【暖通阅】第二期 户式换热机组的应用

用户对采暖和生活热水供应的舒适性、卫生性要求的提高和社会对降低能源消耗、现有能源有效利用和提高可再生能源使用比例的要求，使传统采暖和生活热水供应 系统面临挑战。通过丹麦Sonderborg的案例，基于户式换热机组的分散式供热系统，被证明是应对这一挑战的有效方法。

引言
一般来说，采暖和生活热水系统的控制和调节越接近用户，且使用户具备调节的能力和意愿，那么系统的舒适性和能源利用效率就会越高。散热器安装温控阀、使用户式换热小机组、实行分户热计量并按计量收费，是这种形式的极致体现。

1、什么是户式换热机组

户式换热机组就是安装于公寓热力入口处的换热机组，机组内部包括采暖控制和生活热水供应两部分。通过户式换热机组，公寓内住户可根据需要保持舒适的室内温度，随时获取足够的安全卫生的生活热水，并尽量节省费用。

使用户式换热机组的采暖和生活热水供应系统如图1所示。

使用户式换热机组的采暖和生活热水供应系统

1.1户式换热机组的组成和工作原理

户式换热机组内部包含采暖控制和生活热水供应两部分，其中采暖控制根据末端散热设备的不同可分适用于散热器采暖的类型和适用于地板采暖的类型。不管哪种类 型机组内部都包含起到水力平衡作用并有利于室内控制设备稳定工作的压差控制器。生活热水部分包含板式换热器、用于生活热水温度控制的独特的流量补偿型自力 式温度控制阀、以及各种过滤器和管件等，并预留了安装一块热量表和一块冷水表的位置。

图示：户式换热机组内部元器件


图示：户式换热机组原理图

1.2 户式换热机组如何保证即热式生活热水温度控制稳定

众所周知，即热式生活热水由于更节能以及不利于热水中细菌滋生、使热水更安全卫生而受到青睐。然而由于生活热水负荷变化的快速性使得即热式生活热水的温度 控制的稳定性成为一个难题。

户式换热机组使用独特的流量补偿型温度控制阀解决了这一难题。这种流量补偿型温度控制阀包含了先导型的比例控制 阀、压差控制器和自力式恒温控制阀三个部分。先导型比例控制阀负责热源的快速打开和快速关闭，且热源流量随着生活热水需要的流量变化而比例式的变化；压差 控制器保证比例阀和恒温阀两端压差恒定；恒温阀更加精确地来修正所控制的温度。由上述三个阀门组合成一体的流量补偿型温度控制阀保证了即热式生活热水温度 控制的快速性和稳定性。

2、使用户式换热机组的分散式采暖和生活热水供应系统的优点

2.1运行高效，节能环保

—跟集中生活热水供应相比，由于减少了生活热水小循环，降低了管网热损失和节约了循环泵的耗电量，特别是在冬季，由采暖的热源制造生活热水，成本更低。有统计显示，集中生活热水供应的热利用效率不到50%，很大一部分热量都消耗在管网上面了；

—使用户式机组系统可与任何热源匹配使用，或几种热源的组合，比如说锅炉与太阳能的组合、热泵与太阳能的组合、几种供热热源与太阳能的组合等，有利于可再生能源的使用，这是普通户用燃气炉、电热水器等无法比拟的；
—由于同时制造生活热水，因此一次侧回水温度很低。运行结果显示，一次侧回水温度最低可到二十多摄氏度。这就更为充分地利用了热源，并降低一次侧回水管沿程热损失。

由于户式机组中已经集成了压差控制器，因此容易实现管网的水力平衡。众所周知，管网水力失调是造成热网运行成本高的元凶之一。

2.2更加舒适

—用户可主动调节供热的温度和时间，增加了舒适性；
—生活热水功率36~55kW，满足多个水龙头同时使用。而普通燃气热水器或电热水器只能满足一个水龙头的使用。

2.3系统安装和运行成本低

—由于机组内部已经匹配了压差控制器，因此管路配送系统无需再安装其他水力平衡装置；
—与集中供应生活热水系统相比，立管数量由五根减少为三根，既节省了空间，又降低了管道的投资；
—由于户式换热机组内使用的是最新型的点阵式板式换热器，换热效率更高，换热器压降更小；
—机组中预留了安装热量表和冷水表的空间，因此不必另外找地方安装热量表和冷水表。另外，由于无需单独计量生活热水，还节省了一块热水表。

2.4安全卫生

—与使用户用燃气炉相比，没有燃气泄漏的风险；
—由于是即热式的生活热水供应，热水即供即用，无滋生军团菌的风险。

2.5便于维护

—户式换热机组本身不需特殊维护；
—由于是分散式的系统，即便某台需要维护也不会影响其他用户的运行。

3、案例

位于丹麦松德堡的SAB大楼是一座综合性住宅。为了最大程度降低建筑物整体能耗，减少供热系统运行成本和降低管道热损失，以及增加用户的舒适度，该建筑物的能源供应商对整个供热系统进行了节能改造，主要集中在改造和更换供暖和生活热水系统。

SAB大楼原有供热系统为单管系统，接入区域供热管网，为最终用户供暖。同时，采用锅炉作为生活热水热源，通过水平和垂直管道提供生活热水（如图5所示）。



该供热系统基本上不能满足SAB大楼的供热需求。造成这个问题的实际原因是，尽管供热系统的回水与生活热水锅炉的低温部分连接，与进入锅炉的冷水进行热交换，但回水温度仍然较高，达不到区域供热系统对于低回水温度的要求。

标准高效的供热系统，应保证房间温度达到标准规定值，符合分户计量的要求，同时生活热水系统应满足用户的热水需求并有效预防细菌滋生和杀灭军团菌。

在改造调研初期，我们收集到来自能源供应商、大楼业主和最终用户三方面的要求，总结如下：
1、系统需要通过换热器与热网相接；
2、系统回水温度不得高于热网规定的回水温度最高值；
3、最大流量和最高压降不能超过热网所能提供的最高值；
4、较小的系统投资、运行和维护成本；
5、运行安全，低军团菌风险；
6、系统高效环保，使用寿命长，占地面积小；
7、可分户读取热能耗、冷水量和用电量；
8、设备易于操作，舒适度高。

综合考虑上述需求，并结合集中供热规范中关于低温回水的相关规定，我们提出将原有的单管系统改为双管系统，并采取措施将改造后的管网热损失降至最低。
我们对四种不同的双管供热系统（如图6所示）进行了分析，最终采用分户式换热系统，即使用集中热源，通过丹佛斯户式换热小机组，为每个用户供暖和提供生活热水。

双管系统与热源的三种不同连接方式

1、采暖间接连接，通过换热器提供即时生活热水
2、采暖直接连接，通过换热器提供即时生活热水
3、采暖直接连接，通过换热器和热水锅炉提供生活热水

然而上述系统的劣势是相当明显的，主要表现在：
1、较高的管网热损失
在四管制（采暖供回水管和生活热水供回水管）系统中，系统管网分布越广，管道越长，管网热损失越高。
2、生活热水系统细菌滋生的风险很高
在生活热水供应系统中，对卫生安全威胁最大的是军团菌。为了避免军团菌的滋生，常规的做法是保证热水温度高于55°C。
使用热力消毒的集中生活热水供应的缺点是热量损失巨大，热量在生活热水从加热点到单个水龙头的过程中散失。当生活热水总管管径较大时，也易于在局部管道处生成军团菌。
3、供热系统中各支路和立管之间的流量平衡
系统水力平衡是集中供热系统中特别需要注意的问题。流量的平衡保证了整个系统中一致的供热温度和流量。如果不安装自力式平衡阀，想要达到整个系统水力平衡，将需要投入极大的人力和财力进行水力调试。
4、用户独立操作的灵活性受限
集中分配系统中，用户房间内的自主操作性会受到限制。由于水力失调的原因，房间内散热器的散热效率较低，不能满足政府关于节能的要求。
5、计量和收费复杂化
在标准的供热系统当中，热能、生活用水量和电能应做到分户独立计量。如果计量装置没有安装到每个用户的房间，那么用户能源的消耗量计算和收费就会变得异常复杂。解决这个问题的唯一途径就是在每户的供热管上安装可以读取数据的热计量装置，同时在冷水供水管上安装水表。

户式换热系统很好地解决了上述问题。典型的户式换热系统可实现对房间供热系统的独立控制，采暖生活热水两用型户式换热小机组最高承压为10 bar，在供暖的同时可根据用户需求提供即时生活热水。采暖系统的末端可以为常规的散热器、地板采暖或者两者结合的方式，并可选配气候补偿器。生活热水系 统为采用板式换热器进行换热的即热式系统。户式换热系统的热源可以是大型或小型区域供热系统，也可以是锅炉作为热源的集中系统。典型的户式换热小机组配有 热量表和水表，来计量用热量和冷水量。

通过以上描述和系统图（如图8和图9所示）可以看到户式换热系统的诸多优势：
1、供回水管道数量由4个减少到2个，从而降低了管网热损失；
2、生活热水管路到用水点的距离非常短，热水出水速度快，且无需再设置生活热水循环；
3、精确的计量装置有益于用户自主节能和节水；
4、用户可自由设定生活热水温度，提高舒适性；
5、通过区域开关阀和时间控制器可设置夜间低温运行模式，节约热能；
6、可以无需额外增设水力平衡装置：户式换热小机组自带压差控制器或者流量压差控制器。

综上所述，我们选择丹佛斯户式换热系统作为最终改造方案，从而实现以下目标：
1、降低系统热损失，提高系统能效；
2、保证系统安全可靠的同时，提高用户的热舒适度；
3、独立计量能耗，为收费提供精确的依据；
4、实现系统水力平衡；
5、量身打造的友好操作界面，便于客户操作；
6、低军团菌滋生风险。

SAB建筑物节能改造于2005年完成。供暖和生活热水系统改造和更新从2009年开始，于2010年结束。因此我们取2005年到2008年间与2010年改造后的关键性数据，来分析不同系统对能源消耗的影响，即原有单管制系统与户式换热双管制系统的能耗对比。

改造前后阶段供回水温度对比

如图10所示，单管制系统改造成双管制户式换热机组系统后，回水温度从之前的平均65°C下降到35°C。

能源消耗和节能对比

如图11所示，系统改造后一年大约可以实现节能30%。如果只计算夏季，则最多节能40%。
经过详细分析我们可以看到SAB项目的能耗节省主要来自以下三个方面：

1、8%来自分布管网的热损失
2、10%来自取消集中换热站的热损失
3、12%来自增加消费者的节能意识和改变相关生活习惯

系统改造完成后，居民反馈良好，他们根据消费账单调整自己的生活方式来减少能源消费，同时帮助政府实现节能降耗的总体目标。

松德堡SAB项目成功证明了户式换热机组可以解决客户对建筑物设备高效节能的需求。