一种“南方采暖”壁挂炉的设计

何巍巍

摘要：本文在基于南方地区集中供暖少、供暖季较短的大环境和对热水舒适性能要求较高的基础上，提出了一种壁挂炉设计方案。在结构和程序设计优化，突出了热水属性，采用高抗风的直流风机、多分段的燃烧系统、缓解水温波动的储水罐、洗浴循环水泵和快速点火程序。通过在实验室测试数据对比，表现此结构的壁挂炉对于常规采暖热水炉在洗浴性能上的优势，尤其是加热时间、停水温升、水温波动与最低温升方面，表明了此结构在“南方采暖”壁挂炉设计安装上的可行性，也对提升壁挂炉洗浴性能方面有一定的指导意义。

关键词：热水性能要求；突出热水属性；结构和程序设计优化

1引言

近几年来，中原地区的冷空气不断南下，许多南方城市持续出现低温雨雪天气，南方的冬天变得更加寒冷漫长。并且南方的冷与北方不同，同样的温度下因为湿度大的原因，南方地区的体感温度更低。因此，供暖问题成了一个非常紧迫的现实需求。从市场需求看，南方供暖需求仍呈不断上升阶段，潜力十分巨大。

对于南方地区，集中供暖模式由于目前还缺乏北方地区的举国体制条件，面临大规模基础设施建设投入缺位、大规模能源供给缺口、大规模管理服务经验缺乏等的困局，因此暂时无法实施。分散取暖模式是以家庭单位的市场化方式解决燃料和终端设备的消费，避开了集中供暖模式的当前矛盾：其中的壁挂炉采暖可以随开随用，更加灵活的调节热水温度，能很好的配合用户使用时间，节约燃气，并且具有采暖和洗浴双重功能，是目前南方采暖最为现实的解决方案。

目前市场上壁挂炉以供暖为主、洗浴为辅，主要突出的是供暖属性，而热水属性有很大的提升空间。同时，南方洗浴习惯与北方不同，更加注重洗浴舒适度。因此，有必要设计一款符合南方地区需求的壁挂炉。

2设计需求及方案

2.1设计需求

    南方地区对壁挂炉需求体现在两个方面。

2.1.1洗浴

（1）可满足多个用水点同时使用。

需要的热水量大，因此壁挂炉的产热水能力需要较大。

（2）常年大多数时间都使用。

    由于现在高层住宅越来越普遍，高层风大、流向紊乱的外界条件使得壁挂炉的抗风能力受到越来越多关注。

（3）热水舒适性能要求较高：包括热水等待时间、停水温升、水温波动和最低温升。

    热水等待时间需要尽可能短，避免冬季洗浴时等待热水过程中的寒冷；停水温升需要足够低，避免二次开启时热水温度过高烫伤人；水温波动需要较小，避免忽冷忽热导致洗浴体验感差；最低温升不能过高，夏季进水温度高，壁挂炉最低负荷下需保证出水温度不能太烫。

（4）冬天进水温度低。

洗浴负荷需要足够，才能保证所需的出热水温度。

2.1.2供暖

寒冷季节较短，需供暖时间比北方地区短。以武汉为例，供暖一般从每年12月1日至次年2月28日，3个月。

2.2设计方案

综上，开发一款以洗浴热水为主，供暖为辅的壁挂炉。其中洗浴的热负荷需较大，设计32kW，产热水能力为16L/min，其中供暖负荷设计26kW，满足南方地区主流的供暖面积100～200m2。

2.2.1 高抗风的直流风机

单速交流风机的抗风能力都不会太高，因此采用直流调速风机，直流风机在没有外界背压影响情况下按照风气匹配原则正常运转，当外界背压逐渐加大时，通过风机的反馈信号以及控制器的自动补偿，让直流风机转速迅速提升以抵抗外界背压带来的负面影响，外界背压越大，风机转速也越高，以补偿由于背压影响带来的风量减少，使得壁挂炉能够维持在较优的燃烧工况下，相应的其抗风能力也随之提高。通过实际试验测试，采用直流调速风机的壁挂炉，抗风压能力一般可以达到 250 Pa 以上，满足南方地区高层住宅风大、流向紊乱的外界条件。

图1  交流风机和直流风机转速、UCO含量随外界风压变化曲线图

2.2.2 多分段的燃烧系统

壁挂炉的燃烧系统主要由燃气比例阀、分配管和燃烧器组成。主控制器根据所需负荷从而调节比例阀电流，来控制燃气流量，分配管通过喷嘴的引射作用将燃气和空气混合后引入燃烧器。所以单个火排的负荷范围一般是在 0.75～2.4 kW 左右。采用分段燃烧技术，当需求小负荷时，火排燃烧数减少，这样就扩大了燃烧负荷调节范围，从而降低了最低温升，提高了南方地区夏季用水的舒适度。

图2  不同模式下的流量与温度曲线图

    图Ⅱ区域表示常规不分段燃烧的流量和温度对应区域；图Ⅰ区域表示采用分段燃烧技术后，扩大了流量和温度的对应范围，可以看出，在小水流量的条件下可以得到较低的热水温度。

在保证不断档的情况下，将最小负荷设计足够低。

最小负荷设计为4kW以下，当洗浴水流量16升时，理论温升才3℃，夏季进水温度在37℃以下，因此出水温度可低至40℃以下，可以正常洗浴。

    另外供暖无需过多分段，为避免多分段带来其它问题，可采用分两段或者不分段，达到供暖条件即可。

2.2.3 缓解水温波动的储水罐

采用储水罐可以有效缓解水温忽冷忽热的问题。壁挂炉的洗浴热水是由供暖水进行加热，因此相对燃气热水器，其水温波动有时会更加剧烈。

在壁挂炉出水口处接储水罐，传热管中温度波动水流先与储水罐中已有水流冷热中和后再由出水端流出。因中和发生在储水罐内，传热管中水温波动的水流当且仅当与相当于储水罐容积的水流进行冷热中和，故储水罐内已有水量的多少是影响中和效果的关键因素。

壁挂炉稳定工作时，储水罐内储水温度约等于出热水的温度。再次开启时，壁挂炉洗浴管道中的水经与储水罐内的水冷热中和后由出水端流出，罐内储存的水与流入的温度波动较大的水进行掺混，可降低水温波动幅度

2.2.4 洗浴循环水泵

    当远端用水龙头打开，壁挂炉在正常工作工况时，循环泵进出口无压差，自来水由进水口直接流入热交换器（或板式换热器）加热，工作状态与普通壁挂炉工况一致，。当远端用水龙头关闭，管路水温低于用户设定水温时，主控制器发出水路循环加热指令，循环泵驱动工作，将壁挂炉出水口与水龙头之间的冷水回抽至壁挂炉进行循环加热，直到水温探头检测到循环管路水温达到设定温度时，循环泵停止工作，直至主控制器再次发出循环

指令，通常设置循环水温度为 35～42℃之间。下图3是洗浴循环管路连接系统.

                         图3  洗浴循环管路连接系统

2.2.5 启停零波动程序

壁挂炉前清扫、自检、点火时间和供暖水加热洗浴水是造成洗浴加热时间长的关键因素，由此可采用启停零波动技术，加快热水器二次启动的点火时间，缩短冷水加热到设定温度的时间，可减小停水温降和停水温度波动时间。

关机后主控制器控制排烟系统多运行一段时间，将高温烟气排出热水器，避免水箱被继续加热；主控制器计算关水、开水之间间隔的时间，若时间少于一定数值，则省去开机前清扫程序，避免开机进入过多冷水。启停零波动程序可一定程度上降低二次开机冷热水温度波动幅度。

3 实验室测试

根据设计方案，壁挂炉设计采用板换式结构，供暖负荷26kW，洗浴负荷32kW，产热水能力为16L/min；采用直流风机结构，洗浴部分为多分段燃烧结构，其中最小段为两排燃烧，负荷范围从4～32kW，而供暖部分采用两段燃烧，负荷范围10～26kW。洗浴管道上搭配有循环水泵和储水罐，程序上采用启停零波动程序。

图4 “南方采暖”壁挂炉

3.1基本性能

对比普通32kW壁挂炉，同一条件下测试加热时间、停水温升、超调和最低温升。

表1 测试结果对比

	设计方案壁挂炉	普通壁挂炉
加热时间（s）	31.2	55.6
停水温升(℃)	0.4	3
水温超调(℃)	-1.2～+1.8	-4.9～+3.4
超调时间（s）	0	20.3
最低温升(℃)	3.4	7.9

  从上表数据可知，方案设计的洗浴性能更加优异。其中，加热时间为31.2秒，为普通壁挂炉的1/2左右；采用储水罐和启停零波动程度后停水温升进一步降低，测试为0.4℃，水温超调在±2℃以内，有效缓解忽冷忽热的现象；由于洗浴最小负荷为4kW，理论最低温升为3摄氏度，实测为3.4摄氏度，可以解决夏季出水温度过高的问题。热水性能达到了燃气热水器的标准要求

3.2单点用水出水温度

应用循环水泵后，设置洗浴出水目标温度43℃，进水温度19.7℃，循环水流量为7L/min，30米处用水温度变化如图5。

图5 完成洗浴循环后30米用水点出水温度变化

如图所示，即热完成后，30米单点用水点出热水时间在1秒左右，温度范围：41.3~46.4℃，波动-1.7~+3.4℃，时长25秒。对比普通壁挂炉，加热时间60秒左右，水温波动在±4℃、波动时间40秒左右，水温波动性能更有优势。

3.3多点用水出水温度

应用循环水泵后，设置洗浴出水目标温度43℃，进水温度19.7℃，循环水流量为7L/min，0米和30米处用水温度变化如图6。

图6完成洗浴循环后0米和30米用水点出水温度变化

如图所示，即热完成后，0米单点用水点出热水时间在1秒左右，温度范围：41.7~43.9℃，波动-1.3~+0.9℃；30米单点用水点出热水时间在1秒左右，温度范围：41.7~43.7℃，波动-1.3~+0.7℃。

4 结论

本文分析了南方地区对壁挂炉的需求：除了基本的供暖需求外，还注重洗浴舒适度。并对这些需求进行细化，包括需多点用水，洗浴整体使用时间长、开机出现热水等待时间尽可能短、二次开机不会出现烫伤人、洗浴过程中不会出现忽冷忽热和夏季洗浴温度不烫的需求，在设计上采用了高抗风的直流风机、多分段的燃烧系统、缓解水温波动的储水罐、洗浴循环水泵和快速点火程序来满足这些需求，通过试验测试，洗浴性能测试数据可以达到燃气热水器的标准要求，可以为提升燃气采暖热水炉生活热水用户体验提供了新的方向。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB 25034-2020 燃气采暖热水炉[S]. 北京: 中国标准出版社, 2015.

[2] 同济大学, 重庆大学, 哈尔滨工业大学, 等. 燃气燃烧与应用[M]. 中国建筑工业出版社, 2011