如何通过改进壁挂炉的控制系统实现节能

1 前言
近几年来，随着国家能源结构的大幅度调整，燃煤锅炉将逐渐被清洁高效的燃气锅炉所替代，使用家庭锅炉采暖已经成为一种趋势，并逐渐进入平常百姓家。
据某权威机构统计，自2008年始，家用锅炉在中国进入高速发展时期，近两年以超过20%的销量递增，据悉2010年的全国销量将超过60万台左右，并在今后的几年中将继续保持15%左右的增长势头。
随着家用壁挂锅炉的日益普及，能源消耗也呈高增长势头。例如西气东输工程，在下游城市，已经出现了气不够用，甚至气荒的现象。众所周知，冷凝锅炉具有效率高、更节能的特点，但由于其成本高，对安装和售后服务的要求高等因素，造成了近几年在国内发展缓慢，其市场总量不足1%。因此笔者认为，如何从技术上进一步提高现有非冷凝燃气壁挂炉的工作效率，如何通过对市场占有率占绝对总量的燃气壁挂炉产品进行技术节能，才是当务之急。
2 四点温控
目前，燃气采暖热水炉是分户采暖的首选热源，其具有采暖和生活热水两种功能，分别具有采暖和热水两套温控系统。
对于采暖，目前大多数壁挂炉产品所使用的温度控制方式为：在主换热器的出口设置一个温度传感器和一个起过热保护作用的温度开关，温度开关只有在锅炉出现极端情况下才会起作用，锅炉在绝大多数时间内只有一个温度检测点。这种“单点温度”控制对于水温控制的精确性、燃气供给的准确性都是不利的。
“四点温控”从表面上看只是多了几个温度检测点，但实际上这种设置对于水温控制的精确度、燃气供给的准确性都可以做出更多的贡献。
所谓的“四点温控”指分别在主换热器的进口、出口、热水出口及板换一次侧设置四个温度传感器，其可以实现的基本功能如下：
首先说采暖，对于壁挂炉来说，其出水温度决定于三个因素：设备功率、流量及回水温度。功率在设备选型时可以根据房间的负荷来选择，流量可以根据管道和水泵决定，那么如何知道回水温度呢？
回水温度控制在冷凝产品等高端锅炉上应用较多，但对于占中国市场绝大多数的普通燃气壁挂炉产品，似乎没有太多的人去关心。
其实要实现“回水温控”并不难，只需改进电路板的控制功能，使其能同时监控主换热器的进、出口分别设置的温度传感器，这样电路板就可以同时根据供、回水温度来更加快速、有效的控制火焰的大小，从而实现对出水温度的精确控制。另外还有一些其它功能和保护模式：
●地暖模式：通过设定回水温度控制模式及高温限定，可以匹配地暖模式；
● 供、回水温差监控：20秒内，如果检测到供、回水温差超过30度，壁挂炉锁定10分钟。如果连续四次温差均过高，则切断火焰，保护壁挂炉；
● 温升速度/梯度监控：举例说，如果系统检测到在1秒钟之内温度上升超过5度，那么火焰会熄灭，水泵继续工作，以避免系统过热；
● 太阳能接入壁挂炉控制模式；
● 过热保护：当供水或回水任何一个温度超过97度时，切断火焰，水泵继续循环，保护设备。
以上是“四点温控”中的两点，主要是为采暖设计的。另外两点是为控制生活热水温度而设计的，首先是出水温度传感器，其功能不言而喻，当用户洗浴时，可以时时检测热水温度，从而反馈给电路板和燃气阀，从而达到更加快速准备调节精度，其控温的准确度在0.5度以内。
另外一个温度检测点是实现快速制取生活热水而设计的，位于板换一次侧，其工作方式为：当一次水温度低于生活热水设定温度16度时，三通阀切换到生活热水加热状态，短时间内把板换内生活热水加热到用户设定温度后停止加热。这样当用户进行短时用水时，比如洗手，就可以迅速得到热水，大大缩短了热水制备的等待时间。
对于生活热水模式，“四点温控”的另一大好处是：由于温度检测点很多，壁挂炉不但能知道生活热水的出水温度，还可以通过一次侧采暖供、回水温度来控制火焰的大小，再辅以超大的板式换热器，使得一次水加热温度通常仅高于用户热水设定温度4-8度，而一般的单点温控技术，该温差一般会在12-15度以上。这种通过增加板换厚度及多点温度控制，降低一次水出水温度，对于燃气的节省及降低水垢的生成是大有益处的。


3 自调速水泵
系统循环的重要性对于壁挂炉的节能性、房间采暖的舒适性以及设备的使用寿命来说无疑是非常重要的，水泵作为系统循环的动力源来说无疑是重中之重。
目前普通壁挂炉产品所采用的水泵绝大多数都是2档或3档的手动调速水泵，但调试人员基本不会根据房间实际的需求对水泵的转速进行调节，这本身就是一种很不节能的体现。200平米的奢侈公寓也是高档运行，60平米的经适房同样也是高档运行。只是有时用户抱怨管道噪音高时，才会被动的进行调节。为进一步实现节能的目标，壁挂炉厂家有义务改良产品本身的设计。
同时，随着国家和行业节能目标的进一步提高，无论是散热器采暖和地板采暖也越来越多的采用了温控阀或其它温度调控技术，系统流量将随着室内温度的变化而自行变化，壁挂炉也必须随之进行改进。


自动调速水泵的原理及控制方式其实很简单，但要实现这种技术，同样需要与上面所提的“四点温控”技术配合，也就是说水泵的转速是要由温度实现控制的，即由壁挂炉的供、回水温差来决定。
由于壁挂炉的出水温度是随着房间的温度变化而变化的，其供、回水温差也会随着房间温度的变化而变化。在房间的升温过程中，温差基本是由大到小逐渐变化的，那么自调速水泵也可以根据此原理而逐渐调节其转速。
● 温差较高时（比如超过10度），说明房间热需求较大，房间温度较低，水泵应工作在高档位，壁挂炉应高负荷工作；
● 温差较小时（比如低于5度），说明房间热需求较小，房间温度将要达到设定温度，或者散热器温控阀正处于接近关闭的状态，水泵应工作在低档位，壁挂炉应低负荷工作直至熄火。
同时壁挂炉在熄火后，水泵还会有一定采暖重启时间，以保证设备不要频繁启动。“四点温控”技术也可以计算当前实际供、回水温度及用户设定温度，有针对性的调节水泵反短时工作时间，实现：
● 当温差较高或计算热负荷较大时，减少采暖重启时间；
● 当温差较低或计算热负荷较低时，延长采暖重启时间。
这样根据用户实际需求随时调节水泵的工作时间，在保护水泵寿命的同时，也在一定程度上实现了节能的目的。

4 家用生活热水循环控制方式
尽管“节能环保”是当今社会无可厚非的主题，但随着生活水平的提高，追求生活品质也同样是老百姓追求的目标。那么如何在“高品质生活”的同时进一步实现“节能”呢？下面通过“家用生活热水循环控制技术”一例来说明壁挂炉厂家如何通过壁挂炉自身的设计、改良来进一步实现节能。
“生活热水循环”本身是为了用户使用热水时“即开即热”，从而避免长时间等待，大量放掉管道内的冷水而设计的。要减少浪费冷水，实现热水在管道内的循环，必然需要水泵来提供动力，也就意味着要消耗电能。为达到节能的目的，如何平衡电能的消耗就是我们所关心的问题。
首先让我们来计算一下如果不增加热水循环，用户每次洗手、洗澡所浪费掉的自来水的费用：
以别墅为例，按平均的管道长度20米，其中大致水容量为8.3L，每天按照10次用水统计，则一年内所浪费的水费为：
T=365*10*8.3*3.7/1000=112.1元（每吨水费3.7元）
这只是估算，实际的费用可能更高，而且给用户的感觉也是非常不舒适的。
目前热水循环控制方式主要有两种，一种是“温度控制循环”，另一种是“时间控制方式”：
● “温度控制方式”主要是通过在自来水管道上内置温度开关，设定温度一般为40度左右，当温度低于设定值时，水泵启动；当温度高于设定值时，水泵停止。这种控制的最大好处是可以时时保证用户使用热水的舒适度，但同时带来的最大问题就是“不节能”。这主要是由于温度开关一般设置在自来水管道内，而管道的水容量是非常有限的，再加上目前很多管道根本不做保温，或者保温性能很差，也就是说管道内的水温会很快降低。这就造成水泵会很频繁的启动。
据统计，在这种控制方式下，根据不同类型温度开关的控制精度，水泵一般在一天内将会运行6-10小时。举一个非常典型的例子：
如果水泵功率为60W，一天运行8小时，那么其一年的电耗及运行费用大致是：
电耗Q=365*8*60=175200W=175度电
费用T=175*0.5=87.5元（一度电=0.5元）
其节能率约（112.1-87.5）/112.1=21.9%
初投资=水泵600元+温度开关150元=750元
● “时间控制方式”主要是水泵通过外置时间控制器来达到“即开即热”的目的。其特点是用户可以根据自己的使用习惯来选择水泵工作的时段。目前典型的做法是分别设置早、中、晚三个时段，一般为：
早：7:00～8:00；中：12:00～13:00；晚：18:00～22:00。
在这些时间段内，水泵是持续运转的，这样的电耗及费用将是：
电耗Q=365*6*60=131400W=131度电
费用T =131*0.5=65.7元（一度电=0.5元）
其节能率约（112.1-65.7）/112.1=41.4%
初投资=水泵600元+时间控制器300元=900元
下面介绍一种舒适性稍差，但节能率和初投资都更高的控制方式：手动控制方式。
手动控制方式首先要求壁挂炉的电路板具有热水循环手动控制功能，之后其原理也就非常简单了，只需在客厅或者卧室安装一个门铃开关，每次使用热水前用户主动按动一次门铃开关，然后壁挂炉就会控制热水循环泵运行5分钟，5分钟后停止。这样即使对于别墅类用户来说，5分钟也足以保证管道内的水循环一周了。
下面再来通过节能率的计算来比较一下，还是以每天10次用水频率来计算：
电耗Q=365*10*5/60*60=18250W=18.3度电
费用T=18.3*0.5=9.15元（一度电=0.5元）
其节能率约（112.1-9.15）/112.1=91.9%
投资=水泵600元+门铃开关15元=615元


可见，无论从初投资还是从节能率来说，这种方式都是一种高效的控制技术。当然，要达到越高的节能效果，人的“主动节能意识”是必不可少的。作为生产和销售壁挂炉的厂家应该首当其冲，我们必须首先改良壁挂炉的功能和控制技术，从而为老百姓的“主动节能”，“行为节能”创造条件。
5 结论
结合国内现状与威能壁挂炉的高级控制技术，从温度控制、水系统循环及生活热水循环控制方式几个角度出发，分析壁挂炉厂家如何通过改良产品的自身设计提高节能率。
以上仅从威能壁挂炉三种高级控制技术进行了节能分析，其实壁挂炉本身还有更多的节能措施，比如二级防冻保护功能、数字化燃气供给技术、壁挂炉内置太阳能控制功能、气候补偿型温度控制技术等等。虽然每一个改良对于用户来说都是微不足道的，但这也就是壁挂炉行业发展的方向。