新型供暖終端等流程暖氣終端機設計及優(yōu)化

侯平芹，劉 丹，姚文坤，孟菲菲

(臨沂大學建筑學院，山東臨沂276005)

當前的供暖主要有集中供暖和分散供暖兩種方式。至2010年，我國供暖建筑總面積超過100×108m2，供暖總能耗為每年1.56×108tce，其中有70 %的建筑采用集中供熱方式，其余為分散供暖[1]。

集中供熱模式下的散熱器以自然對流為主要換熱方式，一方面對室溫的提升相對較慢而又無法實現(xiàn)室溫的個性化調(diào)節(jié)，另一方面又存在供熱不均及供熱過量現(xiàn)象。造成過量供熱的主要原因有：(1)由于溫度調(diào)節(jié)困難，為了保證部分偏涼的房間不冷，只好加大供熱量，導致多數(shù)房間(或建筑)過量供熱；(2)氣候轉暖，不能對供熱系統(tǒng)及時調(diào)節(jié)，室溫過高而通過開窗散熱，使熱量白白散失[2]。在傳統(tǒng)的設計觀念中，由于害怕房間供熱不足而盲目增加散熱器片數(shù)，使散熱器安裝面積過大。根據(jù)實測和計算分析，目前集中供熱系統(tǒng)中有17 %～33 %的總熱量是由于過量供熱而造成浪費[3]，而分散供暖中的空調(diào)供暖又消耗了大量的電能。

為解決上述問題，配合目前積極推進的熱計量改革，吸納散熱器和空調(diào)的優(yōu)點，采用強制對流的“暖氣終端機”作為集中供暖的末端設備，可自由關啟和調(diào)控溫度，升溫速度快，高效、節(jié)能、舒適，滿足人們對室溫的差異性需求，從而在供暖方面實現(xiàn)建筑節(jié)能。

1 暖氣終端機設計

1.1 設計思路

通過對集中供暖模式下散熱器及水冷空調(diào)等空氣調(diào)節(jié)機的分析，結合散熱器、換熱器與空調(diào)的工作原理，使用空調(diào)的外殼，內(nèi)設以聯(lián)箱相連的一組銅制等流程盤管制成暖氣終端機，作為集中供暖的終端設備，與集中供暖的進出水管道組成一個供熱平臺，以熱源提供的熱水為介質(zhì)，通過風機使室內(nèi)空氣強制對流實現(xiàn)熱交換效果，并通過遙控操作實現(xiàn)間歇性空氣調(diào)節(jié)與集中或分戶采暖。

1.2 建立數(shù)學模型

暖氣終端機的散熱量：

Q1=εWmin(tg-tn)

(1)

(2)

ω=KF/Wmin

(3)

式中：Wmin為散熱器兩側流體的流體當量最小值，對于室內(nèi)散熱器，為散熱器中熱流體的流量當量，W/K；tg、tn分別為散熱器入口溫度與室內(nèi)溫度，℃；ε為有效系數(shù)；u為混合系數(shù)，取決于管網(wǎng)與建筑用戶的連接方式，簡單直接連接時，u=0,則ε=1/(0.5+1/ω)；ω為散熱器工況系數(shù)；K為散熱器總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；F為散熱器傳熱面積，m2。

建筑物采暖熱負荷：Q2=qv·V(tn-tw)

(4)

式中：qv為建筑物體積熱指標，W/(m3·K)；V為建筑物體積，m3；tw為室外溫度，℃。

根據(jù)熱平衡原理Q1=Q2，可得

(5)

(6)

1.3 暖氣終端機試制

等流程盤管采用多分路且進水至出水的管道距離完全相等的設計，可使盤管管道內(nèi)單位路徑的水流流程(包括壓力、溫度、流量)保持相等或平衡，其水流阻力是U形盤管的1/20，并通過科學的排氣系統(tǒng)設計，有效地排除了高溫熱水流動時因水流富含空氣氣泡造成的局部管路堵塞問題，使流于盤管內(nèi)的水達到最佳的流動速度，且單位面積熱交換效果保持相等或平衡。

暖氣終端機采用銅管鋁翅強制對流型散熱器設計，有效地解決了水流路徑不等、水流不均勻、水流不暢(氣泡阻礙)、 水流壓差(回流)、水流雜質(zhì)結垢造成的熱交換效果效率低下等問題，并使用空調(diào)靜音風機系統(tǒng)實現(xiàn)散熱器的強制對流散熱，徹底提高了蒸發(fā)器單位面積的換熱效率和換熱效果，使得空調(diào)技術應用于集中采暖供熱系統(tǒng)。

2 暖氣終端機性能優(yōu)化

試制過程中出現(xiàn)的個別問題并進一步提高暖氣終端機的性能，對其進行了性能優(yōu)化。試制時在焊接聯(lián)箱的過程中，距聯(lián)箱近的鋁翅片個別受熱熔化變形，為此主要構件選用高強度、耐高溫、抗腐蝕的LFT復合材料，解決了鋁翅片受熱變形的問題。

利用微電腦控制技術建立暖氣終端機的可視化智能控制系統(tǒng)，對于開關機和供暖溫度調(diào)節(jié)可實現(xiàn)遙控器操作，并可在線監(jiān)測室溫，紅外感知室內(nèi)人員有無情況，自動開關機。實現(xiàn)供暖末端的有效調(diào)節(jié)及運行過程的全動態(tài)最優(yōu)化控制。在寒冷季節(jié)機器閑置不用時，能保持系統(tǒng)正常工作，實現(xiàn)防凍功能，使機器不受低溫冰凍的影響，隨時可以正常使用。

3 結論及展望

經(jīng)過一個采暖期的運行，以暖氣終端機作為集中供暖的終端設備，室溫提升速度快，強制對流使得室溫均衡。可視化的操作系統(tǒng)更加方便快捷，在同一住宅樓取朝向相同，尺寸均為4.5 m×3.6 m×2.7 m的三個房間內(nèi)分別取四個監(jiān)測點進行測試，測試數(shù)據(jù)如表1及圖1。由測試數(shù)據(jù)可知，暖氣終端機達到設計溫度的時間較空調(diào)及地板輻射采暖所用時間短。

表1 空調(diào)、地板輻射采暖及暖氣終端機的檢測點

圖1 空調(diào)、地板輻射采暖及暖氣終端機的檢測點 到達設計溫度時間曲線

暖氣終端機適應廣泛，可作為終端設備可以直接裝在供熱管網(wǎng)使用，安裝與維修比暖氣片更簡單；可與壁掛爐、燃氣壁掛爐、燃煤暖氣爐、暖氣鍋爐配套使用；采用暖氣終端機作為中央空調(diào)配套的末端設備，不需吊頂，造價降低，安裝、維修與清潔也更為方便，并可實現(xiàn)真正意義上的分戶控制。

(感謝指導教師劉丹的指導)

[1] 楊凱，穆玉敏，史曉倫，等.北方采暖地區(qū)公共建筑能耗分析[J].建筑節(jié)能,2011，(3)：57-60

[2] 徐選才，程玉金.供暖居住建筑實用室內(nèi)評價溫度檢測及評價方法的探討[J].暖通空調(diào)，2009，39(10)：13-17

[3] 江億.北方采暖地區(qū)既有建筑節(jié)能改造問題研究[J].中國能源，2011,33(9):6-13，1258-1268