燃气热水炉在住宅采暖中应注意的问题

李冬梅

(北京炎黄联合国际建筑设计有限公司,北京 100190)

燃气热水炉在住宅采暖中应注意的问题

李冬梅

(北京炎黄联合国际建筑设计有限公司,北京 100190)

在燃气热水炉的设备选型中,其样本参数只提供额定输出热量和最小制热量,而涉及关键的参数(如供回水温度、流量、内置泵的扬程)并未标出。由于对设备本身的参数情况不清楚,导致设备选型不合理。通过对普通燃气热水炉和冷凝式燃气热水炉的详细分析,力求为热水炉选型提供指导。

燃气采暖热水炉；冷凝式燃气热水炉；混水装置

随着全国城镇化的推广,新建的住宅越来越多；在北方采暖区,居住小区在远离老城区的地方建设相当普遍,其中一些地方市政供热设施的进度跟不上住宅区的建设速度,相当一部分居住区入住后市政热力管网还未动工建设,因此在设计阶段就需考虑住宅采暖热源问题。

1 燃气采暖热水炉热负荷计算时应注意的问题

(1)根据文献[1]的要求,采用分户独立热源的辐射供暖系统,应考虑间歇运行因素。其间歇供暖修正系数如下：

表1 辐射供暖系统的间歇供暖修正系数

(2)户间传热：作为独立户式采暖系统,热水炉的运行时间各户不尽相同,而且热水炉一般由设在典型房间的温控器控制并采用启停运行模式,住宅上下左右的相邻房间均存在户间传热的可能。按文献[1]的要求,可按单位面积7w/m2计算。

(3)人体的舒适度受辐射影响比较大,在相同热舒适条件下的室内温度可比对流供暖时的室内温度低2℃。因此采用地面辐射供暖的房间,其室内采暖计算温度可比正常室内计算温度低2℃。

(4)当采用地面辐射供暖的房间高度大于4m时,应在基本耗热量和朝向、风力、外门附加耗热量之和的基础上,计算高度附加率。每高出1m应附加1%,但最大附加率不应大于8%。

此外,对于燃气热水炉的基本分类来说,可分为普通燃气热水炉和冷凝式燃气热水炉,普通燃气热水炉的额定供水温度在80℃,供回水温差为20℃,供水温度可在35℃～85℃调节,其最大额定供暖负荷为70kW。冷凝式热水炉低温额定供水温度为50℃,回水温度为30℃,其最大额定供暖负荷为70kw。这两种热水炉的内置循环泵的机外扬程约3m,循环泵的额定流量均按20℃温差设置。

2 普通燃气热水炉的应用分析

由于热舒适度高、不占用室内使用面积等优点,越来越多的住宅采用末端散热装置。但在采用热水炉作为热源时,应注意供回水温度的设计参数。根据文献[2]的要求,地热系统的供水温度宜为35℃～45℃,不应大于60℃,供回水温差不宜大于10℃,不宜小于5℃。也就是说,地热供水温度最高不应超过60℃。而从文献[4]中可知,热水炉的额定供水温度为80℃左右,回水温差20℃。因此热水炉的供水温度及供回水温差与地热采暖系统的供水温度及供回水温差不匹配。导致出现以下问题：

(1)如果热水炉的额定供水温度比地热采暖系统的最高供水温度还高,将会降低地热管材的使用寿命。地热管材设计使用寿命为50年,是基于地热供水温度在以下条件的综合使用寿命。

表2 地上管材的工作温度及使用时间

从上表可以看出,我们所说的在60℃以下运行50年并不是一直保持60℃恒温运行,而是不同温度下使用时间的累计：20℃、1.0MPa工作压力下的运行时间2.5年,40℃下运行20年,60℃下运行25年,70℃下运行2.5年,累计为50年。有些厂家资料有误导之嫌：材料里给出了通过110℃、1.9MPa、8720小时测试的数据,给人的感觉好像是地暖管道根本不怕热水,完全可以直接用在水温高达90度的集中供热供水环境中；对于保障长期稳定工作的实际水温要求语焉不详。据资料统计,在热水塑料管道系统中,使用温度连续超过设计温度10℃,相同使用压力下,使用寿命缩短2.5倍；反之,使用温度低于地暖设计温度10℃,相同使用压力下,使用寿命延长2.5倍。

(2)热水炉的额定供回水温差是地热系统的供回水温差的2倍,即热水炉提供的是小流量、大温差的供暖模式；而地热系统是大流量、小温差的状态。从供回水温差即流量方面来看,额定输出功率为18kW的热水炉,20℃的温差下额定流量为0.215kg/s；同样的流量,10℃的温差下地热盘管末端的有效输出功率为9kW。即假定地热在10℃的温差下,采用热水炉供暖,末端散热设备的散热量只有热水炉额定供热量的一半。室内负荷小于热水炉额定负荷一半的情况下,勉强还能运行。

(3)热水炉的供水温度可调范围一般为35℃～85℃,用地热盘管作为末端散热设备,往往是降低供水温度运行；但降低供水温度会引起采暖炉的烟气温度与热交换器形成较大的温度差,导致酸性冷凝水的产生,腐蚀燃气锅炉的金属元件,减少燃气炉使用寿命。根据文献[3]的数据,采暖炉回水温度低于58℃会导致烟气冷凝水的产生。降低供水温度的做法无论从节能降耗的角度看,还是从维持壁挂炉长期稳定运行来看都不是妥善的解决方案。

天然气在燃烧时需要空气,而且与空气量的多少成比例,空气量的多或少都会影响采暖炉的热效率。天然气的主要成分是甲烷。燃烧1Nm3的天然气,需要耗费2Nm3的氧气,由于氧气约占空气体积的21%,即需要9.5立方米标准空气量,这是理论计算需要的空气量,燃烧所需实际空气量要比理论空气量大。如果为了满足地热供水温度而降低热水炉出水温度,普通的采暖热水炉在降低热水供水温度时,由于没有燃气和空气比例的控制,只是减少了燃气供应量而没有相应地减少空气供应量,导致无效的空气量被加热到烟气排放温度,热量从烟气中白白排放掉,降低了热水炉的热效率。

(4)供水温度超过60℃,影响室内热舒适性。根据文献[1]的要求,在人员经常停留的地面,其地面平均温度在25℃～27℃,不得超过29℃。按住宅室内计算温度16℃计算(地板采暖室内设计温度可降低2℃),供回水温度按60/50℃,室内地面为水泥、石材或陶瓷面层,盘管敷设间距500mm,单位地面面积向上的供热量137.8W/m2,地表面平均温度计算如下：

Tpj=Tn+9.82×(q/100)0.969

Tpj——地表面平均温度(℃)

Tn——室内空气温度(℃)

q——单位地面面积向上的供热量(w/m2)

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

以上计算基于盘管铺设间距500mm,这个间距已经是文献[1]中盘管敷设的最大间距,计算得出29.35℃应是最低地面温度,还是超过了文献[1]允许的29℃。

(5)供水温度高,由于Ca离子随温度的升高其溶解度下降,水中溶解的Ca离子会析出形成碳酸钙沉淀,增加管道阻力。

但文献[1]只是提出原则性的技术要求,文献[2]提出宜在地热系统增设混水装置。因此,混水装置是燃气采暖炉+低温地板辐射采暖系统中解决供水温度高、满足末端散热流量并且符合采暖炉供回水温度的一项可靠而有效的技术措施。

3 冷凝式燃气热水炉的应用分析

目前冷凝式热水炉市场宣传推广有扩大和误导嫌疑：不管采用何种末端散热设备,选用冷凝式热水炉好似都能实现高效、节能。事实上,冷凝式热水炉的热效率要达到106%,不是在任何情况下都能实现,而是有一定使用条件的。

在标准状态下,1立方米纯天然气完全燃烧,需要2立方米氧气,产生1立方米二氧化碳和2立方米水蒸气。由于空气中的氧气含量约为21%,因此,1立方米天然气完全燃烧的过程需要9.5立方米的空气。按理论空气量计算,烟气在冷凝之前的总含水量等于空气中的含水量加上燃烧产物的含水量之和。根据文献[3],烟气排放温度被冷却到58℃时,冷凝水被析出,直至冷却至31℃被排放出去之前,都一直在生成冷凝水。实际燃烧1立方米的天然气所产生的烟气,其冷凝后产生的水蒸气体积为1.531立方米,质量约1.275千克。这些冷凝水在由气态冷凝成液态的过程中,释放出的热量约3051.01千焦。这就是被冷凝炉回收利用的冷凝潜热。除了回收利用冷凝潜热以外,烟气温度在下降的过程中也可以为冷凝炉节约部分热量从而使冷凝炉的热效率提高,这就是由于烟气温度降低而被利用的显热。

由此可知,冷凝式热水炉的高效率是建立在低温供回水的基础上,冷凝温度高于58℃,则不会产生冷凝水。一般的地板辐射采暖供水温度35℃～45℃,供回水温差10℃,完全符合冷凝条件。若采用散热器采暖,正常的供水温度为70℃～75℃,回水温度50℃～55℃,由于回水温度比冷凝温度最多低8℃,冷凝水不能完全析出,也就未能达到最高热效率。由文献[4]可知,冷凝式壁挂炉的最大热效率106%是建立在供回水温度50/30℃的基础上。

从以上结果定性分析可知,如果采用冷凝式热水炉+散热器组合,冷凝式热水炉不能达到其最大的热效率,散热器并不是合适的末端散热设备。如果采用冷凝式热水炉+地板辐射组合,中间不设混水装置的话,热水炉的额定供回水温差为20℃,地板辐射的供回水温差为10℃,仍然存在热水炉流量与地板辐射流量不匹配的问题。因此,冷凝式热水炉+地板辐射的采暖系统,仍需设混水装置。

4 结 论

(1)采用普通燃气热水炉作为热源,选用散热器作为末端散热设备是合适的。如果采用地板辐射采暖方式,则需设混水装置，否则存在以下问题：①热水炉供水温度高;②热水炉的供回水温差(20℃)与地板辐射采暖的温差(10℃)不匹配。

(2)采用冷凝式燃气热水炉作为热源,如果选用散热器作为末端散热设备是不合适的,因为散热器作为末端散热设备,需要热源提供较高的供水温度,由此采暖回水温度也高而这不能充分利用冷凝式热水炉的高效率。如果采用地板辐射方式,并设混水装置就能解决热水炉的流量与地板采暖系统的流量不匹配的问题,同时能使冷凝式热水炉在高效率状态下工作。

(3)不管是采用普通燃气热水炉还是冷凝式燃气热水炉,如果选用的热水炉额定热功率比室内负荷高得越多,则热水炉的回水温度比额定输出功率下的回水温度高得越多,从而使热水炉在低效状态下运行。因此在热水炉选型上应尽量使其额定输出功率与室内负荷相符。

[1]中国建筑科学研究院.JGJ142-2012 辐射供暖供冷技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社,2012.

[2]中国建筑科学研究院.GB50736-2012 民用建筑供暖通风与空调调节设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2012.

[3]张锡虎.工程设计问答(36)：户式燃气炉供暖[J].暖通空调,2014,44(5):79-82.

[4]国家燃气用具质量监督检验中心.GB 25034-2010燃气采暖热水炉[S].北京：中国标准出版社,2010.

10.13939/j.cnki.zgsc.2016.49.093

李冬梅(1976—),女,陕西人,毕业于长安大学,本科,现供职于北京炎黄联合国际建筑设计有限公司,工程师。研究方向：城市综合体及超高层建筑暖通空调设计及相关工作。近年来在国家级刊物发表相关学术论文2篇。