发明专利名称：水循环温控装置及相应的水循环采暖系统

发明专利号：ZL 1 0054224.X

发 明 人：上海惠顿工贸有限公司

目前在居民单元采暖的市场上，以燃气采暖热水炉(俗称“壁挂炉”)为热源配套地暖末端的采暖系统受到了人们的广泛认可与青睐。在使用地暖系统进行冬季采暖的用户中，其所选用的热源也多为壁挂炉。但众所周知，壁挂炉的工况与地暖系统的匹配上存在缺陷。而水循环温控装置及相应的水循环采暖系统的研发，通过自力控制系统，可以自动调节地暖获取合适的进水温度，在克服地暖管道阻力的情况下，做到了地暖系统的供、回水温差不大于10℃。从而使壁挂炉与地暖系统的运行更加高效。

壁挂炉工况与地暖系统匹配度欠佳

以地暖系统为末端的采暖方式是目前国际上公认的一种**为舒适和健康的采暖方式，其应用也正在得到广泛普及。目前在我国使用单元式地暖系统进行取暖的用户中，普遍采用的热源都是普通的壁挂炉。但壁挂炉的工况与地暖系统的匹配度欠佳，也不符合我国地暖行业的现行标准，从而造成了该采暖系统在技术应用上的矛盾。

据了解，我国壁挂炉行业现行的国家标准《燃气采暖热水炉》(编号为GB 25034-2010)，在技术水平、产品的安全性、可靠性、能效水平等方面都与欧洲接轨，基本参考了欧洲标准EN483和EN625。所以无论是国产的壁挂炉还是进口的壁挂炉，其规定的出水额定温度一般都是75℃~85℃，炉内热水升温△t=20℃。这样的额定参数对于地暖系统的运行要求来说却是不适宜的。众所周知，地暖系统对水温的要求是比较严格的。地暖行业的国家标准《辐射供暖供冷技术规程》(编号JGJ142—2012)中明确规定“热水地面辐射供暖系统的供、回水温度应由计算确定，供水温度不应大于60℃，供回水温差不宜大于10℃且不宜小于5℃。民用建筑供水温度宜采用35℃~45℃。”很明显，壁挂炉的规格参数与地暖系统的应用标准是南辕北辙的。

我们知道热工学的基本定律是Q=G*△t*C(传递的热量=流通介质的流量*温度变化*比热)，由于水的比热变化不大，可以假设为常数，而壁挂炉内温度变化即温升固定为20℃，地暖中供回水温差不宜大于10℃，二者相差近一倍，也就是说壁挂炉供水的温度远高于地暖系统需要的温度。而壁挂炉较高的供水温度会造成以下三个问题：1.地暖供水温度若超过60℃，地暖管的使用寿命剧降，进而威胁地暖系统的安全运行。由于国家对热塑性塑料管的工作状况有明确规定，设计工作温度是60℃的热塑管，如果在60℃时的使用寿命是49年;它的**高使用温度为80℃，在80℃时使用的寿命就只有1年;如果到了故障温度95℃，它的使用寿命仅为100小时。2.在水中的氢氧化钙的溶解度随温度升高而降低，水温升高时会有氢氧化钙沉淀析出;水中所存在的钙离子会与水中的二氧化碳反应析出碳酸钙沉淀;水中溶解的碳酸氢钙受热会分解析出碳酸钙沉淀，从而增加了管道的阻力。所以温度高对整个系统的运行是极为不利的。3.供水温度太高，而供回地暖管的水温差太大，会影响地暖的舒适性。

因此，为了满足地暖系统运行的需要，在实际的应用中，有的企业往往会选择降低壁挂炉负荷，调低其出水温度，勉强供给地暖系统运行。这种做法无论从节能降耗的角度看，还是从维持壁挂炉长期稳定运行来看都不是妥善的解决方案。

现在家用的壁挂炉大多燃用天然气，天然气在燃烧时需要空气，而且对空气的多少要求比较严格，过多、过少都会产生不良后果：天然气的主要成分是甲烷CH4，它的燃烧过程就是CH4的剧烈氧化过程。(CH4 + 2O2 = 2H2O + C02)燃烧22.4NM3的天然气要用2*22.4NM3的氧气，氧气在空气中的体积比是21%，所以说燃烧1标准立方米天然气，需要9.52标准立方空气，这个空气量我们称为理论空气量;实际上锅炉在燃烧时，空气中的氧气不可能完全和燃料中可燃物均匀混合，就是说有一部分氧分子没有被利用，就直接排放掉了。为了保证燃烧完全，必须多供应一些空气，这些多供应的空气叫做过剩空气。理论空气量加上过剩空气量就是实际空气量。过剩空气系数α= Vk/ V0。这是锅炉运行中非常重要的指标之一。燃烧是一种化学反应，它也是遵循化学反应动力学基本原则的。

以功率为24千瓦的壁挂炉为例，当燃用发热量为8500大卡/标准立方米的天然气时，需要24.57立方米/时空气，壁挂炉在设计时就是以这样的额定参数配置的，如果为了满足地暖需要去降低出水温度，降低负荷，就会产生以下五种不良后果：

1.假如将负荷降到15千瓦，根据计算只需要15.35立方米/时的空气，但实际上壁挂炉的风机吸进空气并不会减少，也就是说空气多了9.22立方米/时。这部分空气并没有参加燃烧，并且同样被炉膛中的火焰从室温15℃加热到了150℃，吸收了壁挂炉的热量，这些热量都从排烟中损失掉了，因此增加了壁挂炉的q2排烟热损失，从而降低了壁挂炉的工作效率。

2.由于多余的9.22立方米/时新风掺入后使壁挂炉燃烧中心的温度下降，燃气中可燃气体就不会被完全燃烧，使得壁挂炉的燃气q3化学不完全燃烧损失增加，效率降低。

3.负荷降低后，天然气用量下降。天然气从喷嘴喷出的速度降低，从而降低了壁挂炉二次风扰动能力，空气和天然气混和程度降低、燃烧率下降，排烟热损失和化学不完全燃烧损失都会增加，效率降低。

4.过低的出水温度会导致过低的排烟温度，而过低的排烟温度则会产生冷凝水。据测算，燃烧1立方米天然气会产生1.35公斤水，当排烟处出现冷凝水时，会和烟气中的硫、氧发生化学反应腐蚀设备，这会对正常运行的设备造成极大威胁。

5.壁挂炉里都配置有一台水泵，水泵出力往往都是根据额定出力时，炉内温升Δt=20℃来配置。所以水泵出力基本上不能变化。当外界地暖用水要求温度降低时，壁挂炉没有增加出水量的能力，只好降低出水温度，**的办法便是以减少燃烧来减少供热，这样会使原设定的锅炉负荷捉襟见肘，而在没有比例调节燃气量的这类壁挂炉里，只能用开、停设备来运行。显然，壁挂炉的不断开停会增加化学不完全燃烧和增加排烟损失，严重影响设备的安全运行，而这也是我们所不希望看到的。

正是由于上述原因，强行调节壁挂炉在低负荷、低出水温度运行时，对其安全和效率都是极其不利的，应尽量予以避免。

节能实用的水循环温控装置成功面市

显然，单纯依靠降低壁挂炉的负荷来解决其与地暖系统的匹配问题是不科学的，妥善解决壁挂炉出水和地暖进水不匹配矛盾的合理方法需要在配水系统中解决。

在配水系统中**需要考虑的问题是：如何在地暖的闭式系统中，通过配水系统将供热的壁挂炉侧与用热的地暖侧分隔开来，同时保证将温度高、流量小的锅炉出水的热量传送给低温、大流量的地暖侧，并且输送给地暖侧的热量，可以根据负荷变化的情况进行调节。目前市场上的解决方法有两种：一种是在供热的壁挂炉侧与用热的地暖侧之间装板式交换器。用板式交换器将供、需热量的两侧分隔开来，然后根据地暖侧的负荷的需求，调节热水温度和水量。但是这套系统增加的设备较多，费用较高，占地面积也较大，因此采用的人较少。另外一种方法是采用水力恒温装置。

现在市场上常见的水力恒温装置有电动控制混水装置和自力控制混水装置两种形式。前者容易造成水温的波动，低温供水特性不好。后者虽然结构简单，投资不大，工作可靠,但传统的自力温控阀是为散热器设计的，热水流通量很小，对地暖并不适应。

在这种市场背景下，上海惠顿工贸科技有限公司有针对性地研制出适合地暖系统应用的“水循环温控装置”简称为“水力恒温单元”，它除了具有 “自力控制系统”的全部优点外，还可以自动调节壁挂炉提供温度合适的热水供地暖系统运行，在克服地暖管道阻力的情况下，做到了地暖系统的供、回水温差不大于10℃。

据介绍，“水力恒温单元”由一只四通的混水装置和两只旁路阀的组合阀组成，其中混水装置的主体，是特殊设计的“柱塞阀”阀芯，阻力比常用的球阀小2/3，流通量却是常用球阀的三倍。合理的结构，精确计算的阀芯曲线，确保流体流量和开度成线型关系，完全符合地暖控制的要求。在两只旁通阀中，一只是锅炉侧的旁通阀，平时运行时打开。当地暖侧发生突然故障时，保持锅炉侧的外系统畅通，减少过热保护动作，保护设备。另一只在地暖侧的旁路阀可以根据负荷要求调节其流量，保证地面加热侧的热水流量达到系统的需要。

“水力恒温单元”在工作时，**在地暖侧根据流量的需要配置循环泵，使其热水流量满足需要;然后再在地暖侧进水点(或回水点)设置测温点。据介绍，其测温元件(一次元件)中的工作介质，通过反复试验和实践，选用介质的热胀冷缩功能，能**好地保证阀门开度和地暖工作情况相匹配。“水力恒温单元”根据该测温点温度自动调节供水温度。它可以将地暖侧里放出热量、降低温度的回水回到混水装置，把锅炉需要调节的高温水也送进混水装置，二者混合后达到所需的设定温度之后再进入地暖系统，并将多余的回水输回到锅炉中。即当回水温度高时，“水力恒温单元”将会自动调节，开大回水，同时关小锅炉出口的高温水，使二者混合后保持锅炉进水温度在设定范围内;当回水温度低时，“水力恒温单元”将会自动调节，开大锅炉出口的高温水，同时关小回水，使二者混合后保持锅炉进水温度在设定范围内。

目前这种结构紧凑、占地面积小、连接安装方便、实用的“水力恒温单元”可以完全适应地暖工作的需要。经上海市权威单位测试，其系统具有7%的节能效果。在参加上海市节能产品评审时，专家们一致认为：“该产品阻力小，运行时节能，流通量是相应阀门的三倍，较国外产品更适应国内水质情况，流畅，反馈力更大，工艺亦佳……”该产品已经荣获了“上海市节能产品”的称号。