節(jié)能可控式分戶暖氣片熱量計(jì)量系統(tǒng)方案

李旺++馬永志++欒曉文++樊明珠

摘 要：提出了一種節(jié)能可控式分戶暖氣片熱量計(jì)量系統(tǒng)（HRHCS），該系統(tǒng)集成了分戶暖氣片熱計(jì)量技術(shù)與智能化控制技術(shù)等生態(tài)節(jié)能建筑技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了冬季取暖的智能化，可測溫、可控制、可定時(shí)，可以采用太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、生物質(zhì)能、電能等單一能源模式，或采用其中兩種或兩種以上復(fù)合能源模式。從智能控制角度，針對(duì)四種典型模式的HRHCS，著重論述了系統(tǒng)方案和工作特點(diǎn)；從能源角度，作為傳熱、換熱供暖功能模塊的HRHCS，分析并給出了太陽能、地?zé)崮芤约疤柲?風(fēng)能等HRHCS方案。HRHCS對(duì)于建筑能耗滿足2015年10月我國住房城鄉(xiāng)建設(shè)部公布的《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）》具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：生態(tài)節(jié)能建筑技術(shù)；分戶；暖氣片；熱計(jì)量；方案

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.080

建筑節(jié)能是實(shí)現(xiàn)我國節(jié)能減排重大戰(zhàn)略決策的主要任務(wù)之一。我國北方地區(qū)建筑采暖能耗占當(dāng)?shù)厝鐣?huì)能耗的25%左右，占我國建筑總能耗的40%，是我國建筑節(jié)能的重點(diǎn)[1-4]，為此，2015年10月我國住房城鄉(xiāng)建設(shè)部公布了《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）》以推動(dòng)我國超低能耗建筑[5]。

本文提出了節(jié)能可控式分戶暖氣片熱量計(jì)量系統(tǒng)（energy-saving controllable household radiator heat- metering system and charging，簡稱HRHCS），并對(duì)其進(jìn)行深入研究，基于智能控制、能源等角度，設(shè)計(jì)提出了幾種典型的HRHCS，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了分析[6-7]。

1 HRHCS方案

1.1 系統(tǒng)整體方案

如圖1所示，HRHCS由電源、閥控系統(tǒng)、定時(shí)系統(tǒng)、進(jìn)水管道、回水管道、暖氣片、顯示調(diào)節(jié)系統(tǒng)、熱量計(jì)量系統(tǒng)、進(jìn)水管口及回水管口等組成。其中，電源為鋰離子儲(chǔ)能電池，供給系統(tǒng)中閥控系統(tǒng)、定時(shí)系統(tǒng)、熱量計(jì)量系統(tǒng)等所需電能；閥控系統(tǒng)控制閥門開關(guān)，由閥門驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、電磁繼電器及其控制電路組成。當(dāng)室內(nèi)溫度低于室內(nèi)設(shè)置最低溫度時(shí)，閥控系統(tǒng)中電磁繼電器打開電源，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)打開閥門，閥門打開后電磁繼電器切斷電源；當(dāng)室內(nèi)溫度高于室內(nèi)設(shè)置最高溫度時(shí)，閥控系統(tǒng)中電磁繼電器打開電源，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)閉閥門，閥門關(guān)閉后電磁繼電器切斷電源。熱量計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)HRHCS熱量使用的計(jì)量，由熱量計(jì)及兩側(cè)閥門組成，在熱量計(jì)出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)閉兩側(cè)閥門可以取下熱量計(jì)進(jìn)行更換或維護(hù)。

HRHCS本質(zhì)上屬于供暖功能模塊，其內(nèi)部定時(shí)系統(tǒng)通過設(shè)定時(shí)間開關(guān)閥門實(shí)現(xiàn)室溫控制。依據(jù)供暖針對(duì)性不同，HRHCS又可以進(jìn)行設(shè)置為不同模式：（1）基于用戶人群可以設(shè)置為老人專用模式、兒童專用模式、成人專用模式等三種；（2）基于室溫控制模式，可以設(shè)置為溫控及紅外探測感控；（3）基于功能控制模式有可以設(shè)置為溫暖舒適型、平安健康型、抗力鍛煉型等類型。

1.2 基于時(shí)間溫控模式

基于時(shí)間溫控模式HRHCS采用最簡單的時(shí)控方式，尤其適合于有固定作息時(shí)間的家庭，如具有固定上下班規(guī)律的上班族、學(xué)生等。當(dāng)家里沒人時(shí)，可以將室內(nèi)取暖閥門關(guān)閉；在將要回家前五分鐘，打開取暖閥門，讓室溫在人到家時(shí)剛好提升上來。

基于時(shí)間溫控模式的設(shè)定時(shí)間范圍可以為天制、周制、月制甚至年制，即可以設(shè)置一天內(nèi)、一周內(nèi)、一月內(nèi)甚至一年內(nèi)閥門的開關(guān)時(shí)段，如圖2所示。復(fù)雜設(shè)置方式可以利用網(wǎng)絡(luò)通過數(shù)據(jù)庫方式直接導(dǎo)入模式完成，如此實(shí)現(xiàn)了供暖的精確時(shí)效控制。時(shí)控范圍、時(shí)控初始時(shí)間、時(shí)控模式等均可以通過顯示調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置或者選擇。

當(dāng)然，基于時(shí)間溫控模式的HRHCS也可以同時(shí)與其它控制模式組合聯(lián)用，如圖2所示，與基于室溫控制模式中的手機(jī)遙控模式聯(lián)用，通過手機(jī)遙控實(shí)現(xiàn)閥門開啟時(shí)間的精確控制就更為便捷、節(jié)能。

1.3 基于用戶人群模式

不同供暖用戶人群，對(duì)所需求的室內(nèi)溫度是不一樣的。如圖2所示，按供暖用戶人群細(xì)分，可以分為老人專用模式、兒童專用模式、成人專用模式。一般說來，老年人身體較弱，冬季容易怕冷，故而其房間設(shè)置供暖溫度要高些，一般為22-26℃；兒童火力旺，在太暖和的房間反而容易因外出受涼感冒，因此其房間設(shè)置供暖溫度可以低一些，一般為14-18℃；一般成人房間設(shè)置供暖溫度居于兩者之間，一般可取18-22℃；客廳為全家主要活動(dòng)場所，溫度適中較為合適，一般設(shè)置20℃左右；門廳、衛(wèi)生間等取暖溫度設(shè)置可以更低些，取16℃；廚房因?yàn)槠渌块g熱量的傳遞，其溫度即使不供暖也會(huì)維持在6℃以上，如此還有利于蔬菜等保鮮。如此設(shè)置，既考慮了不同人群體質(zhì)因素，同時(shí)從自己房間出門到外，還有客廳、門廳等需要穿過，減少了冬季由于室內(nèi)外大溫差變化對(duì)人體的影響。

1.4 基于室溫控制模式

基于室溫控制模式究其實(shí)質(zhì)而言屬于點(diǎn)溫度控制，如圖2所示，具體可分為普通溫控模式、紅外溫控模式及手機(jī)遙控溫控模式三種：（1）基于室溫控制的普通溫控模式，取室內(nèi)某一地點(diǎn)溫度為控制溫度點(diǎn)，進(jìn)行室溫控制，該控制溫度地點(diǎn)可以為室內(nèi)任意一處，設(shè)定室內(nèi)最低溫度與最高溫度，在室溫低于設(shè)置的最低溫度時(shí)，閥門開度增大；當(dāng)室溫高于設(shè)置的最高溫度時(shí)，閥門開度減小。如此實(shí)現(xiàn)室溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)。（2）基于室溫控制的紅外溫控模式通過紅外探測感知室內(nèi)沒有人時(shí)，閥門開度關(guān)閉，由此減小室內(nèi)熱量消耗。在紅外探測感知室內(nèi)進(jìn)入人后，閥門開度開到最大，以盡快提升室內(nèi)溫度至設(shè)置溫度范圍。室溫提升的過程時(shí)間可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整，該過程正好有效避免了人由室外直接進(jìn)入較高溫度室內(nèi)因溫差過大而引起的不舒服問題。（3）基于室溫控制的手機(jī)遙控溫控模式則是通過手機(jī)遙控HRHCS閥門開關(guān)，實(shí)現(xiàn)室溫遙控效果。

1.5 基于功能控制模式

基于功能控制模式則以人為本，具體說來可分為溫暖舒適型、平安健康型、抗力鍛煉型等類型：（1）溫暖舒適型HRHCS實(shí)際上就是目前普通取暖方式，它強(qiáng)調(diào)人體對(duì)于溫度的舒適感覺，室溫要求不低于18℃。（2）平安健康型HRHCS強(qiáng)調(diào)人體的身體健康，其室溫設(shè)置上可以更低，強(qiáng)調(diào)人體感知的不僅是溫度，更重要的室內(nèi)外溫差，根據(jù)人體適應(yīng)性不同，進(jìn)行室溫設(shè)置，對(duì)于一般健康人群，其最低室溫設(shè)置一般為不讓人凍傷為目的，一般可設(shè)為12℃，最高室溫設(shè)置為22℃；對(duì)于怕冷人群，最低室溫設(shè)置可以高些，但一般不會(huì)超過16℃，最高室溫設(shè)置為26℃；對(duì)于怕熱人群，最低室溫設(shè)置回更低些，可設(shè)置為8℃甚至更低，最高室溫設(shè)置為20℃。（3）抗力鍛煉型HRHCS則是全能型設(shè)置模式，此時(shí)不再注意能耗情況，其提供了鍛煉身體的一種模式，就是為了提高身體抵抗高溫、低溫、高溫差、低溫差的能力，即使是夏季室內(nèi)也可調(diào)整為冬季三九嚴(yán)寒環(huán)境，冬季下室內(nèi)亦可將溫度調(diào)整為夏季酷暑環(huán)境，當(dāng)然，夏季時(shí)也可讓室溫更高，冬季時(shí)也可讓室溫更低；同時(shí)，人處于室內(nèi)時(shí)室溫也可變化，室溫變化的速度也可以調(diào)節(jié)。具體原理圖如圖2所示。

2 功能拓展

HRHCS本質(zhì)上是一個(gè)傳熱、換熱功能模塊，它可以與太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、生物質(zhì)能等其他能量供應(yīng)模式結(jié)合，形成更為環(huán)保節(jié)能的取暖模式。

HRHCS中所需電能由光伏板組件將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，直接儲(chǔ)存在鋰離子電池中，由鋰離子電池供給系統(tǒng)用電；太陽能集熱板將太陽能加熱水，當(dāng)加熱到設(shè)定溫度時(shí)，將熱水存儲(chǔ)到集熱裝置中，當(dāng)室內(nèi)溫度降低需要HRHCS供暖時(shí)，HRHCS中閥控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)其內(nèi)直流電機(jī)打開閥門，集熱裝置中儲(chǔ)存的熱水自其中流出實(shí)現(xiàn)取暖效果；當(dāng)室內(nèi)溫度升高到設(shè)定的室內(nèi)最高溫度時(shí)，HRHCS中閥控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)其內(nèi)直流電機(jī)關(guān)閉閥門。

2.1 太陽能HRHCS

萬物生長靠太陽，太陽能具有普遍、無害、巨大、長久等其他能源供給模式無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。若完全以太陽能供給HRHCS，則其原理示意圖如圖3所示。

HRHCS中所需電能由光伏板組件將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，直接儲(chǔ)存在鋰離子電池中，由鋰離子電池供給系統(tǒng)用電；太陽能集熱板將太陽能加熱水，當(dāng)加熱到設(shè)定溫度時(shí)，將熱水存儲(chǔ)到集熱裝置中，當(dāng)室內(nèi)溫度降低需要HRHCS供暖時(shí)，HRHCS中閥控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)其內(nèi)直流電機(jī)打開閥門，集熱裝置中儲(chǔ)存的熱水自其中流出實(shí)現(xiàn)取暖效果；當(dāng)室內(nèi)溫度升高到設(shè)定的室內(nèi)最高溫度時(shí)，HRHCS中閥控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)其內(nèi)直流電機(jī)關(guān)閉閥門。

2.2 地?zé)崮蹾RHCS

地?zé)崮蹾RHCS原理示意圖如圖4所示。世界五大地?zé)豳Y源中有三大地?zé)豳Y源與我國有關(guān)，地?zé)崮芄┡莾H次于地?zé)岚l(fā)電的地?zé)衢_發(fā)利用方式，以地?zé)崮芄┙oHRHCS無論對(duì)于我國的地?zé)峋C合開發(fā)利用還是節(jié)能減排都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.3 太陽能+風(fēng)能HRHCS

當(dāng)然，根據(jù)以上思路，還可以進(jìn)一步拓展，根據(jù)實(shí)際條件采用更為靈活的兩能源、三能源甚至更多種能源的復(fù)合能源供給模式，譬如太陽能+電能，太陽能+風(fēng)能等，以便HRHCS節(jié)能的同時(shí)，還可以保證其運(yùn)行效果的可靠性。這里僅以太陽能+風(fēng)能HRHCS為例，其參考原理示意圖如圖5所示。

鑒于風(fēng)能更適合于發(fā)電，而太陽能則既可以發(fā)電，又可以直接熱利用，這里太陽能+風(fēng)能HRHCS中所需電能均由風(fēng)能提供，風(fēng)力發(fā)出來的電首先儲(chǔ)存在鋰離子蓄電池中；太陽能僅進(jìn)行熱利用。

3 結(jié)論

模塊化功能模塊HRHCS應(yīng)用更靈活?；跁r(shí)效（時(shí)間）角度，HRHCS形成了供暖的全時(shí)間范圍的精確時(shí)效控制，基于用戶人群模式、室溫控制模式、功能控制模式，可以形成更有針對(duì)性的不同類型的HRHCS。同時(shí)，HRHCS可以與太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、生物質(zhì)能等其他能量供應(yīng)模式結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了建筑能耗取暖零能耗。HRHCS節(jié)能環(huán)保，綠色健康，安裝簡單可靠，制造成本低，地區(qū)適用范圍廣，不僅適用于現(xiàn)有北方集中供暖系統(tǒng)，尤其適用于南方濕冷地區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：李旺（1996-），男，本科.

*為通訊作者