同尺寸的光潔硬殼模型相比，阻力就減小了。此后，許多學者深入進行了柔順壁減阻理論與實驗研究。
2.2.2 微氣泡減阻
早在 1 8世紀人們就開始在船殼和水的邊界之間注入一層空氣，減小其表面摩擦力。但是，由于氣液交界面的不穩(wěn)定性，這種設想在實際中很難應用。微氣泡減阻就是基于這種設想提出來的，它有效的避開了氣液交界面的不穩(wěn)定問題。
蘇聯、美國和日本的許多學者都采用了多孔壁面噴氣的方法進行微氣泡減阻試驗。他們的實驗結果表明，微氣泡能夠降低湍流邊界層的表面摩擦阻力，局部阻力降幅可達 80 %～ 90 %。但是，上述試驗結果在微氣泡含量、氣流噴射孔孔徑以及水速對減阻效果的影響方面，不僅數據不一，而且存在許多矛盾之處。國內西北工業(yè)大學的宋保維等研究了邊界層中的微氣泡對平板表面摩擦阻力的影響，得到了 60 %左右的減阻。他們認為微氣泡減阻的機理在于：位于邊界層內的微氣泡本身具有變形能，它把剪切力作用于流體的一部分功轉為變形能而儲存起來，從而減少了能量損耗，導致了減阻。
2.2.3 聚合物添加劑減阻
在牛頓流體中溶入少量長鏈高分子添加劑，可以大幅度的降低流體在湍流區(qū)的運動阻力，減緩湍流的發(fā)生。它最早是Toms1947年在觀察管內流動聚合物機械降解時發(fā)現的，故又稱Tom效應。
聚合物添加劑減阻是通過從液體內側邊界創(chuàng)造條件，以實現減阻。長鏈高分子聚合物添加劑能導致減阻的共同特點是：其額定分子量數量級都是高達百萬的。關于聚合物添加劑減阻的機理自Tom效應問世以來，國，內外學者開展了大量的研究工作。迄今為止，雖然有了不少有關聚合物添加劑減阻的論著，但現有的理論還沒有一種可以圓滿解釋減阻的系列特征，有待于進行深入的研究。
人們重視高聚物減阻的研究，首先是因為這一技術具有很大經濟價值，并有兩個顯著的特點：一是投入量少；二是減阻效果非常顯著。所以在國防、工業(yè)、交通和消防等領域具有廣泛的應用前景，特別是長距離管道輸送流體，應用這一技術將大大提高運輸量，或節(jié)省輸送能源的消耗。其次，由于高聚物減阻與湍流密切相關，減阻機理的研究，能促進湍流理論的發(fā)展。
聚合物添加劑減阻由于方便實現，在很多領域得到了廣泛的應用。尤其用在原油的輸送中，可減少長輸送管線的中間泵站，節(jié)約能源和設備，提高流量和縮短船只的在港停泊時間。例如美國的一條海底輸油管線，直徑0.356ｍ，年輸能力800萬桶，添加聚合物減阻劑后，減阻率達26%，輸量提高了 18%，基本取消了駁船。現在世界各國幾十個地區(qū)的30多條管線的原油或成品油輸送使用了聚合物添加劑。此外，在醫(yī)學上可以用來減少血液流動的粘性摩阻，增大血流量，以治療冠心病。在水射流技術方面，也可采用聚合物添加劑，以提高高速水射流的出口動量、切割能力、射噴量和射程。
3 粘性減阻技術在暖通空調領域的應用
暖通空調領域無論是供熱中的熱水還是空調中的冷凍水、冷卻水其輸送都需要消耗很大比例的泵耗，因此粘性減阻技術在該領域的應用具有可觀的節(jié)能效益。
粘性減阻技術在暖通空調領域應用研究在國外已有報道，而在國內研究還處于空白。鑒于輸送熱水及冷水管道系統(tǒng)的特點，合適的粘性減阻技術為聚合物添加劑減阻技術。
早在1986年丹麥已經開始開展減阻技術在供熱系統(tǒng)熱水輸送中研究工作。迄今為止，丹麥成功的研制了多種可用來輸送熱水及冷凍水、冷卻水的高分子聚合物添加劑，并且用于實際系統(tǒng)中。日本在這方面也開展了大量的研究工作，在很多供熱、集中空調系統(tǒng)已經得以應用。川口靖夫
研究組研究的高分子添加劑用于熱水及冷凍水、冷卻水輸送系統(tǒng)中可降低一半以上的泵耗（試驗測試結果），目前已處于商業(yè)推廣階段。
4 結論
節(jié)約能源消耗是人類一直追求的目標。減阻技術的應用可進一步降低供熱及空調水輸配系統(tǒng)水泵的能耗，同時可以提高水輸送熱量（冷量）的能力有助于減少輸配管網的初投資。
參考文獻
（1）Jiri Myska, Vaclav Mik. Energy and buiding, 2003, 35: 813～819.
（2）田軍，徐錦芬，薛群基. 實驗力學，1997，12（2）：198～203.
（3）陳學生，陳在禮，陳維山. 高技術通訊，2000，12：91～95.
