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【供暖系统漫谈】地暖混水装置解决供暖系统问题中的应用

时间:2018-04-08    来源:博容节能    阅读数:
导读:在地暖舒适性分析中我们讲到,地暖是一种适合水温调节的供暖末端,而为地暖提供水温调节的工具最适合的就是地暖混水装置。那么地暖混水装置是怎么工作的,在供暖系统解决方案中的作用是什么,如何判断地暖混水装置的性能,如何选择合适的混水产品,本期和大家分享关于混水的话题。
 
地暖混水装置是这些年被频繁提起和广泛应用的一个产品,但是对地暖混水装置的作用并没有很清晰且系统的说明,行业里也有很多不同的理解,因此这次我们就来探讨一下混水相关的内容,因为地暖混水装置在构建供暖系统时是一个特殊的装置,用好地暖混水装置可以解决很多系统设计和应用的问题。
 
一、什么是地暖混水装置
 
地暖混水装置从名字上看就可以知道是将两种不同类型的水进行混合的设备,我们可以尝试给它一个更全面的表述:
 
地暖混水装置是一种工况控制转换设备,由混水阀、二次循环泵、驱动器、温度控制器等部分构成,用于将高低温流体进行有控制的混合换热,并获得介于高低温介质之间需要混合流体温度和热量的装置。
 
在暖通行业里地暖混水装置是将一次进水与二次回水进行有控制的混换热合,获得介于两者之间的需要水温和热量的设备,但是地暖混水装置的作用不仅仅是对水温的调节,在系统中还可以发挥多方面的作用。以地暖混水装置为核心构建的解决方案,与传统的通过流量分配平衡等方法构成的供暖系统相比具有简单、方便、自适应能力强的特性,不需要对压差流量进行平衡调节,即使是动态工况下也可以稳定工作,有效提高了系统的舒适性、节能性和安全性,也大大简化了复杂系统设计的难度。
 
二、地暖混水装置的工作原理
 
地暖混水装置包括管道、混水控制阀、温度检测装置、混水泵等部件构成,在混水泵的作用下二次回水经过混水控制阀与一次进水混合换热,混水控制阀根据温度检测装置,检测到混水温度控制二次回水与一次进水的混合比例,以确保获得系统所需温度的混合水和热量。
 
地暖混水装置包括降温型产品和升温型产品两种,降温型混水是指二次混合流体温度低于一次输入温度的设备,典型如地暖采用的地暖混水装置;升温型混水是指二次混合温度高于一次输入温度的设备,典型如辐射供冷设备中采用的地暖混水装置。
 
 
降温型混水原理图
 
图中一次高温水进入混水控制阀中,在水泵的作用下二次低温回水向上进入混水控制阀,与一次供水混合,温控器根据混合水温度调整高温进水和低温回水的混合比例,获得需要温度的混合水。
 
三、地暖混水装置输入输出特性及其作用分析
 
从上文表述中可以看出,地暖混水装置工作中体现出了以下几个方面的特性:
 
1、地暖混水装置可以获得介于进水温度和回水温度之间的任意水温,并且在一定范围内不受进水温度影响,将高低波动的进水温度转换成相对低但稳定的混水温度;因此地暖混水装置可以适应较宽范围的进水温度的工况,而且不影响末端效果。
 
2、进入地暖混水装置的一次水量用于实现与回水混合出设定的混水温度,一次进入多少水取决于末端散发的热量,当二次负荷或者流量变化的时候,为了满足混水温度的稳定性,地暖混水装置将自动调整一次进水量,因此地暖混水装置可以自动根据需要的负荷进行动态功率分配,不会多占用热量或者少占用热量。
 
3、进入混水的流量和一次压差无关,无论压差高低都是提供满足末端负荷需求的流量,因此地暖混水装置可以用于负荷的自动分配,解决系统压差不平衡的问题。
 
4、我们将与热源相连的管道称之为一次系统,将与末端相连的管道称之为二次系统,可以看出二次系统中循环的流量是一次进水量与二次回水量混合之和,当一次水温高于二次水温时二次流量低于一次流量,从而可以将较小的一次流量转换成较大的二次流量,以满足地暖、风盘等对二次流量要求较大的末端设备。
 
5、二次系统的循环动力由循环泵提供,与一次系统压差无关,因此我们可以用混水驱动满足二次系统对压差的需求。
 
四、地暖混水装置在供暖系统中的应用
 
1、用地暖混水装置解决热源和末端水温不匹配问题
 
A、常规壁挂炉热源适合大温差小流量工作,而地暖末端适合小温差大流量工作,所以在壁挂炉和地暖之间安装地暖混水装置后,能够让壁挂炉热源与地暖末端同时工作在各自适合的工况下,达到提高系统效率的目的。
 
B、地暖是一种适合通过改变水温调节散热量的供暖方式,在地暖中配置混水装置,根据房间热需求提供适合的水温,使之与房间需热量平衡,对于提升地暖舒适性和节能性具有重要的作用。
 
C、通过具有气候补偿功能的地暖混水装置,可以根据室外环境温度自动调整混水水温,在提高舒适性的同时具有良好的节能效果。壁挂炉用地暖混水装置选型注意事项:壁挂炉对于混水系统工作的稳定性要求较高,不恰当的选型可能会导致壁挂炉无法稳定、可靠的工作。
 
 
壁挂炉应该选择专用混水系统,对于地暖混水装置在温度和流量上的稳定性及压差上的适应性等方面的参数要求较高,还应该设置有避免低负荷壁挂炉工作失常的功能,特别是后面采用分环路温控的地暖,由于末端负荷变化大,导致混水的一次流量可能较小,耗散功率也很小,这种情况下壁挂炉可能会出现频繁启停的问题,如果混水工作性能不稳定壁挂炉可能会出现报故障的情况。
 
2、用地暖混水装置解决末端和热源流量不匹配问题
 
A、地暖混水装置在壁挂炉供暖中的应用
 
一台24kW的壁挂炉在标准工况下能提供的流量不足1t/h,如果配合高温差小流量特性的散热器末端,在25℃高温差下能够将壁挂炉的功率完全送到末端,满足200㎡~300㎡的供暖需求,但是用其直接带地暖时的流量只能满足100㎡的地暖需求,同时由于供水温度降低和温差降低到10℃以内,壁挂炉输出功率也会降低一半以上,无法带动更大面积的地暖。
 
 
在这种情况下为每组分水器配置一台地暖混水装置,让地暖混水装置对二次回水进行循环利用,以获得高于一次流量数倍的二次流量,并将高温差小流量的一次水转化成低温差大流量的二次水,这样一台24kW的壁挂炉同样能够满足200㎡~300㎡地暖的需求。
 
图3方案中壁挂炉直接带地暖流量不够,通过两台地暖混水装置增加地暖的流量,满足末端需求,同时壁挂炉可以在适合工况下工作。
 
B、地暖混水装置在集中供热地暖中的应用
 
在依据散热器温度和流量特性设计的集中供热中,直接带地暖时需提供更多的流量,同时降低进回水温差,因为当供水温度较高时会导致用户家里过热,形成浪费,也会增加管网的传输损耗,容易导致系统整体失衡。
 
因此在相关规范中建议集中供热地暖加装合适的地暖混水装置或换热装置。其作用如下:
 
1) 调整地暖水温,满足更加个性化的需求;
2) 促进地暖管道水流循环,降低管道温差,提供更舒适和节能的使用体验;
3) 可降低主管道流量需求,避免流量不足引起供暖不热;
4) 提高一次水温差,提高传输利用效率,降低输送损耗;
5) 降低主管道配置,可以用更细的管道满足供暖需求;
6) 满足用户对不同室温、水温的需求;
7) 通过混水的流量转换和温度控制降低一次管网的流量,提高温差,降低输送损失,同时提高用户舒适性,降低能耗损失。
 
 
3、用地暖混水装置解决双末端供暖中水温需求不同的问题
 
地暖混水装置在双末端应用中的作用:
 
当用户同时采用地暖和散热器供暖时,两种末端需要的水温不同,通过地暖混水装置供应两个末端水温,同时避免两个末端之间相互抢水的问题;这种应用要求混水调节性能稳定,避免出现壁挂炉故障或者散热器不热等现象。
 
 
4、用地暖混水装置解决供暖系统中压差阻力不平衡的问题
 
地暖混水装置在别墅等复杂供暖系统中的应用:
 
在构建复杂的供暖系统时,因为沿程管道阻力损失的影响,会导致不同的位置压差不同,从而加剧了系统失衡带来的问题,这也是造成系统效率低下的重要原因。
 
为了解决系统失衡问题,目前常用的方式是用静态平衡阀、动态平衡阀、恒流量阀、压差控制阀等设备进行调节和补偿,但是在这种方式下当末端流量和负荷进行大幅度变化时很容易出现问题,调试起来也比较困难。地暖混水装置是一个有源主动控制设备(水泵驱动),具有根据二次负荷自动补充一次能量的特点,这种补充并不会因为压差的变化而改变,因此在一次压差较高的时候混水仍能通过关小控制阀的方式将一次补充流量控制在需要的范围内。
 
另一方面,由于混水具有水泵,当一次压差较小甚至是零压差时,在水泵的作用下控制阀开启能够主动抽取一次流量满足二次负荷的需要,因此可以消除压差对于系统的影响。
 
相对于压差旁通阀等方式,这种方式更灵活可靠,在工况变化的时候适应性更强。
 
参看图3中两套分水器距离壁挂炉的位置不同,存在前面压差较大、后面压差较小的问题,而且管道长度不同沿程阻力也会不同,当采用地暖混水装置后每个供暖区域索取的热量只与自己的末端散热需求有关,利用地暖混水装置中的自动调节和功率、流量、压差平衡作用,避免功率分配失衡,以提供更好的使用效果。
 
5、用地暖混水装置解决水温波动对供暖系统的影响
 
在系统中因为调节和设备本身的特性导致水温、压力等方面的波动,这种波动会对系统中的设备和工况造成影响,比如热胀冷缩导致管道寿命降低和接头松动等问题。经过混水系统之后会将这种工况的波动进行隔离,为后面的系统提供一个相对稳定的工况,提高稳定性和安全性。
 
地暖混水装置在壁挂炉供暖中的应用:
 
首先,壁挂炉供暖系统中为了满足生活热水需求,主机选型通常较大,在供暖工况下处于间歇运行调节状态,因此即使设定一个壁挂炉出水温度,实际工作中壁挂炉出水温度上下波动可达20℃~30℃,这种温度的剧烈波动会对后面系统带来的舒适性和供暖设备的安全性等产生不利影响。
 
其次,通过加装地暖混水装置可以将这种波动降低到适合的范围。
 
 
从图6中可以看出,壁挂炉启停时出水温度在35℃~70℃之间波动,经过地暖混水装置后二次水温在35℃~42℃之间波动,波动幅度降低五倍,可以有效提高地暖的安全性。
 
五、如何选择壁挂炉独立供暖中的混水产品
 
经常有人说壁挂炉供暖中地暖混水装置不好用,感觉没有节能省气,甚至导致壁挂炉工作不正常,这里除了方案设计问题外,所选择的地暖混水装置性能不合适也可能是其中重要原因。
 
1、在壁挂炉独立供暖中,为了避免地暖混水装置在工作时给壁挂炉带来扰动而影响正常工作,因此对混水温度控制精度要求较高,要求在稳定工况下混水温度波动不超过±3℃。
 
2、壁挂炉可能会在间断状态下工作,因此地暖混水装置对水温稳定性要求较高,要求在进水温度变化30℃时出水温度变化<5℃。
 
3、壁挂炉需要保证最小流量才能正常工作,因此地暖混水装置需要具备当末端最小负荷的时候能够为壁挂炉提供最低流量保障,通常流量大于300kg/h,此项工作可控制调节。
 
4、当壁挂炉停止工作或再次启动工作后,地暖混水装置能够联动壁挂炉工作,因此地暖混水装置需要具备低温停止和高温启动的功能,以方便构建壁挂炉联动的方案。
 
5、地暖混水装置可以用于散热器的温度控制,以及负荷分配,因此混水温度设定范围要求在25℃~55℃之间。
 
6、为了在高压差下不失控,地暖混水装置对压差适应性不小于0.1kg/c㎡~1kg/c㎡范围。
 
7、为了满足末端高功率要求,地暖混水装置一次流量在0.2kg/c㎡压差下不小于700kg/h。
 
六、本章小结
 
地暖混水装置是供暖系统中非常特殊的一个设备,其核心作用是工况转换,理解和合理利用混水工况转换的功能可以非常方便地构建供暖方案,让复杂的工况变化问题简单化,提高系统稳定性、客户使用体验,降低售后成本,因此本章内容在应用中具有非常重要的意义。
 
本文由博容总经理申国强先生原创,首发于《地暖月刊》!

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