供暖沐浴集成裝置的供熱能力及其與燃氣熱水器的適配性研究

顧玉強 魯信輝

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國房屋總能耗占總的能源消耗的37 %以上[1]。提高供熱能效是降低建筑能耗的重要手段，而低溫運行的供暖系統(tǒng)不僅可以大幅降低能耗水平，而且更加健康舒適[2]。姚登科[3]等采用數(shù)值模擬與實驗測試相結(jié)合的方法對比了低溫系統(tǒng)中普通散熱器與風(fēng)機盤管的供暖效果。結(jié)果表明，在同一熱源下，使用風(fēng)機盤管作為散熱末端進行供暖，可以得到更高的房間溫度，體感更好，滿意率更高。朱曉姣[4]等通過實驗對3種典型的低溫散熱器進行了性能分析，在相同工況下，強制對流散熱器的散熱量最大。姬立敏[5]以實際案例分析比較了節(jié)能改造前后采暖系統(tǒng)管徑和散熱器片數(shù)的變化。結(jié)果表明相較于原系統(tǒng)，低溫系統(tǒng)中散熱器面積增加了兩倍，因此必須選用散熱效率更大的散熱器。

目前智能家居市場快速發(fā)展，全屋熱水系統(tǒng)作為智能家居的的組成部分得到各大廠家的廣泛關(guān)注。零冷水燃氣熱水器因其內(nèi)置循環(huán)水泵，不僅可以實現(xiàn)熱水零等待，也為燃氣熱水器終端低溫供暖設(shè)備的開發(fā)提供了可能。根據(jù)零冷水燃氣熱水器的工作特點，萬和設(shè)計了一款強制對流式供暖沐浴集成裝置，該裝置兼具熱水供應(yīng)及局部供暖的功能。本文針對該供暖沐浴集成裝置的供暖能力及該裝置在工作過程中與燃氣熱水器的配合聯(lián)動問題進行實驗研究。研究結(jié)果為供暖沐浴集成系統(tǒng)的開發(fā)及其與燃氣熱水器的聯(lián)動控制提供了相應(yīng)參考。

1 供暖沐浴集成裝置及測試系統(tǒng)

該供暖沐浴裝置主要有沐浴管路、貫流風(fēng)機、換熱器等組成，采用集成化設(shè)計，將所有零部件一體安裝。為了防止該裝置內(nèi)部進水，在洗浴過程中是不進行供暖，即在洗浴過程中，該裝置的進出風(fēng)口應(yīng)該是關(guān)閉的。其外觀形態(tài)如圖1所示，供暖系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)的參數(shù)見表1。

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2是焓差室實驗原理圖，該焓差室可以直接測量供熱系統(tǒng)的風(fēng)量及換熱量。

圖2 焓差室測試系統(tǒng)

依據(jù)GB/T 19232-2019《風(fēng)機盤管機組》中的測試標準，對該供暖沐浴裝置在標準焓差室中進行測試。

2 供暖能力試驗分析

散熱器的散熱能力與環(huán)境溫度、進水溫度、進水水量、風(fēng)機風(fēng)量等有直接的關(guān)系。由于該供暖沐浴集成裝置采用風(fēng)機定轉(zhuǎn)速設(shè)計，本文主要研究前三項因素對供熱能力的影響。

2.1 進水溫度及進水流量對供暖能力的影響

測試條件：環(huán)境干球溫度21 ℃；風(fēng)量：310 m3/h；分別調(diào)節(jié)水流量及進水溫度。測試結(jié)果及分析如表2。

表2 不同進水溫度及流量下的供暖功率

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，在測試條件下，該供暖沐浴裝置的最大換熱能力為2.42 kW，最小換熱功率為1.35 kW。通過風(fēng)機風(fēng)量及出風(fēng)口的面積可以計算得出，該裝置的出口平均氣流速度約為1.2 m/s，風(fēng)速較為柔和。

圖3為供暖功率與進水溫度關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出，不同進水流量下，功率-進水溫度曲線排列密集；同一進水流量下，隨著進水溫度升高，換熱功率大幅增大，平均增幅約50 %；圖4為功率-水流量關(guān)系曲線，圖中各曲線間的間距較大，排列疏松；曲線上升平緩，表明在同一進水溫度下，隨著水流量的增大，換熱功率增加不明顯，平均增幅約13 %。

圖4 不同水流量下的供暖功率

從圖3、圖4的曲線斜率及曲線排列的密集程度可以發(fā)現(xiàn)，水流量的變化對換熱功率的影響較為微弱，水溫變化對換熱功率的影響強烈，進水溫度的升高對換熱功率的增大作用明顯。該結(jié)果亦說明供暖沐浴裝置對水泵的揚程要求不高，在低水量情況下便可實現(xiàn)較大采暖功率的供給，解除了燃氣熱水器低壓小體積水泵的應(yīng)用障礙。

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，在測試條件下，最高出風(fēng)溫度46.41 ℃，最低出風(fēng)溫度34.86 ℃，出風(fēng)溫度均高于30 ℃；

表3 不同進水溫度及流量下的出風(fēng)溫度

圖5顯示，在同一水流量，不同進水溫度下，出風(fēng)溫度隨著進水溫度的升高而大幅升高，最大出風(fēng)溫度差值約為10 ℃，這與進水溫度升高，換熱功率增大結(jié)果是一致的；圖6顯示，在同一進水溫度，不同水流量下，出風(fēng)溫度有小幅上升，最大出風(fēng)溫度差值約為3 ℃；

圖5 不同進水溫度下的出口風(fēng)溫

圖6 不同進水流量下的出口風(fēng)溫

2.2 環(huán)境溫度對供暖能力的影響

測試條件：環(huán)境干球溫度12 ℃、17 ℃、21 ℃ ；風(fēng)量：約310 m3/h；水流量約4 L/min，分別調(diào)節(jié)進水溫度。

表4的測試結(jié)果顯示，最大的供暖功率為3.14 kW，最小供暖功率為1.5 kW；從圖7可以看出，在進水量及進水溫度相同的情況下，隨著環(huán)境溫度的下降，供暖功率逐漸升高。

圖7 不同環(huán)境溫度下的供暖功率

2.3 體驗房的實際供暖效果測試

為了測試該沐浴供暖裝置的實際使用效果，將該裝置壁掛安裝在一個6 m2的浴室內(nèi)，測試條件如下：環(huán)境溫度20 ℃，熱水溫度：60 ℃，水流量：4 L/min，風(fēng)機風(fēng)量：310 m3/h，測試過程中，關(guān)閉浴室房門。測試該裝置周圍1 m處的溫度變化，溫度記錄如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)，房間內(nèi)溫度緩慢升高，升高速度逐漸降低。在剛開始的6 min內(nèi)，房間內(nèi)溫度升高了3 ℃，然而，當溫度升高到27 ℃，時，用時20 min，且溫度到后期基本不再變化，說明此時房間四周墻壁與外界環(huán)境處于熱量平衡狀態(tài)。當加熱6 min后從外界進入到浴室，可以感到浴室內(nèi)溫度較門外溫度為高，當加熱20 min后從外界進入到浴室，可以明顯感到房間較為溫暖。

圖8 不同加熱時間下的房間溫度

綜合以上研究可以發(fā)現(xiàn)，水溫對該裝置的供暖能力具有決定作用，較高的出水溫度不僅可以提升供暖沐浴裝置換熱功率，也可以提高出風(fēng)溫度，提高該裝置的使用舒適度。水流量的變化對供暖能力的影響較小，該特性為該供暖沐浴裝置與零冷水燃氣熱水器的完美結(jié)合提供了良好契機。環(huán)境溫度降低，該裝置的供暖能力相應(yīng)提高。

3 與燃氣熱水器的適配性問題分析

目前市面上的燃氣熱水器的功能單一，僅僅具有提供家庭生活熱水的功能。擴展燃氣熱水器的使用范圍，使燃氣熱水器具有供暖與熱水的雙重能力在國內(nèi)鮮有研究。本文接下來主要分析該供暖沐浴裝置與燃氣熱水器的適配性問題并提出針對性的解決方案，也為后續(xù)研究提供參考。

3.1 高溫水供暖與低溫水洗浴之間的防燙問題

人體舒適的沐浴溫度一般在42 ℃左右，經(jīng)過對該供暖沐浴裝置的供熱能力的研究可知，在45 ℃進水溫度下，該裝置的供熱能力較低，出風(fēng)口的出風(fēng)溫度也比較低。若依此熱水溫度作為工作熱水溫度，就會導(dǎo)致該供暖沐浴裝置的供熱能力小，房間溫升速度慢。如何實現(xiàn)高的供暖功率并保證合適的沐浴水溫，是該沐浴供暖裝置與燃氣熱水器配合應(yīng)用面臨的第一問題。

日本公司林內(nèi)株式會社開發(fā)了一款空氣循環(huán)機，該空氣循環(huán)機只有供暖功能，且該空氣循環(huán)機可以接入生活熱水系統(tǒng)進行供暖。其主要管路布置如圖9。從其管路布置上可以發(fā)現(xiàn)，該供暖系統(tǒng)通過恒溫水閥來實現(xiàn)高溫水供暖與生活熱水使用之間的矛盾。由于本供暖沐浴集成裝置同時具有供暖與沐浴的功能，因此，其管路布置系統(tǒng)將更加復(fù)雜。

圖9 林內(nèi)供暖及生活用水混合管路

3.2 裝置散熱能力小于燃氣熱水器最小負荷的問題

將該沐浴供暖裝置接入燃氣熱水器循環(huán)管路，當環(huán)境溫度較高時，裝置的散熱能力降低，當散熱能力降低到小于燃氣熱水器的最小負荷時，循環(huán)管路內(nèi)的水便會持續(xù)升溫，若加熱時間較長，則會導(dǎo)致燃氣熱水器的超溫保護。因此，在該裝置低散熱能力狀態(tài)，必須對燃氣熱水器的工作邏輯進行改進，以防止燃氣熱水器超溫保護停機，進而導(dǎo)致供暖工作的停止。在表4所示的測試條件下，設(shè)定燃氣熱水器的回水溫度上下限來確定熱水器的燃燒器的啟停條件，其測試結(jié)果如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)，測試結(jié)果具有明顯的周期性，啟停周期平均約4 min。

圖10 無水罐時供暖工作周期

表4 不同環(huán)境溫度下的供暖功率

通過對供暖工作過程進行分析，為了減小燃氣熱水器的啟停次數(shù)，除了增大供暖裝置的散熱能力外，在循環(huán)管路內(nèi)串聯(lián)水罐也是一個解決辦法。在測試過程中，臨時找到一個方便連接的7 L大水罐，并將其串聯(lián)在循環(huán)管路內(nèi)，測試條件同表5。測試結(jié)果如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)該裝置的供暖周期明顯加長，燃燒器的啟停周期延長至14 min。當然，該啟停周期會隨著串聯(lián)水罐的體積大小而變化，具體的水罐體積及安裝位置應(yīng)結(jié)合實際測試結(jié)果及燃氣熱水器的相關(guān)使用標準進行確定。

圖11 加水罐時供暖工作周期

表5 體驗室內(nèi)測試條件

4 結(jié)論

1）供暖能力受溫度影響最為劇烈，進水溫度、環(huán)境溫度決定該沐浴供暖裝置的供暖能力。進水流量對供暖能力的影響較小，該特性可以降低對燃氣熱水器的低壓水泵的使用要求，為零冷水與供暖的結(jié)合提供了可能。

2）為了保證供暖功率，燃氣熱水器的供暖出水溫度要高于洗浴出水溫度。而為了防止燙傷，需要增設(shè)恒溫混水閥，確保高溫供暖用水用作生活用水時可以降低到一個合適的溫度。

3）當環(huán)境溫度較高或燃氣熱水器的最低負荷較高時，燃氣熱水器的燃燒器將會頻繁啟停，為了減小啟停次數(shù)，可以在循環(huán)管路中加裝水罐，水罐的具體容積可根據(jù)實驗進行確定。