燃氣熱水爐在住宅采暖中應注意的問題

李冬梅

(北京炎黃聯合國際建筑設計有限公司,北京 100190)

燃氣熱水爐在住宅采暖中應注意的問題

李冬梅

(北京炎黃聯合國際建筑設計有限公司,北京 100190)

在燃氣熱水爐的設備選型中,其樣本參數只提供額定輸出熱量和最小制熱量,而涉及關鍵的參數(如供回水溫度、流量、內置泵的揚程)并未標出。由于對設備本身的參數情況不清楚,導致設備選型不合理。通過對普通燃氣熱水爐和冷凝式燃氣熱水爐的詳細分析,力求為熱水爐選型提供指導。

燃氣采暖熱水爐；冷凝式燃氣熱水爐；混水裝置

隨著全國城鎮化的推廣,新建的住宅越來越多；在北方采暖區,居住小區在遠離老城區的地方建設相當普遍,其中一些地方市政供熱設施的進度跟不上住宅區的建設速度,相當一部分居住區入住后市政熱力管網還未動工建設,因此在設計階段就需考慮住宅采暖熱源問題。

1 燃氣采暖熱水爐熱負荷計算時應注意的問題

(1)根據文獻[1]的要求,采用分戶獨立熱源的輻射供暖系統,應考慮間歇運行因素。其間歇供暖修正系數如下：

表1 輻射供暖系統的間歇供暖修正系數

(2)戶間傳熱：作為獨立戶式采暖系統,熱水爐的運行時間各戶不盡相同,而且熱水爐一般由設在典型房間的溫控器控制并采用啟停運行模式,住宅上下左右的相鄰房間均存在戶間傳熱的可能。按文獻[1]的要求,可按單位面積7w/m2計算。

(3)人體的舒適度受輻射影響比較大,在相同熱舒適條件下的室內溫度可比對流供暖時的室內溫度低2℃。因此采用地面輻射供暖的房間,其室內采暖計算溫度可比正常室內計算溫度低2℃。

(4)當采用地面輻射供暖的房間高度大于4m時,應在基本耗熱量和朝向、風力、外門附加耗熱量之和的基礎上,計算高度附加率。每高出1m應附加1%,但最大附加率不應大于8%。

此外,對于燃氣熱水爐的基本分類來說,可分為普通燃氣熱水爐和冷凝式燃氣熱水爐,普通燃氣熱水爐的額定供水溫度在80℃,供回水溫差為20℃,供水溫度可在35℃～85℃調節,其最大額定供暖負荷為70kW。冷凝式熱水爐低溫額定供水溫度為50℃,回水溫度為30℃,其最大額定供暖負荷為70kw。這兩種熱水爐的內置循環泵的機外揚程約3m,循環泵的額定流量均按20℃溫差設置。

2 普通燃氣熱水爐的應用分析

由于熱舒適度高、不占用室內使用面積等優點,越來越多的住宅采用末端散熱裝置。但在采用熱水爐作為熱源時,應注意供回水溫度的設計參數。根據文獻[2]的要求,地熱系統的供水溫度宜為35℃～45℃,不應大于60℃,供回水溫差不宜大于10℃,不宜小于5℃。也就是說,地熱供水溫度最高不應超過60℃。而從文獻[4]中可知,熱水爐的額定供水溫度為80℃左右,回水溫差20℃。因此熱水爐的供水溫度及供回水溫差與地熱采暖系統的供水溫度及供回水溫差不匹配。導致出現以下問題：

(1)如果熱水爐的額定供水溫度比地熱采暖系統的最高供水溫度還高,將會降低地熱管材的使用壽命。地熱管材設計使用壽命為50年,是基于地熱供水溫度在以下條件的綜合使用壽命。

表2 地上管材的工作溫度及使用時間

從上表可以看出,我們所說的在60℃以下運行50年并不是一直保持60℃恒溫運行,而是不同溫度下使用時間的累計：20℃、1.0MPa工作壓力下的運行時間2.5年,40℃下運行20年,60℃下運行25年,70℃下運行2.5年,累計為50年。有些廠家資料有誤導之嫌：材料里給出了通過110℃、1.9MPa、8720小時測試的數據,給人的感覺好像是地暖管道根本不怕熱水,完全可以直接用在水溫高達90度的集中供熱供水環境中；對于保障長期穩定工作的實際水溫要求語焉不詳。據資料統計,在熱水塑料管道系統中,使用溫度連續超過設計溫度10℃,相同使用壓力下,使用壽命縮短2.5倍；反之,使用溫度低于地暖設計溫度10℃,相同使用壓力下,使用壽命延長2.5倍。

(2)熱水爐的額定供回水溫差是地熱系統的供回水溫差的2倍,即熱水爐提供的是小流量、大溫差的供暖模式；而地熱系統是大流量、小溫差的狀態。從供回水溫差即流量方面來看,額定輸出功率為18kW的熱水爐,20℃的溫差下額定流量為0.215kg/s；同樣的流量,10℃的溫差下地熱盤管末端的有效輸出功率為9kW。即假定地熱在10℃的溫差下,采用熱水爐供暖,末端散熱設備的散熱量只有熱水爐額定供熱量的一半。室內負荷小于熱水爐額定負荷一半的情況下,勉強還能運行。

(3)熱水爐的供水溫度可調范圍一般為35℃～85℃,用地熱盤管作為末端散熱設備,往往是降低供水溫度運行；但降低供水溫度會引起采暖爐的煙氣溫度與熱交換器形成較大的溫度差,導致酸性冷凝水的產生,腐蝕燃氣鍋爐的金屬元件,減少燃氣爐使用壽命。根據文獻[3]的數據,采暖爐回水溫度低于58℃會導致煙氣冷凝水的產生。降低供水溫度的做法無論從節能降耗的角度看,還是從維持壁掛爐長期穩定運行來看都不是妥善的解決方案。

天然氣在燃燒時需要空氣,而且與空氣量的多少成比例,空氣量的多或少都會影響采暖爐的熱效率。天然氣的主要成分是甲烷。燃燒1Nm3的天然氣,需要耗費2Nm3的氧氣,由于氧氣約占空氣體積的21%,即需要9.5立方米標準空氣量,這是理論計算需要的空氣量,燃燒所需實際空氣量要比理論空氣量大。如果為了滿足地熱供水溫度而降低熱水爐出水溫度,普通的采暖熱水爐在降低熱水供水溫度時,由于沒有燃氣和空氣比例的控制,只是減少了燃氣供應量而沒有相應地減少空氣供應量,導致無效的空氣量被加熱到煙氣排放溫度,熱量從煙氣中白白排放掉,降低了熱水爐的熱效率。

(4)供水溫度超過60℃,影響室內熱舒適性。根據文獻[1]的要求,在人員經常停留的地面,其地面平均溫度在25℃～27℃,不得超過29℃。按住宅室內計算溫度16℃計算(地板采暖室內設計溫度可降低2℃),供回水溫度按60/50℃,室內地面為水泥、石材或陶瓷面層,盤管敷設間距500mm,單位地面面積向上的供熱量137.8W/m2,地表面平均溫度計算如下：

Tpj=Tn+9.82×(q/100)0.969

Tpj——地表面平均溫度(℃)

Tn——室內空氣溫度(℃)

q——單位地面面積向上的供熱量(w/m2)

Tpj=Tn+9.82×(q/100)0.969=16+9.82×(137.8/100)0.969=29.35℃

以上計算基于盤管鋪設間距500mm,這個間距已經是文獻[1]中盤管敷設的最大間距,計算得出29.35℃應是最低地面溫度,還是超過了文獻[1]允許的29℃。

(5)供水溫度高,由于Ca離子隨溫度的升高其溶解度下降,水中溶解的Ca離子會析出形成碳酸鈣沉淀,增加管道阻力。

但文獻[1]只是提出原則性的技術要求,文獻[2]提出宜在地熱系統增設混水裝置。因此,混水裝置是燃氣采暖爐+低溫地板輻射采暖系統中解決供水溫度高、滿足末端散熱流量并且符合采暖爐供回水溫度的一項可靠而有效的技術措施。

3 冷凝式燃氣熱水爐的應用分析

目前冷凝式熱水爐市場宣傳推廣有擴大和誤導嫌疑：不管采用何種末端散熱設備,選用冷凝式熱水爐好似都能實現高效、節能。事實上,冷凝式熱水爐的熱效率要達到106%,不是在任何情況下都能實現,而是有一定使用條件的。

在標準狀態下,1立方米純天然氣完全燃燒,需要2立方米氧氣,產生1立方米二氧化碳和2立方米水蒸氣。由于空氣中的氧氣含量約為21%,因此,1立方米天然氣完全燃燒的過程需要9.5立方米的空氣。按理論空氣量計算,煙氣在冷凝之前的總含水量等于空氣中的含水量加上燃燒產物的含水量之和。根據文獻[3],煙氣排放溫度被冷卻到58℃時,冷凝水被析出,直至冷卻至31℃被排放出去之前,都一直在生成冷凝水。實際燃燒1立方米的天然氣所產生的煙氣,其冷凝后產生的水蒸氣體積為1.531立方米,質量約1.275千克。這些冷凝水在由氣態冷凝成液態的過程中,釋放出的熱量約3051.01千焦。這就是被冷凝爐回收利用的冷凝潛熱。除了回收利用冷凝潛熱以外,煙氣溫度在下降的過程中也可以為冷凝爐節約部分熱量從而使冷凝爐的熱效率提高,這就是由于煙氣溫度降低而被利用的顯熱。

由此可知,冷凝式熱水爐的高效率是建立在低溫供回水的基礎上,冷凝溫度高于58℃,則不會產生冷凝水。一般的地板輻射采暖供水溫度35℃～45℃,供回水溫差10℃,完全符合冷凝條件。若采用散熱器采暖,正常的供水溫度為70℃～75℃,回水溫度50℃～55℃,由于回水溫度比冷凝溫度最多低8℃,冷凝水不能完全析出,也就未能達到最高熱效率。由文獻[4]可知,冷凝式壁掛爐的最大熱效率106%是建立在供回水溫度50/30℃的基礎上。

從以上結果定性分析可知,如果采用冷凝式熱水爐+散熱器組合,冷凝式熱水爐不能達到其最大的熱效率,散熱器并不是合適的末端散熱設備。如果采用冷凝式熱水爐+地板輻射組合,中間不設混水裝置的話,熱水爐的額定供回水溫差為20℃,地板輻射的供回水溫差為10℃,仍然存在熱水爐流量與地板輻射流量不匹配的問題。因此,冷凝式熱水爐+地板輻射的采暖系統,仍需設混水裝置。

4 結 論

(1)采用普通燃氣熱水爐作為熱源,選用散熱器作為末端散熱設備是合適的。如果采用地板輻射采暖方式,則需設混水裝置，否則存在以下問題：①熱水爐供水溫度高;②熱水爐的供回水溫差(20℃)與地板輻射采暖的溫差(10℃)不匹配。

(2)采用冷凝式燃氣熱水爐作為熱源,如果選用散熱器作為末端散熱設備是不合適的,因為散熱器作為末端散熱設備,需要熱源提供較高的供水溫度,由此采暖回水溫度也高而這不能充分利用冷凝式熱水爐的高效率。如果采用地板輻射方式,并設混水裝置就能解決熱水爐的流量與地板采暖系統的流量不匹配的問題,同時能使冷凝式熱水爐在高效率狀態下工作。

(3)不管是采用普通燃氣熱水爐還是冷凝式燃氣熱水爐,如果選用的熱水爐額定熱功率比室內負荷高得越多,則熱水爐的回水溫度比額定輸出功率下的回水溫度高得越多,從而使熱水爐在低效狀態下運行。因此在熱水爐選型上應盡量使其額定輸出功率與室內負荷相符。

[1]中國建筑科學研究院.JGJ142-2012 輻射供暖供冷技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社,2012.

[2]中國建筑科學研究院.GB50736-2012 民用建筑供暖通風與空調調節設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2012.

[3]張錫虎.工程設計問答(36)：戶式燃氣爐供暖[J].暖通空調,2014,44(5):79-82.

[4]國家燃氣用具質量監督檢驗中心.GB 25034-2010燃氣采暖熱水爐[S].北京：中國標準出版社,2010.

10.13939/j.cnki.zgsc.2016.49.093

李冬梅(1976—),女,陜西人,畢業于長安大學,本科,現供職于北京炎黃聯合國際建筑設計有限公司,工程師。研究方向：城市綜合體及超高層建筑暖通空調設計及相關工作。近年來在國家級刊物發表相關學術論文2篇。