李旺++馬永志++欒曉文++樊明珠

摘 要：提出了一種節(jié)能可控式分戶暖氣片熱量計量系統(tǒng)（HRHCS），該系統(tǒng)集成了分戶暖氣片熱計量技術(shù)與智能化控制技術(shù)等生態(tài)節(jié)能建筑技術(shù)，實現(xiàn)了冬季取暖的智能化，可測溫、可控制、可定時，可以采用太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、生物質(zhì)能、電能等單一能源模式，或采用其中兩種或兩種以上復(fù)合能源模式。從智能控制角度，針對四種典型模式的HRHCS，著重論述了系統(tǒng)方案和工作特點；從能源角度，作為傳熱、換熱供暖功能模塊的HRHCS，分析并給出了太陽能、地?zé)崮芤约疤柲?風(fēng)能等HRHCS方案。HRHCS對于建筑能耗滿足2015年10月我國住房城鄉(xiāng)建設(shè)部公布的《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）》具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：生態(tài)節(jié)能建筑技術(shù)；分戶；暖氣片；熱計量；方案

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

建筑節(jié)能是實現(xiàn)我國節(jié)能減排重大戰(zhàn)略決策的主要任務(wù)之一。我國北方地區(qū)建筑采暖能耗占當?shù)厝鐣芎牡?5%左右，占我國建筑總能耗的40%，是我國建筑節(jié)能的重點[1-4]，為此，2015年10月我國住房城鄉(xiāng)建設(shè)部公布了《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）》以推動我國超低能耗建筑[5]。

本文提出了節(jié)能可控式分戶暖氣片熱量計量系統(tǒng)（energy-saving controllable household radiator heat- metering system and charging，簡稱HRHCS），并對其進行深入研究，基于智能控制、能源等角度，設(shè)計提出了幾種典型的HRHCS，并對其應(yīng)用前景進行了分析[6-7]。

1 HRHCS方案

1.1 系統(tǒng)整體方案

如圖1所示，HRHCS由電源、閥控系統(tǒng)、定時系統(tǒng)、進水管道、回水管道、暖氣片、顯示調(diào)節(jié)系統(tǒng)、熱量計量系統(tǒng)、進水管口及回水管口等組成。其中，電源為鋰離子儲能電池，供給系統(tǒng)中閥控系統(tǒng)、定時系統(tǒng)、熱量計量系統(tǒng)等所需電能；閥控系統(tǒng)控制閥門開關(guān)，由閥門驅(qū)動直流電機、電磁繼電器及其控制電路組成。當室內(nèi)溫度低于室內(nèi)設(shè)置最低溫度時，閥控系統(tǒng)中電磁繼電器打開電源，直流電機驅(qū)動打開閥門，閥門打開后電磁繼電器切斷電源；當室內(nèi)溫度高于室內(nèi)設(shè)置最高溫度時，閥控系統(tǒng)中電磁繼電器打開電源，直流電機驅(qū)動關(guān)閉閥門，閥門關(guān)閉后電磁繼電器切斷電源。熱量計量系統(tǒng)實現(xiàn)HRHCS熱量使用的計量，由熱量計及兩側(cè)閥門組成，在熱量計出現(xiàn)故障時，關(guān)閉兩側(cè)閥門可以取下熱量計進行更換或維護。

HRHCS本質(zhì)上屬于供暖功能模塊，其內(nèi)部定時系統(tǒng)通過設(shè)定時間開關(guān)閥門實現(xiàn)室溫控制。依據(jù)供暖針對性不同，HRHCS又可以進行設(shè)置為不同模式：（1）基于用戶人群可以設(shè)置為老人專用模式、兒童專用模式、成人專用模式等三種；（2）基于室溫控制模式，可以設(shè)置為溫控及紅外探測感控；（3）基于功能控制模式有可以設(shè)置為溫暖舒適型、平安健康型、抗力鍛煉型等類型。

1.2 基于時間溫控模式

基于時間溫控模式HRHCS采用最簡單的時控方式，尤其適合于有固定作息時間的家庭，如具有固定上下班規(guī)律的上班族、學(xué)生等。當家里沒人時，可以將室內(nèi)取暖閥門關(guān)閉；在將要回家前五分鐘，打開取暖閥門，讓室溫在人到家時剛好提升上來。

基于時間溫控模式的設(shè)定時間范圍可以為天制、周制、月制甚至年制，即可以設(shè)置一天內(nèi)、一周內(nèi)、一月內(nèi)甚至一年內(nèi)閥門的開關(guān)時段，如圖2所示。復(fù)雜設(shè)置方式可以利用網(wǎng)絡(luò)通過數(shù)據(jù)庫方式直接導(dǎo)入模式完成，如此實現(xiàn)了供暖的精確時效控制。時控范圍、時控初始時間、時控模式等均可以通過顯示調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置或者選擇。

當然，基于時間溫控模式的HRHCS也可以同時與其它控制模式組合聯(lián)用，如圖2所示，與基于室溫控制模式中的手機遙控模式聯(lián)用，通過手機遙控實現(xiàn)閥門開啟時間的精確控制就更為便捷、節(jié)能。

1.3 基于用戶人群模式

不同供暖用戶人群，對所需求的室內(nèi)溫度是不一樣的。如圖2所示，按供暖用戶人群細分，可以分為老人專用模式、兒童專用模式、成人專用模式。一般說來，老年人身體較弱，冬季容易怕冷，故而其房間設(shè)置供暖溫度要高些，一般為22-26℃；兒童火力旺，在太暖和的房間反而容易因外出受涼感冒，因此其房間設(shè)置供暖溫度可以低一些，一般為14-18℃；一般成人房間設(shè)置供暖溫度居于兩者之間，一般可取18-22℃；客廳為全家主要活動場所，溫度適中較為合適，一般設(shè)置20℃左右；門廳、衛(wèi)生間等取暖溫度設(shè)置可以更低些，取16℃；廚房因為其他房間熱量的傳遞，其溫度即使不供暖也會維持在6℃以上，如此還有利于蔬菜等保鮮。如此設(shè)置，既考慮了不同人群體質(zhì)因素，同時從自己房間出門到外，還有客廳、門廳等需要穿過，減少了冬季由于室內(nèi)外大溫差變化對人體的影響。

1.4 基于室溫控制模式

基于室溫控制模式究其實質(zhì)而言屬于點溫度控制，如圖2所示，具體可分為普通溫控模式、紅外溫控模式及手機遙控溫控模式三種：（1）基于室溫控制的普通溫控模式，取室內(nèi)某一地點溫度為控制溫度點，進行室溫控制，該控制溫度地點可以為室內(nèi)任意一處，設(shè)定室內(nèi)最低溫度與最高溫度，在室溫低于設(shè)置的最低溫度時，閥門開度增大；當室溫高于設(shè)置的最高溫度時，閥門開度減小。如此實現(xiàn)室溫的自動調(diào)節(jié)。（2）基于室溫控制的紅外溫控模式通過紅外探測感知室內(nèi)沒有人時，閥門開度關(guān)閉，由此減小室內(nèi)熱量消耗。在紅外探測感知室內(nèi)進入人后，閥門開度開到最大，以盡快提升室內(nèi)溫度至設(shè)置溫度范圍。室溫提升的過程時間可以根據(jù)需求進行調(diào)整，該過程正好有效避免了人由室外直接進入較高溫度室內(nèi)因溫差過大而引起的不舒服問題。（3）基于室溫控制的手機遙控溫控模式則是通過手機遙控HRHCS閥門開關(guān)，實現(xiàn)室溫遙控效果。

1.5 基于功能控制模式

基于功能控制模式則以人為本，具體說來可分為溫暖舒適型、平安健康型、抗力鍛煉型等類型：（1）溫暖舒適型HRHCS實際上就是目前普通取暖方式，它強調(diào)人體對于溫度的舒適感覺，室溫要求不低于18℃。（2）平安健康型HRHCS強調(diào)人體的身體健康，其室溫設(shè)置上可以更低，強調(diào)人體感知的不僅是溫度，更重要的室內(nèi)外溫差，根據(jù)人體適應(yīng)性不同，進行室溫設(shè)置，對于一般健康人群，其最低室溫設(shè)置一般為不讓人凍傷為目的，一般可設(shè)為12℃，最高室溫設(shè)置為22℃；對于怕冷人群，最低室溫設(shè)置可以高些，但一般不會超過16℃，最高室溫設(shè)置為26℃；對于怕熱人群，最低室溫設(shè)置回更低些，可設(shè)置為8℃甚至更低，最高室溫設(shè)置為20℃。（3）抗力鍛煉型HRHCS則是全能型設(shè)置模式，此時不再注意能耗情況，其提供了鍛煉身體的一種模式，就是為了提高身體抵抗高溫、低溫、高溫差、低溫差的能力，即使是夏季室內(nèi)也可調(diào)整為冬季三九嚴寒環(huán)境，冬季下室內(nèi)亦可將溫度調(diào)整為夏季酷暑環(huán)境，當然，夏季時也可讓室溫更高，冬季時也可讓室溫更低；同時，人處于室內(nèi)時室溫也可變化，室溫變化的速度也可以調(diào)節(jié)。具體原理圖如圖2所示。

2 功能拓展

HRHCS本質(zhì)上是一個傳熱、換熱功能模塊，它可以與太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、生物質(zhì)能等其他能量供應(yīng)模式結(jié)合，形成更為環(huán)保節(jié)能的取暖模式。

HRHCS中所需電能由光伏板組件將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，直接儲存在鋰離子電池中，由鋰離子電池供給系統(tǒng)用電；太陽能集熱板將太陽能加熱水，當加熱到設(shè)定溫度時，將熱水存儲到集熱裝置中，當室內(nèi)溫度降低需要HRHCS供暖時，HRHCS中閥控系統(tǒng)驅(qū)動其內(nèi)直流電機打開閥門，集熱裝置中儲存的熱水自其中流出實現(xiàn)取暖效果；當室內(nèi)溫度升高到設(shè)定的室內(nèi)最高溫度時，HRHCS中閥控系統(tǒng)驅(qū)動其內(nèi)直流電機關(guān)閉閥門。

2.1 太陽能HRHCS

萬物生長靠太陽，太陽能具有普遍、無害、巨大、長久等其他能源供給模式無可比擬的優(yōu)點。若完全以太陽能供給HRHCS，則其原理示意圖如圖3所示。

HRHCS中所需電能由光伏板組件將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，直接儲存在鋰離子電池中，由鋰離子電池供給系統(tǒng)用電；太陽能集熱板將太陽能加熱水，當加熱到設(shè)定溫度時，將熱水存儲到集熱裝置中，當室內(nèi)溫度降低需要HRHCS供暖時，HRHCS中閥控系統(tǒng)驅(qū)動其內(nèi)直流電機打開閥門，集熱裝置中儲存的熱水自其中流出實現(xiàn)取暖效果；當室內(nèi)溫度升高到設(shè)定的室內(nèi)最高溫度時，HRHCS中閥控系統(tǒng)驅(qū)動其內(nèi)直流電機關(guān)閉閥門。

2.2 地?zé)崮蹾RHCS

地?zé)崮蹾RHCS原理示意圖如圖4所示。世界五大地?zé)豳Y源中有三大地?zé)豳Y源與我國有關(guān)，地?zé)崮芄┡莾H次于地?zé)岚l(fā)電的地?zé)衢_發(fā)利用方式，以地?zé)崮芄┙oHRHCS無論對于我國的地?zé)峋C合開發(fā)利用還是節(jié)能減排都具有重要的現(xiàn)實意義。

2.3 太陽能+風(fēng)能HRHCS

當然，根據(jù)以上思路，還可以進一步拓展，根據(jù)實際條件采用更為靈活的兩能源、三能源甚至更多種能源的復(fù)合能源供給模式，譬如太陽能+電能，太陽能+風(fēng)能等，以便HRHCS節(jié)能的同時，還可以保證其運行效果的可靠性。這里僅以太陽能+風(fēng)能HRHCS為例，其參考原理示意圖如圖5所示。

鑒于風(fēng)能更適合于發(fā)電，而太陽能則既可以發(fā)電，又可以直接熱利用，這里太陽能+風(fēng)能HRHCS中所需電能均由風(fēng)能提供，風(fēng)力發(fā)出來的電首先儲存在鋰離子蓄電池中；太陽能僅進行熱利用。

3 結(jié)論

模塊化功能模塊HRHCS應(yīng)用更靈活?；跁r效（時間）角度，HRHCS形成了供暖的全時間范圍的精確時效控制，基于用戶人群模式、室溫控制模式、功能控制模式，可以形成更有針對性的不同類型的HRHCS。同時，HRHCS可以與太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、生物質(zhì)能等其他能量供應(yīng)模式結(jié)合，實現(xiàn)了建筑能耗取暖零能耗。HRHCS節(jié)能環(huán)保，綠色健康，安裝簡單可靠，制造成本低，地區(qū)適用范圍廣，不僅適用于現(xiàn)有北方集中供暖系統(tǒng)，尤其適用于南方濕冷地區(qū)。

參考文獻：

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[3]江億.北方采暖地區(qū)既有建筑節(jié)能改造問題研究[J].中國能源，2011，33（09）：6-13，35.

[4]江億.我國建筑節(jié)能戰(zhàn)略研究[J].中國工程科學(xué)，2011，13（06）：30-38.

[5]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.被動式超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）（居住建筑）[R].2015.

[6]欒曉文，王學(xué)升，周相鑫等.可控式分戶暖氣片熱量計量裝置：中國，ZL200920280905.3[P].2010（11）：17.

[7]馬永志，張鐵柱，鄭藝華等.一種智能溫濕自控暖氣片：中國， ZL201210595168.2[P].2016（02）：24.

作者簡介：李旺（1996-），男，本科.

*為通訊作者