论节能地暖及其实现途径

　　　“水力恒温单元”既解决了锅炉出口热水高温小流量、不适宜地暖低温大流量要求的问题，又能根据地暖负荷要求自动调节温度，是地暖系统的节能利器

文/颜惠平

按照我国建筑气候区划分，夏热冬冷地区的大致范围是四川、贵州、湖南、湖北、广西、广东、重庆、上海等15个省市自治区，面积180万平方公里，典型城市有成都、重庆、武汉、长沙、南京、杭州、上海等。这些地区冬季湿冷，日照偏少。特别是1月份，平均气温比世界上同纬度其他地区要低8-10℃，是世界上同纬度冬季最寒冷地区。

根据有关资料显示，这些地区每年冬季采暖负荷约2亿千瓦，耗电1460亿度（注：目前通常用壁挂炉等采用城市煤气和天然气，均可将热值化为用电量表达），接近于二个三峡电厂的年发电量。这些用电量中有一部分是地暖用的能量，并且这部分能量日益增长。因此，挖掘地暖系统节能潜力很有意义。

在许多人看来（包括许多安装工），做地暖就是排排管子，接接炉子，真的就这么简单吗？其实，地暖涉及的相关知识和学科不少。比如锅炉涉及燃烧理论；在地暖系统设计中，牵涉热能动力学、流体力学，还和各种材料的基本理论有关，所以千万别小瞧地暖系统。

目前，地暖系统的热源主要有二大类：

一类是集中供热。整个一幢楼或一个小区用大型燃煤或燃油、燃气锅炉集中烧制热水，通过热力管网输送到各用户，供给地暖应用。这种集中供热的方式在北方应用较为普遍。

　　　第二类是单元供热。即每套房子单独配置一台锅炉供热，在冬寒夏暖地区应用较多。

　　　下面笔者就冬寒夏暖地区单元供热的地暖系统中的一些技术问题做简要讨论。

　　　对单元供热的地暖系统进行分解，它主要由三大部分组成：

　　　①提供热量的锅炉，目前多数采用的是壁挂炉。燃气壁挂炉产生的热水，通常被用作洗浴等生活热水和用于循环加热的地暖热水。

　　　②配水系统，通过它将锅炉里产生的热水进行分配，输送到各采暖点。

　　　③地暖部分。

　　　燃气壁挂炉主要有以下几部分组成：

　　　（1）、燃烧器。主要是燃气喷嘴，燃气通过它喷出，同时吸引周围的空气和燃气混合，维持燃烧，产生所需要的热量；

　　　（2）、换热器。燃烧器中燃气燃烧产生的热量通过它交换给水以产生热水；

　　　（3）、风机。燃气燃烧时需要的空气依靠它补给，同时将废气排走。由经验公式计算：对于天然气过剩空气系数∝=1.05～1.1，理论空气量L0=1.105QDWY/1000+0.02,烟气量V0=1.18QDWY/1000+0.4,估算燃烧1立方的天然气需要10立方的空气，产生11立方的废气。

　　　例如一台24千瓦的壁挂炉，运行一小时约消耗2.6立方的天然气，就需要26立方的空气，产生28.6立方的烟气。这类壁挂炉在设计时风机按照28.6m3/h选定。在额定出力时，它的配置适宜。然而这类壁挂炉用在地暖时，由于地暖用水的温度要求低一些，它的负荷会减小，天然气消耗量也减少，但壁挂炉配的风机还是那样的风机，风量没有相应减少，排烟量也没有减少。这种低负荷运行对锅炉运行很不利，原因是：

① 送入的天然气少了，送入的空气没有减少，燃烧中心温度就会降低，燃烧会不稳定，导致燃烧不充分，排出去的可燃气体增加。其结果是能量损失增加，锅炉效率降低。

　　　② 燃气锅炉有一个重要的热损失是排烟热损失。排烟热损失，主要取决于烟气比热、排烟温度及排烟气量。由于排出的烟气都是由锅炉燃烧时吸入的空气在燃烧过程中氧气参与燃烧反应，本身被加热，比如，吸进来的空气是15℃，烟气排出时温度是120℃，排烟温度越高，排烟量越大，热损失就越大。显然，地暖用热水要求的温度低，出力相应降低，壁挂炉的有效热利用减少，损失的热量并没有减少，锅炉效率也就明显降低。

　　　③ 燃气燃烧时有水产生，燃烧1立方天然气会产生1.35公斤水，当烟气温度低于100℃时水蒸汽冷凝成水，冷凝水与烟气中的硫、空气中的氧发生反应会腐蚀设备。

　　　（4）、壁挂炉里都配置有一台水泵，水泵出力往往都是根据额定出力时炉内温升Δt=20℃来配置，水泵出力基本恒定，当外界地暖用水要求温度降低时，壁挂炉没有增加出水量的能力，只好降低出水温度，唯一的办法就是减少燃烧来减少供热，而没有比例调节燃气量的这类锅炉，只有用开、停供应燃气来运行，显然，锅炉的不断开停会增加不完全燃烧的损失，增加排烟损失，严重影响设备的安全运行。

　　　综上所述，壁挂炉要保持在额定工况下，也就是在额定出力、炉内热水温升Δt=20℃，出水温度（75～85℃）运行，当要求在低负荷、出水温度低温时，对其安全和效率都是极其不利的，应尽量予以避免。

目前存在的地暖难题

　　　国家住建部JGJ124-2000规定“地暖供水温度不应超过60℃。民用建筑供水温度宜采用35～50℃，供回水温差不宜大于10℃”。地暖系统在室内供热的多少主要取决于供水温度和管内热水的流量，如果达不到国家规定，对地暖系统的运行是很不利的。它表现在：

　　　①如果供水温度太高，而供回地暖水的温差太大，会影响地暖的舒适性；

　　　②通常在水中氢氧化钙的溶解度随温度升高而降低，水温升高时会有氢氧化钙沉淀析出；水中所存在的钙离子会与水中的二氧化碳反应析出碳酸钙沉淀；水中溶解的碳酸氢钙受热会分解析出碳酸钙沉淀。所以温度高对运行是不利的；

　　　③地暖供水温度超过60℃，地暖管寿命剧降。国家对热塑性塑料管的工作状况有明确规定，设计工作温度是60℃的热塑管，如果在60℃时的使用寿命是49年，它的最高使用温度为80℃，在80℃时使用寿命只有1年，如果到了95℃，它的使用寿命仅为100小时。所以地暖系统的供回温度超过规定是决不可取的。

地暖节能方向

　　　在地暖系统中，供应热量的壁挂炉只有在提供75～85℃、Δt=20℃热水的状态下工作，才是最合理的运行方式；而在地暖侧中所需要的是小于60℃、Δt=10℃的热水，并且还需根据负荷变化随时调节，也就是说壁挂炉供应的是温度高、流量小的热水，而地暖需要的是温度低、流量大的，两者之间的矛盾长时期以来一直没有很好的解决。

　　　（1）在温度问题上，降低壁挂炉的出水温度，会造成壁挂炉的效率降低，会影响它的安全运行。有人推荐冷凝炉，但冷凝炉的价格昂贵，而且在适应地暖系统时，对负荷变化的温度调节还不能很好适应。

　　　（2）地暖循环系统实际是一个闭式循环，各部位的水流量应该是均匀的，但在地暖系统中，壁挂炉设计的Δt=20℃，放热系统要求的Δt=10℃。换句话说，就是地暖要求的热水流量比壁挂炉的水量要大一倍。为解决这一矛盾，设想在系统里增加一只三通阀，再串联一个和壁挂炉相同参数的泵，但结果是供水温度可以降下来，流量并未增加，不能根本上解决问题。如果串联一只大功率泵则会因串联泵的出力过大破坏壁挂炉的工况，甚至造成加热器内热水流动过快，换热器过热，过热保护频繁，降低炉内换热器等主要设备寿命。

　　　（3）要合理解决这一问题必须从两方面着手：

　　　①在地暖的闭式系统中，通过配水系统将供热的壁挂炉侧与用热的地暖侧分隔开来，但又要将温度高、流量小的锅炉的出水的热量传送给低温大流量的地暖侧；

　　　②送给地暖侧的热量，要根据负荷变化情况进行调节。

　　　（4）目前解决方法有二个：

　　　①在两侧之间装板式交换器。可以用板式交换器将两侧分隔开来，根据地暖侧的负荷的需求，调节热水温度和水量。但系统增加的设备较多，占地较大，目前很少采用该方法。

　　　②在配水系统中安装“水力恒温单元”。“水力恒温单元”由一只四通的混水装置和二只旁路阀组合而成。在地暖侧，配置循环泵使热水流量满足需要；然后再在地暖侧进水点设置测温点。“水力恒温单元”根据该点温度自动调节供水温度。它可以让地暖侧里放出热量并降低温度的回水进入混水装置，根据需要，调节锅炉的高温水也进入混水装置，二者混合后达到所需的设定温度，然后进入地暖，多余的回水回到锅炉。

<水力恒温单元样品图>

　　　当回水温度高时，“水力恒温单元”将会自动调节，开大回水，同时关小锅炉出口的高温水，使二者混合后保持锅炉进水温度在设定范围内。

　　　当回水温度低时，“水力恒温单元”将会自动调节，关小回水，同时开大锅炉出口的高温水，使二者混合后保持锅炉进水温度在设定范围内。

　　　“水力恒温单元”有两只旁通阀，一只是锅炉侧的旁通阀，平时运行时打开，当地暖侧发生突然故障时，保持锅炉侧的外系统畅通，减少过热保护动作，保护设备。另一只地暖侧的旁路门可以根据负荷要求调节其流量，保证地面加热侧的热水流量达到系统需要。

“水力恒温单元”是配水系统最合适的节能产品

　　　“水力恒温单元”既解决了锅炉出口热水高温小流量、不适宜地暖低温大流量要求的问题，又能根据地暖负荷自动调节温度，是目前地暖系统的节能利器。“水力恒温单元”经上海市权威机构测定节能7%，荣获上海市节能产品称号，并在上海市大力推广。

　　（暖立方博友原创，转载请注明出处“暖立方+作者姓名”。本文作者为上海惠顿工贸有限公司董事长，擅长在工程项目中总结经验，研制新型节能产品。博客链接http://blog.n3.com.cn/home.php?mod=space&uid=18487）
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