冷凝式與非冷凝式燃氣供暖熱水爐性能分析

蔡文俠, 李錚偉, 張騰騰, Stefan Bott

(1．同濟大學, 上海 201804; 2.威能(中國)供熱制冷環境技術有限公司, 上海 200023)

1 概述

上海屬于夏熱冬冷地區,大部分居民在冬季有供暖需求。張倩倩等人和李端茹等人[1-2]研究了夏熱冬冷地區住宅建筑的供暖方案,研究結果顯示,在未設置集中供暖的情況下,用戶選擇的供暖方式以家用分體式空調為主,隨著各種供暖技術的發展,熱泵機組、熱電聯產供暖以及燃氣供暖熱水爐等供暖方式也逐漸普及。陳煜等人[3]研究了燃氣供暖熱水爐的應用現狀,結果顯示燃氣供暖熱水爐具有系統簡單、設置靈活等優點,在中小型民用建筑中的應用尤其廣泛。

江億等人[4]研究了我國建筑領域的碳排放現狀,指出在我國碳中和政策背景下,建筑供暖設備的碳減排是建筑減碳工作的重點,燃氣供暖熱水爐作為直接燃燒燃氣進行供暖的設備,若使用不當將會造成能源的浪費以及建筑碳排放量的超標,還有可能產生一氧化碳、氮氧化物等有害燃燒產物,危害居民身體健康。

楊陽等人[5]研究了冷凝式燃氣供暖熱水爐(簡稱冷凝爐)性能特點,發現相比非冷凝式燃氣供暖熱水爐(簡稱常規爐),冷凝爐煙氣中的氮氧化物和一氧化碳濃度都明顯下降。王麗麗[6]和申國強[7]研究了冷凝爐的熱回收過程,發現排煙溫度由170 ℃降到50 ℃后,可以同時回收排煙中的顯熱和潛熱,能顯著減小排煙熱損失,熱效率可顯著提升。

盡管理論上冷凝爐的熱效率高于常規爐,但實際使用中,受到熱負荷波動、換熱不充分等因素影響,冷凝爐不能充分發揮其優勢。杭鑫等人[8]研究了冷凝爐的冷凝率與排煙溫度的關系,發現排煙溫度越高,冷凝率越低,并逐漸趨向于0。徐麥建等人[9]研究了冷凝爐在不同工況下的工作特點,發現冷凝爐在低熱負荷工作時容易出現意外熄火、燃燒噪聲等問題。冷凝爐實際應用性能還需進一步驗證。

本文以上海某住宅建筑作為實驗場地,選取位于同一棟樓的4樓、戶型相同的2套三室兩廳戶型為研究對象,2個用戶分別安裝冷凝爐與常規爐進行實驗,對比分析冷凝爐與常規爐用戶平均室內溫度、供回水溫度、燃氣消耗量及熱效率。

2 實驗設計

2.1 實驗用戶戶型

實驗用戶戶型見圖1。圖1中左側用戶采用冷凝爐供暖,右側用戶采用常規爐供暖。2個用戶建筑面積約為83.50 m2,層高2.8 m,供暖面積約為62.22 m2,2個用戶圍護結構、建筑熱工性能認為相同,均采用地面輻射供暖末端。客廳作為測試房間,面積約15.80 m2。住宅建筑2018年建設,未申請節能認證。

圖1 實驗用戶戶型

2.2 實驗設備

冷凝爐與常規爐供暖流程見圖2。供暖時,供暖回水在燃氣供暖熱水爐內置水泵作用下吸收來自燃燒室煙氣的熱量后,流經供水管道、分水器,進入各地面輻射供暖末端,之后經集水器及回水管道回到燃氣供暖熱水爐,完成循環。冷凝爐與常規爐性能參數見表1。實驗測量參數及測量儀器見表2。

表1 冷凝爐與常規爐性能參數

表2 實驗測量參數及測量儀器

圖2 冷凝爐與常規爐供暖流程

實驗參數使用可編程邏輯控制器(PLC)進行采集和傳輸。數據每1 s采集1次,采集后數據以電信號的形式通過導線傳輸到PLC,在其內部通過bacnet協議轉化后經網線傳輸到網關,由網關集成后傳輸到云平臺數據庫。

a.室內溫度測量

在客廳對角線交叉點位置,垂直布置6個T型熱電偶,測量室內溫度,6個T型熱電偶距離地面高度分別為0、44、88、133、171、221 cm。

b.室外溫度、室外相對濕度測量

在室外布置1個溫濕度傳感器,測量室外溫度、室外相對濕度。

c.供水流量、供回水溫度、熱量測量

在供暖供水管道上安裝1塊超聲波熱量表,測量供水瞬時流量、累計流量以及累計熱量。

d.燃氣消耗量測量

在燃氣管道上安裝1塊G2.5型膜式燃氣表,測量燃氣消耗量。

2.3 實驗步驟

通過溫度控制面板,設置不同時段目標溫度(見表3),然后設置供暖熱水爐運行模式為自動模式,供暖熱水爐按表3設置參數自動運行。接通PLC電源,開始數據采集。

表3 目標溫度

2.4 數據采集結果

實驗中,除了采集室外溫度和室外相對濕度外,每套系統均采集供水瞬時流量、供水累計流量、累計熱量、供水溫度、回水溫度、燃氣消耗量,以及室內溫度。

3 數據分析

3.1 平均室外溫度

測試時間為2021年12月21日00:00到2021年12月28日24:00,共8 d的數據。2021年12月21—28日平均室外溫度見圖3。12月24日平均室外溫度最高,為13.37 ℃,12月27日平均室外溫度最低,為5.01 ℃。

圖3 平均室外溫度

3.2 平均室內溫度

選擇距離地面高度為171 cm測點溫度為室內溫度。測試時間內,6:00—22:00該測點的平均溫度為平均室內溫度。冷凝爐和常規爐用戶平均室內溫度見圖4。

圖4 冷凝爐和常規爐用戶平均室內溫度

選擇12月21日作為典型日,從12月21日00:00開始,以15 min為間隔,采樣室內溫度(距離地面高度為171 cm測點溫度)與室外溫度,得到冷凝爐和常規爐用戶室內溫度與室外溫度散點圖,見圖5。

圖5 冷凝爐和常規爐用戶室內溫度與室外溫度散點圖

從圖5可以看出,0:00—6:00時段,目標溫度設定為15 ℃,雖然室外溫度較低,但冷凝爐和常規爐均未開啟,室內溫度處于不斷下降狀態。

6:00開始,冷凝爐和常規爐均開始工作,室內溫度逐漸上升至21 ℃左右,15:00后隨著室外溫度下降,常規爐用戶室內溫度開始下降,下降至一定程度后再次上升;冷凝爐用戶室內溫度一直處于穩定水平,直至22:00室內溫度才開始下降。

綜合以上分析,冷凝爐用戶室內溫度波動小,舒適性較高,冷凝爐對室內溫度的控制優于常規爐。

3.3 熱輸出及供、回水溫度

① 熱輸出

燃氣供暖熱水爐運行時,常規爐供水流量保持在0.48 m3/h左右,而冷凝爐供水流量保持在0.55 m3/h左右,兩者相差較小,燃氣供暖熱水爐熱輸出主要由供回水溫差決定。測試時間內,常規爐與冷凝爐熱輸出變化見圖6。

圖6 常規爐與冷凝爐用戶熱輸出變化

由圖6可以看出,常規爐基本每天啟停2次,啟動時熱輸出較高,然后逐漸降低,持續運行到停機。

21—24日,冷凝爐每天啟停次數較多,25—28日,冷凝爐每天的啟停次數明顯減少,25—28日6:00—22:00冷凝爐基本處于持續穩定運行狀態。這是因為21—24日平均室外溫度較高,用戶熱需求較低,因此熱水爐熱負荷低于熱負荷最小值,導致啟停次數增加。

測試時間內,冷凝爐熱輸出略小于常規爐。

② 燃氣供暖熱水爐供回水溫度

選擇12月21日作為典型日,從12月21日0:00開始,以15 min為間隔,采樣常規爐與冷凝爐供回水溫度,分別見圖7、8。

圖7 常規爐供回水溫度

圖8 冷凝爐供回水溫度

對比圖7、8可以看出,常規爐供水溫度較高,基本保持在50 ℃;冷凝爐供水溫度較低,在35～38 ℃范圍內波動。

3.4 燃氣消耗量及熱效率

① 燃氣消耗量

測試時間內,常規爐燃氣消耗量為54.20 m3,冷凝爐燃氣消耗量為37.02 m3。冷凝爐燃氣消耗量低于常規爐。

② 熱效率

燃氣供暖熱水爐熱效率計算式為:

式中η——燃氣供暖熱水爐熱效率

Q——有效利用的熱量,MJ

Hi——燃氣低熱值,MJ/m3,取35.98 MJ/m3

V——燃氣消耗量,m3

測試時間內,統計每日燃氣消耗量及有效利用的熱量,計算每日冷凝爐與常規爐熱效率,見圖9。

圖9 每日冷凝爐與常規爐熱效率

由圖9可知,冷凝爐熱效率在105%左右波動,常規爐熱效率在80%左右波動,冷凝爐熱效率高于常規爐,且均在100%以上。

4 結論

① 冷凝爐用戶室內溫度波動小,舒適性較高,冷凝爐對室內溫度的控制優于常規爐。

② 冷凝爐熱輸出略小于常規爐。

③ 冷凝爐熱效率高于常規爐。