家用采暖系統的一種簡易升級

于晨， 傅明星， 王瑜

（陜西理工學院機械工程學院，陜西漢中723000）

0 引言

隨著經濟社會的發展，人們對生活環境的要求也越來越高，希望冬天供暖、夏季供冷，且盡可能地減少資金投入。基于此，家庭用簡易采暖供熱系統應運而生。自20世紀80年代至今，一些學者從家用采暖燃煤鍋爐的結構、家用采暖系統結構、工作原理、能源充分利用、常見形式和注意事項等方面做了大量工作，很好地解決了部分沒有集中供暖的城鄉居民的冬季取暖問題［1-5］。

進入21世紀以來，保護環境的理念和深遠的影響逐漸深入人心，加之壁掛燃氣爐、太陽能集熱器、空氣源熱水器等熱源的面世，原來使用家用燃煤采暖的居民越來越多地開始升級他們的采暖熱源及系統，如熱泵與家用太陽熱水器聯合供熱系統，雙熱源小型家用供熱機組等［6-7］。但是，對于已經完成裝修的居民，特別是對于安居工程住宅或經濟適用住宅以及20世紀90年代初期以前建設的住宅（面積比較小）的居民來說，現代化的采暖供熱升級換代很難實現。一是沒有足夠的空間安置壁掛燃氣鍋爐或空氣能熱水器等相關設備，難以采用它們作為供熱熱源；二是改用燃氣鍋爐或空氣能熱水器供熱，其土建改造的工程量大成本也較高；三是有的住宅還沒有開通天然氣自然無法用燃氣鍋爐。為此，筆者對這一類家用采暖系統進行了基本型改進和節約型改進，能較好地解決上述問題。

1 家用采暖系統的基本型改進方案

家用采暖系統的基本型改進方案是以原有的家用燃煤鍋爐采暖系統為基礎，用電加熱微型鍋爐替代燃煤鍋爐，加裝管道循環泵實現升級換代。其突出的特點是微型電鍋爐作為熱源幾乎不占住宅的使用空間，又能充分利用原系統部件，簡便易行；不足的是電鍋爐加熱水沸騰時，會產生較燃煤鍋爐大的振動和噪聲。為降低電熱鍋爐的噪聲，同時又要有足夠的循環動力，必須在水系統增加了一個管道熱水泵，當然原來與大氣連通的膨脹水箱也必須改為密封水箱。較原來的燃煤采暖系統，改進后的系統除了微型電熱鍋爐、管道、膨脹水箱外，還增加了管道循環泵和相關的供電及控制系統。

1.1 微型電鍋爐及簡易的供熱水系統

本改進的核心是微型電鍋爐，其結構如圖1～圖3所示。圖1和圖2分別是微型電鍋爐的剖視圖和裝配結構圖，它由金屬外殼、循環水進出接口、電熱管、電熱管固定板、墊圈、接線保護罩等組成。具有結構緊湊、使用安全、安裝方便的特點。安裝時，先將電熱管固定在固定板上，再將其通過墊圈固定在電加熱器的外殼上，便于電熱管的清洗和更換。為保證電鍋爐運行安全、檢修方便，必須垂直安裝且進行保溫處理。

圖1 電加熱器剖視圖

圖2 電加熱器結構裝配示意圖

采暖系統改進后的結構如圖3所示。其中，閥門a、b、c分別是熱水泵、微型電鍋爐的檢修閥，閥門d是安裝在密封膨脹水箱上的高位排氣閥，閥門f、g、h是各房間是否供熱的開關閥。系統運行前加水排氣：所有閥門打開，最好在系統的底部增加自來水進水閥完成；正常工作時，閥門 a、b、c 全部打開，閥門 f、g、h 根據需要打開，電鍋爐加熱管道內循環水，熱水泵保證循環動力。

1.2 配電及控制系統

對于圖3所示的采暖系統的配電及控制十分簡單：按照電熱管、熱水泵的標稱功率配備線路和系統開關、電鍋爐及熱水泵的溫控開關，保證各開關容量特別是電熱管溫控開關容量大于電熱管標稱功率。系統開關可用具有漏電保護的空氣開關，熱水泵可用普通觸點開關，電鍋爐采用溫度控制開關，其感溫包固定在電鍋爐出口處，設定加熱溫度為85℃，確保系統不會因水沸騰而產生振動及噪聲。

圖3 基本改進型系統結構

2 家用采暖系統的節約型改進方案

為了降低家用采暖供熱的成本，有太陽能集熱水箱的居民可將太陽能熱水作為輔助熱源，當太陽能集水箱的溫度高于50℃時用太陽能熱水采暖以降低電加熱成本。由于人工難以及時完成對太陽能水溫的監測和兩個熱源的切換，需要增加部分可控電磁閥和相應的檢測控制系統。

2.1 節約型供熱水系統

在基本型改進的基礎上，再進行管道改造，容易得到以電熱為主、太陽能熱水為輔的供熱系統，其結構如圖4所示。

圖4 節約改進型系統結構

相對圖3所示的系統，一是增加了太陽能熱水水箱和相鄰的兩個閥門；二是增加了接入系統的自來水入口和出口閥門，前者用于采暖節能，后者用于夏天輔助降溫。其中閥門c、d、e是電磁閥。

供熱時，自來水入、出口的閥門j、i關閉，閥門a、b常開，閥門 f、g、h 同前。選擇電鍋爐供熱時，電磁閥門 d、e關閉，電磁閥門c打開，實現電熱水循環；選擇太陽能儲水箱為熱源時，電磁閥門d、e打開，電磁閥門c關閉，改由太陽能儲水箱的熱水循環，實現太陽能供熱節能的效果。兩個熱源的選擇與切換由控制系統自動完成。

夏天，閥門 a、b、c、d、e、k 全部關閉，閥門 f、g、h 同前。家庭需要的自來水先通過換熱器再進入消費環節，實現輔助降溫。

2.2 節約型改進的控制系統

供熱系統的目的是滿足舒適性的要求，而控制系統的任務則是在滿足舒適性要求的前提下是實現節能。圖5是控制系統的結構示意圖。

圖5 控制系統結構示意圖

控制器的核心是單片機，負責檢測電加熱器和太陽能儲水箱的溫度，記憶電加熱器工作狀態并控制開關動作。具體任務有：電熱器工作自動控制，當電熱器溫度低于40℃自動加熱，高于85℃停止加熱；循環泵工作自動控制，隨著系統加電便開始工作，若循環泵3 min之內入口的水溫差不超過1℃，說明熱源與散熱器溫度相同則自動停止工作；太陽能與電加熱切換自動控制，當太陽能儲水箱溫度高于60℃切換為太陽能熱水循環，低于40℃切換電熱水循環；報警控制，當電加熱處于工作狀態，電加熱溫度又低于40℃，則給出電熱管故障的提示，從而保證系統工作既能滿足舒適的要求，又能實現自動循環和節能。

經實驗運行兩年，該系統工作正常，效果滿意。

3 系統特點與效益分析

如前所述，該系統充分考慮了家庭供暖的各種需要，其熱源部分幾乎不占空間，安裝維護方便，電熱器的功率可選可控，保證供暖需求，而且還可以適當擴展功能。除了管道和散熱器部分，電鍋爐、循環泵和控制器總共投入不超過500元人民幣，而目前市場供應的燃氣鍋爐和空氣能熱水器一般都在8000元人民幣以上。

如果按照設備壽命為10a計，綜合考慮系統改進的初投資和運行費用，本文的改進系統與燃氣壁掛鍋爐、空氣能熱水器為熱源的改進系統相比，性價比基本相當。最大的優勢是沒有因室內安置燃氣鍋爐或空氣能熱水罐所產生的擁擠感，減少占用空間。

4 結論

本改進設計完備，方便安裝，效益明顯。既可以作為對家用燃煤鍋爐供熱系統進行改造，又可以作為新住宅的采暖供熱方案。但需要注意夏天輔助降溫要考慮結露的問題及本設計的供熱系統需要電力保障。

［1］ 張欣.家庭簡易暖氣［J］.建筑知識，1982（5）：24-25.

［2］ 張強.家用土暖氣的合理供熱［J］.農村實用工程技術，1991（3）：22.

［3］ 孫鵬.家用土暖氣的構造［J］.中小企業科技，2000（12）：19.

［4］ 曹亨嘉.住宅簡易節能供熱技術三項［J］.住宅科技，1991（4）：59-61.

［5］ 楊晚生，張艷梅.北方農村家用采暖方式及其技術要點［J］.可再生能源，2005（4）：59-61.

［6］ 諶先學，高文鋒，蘭青，等.熱泵與家用太陽熱水器聯合供熱性能試驗［J］.農業工程學報，2011（2）：272-275.

［7］ 呂帥，楊前明，丁鴻昌.基于PLC的雙熱源小型家用供熱機組設計［J］.太陽能，2014（9）：43-46.