户式燃气热水采暖炉应用中的一些问题.doc

刊于暖通空调2004年8期户式燃气热水采暖炉应用中的一些问题北京市建筑设计研究院 张锡虎 重庆市设计院 文彪北京市新厦建筑设计研究所 金 培内容提要本文在肯定户式燃气热水采暖炉是住宅成功的多元化供暖方式之一的同时，也提出了由于对这种设备特性认识的某些盲目性，在工程实践应用过程中出现的一些问题，例如：供暖费用的高或低、输出功率容量的合理选择、燃烧调节方式与热效率、室温控制、配套循环水泵、排烟和环境影响、烟气低温冷凝和生活热水的兼用功能。这些问题的妥善解决，才能充分发扬其优势和效益。1 应用户式燃气热水采暖炉的可行性户式燃气热水采暖炉在我国应用于住宅采暖，已经有多年的实践，作为集中供暖的一种补充方式，相对于集中供暖，有利于供暖收费制度的改革，有利于用户自主选择采暖标准（采暖期和采暖温度等），在实施节能标准（尤其是北京即将实施第三步节能目标）的住宅中使用，用户所实际支出的采暖费用，会明显低于采用燃气、油、电等“清洁能源”集中供暖的采暖费用，有利于将建筑节能的效益体现为用户的直接利益。如果应用得当，应该认为是成功的多元化供暖方式之一。今年年初，北京某媒体在显要版面发表一条消息称：“政府不提倡一家一户燃气采暖”。随即，北京市供热的政府主管部门市政管理委员会在官方网站上声明：上述报道“是没有根据的，市市政管委领导没有在任何场合、时间接受过记者对上述问题的采访。目前，我市民用供热方式有大型集中供热、中小型区域供热和清洁能源分户自采暖，此外，还有平房煤炉自采暖。北京作为全国开展城镇供热体制改革试点城市之一，按照2003年7月21日建设部等八部委局关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见的精神，继续发展和完善以集中供热为主导、多种方式相结合的城镇供热采暖系统。”采用户式燃气热水炉采暖，就是属于“多种方式的城镇供热采暖系统”之一。户式燃气热水采暖炉是西欧家用采暖的主要产品。美国的民用建筑几乎不使用集中供热，分户供热的热源50%为天然气。 1因此，没有必要片面地对燃气分户供暖方式加以排斥，而是应该正视户式燃气热水采暖炉在应用过程中的一些问题和缺陷，切实加以改善。其中许多问题，与对这种设备特性的认识和理解上的某些盲目性有关。即将发布的北京市居住建筑节能设计标准中规定，当不具备集中热源条件，经过对环境影响的评估，可以采用户式燃气供暖炉供暖，但对于产品的选用和系统配置，从节能角度提出了具体要求。2 关于采暖费用供热体制改革的核心问题，是变“福利供暖”为用热的商品化。供热体制改革将越来越使供暖费用的高低，成为住宅采暖方式优化选择至关重要的因素。可以用现行民用建筑节能设计标准 2 所规定的建筑耗热量指标限值，作为同一标准加以比较。以北京地区为例，普通住宅的建筑耗热量指标限值是20.6W/（m2建筑面积）, 按采暖期125天、每天24小时计算，全采暖期的采暖总耗热量应不超过61.8kWh/（m2建筑面积）。户式燃气热水采暖炉的平均热效率如取80%，热值8400kcal/Nm3的天然气耗量应为7.9m3 /（m2建筑面积），按1.9元/Nm3计算，天然气费用共15.03元/（m2建筑面积），加上循环水泵电费和十年左右的设备折旧费，即使不考虑用户自主调节可以节省的费用，总费用一般也不会超过25元/（m2建筑面积）。如果按照北京地区即将实施的第三步节能建筑采暖能耗量计算，天然气费用则可进一步减少为10.69元/（m2建筑面积）。而北京地区燃气、燃油或电热锅炉房集中供暖现行供暖费标准是30元/（m2建筑面积）。因此，在正常的条件下，使用户式燃气热水采暖炉的采暖费用，应该低于采用燃气或其它清洁能源锅炉房集中供暖的采暖费用。锅炉房集中供暖的热效率虽然高于户式燃气热水采暖炉，但由于热媒的输送能耗和管网热损失，以及设备和管网的折旧、维修费用、人工和管理费用等因素，出现这样的差异是正常的。当然，不能直接将按照节能设计标准规定的计算条件计算所得的总采暖耗热量，当作所有住宅的实际采暖耗热量。例如：当需要取较高采暖温度和延长采暖期时，全年的采暖能耗当然会要增加。在公寓式集合住宅中，顶层及其它外围护结构面积较大的边角套型，与标准层套型相比，采暖能耗也会有相当的差异。即使这样，总体平均采暖费用也不会超过采用燃气或其它清洁能源锅炉房集中供暖的现行供暖费标准。对于户式燃气热水采暖炉采暖费用的高低，有不同的说法。其实，影响采暖费用高低不外乎以下五个因素：当地天然气的价格和热值；采暖建筑的保温性能和采暖耗热量指标；公寓式集合住宅中某一用户的周边热环境；采暖炉的热效率；是否采用合理的运行方式。当上述五个因素中存在某些不利条件时，当然会形成高额的采暖费用。例如：燃气价格较高而热值较低；不节能建筑由于建筑耗热量过大；节能建筑建成后在使用初期需要逐步加热升温；公寓式集合住宅在入住率较低的阶段，由于户间传热等因素使采暖房间的热环境条件较差。上述有些因素，特别是周边热环境因素，在采用分户电热采暖，或集中供暖实行按照分户热计量收费时，同样会发生。除此以外，采暖费用过高的重要原因，是燃气热水采暖炉的实际运行热效率过低以及貌似“节省”其实“浪费”的不合理配置和运行方式。3 关于采暖炉输出功率容量的合理选择在许多燃气热水采暖炉产品资料中，提出的“热效率”都高达90上下。通常，该指标是在实验室测得的、符合“理想条件”的运行数据。所谓“理想条件”，包括燃气的成分和热值、燃烧状况、受热面的清洁程度、热媒参数等。而根据实态调查和工程实测资料证明，全采暖期的平均热效率普遍较低。除了在实际运行过程中难以避免发生偏离“理想条件”以外，影响热效率的主要因素，是选型往往偏大以及与此密切相关的燃烧调节方式。许多生产厂家提供的产品资料中，常多余地给出“可带多少供暖建筑面积”的数据，很容易造成对用户容量选择的误导。众所周知，建筑面积并不能直接作为选择燃气热水采暖炉输出功率容量的主要依据。房屋的采暖负荷，主要取决于其建筑热工性能。对建筑总体而言，朝向、体型系数、围护结构的热阻、太阳辐射热、窗的密闭性等，都对负荷有很大的影响。而每户的负荷，还与其在建筑中的所在部位有关。低能耗的节能建筑，与旧有的、或者不严格按照节能设计标准要求建造的不节能建筑，以及同一集合式住宅内的不同部位套型，能耗都会有很大的差异。应常规进行采暖负荷计算，确定燃气热水采暖炉所需输出功率，根据不同套型，选择与采暖负荷相适应、有适当裕量的炉型。如同分户热计量的集中供暖系统确定户内采暖设备容量一样，户式采暖炉也需要适当考虑户间传热因素。关于户间传热量的计算，北京市标准新建集中供暖住宅分户热计量设计技术规程3 1.0.2条规定：“分户独立热源的户内系统相应部分的设计，也可参照执行本规程。” 根据工程应用实践经验，在进行准确设计计算以前的设计前期，也可以按照节能水平不同住宅的采暖负荷估算指标增加40左右，不宜再考虑间歇采暖等其它额外附加量。即在室外温度达到设计条件时，应该用连续供暖来达到设计室温。在许多工程中，不论套型面积和采暖负荷大小, 均采用输出功率远大于房间设计采暖负荷的同一型号炉型，偏大甚至达数倍之多。达到现行节能标准的普通住宅采暖设计耗热量指标，约为5060 W/（m2建筑面积）,考虑40的户间传热因素后，也只有7080 W/（m2建筑面积）。户式燃气热水采暖炉有18kW、24kW、28kW几种输出功率。即使采用18kW这种最小的炉型，也足以满足建筑面积200 m2以上套型的需要。采暖设备配置的根据是设计采暖负荷，而采暖负荷在全采暖期有很大变化幅度，在绝大部分时间内，采暖设备有很大的裕量，只需要部分负荷运行，选型偏大更加剧了这种运行状况，使得即使在实际负荷需要达到设计最大值时，也仍然只需要部分负荷运行。户内的散热设备不可能按照偏大炉型的输出功率配置，“大马拉小车”的结果，只能依靠频繁的燃烧量调节达到与散热设备的散热量相适应。目前，所实际采用的多数采暖炉，应对部分负荷条件下频繁燃烧量调节的方式，是导致热效率降低的重要原因。4 关于燃烧调节方式与热效率当燃气炉在部分负荷燃烧时，如果参与燃烧的、按额定负荷确定的空气量不变，就会使过剩空气系数和排烟热损失过大，使实际热效率大幅度降低。户式燃气热水采暖炉的燃烧量调节方式，基本上有三种：一，全负荷燃烧和停止燃烧的简易两位燃烧调节方式；二，仅调节燃烧量而不同时调节进风量的燃烧调节方式；三，可调节燃烧量并可变频调节进风量的燃烧调节方式据调查，目前使用最多的是貌似“功能良好”、实际平均热效率最低的第二种燃烧调节方式。这种方式在处于部分负荷运行状态的大部分时间内，燃烧量减少而空气量不变，显然会因过量空气系数过大而使热效率大幅度降低。较佳的理想状态过量空气系数是不大于1.31.4，据对某种炉型的实测，在额定输出功率负荷条件下，过量空气系数约为1.92.1，排烟温度一般不超过120，而当调节燃烧量即“点小火” 燃烧（例如减少到40%左右的燃烧量）时，排烟温度虽然降低到8090，而过量空气系数则高达56。应选择采用在不同负荷率时均有较高效率的炉型，例如第三种“对应于燃烧量改变进风量”燃烧量调节方式。国外产品中有一种配置比较完善的炉型，可以按照燃气和空气约114的比例自动调节参与燃烧的空气量，且其风机是变频调速的，这就是第三种燃烧方式的炉型。但这种产品较贵，考虑到减少投资费用，开发建设单位一般不愿选择采用。当需要节省投资费用时，还不如采用全负荷燃烧和停止燃烧的简易两位燃烧调节方式的炉型。因为，所谓能够“对应于燃烧量改变进风量”的炉型，理论上可以在不同负荷率达到较高效率，实际上变频调速风机所提供的不同风量，很难完全达到与不同燃烧量条件的最佳匹配。5 关于室温控制炉子的燃烧量调节需要从控制系统得到信息：水温或典型房间室温对设定值的偏离状况。目前所实际采用的多数户式燃气热水采暖系统一般不配置室温控制器，而由用户通过炉子配带的旋钮设定水温来间接控制室温。当循环水供水温度接近或达到水温设定值时，无论室内外温差如何，炉子开始进行燃烧量调节。有的时候，室温并未达到舒适标准，由于偏大炉型的输出功率远大于散热设备的散热量，以及特别是用户希望节省采暖费用一般将水温设定于较低值时，水温上升很快，这就使炉子需要进行频繁的燃烧量调节。循环水温应与采暖负荷的变化相适应，采暖负荷的变化与室内外温差、室外风速、日照、内部产热以及房间的通风换气状况等多种因素有关，仅靠人为控制水温很难适应负荷变化。所有的炉型，特别是若想使第一、二种炉型运行较为节能，最好匹配室内温度控制器与炉子的控制系统接口，将炉水温度控制改为室内温度控制。即使炉水温度较低，当达到室温控制器所设定的温度时，锅炉将自动停止，直至室温低于所设定值时再启动，使炉子启动，这样既保证了室内温度的稳定，又由于锅炉均在满负荷最高效率下工作，确保了额定热效率，降低了燃气耗量。有资料证明，在达到相同采暖温度条件下，采用室内温度控制器的户型，较仅采用水温设定可以节能约1/3。6 关于配套水泵常可见到燃气热水采暖炉的配套循环水泵与系统的不合理匹配。许多生产厂的技术资料中，对配套循环水泵特性的提法模糊，不明确流量，或将水泵“扬程”与炉外剩余水头混为一谈。通常，燃气热水采暖炉循环水泵的流量，是按照在额定输出热量条件下，供水和回水温差为20或25配套的，而克服了额定流量的炉内阻力以后的炉外剩余水头，约为2.53.5m左右。显然，这种循环水泵的典型匹配，一般可以满足户内采用散热器采暖系统的需要。北京市标准新建集中供暖住宅分户热计量设计技术规程中规定：“户内系统包括锁闭调节阀门和户用热量表在内的计算压力损失，宜控制在30kPa范围内”。户式燃气炉系统不需要设置锁闭调节阀门和户用热量表，因此计算压力损失完全有可能低于25kPa。但是，还是应该进行必要的水力计算，校核系统与循环水泵特性的适应程度。当有较大偏离时，例如小的住宅套型选用了较大的炉型，实际运行流量会大于需要流量，即发生较小的供回水温差，户内单管串联式系统的温降计算就应与此协调。地板辐射采暖或户式空调水系统的热媒供回水温差一般不超过10，也就是说，输送相同热量所需循环水量，地板辐射采暖或空调水系统是散热器采暖系统的22.5倍， 选用同一炉型并配套采用适合于散热器采暖系统的循环水泵，显然不能满足要求，必然会造成系统失调，应该采用适当的应对措施。由于炉子的水路口径已定，更换循环水泵很难使流量成倍增加。宜在锅炉之外的系统上增加混水器，类似于二级泵水系统，有现成的国外成套混水装置，可供选择采用或借鉴配置。有的生产厂不能提供适合小温差系统所需的配套产品，却宣称普通炉型也可以满足。其实，是将偏大炉型部分负荷运行作为基本运行条件。例如：将输出功率24kW的炉子当作12kW的炉子运行。这样，24kW炉子的配套循环水泵，当然可以满足12kW输出功率的小温差运行，但这显然是不合理的。7 烟气排除和环境影响一般产品均配带平衡式进气和排烟管，可直接接至室外。燃气比燃煤虽然是相对清洁的燃料, 但是由于分散到多层特别是高层住宅的每家每户, 其燃烧产物如二氧化碳、二氧化氮和一氧化碳等, 在特定的条件下，对于区域空气环境质量的影响是存在的。北京曙光小区高层住宅曾经委托北京市环境保护科学研究院进行过测试,结果表明：在位于建筑平面凹槽内的楼层中上部，在风力不大、燃烧产物不易扩散时,氮氧化物浓度有偏高的趋势,最高可超过标准近两倍, 形成了一道高浓度氮氧化物烟气“墙”。因此, 在需要防止污染局部区域环境的场合（例如排出口位于高层建筑平面凹进部位，即“建筑物空气动力阴影区”），应按照住宅设计规范4的规定，采取设置烟囱集合后引至高空排放的措施。住宅设计规范第6.2.6条就明确规定：“以煤、薪柴、燃油和燃气等为燃料，设置分散式采暖的住宅应设烟囱；上下层或毗连房间合用一个烟囱时，必须采取防止串烟的措施。”由于涉及到锅炉自带排烟和进风装置为同轴的新风/烟气双层烟管，设计集合烟囱时应特别注意其特点。应解决好进风和防止各层接口处的烟气回流措施，并与燃气采暖炉的生产厂家协调接口处的合理压力值，当重力作用水头即抽力过大时，应有可靠的节流措施。 8 关于低温冷凝和冷凝式炉型 冷凝水是造成燃气热水采暖炉腐蚀的重要原因。天然气的主要成分是甲烷（CH4），其燃烧产物有二氧化碳、水蒸汽、氮氧化物和少量的一氧化碳。燃烧1Nm3天然气大约要产生1.5kg的水蒸汽。天然气烟气的露点温度大约为5558，当炉子进水温度较低时，烟气会遇到低于露点温度的受热面而结露（随后又蒸发），弱酸冷凝水对普通碳钢有较大的腐蚀性，影响炉子的使用寿命。户式燃气热水采暖炉循环水常在低温下运行，特别是地板辐射采暖或空调系统的回水温度，一般都低于50，当散热器配置较多、而采暖负荷较小时，室温控制也要求降低水温，因此结露现象比较普遍。有的产品虽然设有低温限制装置，当水温低于某一设定值的下限时，循环水泵停止运转，但由于炉子本体的水容量很小，稍一停泵水温便迅速上升，使循环水泵频繁启停，并不能从根本上解决结露腐蚀问题。应该采取一些有效的应对措施，例如：前述小温差系统采用的混水器，也可以作为提升炉子进水温度的装置，即可以在混水器内将炉子出水与系统回水混合后，作为炉子的进水。 需要采用低温热媒的系统，例如地板辐射采暖系统或空调器，应尽量采用专门的冷凝式锅炉。冷凝式锅炉本体的系统流程、构造和材质不同于普通炉型，其原理是如同配置了省煤器，强制将锅炉燃烧产生的烟气与系统回水进行热交换，进一步降低排烟温度及烟气中的有害物。普通锅炉排烟温度通常在110以上，而冷凝锅炉的排烟温度则低于75，甚至可低至40左右。排烟温度低，烟气中的一氧化碳、氮氧化物等以弱酸冷凝水形式排泄出去，避免其以气态形式排放大气中，污染环境。冷凝结露又会使烟气中的潜热量得到回收，按照燃气的低位热值计算，热效率均可高于100%，达到105%-109%。冷凝式锅炉燃烧调节方式只有上述第三种即燃气/空气