蔡文俠, 李錚偉, 張騰騰, Stefan Bott

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

1 概述

上海屬于夏熱冬冷地區(qū),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(qū)住宅建筑的供暖方案,研究結(jié)果顯示,在未設(shè)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(diào)為主,隨著各種供暖技術(shù)的發(fā)展,熱泵機組、熱電聯(lián)產(chǎn)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(yīng)用現(xiàn)狀,結(jié)果顯示燃氣供暖熱水爐具有系統(tǒng)簡單、設(shè)置靈活等優(yōu)點,在中小型民用建筑中的應(yīng)用尤其廣泛。

江億等人[4]研究了我國建筑領(lǐng)域的碳排放現(xiàn)狀,指出在我國碳中和政策背景下,建筑供暖設(shè)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(shè)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(chǎn)生一氧化碳、氮氧化物等有害燃燒產(chǎn)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(fā)現(xiàn)相比非冷凝式燃氣供暖熱水爐(簡稱常規(guī)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(fā)現(xiàn)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(guī)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(fā)揮其優(yōu)勢。杭鑫等人[8]研究了冷凝爐的冷凝率與排煙溫度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)冷凝爐在低熱負荷工作時容易出現(xiàn)意外熄火、燃燒噪聲等問題。冷凝爐實際應(yīng)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(guī)爐進行實驗,對比分析冷凝爐與常規(guī)爐用戶平均室內(nèi)溫度、供回水溫度、燃氣消耗量及熱效率。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗用戶戶型

實驗用戶戶型見圖1。圖1中左側(cè)用戶采用冷凝爐供暖,右側(cè)用戶采用常規(guī)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(jié)構(gòu)、建筑熱工性能認為相同,均采用地面輻射供暖末端?？蛷d作為測試房間,面積約15.80 m2。住宅建筑2018年建設(shè),未申請節(jié)能認證。

圖1 實驗用戶戶型

2.2 實驗設(shè)備

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

表1 冷凝爐與常規(guī)爐性能參數(shù)

表2 實驗測量參數(shù)及測量儀器

圖2 冷凝爐與常規(guī)爐供暖流程

實驗參數(shù)使用可編程邏輯控制器(PLC)進行采集和傳輸。數(shù)據(jù)每1 s采集1次,采集后數(shù)據(jù)以電信號的形式通過導(dǎo)線傳輸?shù)絇LC,在其內(nèi)部通過bacnet協(xié)議轉(zhuǎn)化后經(jīng)網(wǎng)線傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān),由網(wǎng)關(guān)集成后傳輸?shù)皆破脚_數(shù)據(jù)庫。

a.室內(nèi)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(nèi)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(shè)置不同時段目標溫度(見表3),然后設(shè)置供暖熱水爐運行模式為自動模式,供暖熱水爐按表3設(shè)置參數(shù)自動運行。接通PLC電源,開始數(shù)據(jù)采集。

表3 目標溫度

2.4 數(shù)據(jù)采集結(jié)果

實驗中,除了采集室外溫度和室外相對濕度外,每套系統(tǒng)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(nèi)溫度。

3 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(nèi)溫度

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

圖4 冷凝爐和常規(guī)爐用戶平均室內(nèi)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(nèi)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(guī)爐用戶室內(nèi)溫度與室外溫度散點圖,見圖5。

圖5 冷凝爐和常規(guī)爐用戶室內(nèi)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(shè)定為15 ℃,雖然室外溫度較低,但冷凝爐和常規(guī)爐均未開啟,室內(nèi)溫度處于不斷下降狀態(tài)。

6:00開始,冷凝爐和常規(guī)爐均開始工作,室內(nèi)溫度逐漸上升至21 ℃左右,15:00后隨著室外溫度下降,常規(guī)爐用戶室內(nèi)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(nèi)溫度一直處于穩(wěn)定水平,直至22:00室內(nèi)溫度才開始下降。

綜合以上分析,冷凝爐用戶室內(nèi)溫度波動小,舒適性較高,冷凝爐對室內(nèi)溫度的控制優(yōu)于常規(guī)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(guī)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(nèi),常規(guī)爐與冷凝爐熱輸出變化見圖6。

圖6 常規(guī)爐與冷凝爐用戶熱輸出變化

由圖6可以看出,常規(guī)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(xù)運行到停機。

21—24日,冷凝爐每天啟停次數(shù)較多,25—28日,冷凝爐每天的啟停次數(shù)明顯減少,25—28日6:00—22:00冷凝爐基本處于持續(xù)穩(wěn)定運行狀態(tài)。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(dǎo)致啟停次數(shù)增加。

測試時間內(nèi),冷凝爐熱輸出略小于常規(guī)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(guī)爐與冷凝爐供回水溫度,分別見圖7、8。

圖7 常規(guī)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(guī)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(nèi)波動。

3.4 燃氣消耗量及熱效率

① 燃氣消耗量

測試時間內(nèi),常規(guī)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(guī)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(nèi),統(tǒng)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(guī)爐熱效率,見圖9。

圖9 每日冷凝爐與常規(guī)爐熱效率

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

4 結(jié)論

① 冷凝爐用戶室內(nèi)溫度波動小,舒適性較高,冷凝爐對室內(nèi)溫度的控制優(yōu)于常規(guī)爐。

② 冷凝爐熱輸出略小于常規(guī)爐。

③ 冷凝爐熱效率高于常規(guī)爐。