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「供暖系统漫谈」为什么一组散热器比三组散热器还费气?

时间:2018-11-26    来源:博容节能    阅读数:
导读:本期来说说壁挂炉带散热器供暖系统中的末端装置——散热器,特别是壁挂炉连接的散热器选组对能源消耗的影响,我们将对其进行深入解析。
 
关于冬季采暖费用的问题,很多人会认为是壁挂炉导致费气的原因,但对于这个问题很难用一句话来说清楚。像贵州的一位用户使用壁挂炉连接散热器供暖系统,只用了一组散热器,但每个月的燃气费却高达1500元,后来开了三组散热器,其暖气费用反而更低,这是为什么呢?针对这个问题,这一期我们来谈谈背后的原因,以及如何设计壁挂炉的系统方案使其更节能。
 
有一些朋友可能有疑问:为什么做的项目面积差不多,用的壁挂炉和末端产品等也差不多,但客户反映的耗气量却相差很大?
 
一个典型的例子:某一用户家里安装了一台壁挂炉带6组散热器的简单供暖系统,用户反映在12月份一个月的耗气费用是800元,到了1月份突然变成了2800元,用户向暖通公司反映说壁挂炉坏了,要求更换一台壁挂炉,但暖通公司认为不可能,因为壁挂炉的效率是90%左右,即使出问题也不可能把效率降低到了20%。可用户家中确实使用了那么多然气,暖通公司没办法给客户解释,只好同意更换壁挂炉,结果更换了同样型号的新壁挂炉后耗气量还是一样大。
 
为什么呢?用户家里的采暖面积没变,散热器也没变,壁挂炉也没问题,为什么耗气量会相差3.5倍呢?
 
这个问题的根源在于我们没有分清楚壁挂炉的设备效率和系统效率的差别。壁挂炉的设备效率没变,各个品牌合格的产品几乎都差不多,但是系统效率可能相差数倍之多,而这个案例中的原因就是系统效率发生变化造成的。
 
设备效率:设备效率是在标准测试工况下,壁挂炉有效利用热量的能力。在壁挂炉产品上我们一般可以看到一个蓝色的标签,上面标称着不同级别的能效。如下图:
 
 
燃气壁挂锅炉效率的定义公式是:
 
η=Q1÷B×QDWy×100(%)
效率=锅炉有效利用热÷输入锅炉热量
 
式中,Q1表示锅炉有效热;B表示燃料的消耗量;QDWy表示燃料的应用基低位发热量。
 
 
壁挂炉效率是在稳定工况下测试得到的,代表壁挂炉燃烧效率。这个效率在能效测试报告中已经提供给我们了,即使三级能效至少要达到82%的效率,像北京地区强制的一级能效,其效率要达到95%以上。不同品牌的壁挂炉在设备效率上相差不大,同一台壁挂炉短时间内设备效率也很难有剧烈的变化。有些朋友会说,冷凝炉铭牌标识效率大于100%,这意味着壁挂炉利用的热量比天然气蕴含的热量还多,是不是标错了?其实没有标错,因为我们进行效率标注的时候是以天然气的低位发热值为依据的,相对于高位发热值,任何壁挂炉效率都是低于100%的。但对应高位发热值可以超过100%,在理论上冷凝壁挂炉的最高效率是109.2%左右。
 
燃气高位发热值:所谓高位热值是指一标准立方米CH4完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度,而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量QH=890943kJ/kmol,其热值为39842kJ/Nm³。 
 
燃气低位发热值:所谓低位热值是指一标准立方米CH4完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度,但烟气中的水蒸气仍为蒸气状态时所放出的热量QL=802932kJ/kmol,其热值为35906kJ/Nm³。燃气的高位热值在数值上大于其低位热值,差值3936kJ/Nm³为水蒸气的汽化潜热。在工业与民用燃气应用设备中,燃气中的水蒸气通常是以气体状态排出,因此实际应用工程中常用燃气低位热值进行计算。冷凝壁挂炉由于采用低温回水将烟气中的水蒸气进行冷凝,将其中蕴含的汽化潜热进行回收利用,因此效率比普通壁挂炉更高,通常在99%~109%之间,而普通壁挂炉不进行烟气冷凝回收,因此效率一般最高不超过95%。
 
壁挂炉的真实效率:如果按燃气的低位发热值为基础的话,冷凝壁挂炉真正的效率大概在90%~95%左右,常规壁挂炉的效率在75%~85%左右。但是,需要注意的是冷凝壁挂炉采用特殊材质的换热器及全预混技术燃烧器等,使冷凝产生,且收集水蒸气的潜热,但普通壁挂炉没有这些措施,因此需要严格防止冷凝现象的产生,否则会对换热器和壁挂炉火排等部件产生严重危害。避免普通壁挂炉产生冷凝现象的最重要手段是控制回水温度不低于烟气露点温度,一般天然气露点温度是55℃,这也是系统设计中需要考虑的问题。
 
系统效率:系统效率是在实际应用工况下,通过末端散发到用户室内的有效热量。
 
η″=Q2÷B×QDWy×100(%)
效率=系统有效利用热÷输入锅炉热量的百分数
 
式中Q2表示系统有效热;B表示燃料的消耗量;QDWy表示燃料的应用基低位发热量。系统效率是将热源、传输控制、末端结合在一起,在动态工况情况下系统获得的真实效率。因此,系统效率才是对用户有意义的,也是表征系统是否高效节能的重要依据。那么有一个问题:如果壁挂炉设备效率为90%,那为什么系统效率会很低?天然气燃烧的热量去哪里了?
 
系统效率最低可能是0:我们用下面这个例子说明一下壁挂炉的系统效率问题:
 
 
图中,壁挂炉通过一个板换与二次侧散热器,构成了一个供暖系统,在正常工作的时候壁挂炉产生的热量通过换热器进入二次系统,然后通过散热器散发到房间里。
 
在不考虑管道热损失的情况下,系统效率等于壁挂炉本身的设备效率,但是我们将二次侧水泵关闭,则末端不再散热,进入供暖系统的热量是0,这时壁挂炉会根据回水温度降低到一定程度,然后在壁挂炉执行前吹扫,再开始点火,由于输出的热水经过板换后没有降温就回到壁挂炉中,会使壁挂炉很快超温熄火,然后执行后吹扫,如此反复点火熄火。
 
在上面这个过程中房间没有得到一点热量,但是壁挂炉仍然在消耗燃气,从整个系统来说系统效率就是0。当然,这是一个极端的例子,在实际使用中很少会出现这种情况,但是既然系统效率可以是0,那么在实际运行中系统效率是10%、20%、50%等都是有可能的,这也可以解释为什么同一台壁挂炉在使用过程中耗气量会相差甚远的原因。
 
系统效率是如何降低的?
 
这个问题要从壁挂炉本身的工作特性上说起。壁挂炉有一个额定功率,指满负荷工作时能够输出的功率;还有一个最小功率,就是火焰能够稳定燃烧时输出的最小功率。对于常规壁挂炉来说,这个数值是额定功率的30%~40%,24kW的壁挂炉最小功率大概在7.2kW~9.6kW之间,也就是说壁挂炉只要点火至少要产生这么大的热量,然后再将这些热量靠水流及时带走,否则会导致出水温度过高出现超温停炉的情况。
 
 
一般壁挂炉的出水温度超过设定值5℃时则会熄火,当壁挂炉出水温度设定为75℃,温差20℃时,水温升高到80℃时熄火,回水温度低于55℃时点火,如果水流过小,点火后水流经过换热器将温升超过25℃,出水温度将达到80℃,这时壁挂炉会直接熄火。我们计算一下,按壁挂炉最低负荷7.2kW计算,则流量小于:7200/1.163/25=247.6L时,壁挂炉的出水温度直接超温,则不等热量送到末端壁挂炉将达到温度熄火,执行完吹扫后由于回水温度较低再次点火,如此反复频繁启停。
 
为了保证壁挂炉的安全性,每次壁挂炉点火前都要进行前吹扫,通过风机对壁挂炉炉腔进行换气,将里面残存的燃气带走,当然同时也将热量带走;每次熄火后要进行后吹扫,将炉腔里残存的燃气带走,同时也将热量带走,而这些带走的热量都没有进入到房间,所以对于系统效率来说是无效的热损失。正常情况下壁挂炉的效率是在严格限定的条件下测试满负荷并达到30%负荷下的效率得到的,测试状态下工况稳定,燃烧稳定,流量符合要求,没有扰动因素影响,也不会出现上述频繁启停的问题,因此效率相对稳定。但是如果系统设计不合理产生上述频繁启停后,则导致壁挂炉的热量无法送入系统,就被风机带走,从而导致房间能够有效利用的热量大大降低,那么既使壁挂炉非常费气,用户家里的室温还是不高。
 
 
为什么一组散热器比三组散热器还费气?
 
其实很多实际应用中,壁挂炉的耗气量高都是这个原因造成的:有一个客户家里的壁挂炉带了6组散热器,在暖通公司调试好之后,客户为了省钱只开启一组散热器,但是一个月下来发现燃气费达到1500元,便投诉到暖通公司,暖通公司则派技术人员去检查,连续测试了几天发现都是14h耗气量10m³,简单换算平均理论输出功率达到6kW,而这个房间安装的散热器,实际散热量只有1kW左右,也就是说每小时5kW的热量都被浪费了,真正的系统效率只有16%。客户向博容咨询后我们建议他开启三组散热器后再试试,结果经过几天的运行发现开启三组散热器后每14小时的耗气量反而降到9m³。该案例就是典型的因为流量不足而导致的耗气量异常升高,当开启三组散热器后避免了壁挂炉频繁的启停,提高了系统效率。
 
 
如何避免散热器供暖系统效率过低?
 
对于壁挂炉带散热器供暖系统来说,通常暖通公司会把各组散热器调好,所谓的调好就是通过回水阀的限制让每一组散热器都能热起来,调试的方式是阀门先全开,由远及近将最远的回水阀全开,越靠前开度越小,比如第一组回水只开启一点点。调试完成后告诉用户回水阀不要动,如果哪个房间不用了就把进水阀关闭,用的时候再开启。但恰恰是这个原因给暖通公司造成了大量的售后工作,也让业主承受了更高的采暖费用。
 
由于调试的时候需要开启所有散热器,所以壁挂炉流量是能够满足要求的,但是当用于使用时关闭部分房间甚至只开启一个房间时流量就可能低于壁挂炉最小流量,特别是如果用户只开启第一组散热器,且回水阀开度很小,通过的流量严重低于需要的流量会造成频繁启停,严重的时候热水根本到不了散热器末端,就会出现用户家中不热,但壁挂炉气耗还很高的现象。如果我们要求用户不管房间用不用供暖都要一直开着各组散热器也不合理,那么想要解决这个问题,就要改变散热器调试的方式。
 
 
散热器应该采用比例流量调节阀进行进水调节
 
1、选用针对散热器流量特性设计的比例流量调节阀作为进水阀调节流量平衡,回水阀只做开关之用,用户可以根据开启散热器组数来改变流量,避免流量过小问题。
 
2、当散热器开启组数较多时适当关小调节阀,避免流量失衡而导致的冷热不均;当散热器开启组数小于3组时将调节阀全开,即使只开启一路也可以实现全开保障最小流量。
 
3、壁挂炉配置一台无线温控器,放置在需要供暖的房间内,利用室温变化比较缓慢的特点,通过温控器减少壁挂炉的启停次数。
 
目前,适合用于散热器流量调节的温控阀不太多,博容公司的虎牢关温控阀可以实现上述目的。在使用散热器恒温阀的时候要特别注意,由于散热器需要将流量降低到额定流量50%以下时才能比较有效的降低散热量,因此恒温阀起作用的时候通过的流量很小,一般每小时只有几十公斤甚至十几公斤,很容易导致壁挂炉工作失常,结果达不到节能的效果,因此要谨慎使用,或者做好压差旁通阀等辅助措施。
 
 
如何避免地暖系统效率过低?
 
在地暖中常见的分室温控会造成同样的问题,如果壁挂炉直接带地暖建议不要做分室温控,或者保留两路不进行控制,避免出现流量过低的现象。常规壁挂炉如果通过混水装置带地暖,要特别注意混水装置的流量转换作用,因为其作用会让壁挂炉的流量更小,导致问题更加严重,因此要选择针对壁挂炉设计的专用混水装置,以提供足够的流量保障。无论对于散热器还是地暖如果进行分室温控等变流量、变负荷的控制,推荐中间加装缓冲蓄能水箱,通过水箱的水流去耦和热量存贮作用,避免壁挂炉出现上述问题,从而提高系统效率。
 
 
温控器对壁挂炉的节能作用
 
无论对于地暖还是散热器都强烈推荐加装温控器,因为可以有效的提高效率和室温舒适性,而且每一个壁挂炉配置一个无线温控器即可。温控器和壁挂炉的节能作用通过三个方面可以得到体现:
 
1、室温每升高1℃房间供暖能耗增加8%左右,通过温控器可以控制房间温度不超过所需温度,避免室温过高的情况。
 
2、当家里没人的时候或者晚上入睡后,可以通过降低室温获得节能,通过定时自动控制提前升温和降温,在保障舒适性的前提下降低能耗。
 
3、当室温达到设定温度后,温控器则可以控制壁挂炉停止工作,由于室温变化比较慢,直到温度降低到下限时才会再次启动壁挂炉,避免壁挂炉由于水温快速变化而出现的多次启停,进一步降低能耗。
 
综合上面三个方面的作用,一台温控器可以让壁挂炉实现30%的节能效果,是非常有价值的配件,应该作为每位用户的标准配置。
 
 
小结:
 
壁挂炉的节能要从提升系统效率考虑。我们往往将壁挂炉是否节能看做壁挂炉本身的问题,实际上壁挂炉在本身标准工况下的效率相差不大,但是在其实际运行过程中,由于外部工况超出设计工况,导致壁挂炉工作异常、整体系统效率大幅度降低,这才是壁挂炉费气的真正原因。对于费气问题,其实责任不应该是壁挂炉厂家承担,而应该是给用户设计和安装供暖系统的暖通公司承担。因此,做一个对客户负责任的暖通公司必须能够设计出高效稳定的供暖系统。
 
“供暖系统漫谈”系列由博容董事长申国强先生原创,首发于《地暖月刊》!

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