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「供暖系統漫談」采暖系統中去耦裝置和混水裝置有何不同?

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Time:2019-04-28 瀏覽次數:1338次 分享到:

導讀:隨著(zhù)大家對系統的重視,越來(lái)越多暖通公司在給客戶(hù)設計采暖系統時(shí),不再簡(jiǎn)單地將壁掛爐和末端連接在一起,而是開(kāi)始注重系統方案。

在壁掛爐帶地暖的方案中,越來(lái)越普遍地用到去耦罐進(jìn)行去耦,或者通過(guò)混水系統進(jìn)行隔離。很多朋友認為兩者作用類(lèi)似,并且去耦罐相對成本更低,因此采用去耦方式的很多,那么這兩者方式究竟有何不同呢?

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在解答引言中的問(wèn)題前,我們先來(lái)了解一下去耦和混水是什么。這是兩個(gè)完全不同的概念,兩者作用完全不同,不可相互替代。

去耦的概念是“消除耦合”,對應去耦罐的作用就是解決系統“耦合”造成的問(wèn)題,而對應的概念就叫耦合。

所謂耦合,是指兩個(gè)事物之間存在相互影響、相互作用的關(guān)系,當一個(gè)因素變化時(shí)必然導致另外一個(gè)因素產(chǎn)生對應的變化。

從定義可以看出,耦合在采暖系統中就是熱源與末端之間的相互影響和作用,當這種影響帶來(lái)不利的影響時(shí),可以用去耦的方式解決。

在采暖系統中的耦合關(guān)系并不局限于一種,主要有流量耦合、功率耦合、水溫耦合、壓差耦合等關(guān)系,一個(gè)系統設計的復雜性往往是涉及到這些多種耦合關(guān)系的原因。

耦合關(guān)系對系統的影響,主要體現在末端與熱源之間需求不匹配的沖突,從而導致壁掛爐等熱源工作失常。

熱源壁掛爐需要的工況:

常規壁掛爐是一種針對散熱器高溫度、高溫差、小流量特性而設計的采暖設備,正常情況下其流量特性能夠滿(mǎn)足在15℃~25℃溫差時(shí)輸出額定功率。同時(shí),由于燃燒系統特性的限制,其最小輸出功率一般在30%以上,如一臺輸出功率為24kW的壁掛爐,最小輸出功率為7.2kW。

為了及時(shí)將這些熱量帶走避免換熱器出水超溫,壁掛爐都有最低流量限制,低于這個(gè)流量會(huì )出現超溫保護故障,水流大概在200kg~300kg左右。此外,由于內置水泵的功率限制和換熱器管道等阻力的限制,壁掛爐的最大輸出流量也是有限的,比如24kW的壁掛爐通常水流最大在700kg~1000kg左右。

散熱器采暖系統需要的工況:

對于散熱器來(lái)說(shuō),由于工作在高溫差、小流量的情況下,水溫越高越好,壁掛爐75℃~85℃的水溫是很合適散熱器的。

通常每臺散熱器需要的流量只有幾十千克到一百多千克,因此一臺壁掛爐帶上十來(lái)組散熱器是沒(méi)有問(wèn)題的,實(shí)際流量在進(jìn)行系統平衡調試的時(shí)候會(huì )由溫控閥進(jìn)行調節。

地暖采暖系統需要的工況:

地暖更適合低溫水,一般在35℃~45℃即可,溫差較小,只有5℃~10℃,所以相對來(lái)說(shuō),對流量的要求更大。

對于地暖來(lái)說(shuō),常用的“20管道”理論上每根管道流量在180kg左右比較合適,每120m2大概需要1t流量,如果采暖面積更大,則流量也需要更大,甚至會(huì )超出壁掛爐的供水能力,導致雖然功率足夠但是地暖采暖依舊不熱。

壁掛爐和末端耦合狀態(tài)下的工況:

由上圖可以看出,壁掛爐的出水通過(guò)管道直接供給到末端散熱器。這時(shí)候,由于整個(gè)采暖系統是一個(gè)相對封閉的系統,壁掛爐的流量等于末端所有散熱器的總流量之和,如果散熱器部分關(guān)閉或者通過(guò)恒溫閥的自動(dòng)調節作用導致其流量變化,則壁掛爐流量隨著(zhù)變化。

這樣將導致兩個(gè)問(wèn)題:

第一,如果末端因為開(kāi)關(guān)調節等原因導致流量降低,壁掛爐流量將隨之降低,當流量低于最低流量后導致壁掛爐不能正常工作,或者雖然能工作但頻繁啟停,運行效率大幅度降低。

第二,當末端需要的流量大于壁掛爐供給能力時(shí),壁掛爐無(wú)法滿(mǎn)足末端流量需求,會(huì )導致末端散熱器沒(méi)有足夠流量而無(wú)法正常工作。

從以上分析可以看出,因為壁掛爐和末端具有流量耦合關(guān)系,導致壁掛爐工況受到末端工況變化的影響,可能導致壁掛爐無(wú)法正常工作,或者末端受壁掛爐流量影響只能承受較小面積的采暖。

如何解決流量需求不同的矛盾?

去耦,就是解決這個(gè)問(wèn)題的。

要解決這個(gè)問(wèn)題,我們可以在壁掛爐和末端之間設置一個(gè)去耦罐,二次側再增加一個(gè)循環(huán)泵,就構成二次系統。

去耦罐就是一個(gè)較粗的連通器,在正常過(guò)流情況下,一次側和二次側兩邊的進(jìn)回水端口壓差都接近于零,于是壁掛爐和去耦罐形成一個(gè)一次水流循環(huán)系統,去耦罐和末端形成二次水流循環(huán)系統。這樣一來(lái),壁掛爐的水流經(jīng)過(guò)去耦罐直接回到回水中,其流量不受二次側流量需求和變化的影響。同樣,二次側需要的流量由獨立的水泵驅動(dòng),經(jīng)過(guò)去耦罐后直接構成循環(huán),這也和一次側流量沒(méi)有關(guān)系,兩者互不影響,也就是將相互影響的耦合關(guān)系消除了,故稱(chēng)之為去耦。

當壁掛爐采暖系統中采用去耦罐后,可以解決兩者對水流需求不同的矛盾,帶來(lái)的好處是無(wú)論末端流量大或者小,壁掛爐不會(huì )出現“供血”不足或者由于流量過(guò)小熄火罷工。也正是這個(gè)好處,讓去耦罐在壁掛爐采暖中得以大放光彩,甚至成了“萬(wàn)能靈藥”,好像只要在壁掛爐采暖中加上一個(gè)去耦罐,就是在給客戶(hù)做系統了。

需要明確的是,工況的匹配不僅僅只有流量問(wèn)題,還有溫度耦合造成的問(wèn)題以及功率失衡造成的問(wèn)題沒(méi)有解決。

對于溫度問(wèn)題,很多人表示壁掛爐可以設定水溫35℃~85℃,因此可以直接將水溫設定到低溫區域即可,然而事實(shí)上,對于普通壁掛爐來(lái)說(shuō)并不合適長(cháng)期低溫運行。

因為回水溫度低于55℃的時(shí)候將會(huì )導致?lián)Q熱器表面結露,產(chǎn)生冷凝水,從而腐蝕換熱器和燃燒器,這種情況造成壁掛爐損壞和壽命降低的案例很多,因此常規壁掛爐對于水溫的要求是高溫供水,并且回水溫度不要低于55℃是最好的。

還有朋友認為,對于地暖末端來(lái)說(shuō),采暖面積大的時(shí)候可以通過(guò)在去耦罐后面增加一個(gè)更大的水泵,讓流量增加,并且當二次流量比較大的時(shí)候,回水將與進(jìn)水混水,從而具有混水降溫的作用,這樣也可以解決壁掛爐水溫高而地暖需要水溫低的問(wèn)題。

這個(gè)說(shuō)法沒(méi)錯,但是不夠全面。

如果二次流量一直大于一次流量,那么確實(shí)可以通過(guò)混水方式降低二次供水溫度,但問(wèn)題在于這種水溫是不可控的。

二次水溫隨著(zhù)一次水溫和二次回水溫度及二次流量而改變,當二次流量小于一次流量時(shí),一次供水的高溫直接進(jìn)入地暖管道,造成地暖超溫帶來(lái)安全隱患,因此去耦罐雖然在某種特定情況下可以混水降溫,但是并不能被當作混水降溫裝置來(lái)解決水溫不匹配的問(wèn)題。

另外還有一個(gè)問(wèn)題是,壁掛爐的最小功率很可能大于末端散熱量,因此壁掛爐實(shí)際工作時(shí)必然是在間斷啟停狀態(tài)下的。

這意味著(zhù)壁掛爐本身供水溫度是不穩定的,這種不穩定的水溫也會(huì )同步傳遞到二次側,導致二次水溫上下波動(dòng),以致于管道和分水器、連接件等頻繁熱脹冷縮,最終帶來(lái)漏水隱患。

從上面的分析可以看出,在壁掛爐和地暖之間加上去耦罐并不能解決兩者之間關(guān)于溫度和負荷的矛盾。也就是說(shuō),去耦罐只能對流量矛盾去耦脫敏,卻無(wú)法對水溫和負荷問(wèn)題去耦脫敏,并不是一個(gè)合理的解決之道。

簡(jiǎn)單采用混水裝置所帶來(lái)的問(wèn)題

說(shuō)完了去耦罐,再說(shuō)說(shuō)混水裝置。

混水裝置是一種通過(guò)將二次相對較低溫度的回水與一次高溫進(jìn)水進(jìn)行混合,從而獲得需要的二次供水溫度的裝置,其核心作用是對“水溫”進(jìn)行去耦脫敏,讓壁掛爐可以在高溫狀態(tài)工作,地暖在適合的低溫狀態(tài)工作。

那么,是否在壁掛爐和地暖之間安裝一個(gè)混水裝置就可以實(shí)現系統合理呢?

上圖是一個(gè)實(shí)測的運行狀態(tài)圖,25分鐘之前是安裝普通三通混水裝置,從圖中可以看到,加裝混水裝置之后可以設定二次水溫,但壁掛爐工作狀態(tài)不穩定,一次回水溫度低的時(shí)候周在40℃左右;25分鐘之后將混水設置在壁掛爐混水模式下,系統工作很穩定,壁掛爐在均勻的啟停工作,高溫供水回水的溫度也相對較高,而地暖的供回水溫度都較低,同時(shí)滿(mǎn)足兩者對水溫的需求。

但是如果簡(jiǎn)單的采用這種方式也會(huì )帶來(lái)兩個(gè)嚴重問(wèn)題:

第一,通過(guò)混水裝置供應地暖時(shí),如果地暖需要的散熱量較小,混水只從壁掛爐索取少量的高溫水即可滿(mǎn)足對功率的需求,則必然導致壁掛爐流量更低,造成壁掛爐的工作異常,上圖中的前面部分狀態(tài)就是這樣的。

第二,采用混水裝置之后,地暖回水直接進(jìn)入壁掛爐中,而由于地暖回水溫度較低,一般遠遠低于55℃的結露點(diǎn),因此壁掛爐必然工作在高溫輸出供水、低溫回水的狀態(tài),并不能滿(mǎn)足壁掛爐對回水溫度的需求。

如何同時(shí)解決上述問(wèn)題?

當然,現在已經(jīng)有人采用在去耦罐之后加混水裝置的方式,同時(shí)解決流量去耦和溫度去耦的問(wèn)題。這種方式是可行的,一部分高溫水將通過(guò)去耦罐回到壁掛爐,與混水裝置的低溫回水混合,從而提高了壁掛爐回水溫度,滿(mǎn)足壁掛爐對水溫的需求。

不過(guò)這種方案的問(wèn)題在于成本較高。

另外一種方式就是采用壁掛爐專(zhuān)用的混水裝置,壁掛爐出水在滿(mǎn)足混水裝置需求的同時(shí),有控制地讓一部分高溫水直接進(jìn)入回水,從而提高壁掛爐回水溫度,實(shí)現解決上述問(wèn)題的目的。

上面這個(gè)方案中還有一個(gè)問(wèn)題沒(méi)有得到解決,那就是功率匹配問(wèn)題。

如果想要真正地解決功率的匹配問(wèn)題,最好的方式是增加一個(gè)蓄能水箱,將水溫作為壁掛爐的負荷,同時(shí)水箱也是末端的熱源,這樣一來(lái),末端需要多少熱量從水箱中取得即可,壁掛爐工作的時(shí)候可以穩定工作。

但是這也會(huì )帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題,就是很多情況下用戶(hù)家里沒(méi)有充足的地方去安裝水箱,或者是用戶(hù)不愿意掏錢(qián)買(mǎi)水箱。不過(guò)對地暖來(lái)說(shuō),可以利用地暖本身的蓄熱能力進(jìn)行緩沖,使那些暫時(shí)用不了的熱量存儲在蓄熱層中。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō),濕式地暖更容易做得比較穩定、節能。

對于散熱器來(lái)說(shuō),選擇容水量更大的散熱器,會(huì )減少壁掛爐的頻繁啟停,也是有利于系統的穩定運行和節能的。

總結:

去耦罐的方式雖然應用很多,但對于普通地暖來(lái)說(shuō)也不是“萬(wàn)能靈藥,相對而言從壁掛爐專(zhuān)用混水裝置能夠同時(shí)解決水流去耦和溫度去耦的問(wèn)題,個(gè)人更為推薦。

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