顧玉強(qiáng) 魯信輝

（廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)房屋總能耗占總的能源消耗的37 %以上[1]。提高供熱能效是降低建筑能耗的重要手段，而低溫運(yùn)行的供暖系統(tǒng)不僅可以大幅降低能耗水平，而且更加健康舒適[2]。姚登科[3]等采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法對(duì)比了低溫系統(tǒng)中普通散熱器與風(fēng)機(jī)盤管的供暖效果。結(jié)果表明，在同一熱源下，使用風(fēng)機(jī)盤管作為散熱末端進(jìn)行供暖，可以得到更高的房間溫度，體感更好，滿意率更高。朱曉姣[4]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)3種典型的低溫散熱器進(jìn)行了性能分析，在相同工況下，強(qiáng)制對(duì)流散熱器的散熱量最大。姬立敏[5]以實(shí)際案例分析比較了節(jié)能改造前后采暖系統(tǒng)管徑和散熱器片數(shù)的變化。結(jié)果表明相較于原系統(tǒng)，低溫系統(tǒng)中散熱器面積增加了兩倍，因此必須選用散熱效率更大的散熱器。

目前智能家居市場(chǎng)快速發(fā)展，全屋熱水系統(tǒng)作為智能家居的的組成部分得到各大廠家的廣泛關(guān)注。零冷水燃?xì)鉄崴饕蚱鋬?nèi)置循環(huán)水泵，不僅可以實(shí)現(xiàn)熱水零等待，也為燃?xì)鉄崴鹘K端低溫供暖設(shè)備的開發(fā)提供了可能。根據(jù)零冷水燃?xì)鉄崴鞯墓ぷ魈攸c(diǎn)，萬(wàn)和設(shè)計(jì)了一款強(qiáng)制對(duì)流式供暖沐浴集成裝置，該裝置兼具熱水供應(yīng)及局部供暖的功能。本文針對(duì)該供暖沐浴集成裝置的供暖能力及該裝置在工作過(guò)程中與燃?xì)鉄崴鞯呐浜下?lián)動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果為供暖沐浴集成系統(tǒng)的開發(fā)及其與燃?xì)鉄崴鞯穆?lián)動(dòng)控制提供了相應(yīng)參考。

1 供暖沐浴集成裝置及測(cè)試系統(tǒng)

該供暖沐浴裝置主要有沐浴管路、貫流風(fēng)機(jī)、換熱器等組成，采用集成化設(shè)計(jì)，將所有零部件一體安裝。為了防止該裝置內(nèi)部進(jìn)水，在洗浴過(guò)程中是不進(jìn)行供暖，即在洗浴過(guò)程中，該裝置的進(jìn)出風(fēng)口應(yīng)該是關(guān)閉的。其外觀形態(tài)如圖1所示，供暖系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)的參數(shù)見表1。

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2是焓差室實(shí)驗(yàn)原理圖，該焓差室可以直接測(cè)量供熱系統(tǒng)的風(fēng)量及換熱量。

圖2 焓差室測(cè)試系統(tǒng)

依據(jù)GB/T 19232-2019《風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組》中的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該供暖沐浴裝置在標(biāo)準(zhǔn)焓差室中進(jìn)行測(cè)試。

2 供暖能力試驗(yàn)分析

散熱器的散熱能力與環(huán)境溫度、進(jìn)水溫度、進(jìn)水水量、風(fēng)機(jī)風(fēng)量等有直接的關(guān)系。由于該供暖沐浴集成裝置采用風(fēng)機(jī)定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，本文主要研究前三項(xiàng)因素對(duì)供熱能力的影響。

2.1 進(jìn)水溫度及進(jìn)水流量對(duì)供暖能力的影響

測(cè)試條件：環(huán)境干球溫度21 ℃；風(fēng)量：310 m3/h；分別調(diào)節(jié)水流量及進(jìn)水溫度。測(cè)試結(jié)果及分析如表2。

表2 不同進(jìn)水溫度及流量下的供暖功率

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試條件下，該供暖沐浴裝置的最大換熱能力為2.42 kW，最小換熱功率為1.35 kW。通過(guò)風(fēng)機(jī)風(fēng)量及出風(fēng)口的面積可以計(jì)算得出，該裝置的出口平均氣流速度約為1.2 m/s，風(fēng)速較為柔和。

圖3為供暖功率與進(jìn)水溫度關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出，不同進(jìn)水流量下，功率-進(jìn)水溫度曲線排列密集；同一進(jìn)水流量下，隨著進(jìn)水溫度升高，換熱功率大幅增大，平均增幅約50 %；圖4為功率-水流量關(guān)系曲線，圖中各曲線間的間距較大，排列疏松；曲線上升平緩，表明在同一進(jìn)水溫度下，隨著水流量的增大，換熱功率增加不明顯，平均增幅約13 %。

圖4 不同水流量下的供暖功率

從圖3、圖4的曲線斜率及曲線排列的密集程度可以發(fā)現(xiàn)，水流量的變化對(duì)換熱功率的影響較為微弱，水溫變化對(duì)換熱功率的影響強(qiáng)烈，進(jìn)水溫度的升高對(duì)換熱功率的增大作用明顯。該結(jié)果亦說(shuō)明供暖沐浴裝置對(duì)水泵的揚(yáng)程要求不高，在低水量情況下便可實(shí)現(xiàn)較大采暖功率的供給，解除了燃?xì)鉄崴鞯蛪盒◇w積水泵的應(yīng)用障礙。

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試條件下，最高出風(fēng)溫度46.41 ℃，最低出風(fēng)溫度34.86 ℃，出風(fēng)溫度均高于30 ℃；

表3 不同進(jìn)水溫度及流量下的出風(fēng)溫度

圖5顯示，在同一水流量，不同進(jìn)水溫度下，出風(fēng)溫度隨著進(jìn)水溫度的升高而大幅升高，最大出風(fēng)溫度差值約為10 ℃，這與進(jìn)水溫度升高，換熱功率增大結(jié)果是一致的；圖6顯示，在同一進(jìn)水溫度，不同水流量下，出風(fēng)溫度有小幅上升，最大出風(fēng)溫度差值約為3 ℃；

圖5 不同進(jìn)水溫度下的出口風(fēng)溫

圖6 不同進(jìn)水流量下的出口風(fēng)溫

2.2 環(huán)境溫度對(duì)供暖能力的影響

測(cè)試條件：環(huán)境干球溫度12 ℃、17 ℃、21 ℃ ；風(fēng)量：約310 m3/h；水流量約4 L/min，分別調(diào)節(jié)進(jìn)水溫度。

表4的測(cè)試結(jié)果顯示，最大的供暖功率為3.14 kW，最小供暖功率為1.5 kW；從圖7可以看出，在進(jìn)水量及進(jìn)水溫度相同的情況下，隨著環(huán)境溫度的下降，供暖功率逐漸升高。

圖7 不同環(huán)境溫度下的供暖功率

2.3 體驗(yàn)房的實(shí)際供暖效果測(cè)試

為了測(cè)試該沐浴供暖裝置的實(shí)際使用效果，將該裝置壁掛安裝在一個(gè)6 m2的浴室內(nèi)，測(cè)試條件如下：環(huán)境溫度20 ℃，熱水溫度：60 ℃，水流量：4 L/min，風(fēng)機(jī)風(fēng)量：310 m3/h，測(cè)試過(guò)程中，關(guān)閉浴室房門。測(cè)試該裝置周圍1 m處的溫度變化，溫度記錄如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)，房間內(nèi)溫度緩慢升高，升高速度逐漸降低。在剛開始的6 min內(nèi)，房間內(nèi)溫度升高了3 ℃，然而，當(dāng)溫度升高到27 ℃，時(shí)，用時(shí)20 min，且溫度到后期基本不再變化，說(shuō)明此時(shí)房間四周墻壁與外界環(huán)境處于熱量平衡狀態(tài)。當(dāng)加熱6 min后從外界進(jìn)入到浴室，可以感到浴室內(nèi)溫度較門外溫度為高，當(dāng)加熱20 min后從外界進(jìn)入到浴室，可以明顯感到房間較為溫暖。

圖8 不同加熱時(shí)間下的房間溫度

綜合以上研究可以發(fā)現(xiàn)，水溫對(duì)該裝置的供暖能力具有決定作用，較高的出水溫度不僅可以提升供暖沐浴裝置換熱功率，也可以提高出風(fēng)溫度，提高該裝置的使用舒適度。水流量的變化對(duì)供暖能力的影響較小，該特性為該供暖沐浴裝置與零冷水燃?xì)鉄崴鞯耐昝澜Y(jié)合提供了良好契機(jī)。環(huán)境溫度降低，該裝置的供暖能力相應(yīng)提高。

3 與燃?xì)鉄崴鞯倪m配性問(wèn)題分析

目前市面上的燃?xì)鉄崴鞯墓δ軉我?，僅僅具有提供家庭生活熱水的功能。擴(kuò)展燃?xì)鉄崴鞯氖褂梅秶谷細(xì)鉄崴骶哂泄┡c熱水的雙重能力在國(guó)內(nèi)鮮有研究。本文接下來(lái)主要分析該供暖沐浴裝置與燃?xì)鉄崴鞯倪m配性問(wèn)題并提出針對(duì)性的解決方案，也為后續(xù)研究提供參考。

3.1 高溫水供暖與低溫水洗浴之間的防燙問(wèn)題

人體舒適的沐浴溫度一般在42 ℃左右，經(jīng)過(guò)對(duì)該供暖沐浴裝置的供熱能力的研究可知，在45 ℃進(jìn)水溫度下，該裝置的供熱能力較低，出風(fēng)口的出風(fēng)溫度也比較低。若依此熱水溫度作為工作熱水溫度，就會(huì)導(dǎo)致該供暖沐浴裝置的供熱能力小，房間溫升速度慢。如何實(shí)現(xiàn)高的供暖功率并保證合適的沐浴水溫，是該沐浴供暖裝置與燃?xì)鉄崴髋浜蠎?yīng)用面臨的第一問(wèn)題。

日本公司林內(nèi)株式會(huì)社開發(fā)了一款空氣循環(huán)機(jī)，該空氣循環(huán)機(jī)只有供暖功能，且該空氣循環(huán)機(jī)可以接入生活熱水系統(tǒng)進(jìn)行供暖。其主要管路布置如圖9。從其管路布置上可以發(fā)現(xiàn)，該供暖系統(tǒng)通過(guò)恒溫水閥來(lái)實(shí)現(xiàn)高溫水供暖與生活熱水使用之間的矛盾。由于本供暖沐浴集成裝置同時(shí)具有供暖與沐浴的功能，因此，其管路布置系統(tǒng)將更加復(fù)雜。

圖9 林內(nèi)供暖及生活用水混合管路

3.2 裝置散熱能力小于燃?xì)鉄崴髯钚∝?fù)荷的問(wèn)題

將該沐浴供暖裝置接入燃?xì)鉄崴餮h(huán)管路，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，裝置的散熱能力降低，當(dāng)散熱能力降低到小于燃?xì)鉄崴鞯淖钚∝?fù)荷時(shí)，循環(huán)管路內(nèi)的水便會(huì)持續(xù)升溫，若加熱時(shí)間較長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致燃?xì)鉄崴鞯某瑴乇Ｗo(hù)。因此，在該裝置低散熱能力狀態(tài)，必須對(duì)燃?xì)鉄崴鞯墓ぷ鬟壿嬤M(jìn)行改進(jìn)，以防止燃?xì)鉄崴鞒瑴乇Ｗo(hù)停機(jī)，進(jìn)而導(dǎo)致供暖工作的停止。在表4所示的測(cè)試條件下，設(shè)定燃?xì)鉄崴鞯幕厮疁囟壬舷孪迊?lái)確定熱水器的燃燒器的啟停條件，其測(cè)試結(jié)果如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)試結(jié)果具有明顯的周期性，啟停周期平均約4 min。

圖10 無(wú)水罐時(shí)供暖工作周期

表4 不同環(huán)境溫度下的供暖功率

通過(guò)對(duì)供暖工作過(guò)程進(jìn)行分析，為了減小燃?xì)鉄崴鞯膯⑼４螖?shù)，除了增大供暖裝置的散熱能力外，在循環(huán)管路內(nèi)串聯(lián)水罐也是一個(gè)解決辦法。在測(cè)試過(guò)程中，臨時(shí)找到一個(gè)方便連接的7 L大水罐，并將其串聯(lián)在循環(huán)管路內(nèi)，測(cè)試條件同表5。測(cè)試結(jié)果如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)該裝置的供暖周期明顯加長(zhǎng)，燃燒器的啟停周期延長(zhǎng)至14 min。當(dāng)然，該啟停周期會(huì)隨著串聯(lián)水罐的體積大小而變化，具體的水罐體積及安裝位置應(yīng)結(jié)合實(shí)際測(cè)試結(jié)果及燃?xì)鉄崴鞯南嚓P(guān)使用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。

圖11 加水罐時(shí)供暖工作周期

表5 體驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試條件

4 結(jié)論

1）供暖能力受溫度影響最為劇烈，進(jìn)水溫度、環(huán)境溫度決定該沐浴供暖裝置的供暖能力。進(jìn)水流量對(duì)供暖能力的影響較小，該特性可以降低對(duì)燃?xì)鉄崴鞯牡蛪核玫氖褂靡?，為零冷水與供暖的結(jié)合提供了可能。

2）為了保證供暖功率，燃?xì)鉄崴鞯墓┡鏊疁囟纫哂谙丛〕鏊疁囟?。而為了防止?fàn)C傷，需要增設(shè)恒溫混水閥，確保高溫供暖用水用作生活用水時(shí)可以降低到一個(gè)合適的溫度。

3）當(dāng)環(huán)境溫度較高或燃?xì)鉄崴鞯淖畹拓?fù)荷較高時(shí)，燃?xì)鉄崴鞯娜紵鲗?huì)頻繁啟停，為了減小啟停次數(shù)，可以在循環(huán)管路中加裝水罐，水罐的具體容積可根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定。