【图朴解决方案】冷凝式与非冷凝式燃气供暖热水炉性能分析
【图朴解决方案】冷凝式与非冷凝式燃气供暖热水炉性能分析
在上海这个典型的夏热冬冷地区，燃气供暖热水炉因其系统简单、设置灵活等特点，在中小型民用建筑中得到了广泛应用。然而，随着碳中和政策的推进，如何提高供暖设备的能效、减少碳排放成为了一个重要课题。本文通过对比实验，详细分析了冷凝式与非冷凝式燃气供暖热水炉在实际应用中的性能差异，为选择更环保、高效的供暖方案提供了科学依据。
1 概述
上海属于夏热冬冷地区，大部分居民在冬季有供暖需求。张倩倩等人和李端茹等人研究了夏热冬冷地区住宅建筑的供暖方案，研究结果显示，在未设置集中供暖的情况下，用户选择的供暖方式以家用分体式空调为主，随着各种供暖技术的发展，热泵机组、热电联产供暖以及燃气供暖热水炉等供暖方式也逐渐普及。陈煜等人研究了燃气供暖热水炉的应用现状，结果显示燃气供暖热水炉具有系统简单、设置灵活等优点，在中小型民用建筑中的应用尤其广泛。
江亿等人研究了我国建筑领域的碳排放现状，指出在我国碳中和政策背景下，建筑供暖设备的碳减排是建筑减碳工作的重点，燃气供暖热水炉作为直接燃烧燃气进行供暖的设备，若使用不当将会造成能源的浪费以及建筑碳排放量的超标，还有可能产生一氧化碳、氮氧化物等有害燃烧产物，危害居民身体健康。
杨阳等人研究了冷凝式燃气供暖热水炉（简称冷凝炉）性能特点，发现相比非冷凝式燃气供暖热水炉（简称常规炉），冷凝炉烟气中的氮氧化物和一氧化碳浓度都明显下降。王丽丽和申国强研究了冷凝炉的热回收过程，发现排烟温度由170 ℃降到50 ℃后，可以同时回收排烟中的显热和潜热，能显著减小排烟热损失，热效率可显著提升。
尽管理论上冷凝炉的热效率高于常规炉，但实际使用中，受到热负荷波动、换热不充分等因素影响，冷凝炉不能充分发挥其优势。杭鑫等人研究了冷凝炉的冷凝率与排烟温度的关系，发现排烟温度越高，冷凝率越低，并逐渐趋向于0。徐麦建等人研究了冷凝炉在不同工况下的工作特点，发现冷凝炉在低热负荷工作时容易出现意外熄火、燃烧噪声等问题。冷凝炉实际应用性能还需进一步验证。
本文以上海某住宅建筑作为实验场地，选取位于同一栋楼的4楼、户型相同的2套三室两厅户型为研究对象，2个用户分别安装冷凝炉与常规炉进行实验，对比分析冷凝炉与常规炉用户平均室内温度、供回水温度、燃气消耗量及热效率。
2 实验设计
2.1 实验用户户型
实验用户户型见图1。图1中左侧用户采用冷凝炉供暖，右侧用户采用常规炉供暖。2个用户建筑面积约为83.50 m2，层高2.8 m，供暖面积约为62.22 m2，2个用户围护结构、建筑热工性能认为相同，均采用地面辐射供暖末端。客厅作为测试房间，面积约15.80 m2。住宅建筑2018年建设，未申请节能认证。
图1 实验用户户型
2.2 实验设备
冷凝炉与常规炉供暖流程见图2。供暖时，供暖回水在燃气供暖热水炉内置水泵作用下吸收来自燃烧室烟气的热量后，流经供水管道、分水器，进入各地面辐射供暖末端，之后经集水器及回水管道回到燃气供暖热水炉，完成循环。冷凝炉与常规炉性能参数见表1。实验测量参数及测量仪器见表2。
图2 冷凝炉与常规炉供暖流程
表1 冷凝炉与常规炉性能参数
表2 实验测量参数及测量仪器
实验参数使用可编程逻辑控制器（PLC）进行采集和传输。数据每1 s采集1次，采集后数据以电信号的形式通过导线传输到PLC，在其内部通过bacnet协议转化后经网线传输到网关，由网关集成后传输到云平台数据库。
a.室内温度测量
在客厅对角线交叉点位置，垂直布置6个T型热电偶，测量室内温度，6个T型热电偶距离地面高度分别为0、44、88、133、171、221 cm。
b.室外温度、室外相对湿度测量
在室外布置1个温湿度传感器，测量室外温度、室外相对湿度。
c.供水流量、供回水温度、热量测量
在供暖供水管道上安装1块超声波热量表，测量供水瞬时流量、累计流量以及累计热量。
d.燃气消耗量测量
在燃气管道上安装1块G2.5型膜式燃气表，测量燃气消耗量。
2.3 实验步骤
通过温度控制面板，设置不同时段目标温度（见表3），然后设置供暖热水炉运行模式为自动模式，供暖热水炉按表3设置参数自动运行。接通PLC电源，开始数据采集。
表3 目标温度
2.4 数据采集结果
实验中，除了采集室外温度和室外相对湿度外，每套系统均采集供水瞬时流量、供水累计流量、累计热量、供水温度、回水温度、燃气消耗量，以及室内温度。
3 数据分析
3.1 平均室外温度
测试时间为2021年12月21日00：00到2021年12月28日24：00，共8 d的数据。2021年12月21—28日平均室外温度见图3。12月24日平均室外温度最高，为13.37 ℃，12月27日平均室外温度最低，为5.01 ℃。
图3 平均室外温度
3.2 平均室内温度
选择距离地面高度为171 cm测点温度为室内温度。测试时间内，6：00—22：00该测点的平均温度为平均室内温度。冷凝炉和常规炉用户平均室内温度见图4。
图4 冷凝炉和常规炉用户平均室内温度
选择12月21日作为典型日，从12月21日00：00开始，以15 min为间隔，采样室内温度（距离地面高度为171 cm测点温度）与室外温度，得到冷凝炉和常规炉用户室内温度与室外温度散点图，见图5。
图5 冷凝炉和常规炉用户室内温度与室外温度散点图
从图5可以看出，0：00—6：00时段，目标温度设定为15 ℃，虽然室外温度较低，但冷凝炉和常规炉均未开启，室内温度处于不断下降状态。
6：00开始，冷凝炉和常规炉均开始工作，室内温度逐渐上升至21 ℃左右，15：00后随着室外温度下降，常规炉用户室内温度开始下降，下降至一定程度后再次上升；冷凝炉用户室内温度一直处于稳定水平，直至22：00室内温度才开始下降。
综合以上分析，冷凝炉用户室内温度波动小，舒适性较高，冷凝炉对室内温度的控制优于常规炉。
3.3 热输出及供、回水温度
①热输出
燃气供暖热水炉运行时，常规炉供水流量保持在0.48 m3/h左右，而冷凝炉供水流量保持在0.55 m3/h左右，两者相差较小，燃气供暖热水炉热输出主要由供回水温差决定。测试时间内，常规炉与冷凝炉热输出变化见图6。
图6 常规炉与冷凝炉用户热输出变化
由图6可以看出，常规炉基本每天启停2次，启动时热输出较高，然后逐渐降低，持续运行到停机。
21—24日，冷凝炉每天启停次数较多，25—28日，冷凝炉每天的启停次数明显减少，25—28日6：00—22：00冷凝炉基本处于持续稳定运行状态。这是因为21—24日平均室外温度较高，用户热需求较低，因此热水炉热负荷低于热负荷最小值，导致启停次数增加。
测试时间内，冷凝炉热输出略小于常规炉。
②燃气供暖热水炉供回水温度
选择12月21日作为典型日，从12月21日0：00开始，以15 min为间隔，采样常规炉与冷凝炉供回水温度，分别见图7、8。
图7 常规炉供回水温度
图8 冷凝炉供回水温度
对比图7、8可以看出，常规炉供水温度较高，基本保持在50 ℃；冷凝炉供水温度较低，在35~38 ℃范围内波动。
3.4 燃气消耗量及热效率
图9 每日冷凝炉与常规炉热效率
由图9可知，冷凝炉热效率在105%左右波动，常规炉热效率在80%左右波动，冷凝炉热效率高于常规炉，且均在100%以上。
4 结论
①冷凝炉用户室内温度波动小，舒适性较高，冷凝炉对室内温度的控制优于常规炉。
②冷凝炉热输出略小于常规炉。
③冷凝炉热效率高于常规炉。
作者：蔡文侠，李铮伟，张腾腾，Stefan Bott
第一作者单位：同济大学
摘自《煤气与热力》2024年3月刊
参考文献：
［1］张倩倩，石红柳. 夏热冬冷地区典型城市的采暖模式能耗分析［J］. 四川建筑科学研究，2015（3）：228-233.
［2］李端茹，周慧文，杨荣郭，等. 夏热冬冷地区民用住宅空气调节方案优选［J］. 建筑热能通风空调，2017（4）：44-48.
［3］陈煜，张辉. 冷凝式燃气壁挂炉的特点及应用现状［J］. 上海工程技术大学学报，2013（4）：289-292.
［4］江亿，胡姗. 中国建筑部门实现碳中和的路径［J］. 暖通空调，2021（5）：1-13.
［5］杨阳，王刚，周星岚，等. 冷凝式燃气壁挂炉节能特点及应用分析［J］. 四川水泥，2016（4）：103.
［6］王丽丽. 燃气锅炉烟气余热冷凝回收研究与应用［J］. 中国石油和化工标准与质量，2022（4）：108-110.
［7］申国强. 供暖系统（五）冷凝壁挂炉与常规壁挂炉的区别及应用（上）［J］. 中国建筑金属结构，2020（6）：72-74.
［8］杭鑫，陈煜. 夏热冬冷地区冷凝壁挂炉采暖冷凝率实验研究［J］. 轻工机械，2016（2）：25-29.
［9］徐麦建，陈力威. 全预混冷凝式壁挂炉稳定小负荷燃烧措施［J］. 煤气与热力，2017（9）：B28-B31.