壁挂炉在供暖小系统应用优化探讨

    本文对壁挂炉在供暖小系统产生频繁启停引起房间忽冷忽热等问题进行原因分析。通过调整水泵扬程，采用分段燃烧，系统增加储水箱等方案进行测试对比，为改善机器频繁启停问题提供研究方向，从而提升产品的适应性以及采暖的舒适性。

    近年来，以壁挂炉为核心,末端由散热器或低温辐射地板采暖组成分户独立采暖系统，以其突出的节能环保优势逐渐受到消费者的关注，成为分户供暖系统的主力军。同时受天然气价格影响，用户最为关心的壁挂炉运行费用，为降低采暖费用，用户往往会通过行为节能，例如用户白天主要是在客厅活动，习惯性把闲置房间暖气减小或关掉，而晚上睡觉前，会把客厅暖气关掉，壁挂炉与整个房子供暖系统的平衡时不时被打破。因此受系统安装不规范以及用户使用行为影响，壁挂炉与未端小系统出现匹配不佳，引起机器频繁起停，房间忽冷忽热，耗气量增大等问题，大大降低壁挂炉采暖的舒适性。因此有必要对现有采暖炉及系统进行优化设计，调整系统的工作参数及状态，以达到最佳匹配。

    模拟用户家里实际使用情况，通过在实验室组建三组散热器与常规壁挂炉连成的供暖系统如图1进行测试，通过实时检测采暖出水及回水温度，系统流量，压差等参数以分析壁挂炉供暖状况。

    所选用的常规壁挂炉，其额定热输入为26Kw，最小热输入9Kw,水泵最大扬程5m，散热器为钢制柱式，供管道为￠20*2。记录室内温度为10.5℃，室外温度为5℃，环境湿度85~90%：

    设置供暖温度为78℃，供暖出水温度高于5℃时壁挂炉熄火，温度低于15℃时，壁挂炉重新点火启动，分别测试三组，单组散热器供暖，记录采暖供回水温度，压差及水流量变化，实验结果如图2，表1。

图2 单组与三组散热器采暖出水温度与回水温度变化

表1

     达到供暖稳定平衡后，从点火开始，当采暖供水温度达到高于设置温度5℃时熄火，待供水温度降低至设置温度的15℃时，壁挂炉再次启动点火时设置为一个供热启停周期。根据表格1测试数据，当三组散热器全开供暖时，一个供暖周期时间为12:56min，而把其中两组关掉，只保留第一组散热器供暖时，稳定后一个供热周期为7:30min，时间缩短了42%，1小时内启停周期由4.6次相应增加到8次,因此频繁的起停更加明显，主要原因是散热器供热从三组变成单组后，系统水流容量将减少41%，储热量相应减少41%，由于阻力增大，水流量减少18%，因此壁挂炉燃烧供热时间大大缩短，从图2可以看出，由于散热器固有散热功率不变，壁挂炉熄火后散热时间基本保持不变。

 

    根据壁挂炉程序设定，壁挂炉熄火后将进行后清扫1min，风机在运转过程中通过烟管带走供暖系统热量，每次清扫热损失多达80KJ，若单位时间内频繁启动次数越多，热损失越大,使用单组散热器其排烟损失要比三组增加74%。壁挂炉频繁启停燃烧，会导致室内供暖温度不稳定，出现忽冷忽热现象，缩短机器使用寿命。因此减少壁挂炉频繁启停，可提供高供暖舒适性，减少能耗损失，同时也有利于壁挂炉稳定运作。

    根据以上分析，壁挂炉启停周期受系统水容量，储热量，流速，壁挂炉燃烧功率等因素影响，从多组散热器供暖的大系统转变为单组散热器的小系统供暖时，如何减少壁挂炉的启停次数,增加持续供热时间，下面从几方面进行实验分析。

    保持单组散热器处于供暖状态，壁挂炉所先配的水泵分三档如图3，第三档扬程为7m，第二档杨程为6m,第一档为5m,通过改变水泵档位，来改变系统水流速,分别记录采暖出水、回水温度实时变化以及系统流量，压差，如图4，表2。

图3水泵压力特性曲线图

图4水泵扬程对供热周期的影响

表2

    通过表2可以看出,水泵杨程从5m加大到7m,系统水流量及阻力均有影响，但供热周期变化不明显,因此壁挂炉水泵扬程在一定范围内变化，对影响壁挂炉启停频率影响不明显。

    选用额定功率为26Kw常规壁挂炉，通过增加分段阀及更改燃烧器实现分段，负荷比由原来的1：3增大到1：6,通过对比测试带分段燃烧与不带分段燃烧对供热周期的影响。

图5

表3

    通过上图5，表3可以看出，进入平衡供热后，无分段壁挂炉基本以最小负荷9Kw维持燃烧，由于散热器散热功率小于壁挂炉最小输出功率，系统水不断升温达到目标温度的+5℃后，壁挂炉熄火，当壁挂炉采用分段后以最小负荷4.2Kw维持燃烧，此时单组散热器散热功率大于或等于壁挂炉最小输出功率，因此壁挂炉一直保持燃烧，有效的避免了壁挂炉频繁熄火启停带来的问题。同时通过理论计算及实测壁挂炉采用分段燃烧后，主换热器及排烟道未出现冷凝水。

     目前供暖水温控制常见的一种方法是控制主要是通计算设置温度与实测采暖水初始温度差距，以提供所需要的供暖负荷，如设置温度为78℃时，而采暖水初始温度为15℃，壁挂炉以最大功率燃烧，使采暖出水温度迅速达到目标温度78℃或超于1~2℃再将进入部分负荷或最小负荷燃烧，以维持设置温度。

     该按制方法的优点在于可以让较低温度的采暖水迅速升温，以达到目标温度如图6右侧，缺点是由于只开单组散热器时，系统且力大，水流速度慢，且系统水容量较小的情况下，热量还未来得及传送到散热器或回水侧时，采暖出水温度高于设置温度5℃时，壁挂炉熄火，此时壁挂炉的回水温度依然很低，散热器未能被加热。

图6

     另一种控制方式所为阶梯燃烧即通过调整控制板程序，当供暖状态下检测到火焰后，切换到最小功率燃烧，然后缓慢上升到最大功率，通过阶梯燃烧设置，首次点火后切换最小功率燃烧，系统水将缓慢加热，避免壁挂炉在一开始阶段频繁的启停。

     第一种控制方法，经过频繁启停1-3个周期后，系统水在水泵的传输下，搅拌下，平均温度已经上升，很快进入平稳加热过程。两种控制方法区别在于开始启动阶段,很快进入平稳加热后，由于均采用最小负荷维持燃烧，供热周期基本一致。
 

     散热器由多组供暖改为单组供暖后，系统水容量及储热能力大幅降低，壁挂炉频繁启停更加明显，通过在供暖系统增加一个30L的储水箱如图7，目的增加系统水容量，测试增加储水箱前后的壁挂炉的供热周期变化。

图7储水箱连接图

图8系统增加储水箱采暖出水与回水温度变化

表4

     采用单组散热器供暖模式下增加水箱之后，供暖启停周期由7:30min增加到11：37min，每小时启停次数由8次降低至5.2次，接近同时开三组散热器供热周期。图8可以看出，增加储水箱后，相当于增加系统的水容量，因此壁挂炉燃烧维持时间加长，同时由于系统存储热量增加，而单组散热器散热功率不变，在壁挂炉熄火后，有足够的热量提供缓慢散发，从而能使系统延长启停时间，以达到节能及体验更舒服。

     以单组散热器为未端的小系统供暖，为降低壁挂炉频繁启停，较佳的解决方案是扩大常规壁挂炉负荷比，可通过分段燃烧实现，或在系统增储水箱以增加水容量。从经济性角度，壁挂炉采用分段燃烧所带来的成本增加较少，而增加储水箱成本较高，如从市场的灵活性，增加储水箱更合适，储水箱可做为一个选配，需要时才加安装。

    [1] 同济大学等. 燃气燃烧与应用.北京：中国建筑工业出版社。

    [2] 夏昭知.燃气热水器.重庆：重庆大学出版社。

    [3] 夏昭知等，冷凝式燃气热水器，第1版，重庆大学出版社，重庆，2008 

    [4] 郭全. 燃气壁挂锅炉及其应用技术.北京：中国建筑工业出版社。