节能可控式分户暖气片热量计量系统方案

李旺++马永志++栾晓文++樊明珠

摘 要：提出了一种节能可控式分户暖气片热量计量系统（HRHCS），该系统集成了分户暖气片热计量技术与智能化控制技术等生态节能建筑技术，实现了冬季取暖的智能化，可测温、可控制、可定时，可以采用太阳能、地热能、风能、生物质能、电能等单一能源模式，或采用其中两种或两种以上复合能源模式。从智能控制角度，针对四种典型模式的HRHCS，着重论述了系统方案和工作特点；从能源角度，作为传热、换热供暖功能模块的HRHCS，分析并给出了太阳能、地热能以及太阳能+风能等HRHCS方案。HRHCS对于建筑能耗满足2015年10月我国住房城乡建设部公布的《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）》具有重要的现实意义。

关键词：生态节能建筑技术；分户；暖气片；热计量；方案

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.080

建筑节能是实现我国节能减排重大战略决策的主要任务之一。我国北方地区建筑采暖能耗占当地全社会能耗的25%左右，占我国建筑总能耗的40%，是我国建筑节能的重点[1-4]，为此，2015年10月我国住房城乡建设部公布了《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）》以推动我国超低能耗建筑[5]。

本文提出了节能可控式分户暖气片热量计量系统（energy-saving controllable household radiator heat- metering system and charging，简称HRHCS），并对其进行深入研究，基于智能控制、能源等角度，设计提出了几种典型的HRHCS，并对其应用前景进行了分析[6-7]。

1 HRHCS方案

1.1 系统整体方案

如图1所示，HRHCS由电源、阀控系统、定时系统、进水管道、回水管道、暖气片、显示调节系统、热量计量系统、进水管口及回水管口等组成。其中，电源为锂离子储能电池，供给系统中阀控系统、定时系统、热量计量系统等所需电能；阀控系统控制阀门开关，由阀门驱动直流电机、电磁继电器及其控制电路组成。当室内温度低于室内设置最低温度时，阀控系统中电磁继电器打开电源，直流电机驱动打开阀门，阀门打开后电磁继电器切断电源；当室内温度高于室内设置最高温度时，阀控系统中电磁继电器打开电源，直流电机驱动关闭阀门，阀门关闭后电磁继电器切断电源。热量计量系统实现HRHCS热量使用的计量，由热量计及两侧阀门组成，在热量计出现故障时，关闭两侧阀门可以取下热量计进行更换或维护。

HRHCS本质上属于供暖功能模块，其内部定时系统通过设定时间开关阀门实现室温控制。依据供暖针对性不同，HRHCS又可以进行设置为不同模式：（1）基于用户人群可以设置为老人专用模式、儿童专用模式、成人专用模式等三种；（2）基于室温控制模式，可以设置为温控及红外探测感控；（3）基于功能控制模式有可以设置为温暖舒适型、平安健康型、抗力锻炼型等类型。

1.2 基于时间温控模式

基于时间温控模式HRHCS采用最简单的时控方式，尤其适合于有固定作息时间的家庭，如具有固定上下班规律的上班族、学生等。当家里没人时，可以将室内取暖阀门关闭；在将要回家前五分钟，打开取暖阀门，让室温在人到家时刚好提升上来。

基于时间温控模式的设定时间范围可以为天制、周制、月制甚至年制，即可以设置一天内、一周内、一月内甚至一年内阀门的开关时段，如图2所示。复杂设置方式可以利用网络通过数据库方式直接导入模式完成，如此实现了供暖的精确时效控制。时控范围、时控初始时间、时控模式等均可以通过显示调节系统设置或者选择。

当然，基于时间温控模式的HRHCS也可以同时与其它控制模式组合联用，如图2所示，与基于室温控制模式中的手机遥控模式联用，通过手机遥控实现阀门开启时间的精确控制就更为便捷、节能。

1.3 基于用户人群模式

不同供暖用户人群，对所需求的室内温度是不一样的。如图2所示，按供暖用户人群细分，可以分为老人专用模式、儿童专用模式、成人专用模式。一般说来，老年人身体较弱，冬季容易怕冷，故而其房间设置供暖温度要高些，一般为22-26℃；儿童火力旺，在太暖和的房間反而容易因外出受凉感冒，因此其房间设置供暖温度可以低一些，一般为14-18℃；一般成人房间设置供暖温度居于两者之间，一般可取18-22℃；客厅为全家主要活动场所，温度适中较为合适，一般设置20℃左右；门厅、卫生间等取暖温度设置可以更低些，取16℃；厨房因为其他房间热量的传递，其温度即使不供暖也会维持在6℃以上，如此还有利于蔬菜等保鲜。如此设置，既考虑了不同人群体质因素，同时从自己房间出门到外，还有客厅、门厅等需要穿过，减少了冬季由于室内外大温差变化对人体的影响。

1.4 基于室温控制模式

基于室温控制模式究其实质而言属于点温度控制，如图2所示，具体可分为普通温控模式、红外温控模式及手机遥控温控模式三种：（1）基于室温控制的普通温控模式，取室内某一地点温度为控制温度点，进行室温控制，该控制温度地点可以为室内任意一处，设定室内最低温度与最高温度，在室温低于设置的最低温度时，阀门开度增大；当室温高于设置的最高温度时，阀门开度减小。如此实现室温的自动调节。（2）基于室温控制的红外温控模式通过红外探测感知室内没有人时，阀门开度关闭，由此减小室内热量消耗。在红外探测感知室内进入人后，阀门开度开到最大，以尽快提升室内温度至设置温度范围。室温提升的过程时间可以根据需求进行调整，该过程正好有效避免了人由室外直接进入较高温度室内因温差过大而引起的不舒服问题。（3）基于室温控制的手机遥控温控模式则是通过手机遥控HRHCS阀门开关，实现室温遥控效果。

1.5 基于功能控制模式

基于功能控制模式则以人为本，具体说来可分为温暖舒适型、平安健康型、抗力锻炼型等类型：（1）温暖舒适型HRHCS实际上就是目前普通取暖方式，它强调人体对于温度的舒适感觉，室温要求不低于18℃。（2）平安健康型HRHCS强调人体的身体健康，其室温设置上可以更低，强调人体感知的不仅是温度，更重要的室内外温差，根据人体适应性不同，进行室温设置，对于一般健康人群，其最低室温设置一般为不让人冻伤为目的，一般可设为12℃，最高室温设置为22℃；对于怕冷人群，最低室温设置可以高些，但一般不会超过16℃，最高室温设置为26℃；对于怕热人群，最低室温设置回更低些，可设置为8℃甚至更低，最高室温设置为20℃。（3）抗力锻炼型HRHCS则是全能型设置模式，此时不再注意能耗情况，其提供了锻炼身体的一种模式，就是为了提高身体抵抗高温、低温、高温差、低温差的能力，即使是夏季室内也可调整为冬季三九严寒环境，冬季下室内亦可将温度调整为夏季酷暑环境，当然，夏季时也可让室温更高，冬季时也可让室温更低；同时，人处于室内时室温也可变化，室温变化的速度也可以调节。具体原理图如图2所示。

2 功能拓展

HRHCS本质上是一个传热、换热功能模块，它可以与太阳能、地热能、风能、生物质能等其他能量供应模式结合，形成更为环保节能的取暖模式。

HRHCS中所需电能由光伏板组件将太阳能转化为直流电，直接储存在锂离子电池中，由锂离子电池供给系统用电；太阳能集热板将太阳能加热水，当加热到设定温度时，将热水存储到集热装置中，当室内温度降低需要HRHCS供暖时，HRHCS中阀控系统驱动其内直流电机打开阀门，集热装置中储存的热水自其中流出实现取暖效果；当室内温度升高到设定的室内最高温度时，HRHCS中阀控系统驱动其内直流电机关闭阀门。

2.1 太阳能HRHCS

万物生长靠太阳，太阳能具有普遍、无害、巨大、长久等其他能源供给模式无可比拟的优点。若完全以太阳能供给HRHCS，则其原理示意图如图3所示。

HRHCS中所需电能由光伏板组件将太阳能转化为直流电，直接储存在锂离子电池中，由锂离子電池供给系统用电；太阳能集热板将太阳能加热水，当加热到设定温度时，将热水存储到集热装置中，当室内温度降低需要HRHCS供暖时，HRHCS中阀控系统驱动其内直流电机打开阀门，集热装置中储存的热水自其中流出实现取暖效果；当室内温度升高到设定的室内最高温度时，HRHCS中阀控系统驱动其内直流电机关闭阀门。

2.2 地热能HRHCS

地热能HRHCS原理示意图如图4所示。世界五大地热资源中有三大地热资源与我国有关，地热能供暖是仅次于地热发电的地热开发利用方式，以地热能供给HRHCS无论对于我国的地热综合开发利用还是节能减排都具有重要的现实意义。

2.3 太阳能+风能HRHCS

当然，根据以上思路，还可以进一步拓展，根据实际条件采用更为灵活的两能源、三能源甚至更多种能源的复合能源供给模式，譬如太阳能+电能，太阳能+风能等，以便HRHCS节能的同时，还可以保证其运行效果的可靠性。这里仅以太阳能+风能HRHCS为例，其参考原理示意图如图5所示。

鉴于风能更适合于发电，而太阳能则既可以发电，又可以直接热利用，这里太阳能+风能HRHCS中所需电能均由风能提供，风力发出来的电首先储存在锂离子蓄电池中；太阳能仅进行热利用。

3 结论

模块化功能模块HRHCS应用更灵活。基于时效（时间）角度，HRHCS形成了供暖的全时间范围的精确时效控制，基于用户人群模式、室温控制模式、功能控制模式，可以形成更有针对性的不同类型的HRHCS。同时，HRHCS可以与太阳能、地热能、风能、生物质能等其他能量供应模式结合，实现了建筑能耗取暖零能耗。HRHCS节能环保，绿色健康，安装简单可靠，制造成本低，地区适用范围广，不仅适用于现有北方集中供暖系统，尤其适用于南方湿冷地区。

参考文献：

[1]武涌，丁研.我国北方采暖地区既有居住建筑供热计量及节能改造的目标分析及政策建议[J].建筑，2010（18）：8-10.

[2]李炎锋，王慧琛，孙萍，赵刚，王雪竹.节能型住宅采暖期建筑能耗动态分析[J].北京工业大学学报，2014，40（08）：1270-1274.

[3]江亿.北方采暖地区既有建筑节能改造问题研究[J].中国能源，2011，33（09）：6-13，35.

[4]江亿.我国建筑节能战略研究[J].中国工程科学，2011，13（06）：30-38.

[5]住房和城乡建设部.被动式超低能耗建筑技术导则（试行）（居住建筑）[R].2015.

[6]栾晓文，王学升，周相鑫等.可控式分户暖气片热量计量装置：中国，ZL200920280905.3[P].2010（11）：17.

[7]马永志，张铁柱，郑艺华等.一种智能温湿自控暖气片：中国， ZL201210595168.2[P].2016（02）：24.

作者简介：李旺（1996-），男，本科.

*为通讯作者