家庭采暖的新选择

0 引言
随着国家供热体制改革和能源结构的调整，人们的采暖观念发生了很大改变，高效清洁的壁挂炉作为家庭采暖设备已经得到广泛应用，并成为一种趋势。
目前市场上的壁挂炉主要分为两种：全预混燃烧冷凝壁挂炉和大气式燃烧普通壁挂炉，虽然全预混燃烧冷凝壁挂炉燃烧更充分、效率更高，但因其价格昂贵政府又没有相应的补贴，市场反应一直比较冷淡；而普通壁挂炉近年来受到市场青睐，成为分户供暖的主力，但普通壁挂炉由于采用的是定速风机，在机器最大负荷燃烧时，其空燃比系数最合理，即燃烧效果最好，效率最高，随着负荷的降低，空燃比系数会逐渐变大，空气过量逐渐增多，效率也逐渐下降。
1 负荷计算
(1) 供暖热负荷计算
人们在选择壁挂炉时主要有两个参考值:供暖热负荷和生活热水热负荷。住房所需供暖负荷可按下式计算



以北京一套120m2住房为例，以邻居100%入住，但采暖不同步，且要求间歇采暖的情况为例，即K1=1.2；K2=1.2,其所需供暖热负荷为：
Qn=3.6×1.2×1.2×60×120=37325kJ/h=10.4kW
(2) 生活热水热负荷计算


式中Qj ——生活热水所需热负荷，J/s；
L——生活热水所需流量，kg/s；
cp——水的比热，kJ/(kg•℃)；
tc——生活热水所需温度，℃；
t0——自来水进水温度，℃。
以该北京一套120m2住房为例，以进水温度5℃，以一个水龙头8L/min=0.133kg/s流量，以出水温度40℃计算：
由以上的计算结果可以看出，该住房供暖热负荷和生活热水热负荷相差悬殊，首先如果我们按供暖负荷来选择输出为12kW壁挂炉的话，其所能提供的生活热水就无法满足该家庭的需要，冬季基本无法使用；其次如果我们按生活热水热负荷来选择输出负荷为19.6kW壁挂炉的话，虽然能同时满足供暖和生活热水的需要，但由于壁挂炉负荷远远超过了住房所需要的供暖负荷（相差7.6kW），这样壁挂炉就会长时间在半负荷或更小负荷状态下运行，其效率是比较低的，这样就造成了壁挂炉功能和燃气能源的浪费。
2 壁挂炉加储水罐系统
(1) 系统原理及说明
壁挂炉加储水罐系统可以有多种组合形式，目前应用较多的主要是单暖壁挂炉加盘管式储水罐的系统组合形式，壁挂炉先将储水罐中的冷水加热到60℃以下的高温热水，生活热水由储水罐内的高温热水与自来水（冷水）混合后提供。该组合方案因其结构简单、控制方便、成本较低、效率较高而被广泛应用，其原理简图见图１。

工作原理：在供暖状态下，供暖循环水由进水阀组装（E口）经水泵提供动力经热交换器进行加热，由出水阀组装（A口）流出机器，经室内安装的散热器等换热元件对室内空气进行加热，然后由供暖回水接口（E口）流回到水泵，如此循环不断。
当储水罐中温度传感器感应到储水罐中的水温低于设定温度时，通知三通阀关闭供暖回路（A口），切换到储水罐中盘管回路（B口），经盘管换热为储水罐加热，然后由回水接口（D口）流回到水泵。当储水罐内的水温达到设定值时，三通阀切换到供暖位置（A口），停止为储水罐加热，继续为房间循环供暖。
当有热水需求时，自来水从冷水进口（W口）进入储水罐，利用自来水本身的压力使储水罐中压力升高，罐中上层热水从位于储水罐上端的出水口（F口）流出储水罐，经水龙头或花洒流出后满足家庭生活需要。
单暖炉与盘管式储水罐组合的优点是效率较高，相当于板换结构的壁挂炉将板式换热器平移到储水罐中，盘管换热由于流道面积较大不会产生结垢堵塞现象，且不需要外加循环水泵（利用壁挂炉本身的循环泵），制造成本和使用成本相对较低，结构和控制逻辑也相对简单。
(2) 壁挂炉加储水罐系统的配置选型
首先选择壁挂炉，为了充分利用壁挂炉的功能和最大效率，可根据住房所需供暖负荷选择壁挂炉负荷，仍以前面提到的北京某120m2住房为例，根据供暖热负荷计算的结果，我们可选择输出负荷为12kW的壁挂炉。
然后选择储水罐，根据生活常识可知，储水罐能辅助壁挂炉满足连续提供热水时间达30min（30min为洗澡时间），既可满足洗浴要求。
为了防止壁挂炉在供暖和洗浴两种状态间频繁切换影响使用寿命，此处假设壁挂炉在卫浴开始5min后切换到洗浴状态：
V1=Lt1 (3)
V2=t2 ΔtM/(tc-t0) (4)
V=K3(V1-V2)×(tc-t0)/(ts-t0) (5)
式中：V1—t1时间内所需要的tc温度热水的总水量, L；
t1——洗浴用水时间，min；
V2——壁挂炉t2 时间内所能提供的Tc温度热水的水量，L；
t2 ——壁挂炉洗浴状态运行时间，min；
Δt——标准规定的产热水能力温升值，25K；
Mt——壁挂炉热水产率，L/min
ts——储水罐设定温度，℃；
K3——储水罐实际安全系数,经验值取1.3；
V——系统所需储水罐最小容积，L；
L、tc、t0——同前。
将式(３)和(４)带入式(５)可得：

将Tc=40℃；T0=5℃；L=8L/min；t1=30min；t2=30-5=25min；Mt=7L/min；TS=60℃代入式(6)计算可得：V≈95L，根据储水罐规格，此处取V=100。
极限条件下，30min内热水完全由储水罐提供，即t2=0，此时储水罐容积为所需最大容积： V=1.3×(40-5)×8×30/(60-5)=198.5L，取整V=200。
也就是说，该套北京住房可以选择输出负荷为12kW的单暖炉配置一个容积为100～200L的盘管式储水罐，既能高效的供暖，又能稳定的提供生活热水。同理可得满足两个卫生间同时用水的配置为输出负荷12kW的单暖炉搭配一个容积为300～400L的盘管式储水罐。

以北京地区为例，根据以上假设条件进行计算（冬天进水温度5℃，储水罐设定温度60℃，实际需要温度40℃，一个水龙头水流量为8L/min,洗浴时间≤30min，壁挂炉洗浴热效率≥88%）,并考虑一个家庭有两个卫生间同时用水的可能性，特推荐以下壁挂炉和储水罐系统配置，见表３。
3 结语
壁挂炉加储水罐系统既能在供暖时使壁挂炉运行在较大负荷状态，取得较高的燃烧换热效率，又能在短时间内提供大流量恒温热水，满足家庭生活需要，尤其适合多卫家庭和有浴缸的家庭。笔者认为，在国内冷凝市场尚未形成之前，壁挂炉加储水罐系统作为节能的一条新出路，将成为家庭采暖的新选择。