新型供暖終端等流程暖氣終端機(jī)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

侯平芹，劉 丹，姚文坤，孟菲菲

(臨沂大學(xué)建筑學(xué)院，山東臨沂276005)

當(dāng)前的供暖主要有集中供暖和分散供暖兩種方式。至2010年，我國(guó)供暖建筑總面積超過(guò)100×108m2，供暖總能耗為每年1.56×108tce，其中有70 %的建筑采用集中供熱方式，其余為分散供暖[1]。

集中供熱模式下的散熱器以自然對(duì)流為主要換熱方式，一方面對(duì)室溫的提升相對(duì)較慢而又無(wú)法實(shí)現(xiàn)室溫的個(gè)性化調(diào)節(jié)，另一方面又存在供熱不均及供熱過(guò)量現(xiàn)象。造成過(guò)量供熱的主要原因有：(1)由于溫度調(diào)節(jié)困難，為了保證部分偏涼的房間不冷，只好加大供熱量，導(dǎo)致多數(shù)房間(或建筑)過(guò)量供熱；(2)氣候轉(zhuǎn)暖，不能對(duì)供熱系統(tǒng)及時(shí)調(diào)節(jié)，室溫過(guò)高而通過(guò)開窗散熱，使熱量白白散失[2]。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念中，由于害怕房間供熱不足而盲目增加散熱器片數(shù)，使散熱器安裝面積過(guò)大。根據(jù)實(shí)測(cè)和計(jì)算分析，目前集中供熱系統(tǒng)中有17 %～33 %的總熱量是由于過(guò)量供熱而造成浪費(fèi)[3]，而分散供暖中的空調(diào)供暖又消耗了大量的電能。

為解決上述問(wèn)題，配合目前積極推進(jìn)的熱計(jì)量改革，吸納散熱器和空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，采用強(qiáng)制對(duì)流的“暖氣終端機(jī)”作為集中供暖的末端設(shè)備，可自由關(guān)啟和調(diào)控溫度，升溫速度快，高效、節(jié)能、舒適，滿足人們對(duì)室溫的差異性需求，從而在供暖方面實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。

1 暖氣終端機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

通過(guò)對(duì)集中供暖模式下散熱器及水冷空調(diào)等空氣調(diào)節(jié)機(jī)的分析，結(jié)合散熱器、換熱器與空調(diào)的工作原理，使用空調(diào)的外殼，內(nèi)設(shè)以聯(lián)箱相連的一組銅制等流程盤管制成暖氣終端機(jī)，作為集中供暖的終端設(shè)備，與集中供暖的進(jìn)出水管道組成一個(gè)供熱平臺(tái)，以熱源提供的熱水為介質(zhì)，通過(guò)風(fēng)機(jī)使室內(nèi)空氣強(qiáng)制對(duì)流實(shí)現(xiàn)熱交換效果，并通過(guò)遙控操作實(shí)現(xiàn)間歇性空氣調(diào)節(jié)與集中或分戶采暖。

1.2 建立數(shù)學(xué)模型

暖氣終端機(jī)的散熱量：

Q1=εWmin(tg-tn)

(1)

(2)

ω=KF/Wmin

(3)

式中：Wmin為散熱器兩側(cè)流體的流體當(dāng)量最小值，對(duì)于室內(nèi)散熱器，為散熱器中熱流體的流量當(dāng)量，W/K；tg、tn分別為散熱器入口溫度與室內(nèi)溫度，℃；ε為有效系數(shù)；u為混合系數(shù)，取決于管網(wǎng)與建筑用戶的連接方式，簡(jiǎn)單直接連接時(shí)，u=0,則ε=1/(0.5+1/ω)；ω為散熱器工況系數(shù)；K為散熱器總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；F為散熱器傳熱面積，m2。

建筑物采暖熱負(fù)荷：Q2=qv·V(tn-tw)

(4)

式中：qv為建筑物體積熱指標(biāo)，W/(m3·K)；V為建筑物體積，m3；tw為室外溫度，℃。

根據(jù)熱平衡原理Q1=Q2，可得

(5)

(6)

1.3 暖氣終端機(jī)試制

等流程盤管采用多分路且進(jìn)水至出水的管道距離完全相等的設(shè)計(jì)，可使盤管管道內(nèi)單位路徑的水流流程(包括壓力、溫度、流量)保持相等或平衡，其水流阻力是U形盤管的1/20，并通過(guò)科學(xué)的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效地排除了高溫?zé)崴鲃?dòng)時(shí)因水流富含空氣氣泡造成的局部管路堵塞問(wèn)題，使流于盤管內(nèi)的水達(dá)到最佳的流動(dòng)速度，且單位面積熱交換效果保持相等或平衡。

暖氣終端機(jī)采用銅管鋁翅強(qiáng)制對(duì)流型散熱器設(shè)計(jì)，有效地解決了水流路徑不等、水流不均勻、水流不暢(氣泡阻礙)、 水流壓差(回流)、水流雜質(zhì)結(jié)垢造成的熱交換效果效率低下等問(wèn)題，并使用空調(diào)靜音風(fēng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)散熱器的強(qiáng)制對(duì)流散熱，徹底提高了蒸發(fā)器單位面積的換熱效率和換熱效果，使得空調(diào)技術(shù)應(yīng)用于集中采暖供熱系統(tǒng)。

2 暖氣終端機(jī)性能優(yōu)化

試制過(guò)程中出現(xiàn)的個(gè)別問(wèn)題并進(jìn)一步提高暖氣終端機(jī)的性能，對(duì)其進(jìn)行了性能優(yōu)化。試制時(shí)在焊接聯(lián)箱的過(guò)程中，距聯(lián)箱近的鋁翅片個(gè)別受熱熔化變形，為此主要構(gòu)件選用高強(qiáng)度、耐高溫、抗腐蝕的LFT復(fù)合材料，解決了鋁翅片受熱變形的問(wèn)題。

利用微電腦控制技術(shù)建立暖氣終端機(jī)的可視化智能控制系統(tǒng)，對(duì)于開關(guān)機(jī)和供暖溫度調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)遙控器操作，并可在線監(jiān)測(cè)室溫，紅外感知室內(nèi)人員有無(wú)情況，自動(dòng)開關(guān)機(jī)。實(shí)現(xiàn)供暖末端的有效調(diào)節(jié)及運(yùn)行過(guò)程的全動(dòng)態(tài)最優(yōu)化控制。在寒冷季節(jié)機(jī)器閑置不用時(shí)，能保持系統(tǒng)正常工作，實(shí)現(xiàn)防凍功能，使機(jī)器不受低溫冰凍的影響，隨時(shí)可以正常使用。

3 結(jié)論及展望

經(jīng)過(guò)一個(gè)采暖期的運(yùn)行，以暖氣終端機(jī)作為集中供暖的終端設(shè)備，室溫提升速度快，強(qiáng)制對(duì)流使得室溫均衡。可視化的操作系統(tǒng)更加方便快捷，在同一住宅樓取朝向相同，尺寸均為4.5 m×3.6 m×2.7 m的三個(gè)房間內(nèi)分別取四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1及圖1。由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，暖氣終端機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)溫度的時(shí)間較空調(diào)及地板輻射采暖所用時(shí)間短。

表1 空調(diào)、地板輻射采暖及暖氣終端機(jī)的檢測(cè)點(diǎn)

圖1 空調(diào)、地板輻射采暖及暖氣終端機(jī)的檢測(cè)點(diǎn) 到達(dá)設(shè)計(jì)溫度時(shí)間曲線

暖氣終端機(jī)適應(yīng)廣泛，可作為終端設(shè)備可以直接裝在供熱管網(wǎng)使用，安裝與維修比暖氣片更簡(jiǎn)單；可與壁掛爐、燃?xì)獗趻鞝t、燃煤暖氣爐、暖氣鍋爐配套使用；采用暖氣終端機(jī)作為中央空調(diào)配套的末端設(shè)備，不需吊頂，造價(jià)降低，安裝、維修與清潔也更為方便，并可實(shí)現(xiàn)真正意義上的分戶控制。

(感謝指導(dǎo)教師劉丹的指導(dǎo))

[1] 楊凱，穆玉敏，史曉倫，等.北方采暖地區(qū)公共建筑能耗分析[J].建筑節(jié)能,2011，(3)：57-60

[2] 徐選才，程玉金.供暖居住建筑實(shí)用室內(nèi)評(píng)價(jià)溫度檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法的探討[J].暖通空調(diào)，2009，39(10)：13-17

[3] 江億.北方采暖地區(qū)既有建筑節(jié)能改造問(wèn)題研究[J].中國(guó)能源，2011,33(9):6-13，1258-1268