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「供暖系统漫谈」采暖系统中去耦装置和混水装置有何不同?

时间:2019-04-26    来源:博容节能    阅读数:
导读:随着大家对系统的重视,越来越多暖通公司在给客户设计采暖系统时,不再简单地将壁挂炉和末端连接在一起,而是开始注重系统方案。在壁挂炉带地暖的方案中,越来越普遍地用到去耦罐进行去耦,或者通过混水系统进行隔离。很多朋友认为两者作用类似,并且去耦罐相对成本更低,因此采用去耦方式的很多,那么这两者方式究竟有何不同呢?
 
名词解释:去耦和混水
 
在解答引言中的问题前,我们先来了解一下去耦和混水是什么。这是两个完全不同的概念,两者作用完全不同,不可相互替代。
 
去耦的概念是“消除耦合”,对应去耦罐的作用就是解决系统“耦合”造成的问题,而对应的概念就叫耦合。所谓耦合,是指两个事物之间存在相互影响、相互作用的关系,当一个因素变化时必然导致另外一个因素产生对应的变化。
 
从定义可以看出,耦合在采暖系统中就是热源与末端之间的相互影响和作用,当这种影响带来不利的影响时,可以用去耦的方式解决。
 
在采暖系统中的耦合关系并不局限于一种,主要有流量耦合、功率耦合、水温耦合、压差耦合等关系,一个系统设计的复杂性往往是涉及到这些多种耦合关系的原因。
 
耦合关系对系统的影响,主要体现在末端与热源之间需求不匹配的冲突,从而导致壁挂炉等热源工作失常。
热源壁挂炉需要的工况:
 
常规壁挂炉是一种针对散热器高温度、高温差、小流量特性而设计的采暖设备,正常情况下其流量特性能够满足在15℃~25℃温差时输出额定功率。同时,由于燃烧系统特性的限制,其最小输出功率一般在30%以上,如一台输出功率为24kW的壁挂炉,最小输出功率为7.2kW。
为了及时将这些热量带走避免换热器出水超温,壁挂炉都有最低流量限制,低于这个流量会出现超温保护故障,水流大概在200kg~300kg左右。此外,由于内置水泵的功率限制和换热器管道等阻力的限制,壁挂炉的最大输出流量也是有限的,比如24kW的壁挂炉通常水流最大在700kg~1000kg左右。
 
散热器采暖系统需要的工况:
 
对于散热器来说,由于工作在高温差、小流量的情况下,水温越高越好,壁挂炉75℃~85℃的水温是很合适散热器的。
 
通常每台散热器需要的流量只有几十千克到一百多千克,因此一台壁挂炉带上十来组散热器是没有问题的,实际流量在进行系统平衡调试的时候会由温控阀进行调节。
 
地暖采暖系统需要的工况:
 
 
地暖更适合低温水,一般在35℃~45℃即可,温差较小,只有5℃~10℃,所以相对来说,对流量的要求更大。
 
对于地暖来说,常用的“20管道”理论上每根管道流量在180kg左右比较合适,每120m2大概需要1t流量,如果采暖面积更大,则流量也需要更大,甚至会超出壁挂炉的供水能力,导致虽然功率足够但是地暖采暖依旧不热。
 
壁挂炉和末端耦合状态下的工况:
 
由上图可以看出,壁挂炉的出水通过管道直接供给到末端散热器。这时候,由于整个采暖系统是一个相对封闭的系统,壁挂炉的流量等于末端所有散热器的总流量之和,如果散热器部分关闭或者通过恒温阀的自动调节作用导致其流量变化,则壁挂炉流量随着变化。
 
这样将导致两个问题:
 
第一,如果末端因为开关调节等原因导致流量降低,壁挂炉流量将随之降低,当流量低于最低流量后导致壁挂炉不能正常工作,或者虽然能工作但频繁启停,运行效率大幅度降低。
 
第二,当末端需要的流量大于壁挂炉供给能力时,壁挂炉无法满足末端流量需求,会导致末端散热器没有足够流量而无法正常工作。
 
从以上分析可以看出,因为壁挂炉和末端具有流量耦合关系,导致壁挂炉工况受到末端工况变化的影响,可能导致壁挂炉无法正常工作,或者末端受壁挂炉流量影响只能承受较小面积的采暖。
 
如何解决流量需求不同的矛盾?
 
去耦,就是解决这个问题的。要解决这个问题,我们可以在壁挂炉和末端之间设置一个去耦罐,二次侧再增加一个循环泵,就构成二次系统。
 
去耦罐就是一个较粗的连通器,在正常过流情况下,一次侧和二次侧两边的进回水端口压差都接近于零,于是壁挂炉和去耦罐形成一个一次水流循环系统,去耦罐和末端形成二次水流循环系统。这样一来,壁挂炉的水流经过去耦罐直接回到回水中,其流量不受二次侧流量需求和变化的影响。同样,二次侧需要的流量由独立的水泵驱动,经过去耦罐后直接构成循环,这也和一次侧流量没有关系,两者互不影响,也就是将相互影响的耦合关系消除了,故称之为去耦。
 
当壁挂炉采暖系统中采用去耦罐后,可以解决两者对水流需求不同的矛盾,带来的好处是无论末端流量大或者小,壁挂炉不会出现“供血”不足或者由于流量过小熄火罢工。也正是这个好处,让去耦罐在壁挂炉采暖中得以大放光彩,甚至成了“万能灵药”,好像只要在壁挂炉采暖中加上一个去耦罐,就是在给客户做系统了。
 
需要明确的是,工况的匹配不仅仅只有流量问题,还有温度耦合造成的问题以及功率失衡造成的问题没有解决。
 
对于温度问题,很多人表示壁挂炉可以设定水温35℃~85℃,因此可以直接将水温设定到低温区域即可,然而事实上,对于普通壁挂炉来说并不合适长期低温运行。
 
因为回水温度低于55℃的时候将会导致换热器表面结露,产生冷凝水,从而腐蚀换热器和燃烧器,这种情况造成壁挂炉损坏和寿命降低的案例很多,因此常规壁挂炉对于水温的要求是高温供水,并且回水温度不要低于55℃是最好的。
 
还有朋友认为,对于地暖末端来说,采暖面积大的时候可以通过在去耦罐后面增加一个更大的水泵,让流量增加,并且当二次流量比较大的时候,回水将与进水混水,从而具有混水降温的作用,这样也可以解决壁挂炉水温高而地暖需要水温低的问题。
 
这个说法没错,但是不够全面。
 
如果二次流量一直大于一次流量,那么确实可以通过混水方式降低二次供水温度,但问题在于这种水温是不可控的。
 
二次水温随着一次水温和二次回水温度及二次流量而改变,当二次流量小于一次流量时,一次供水的高温直接进入地暖管道,造成地暖超温带来安全隐患,因此去耦罐虽然在某种特定情况下可以混水降温,但是并不能被当作混水降温装置来解决水温不匹配的问题。
 
 
另外还有一个问题是,壁挂炉的最小功率很可能大于末端散热量,因此壁挂炉实际工作时必然是在间断启停状态下的。
 
这意味着壁挂炉本身供水温度是不稳定的,这种不稳定的水温也会同步传递到二次侧,导致二次水温上下波动,以致于管道和分水器、连接件等频繁热胀冷缩,最终带来漏水隐患。
 
从上面的分析可以看出,在壁挂炉和地暖之间加上去耦罐并不能解决两者之间关于温度和负荷的矛盾。也就是说,去耦罐只能对流量矛盾去耦脱敏,却无法对水温和负荷问题去耦脱敏,并不是一个合理的解决之道。
 
简单采用混水装置所带来的问题
 
说完了去耦罐,再说说混水装置。
 
混水装置是一种通过将二次相对较低温度的回水与一次高温进水进行混合,从而获得需要的二次供水温度的装置,其核心作用是对“水温”进行去耦脱敏,让壁挂炉可以在高温状态工作,地暖在适合的低温状态工作。
 
那么,是否在壁挂炉和地暖之间安装一个混水装置就可以实现系统合理呢?
 
上图是一个实测的运行状态图,25分钟之前是安装普通三通混水装置,从图中可以看到,加装混水装置之后可以设定二次水温,但壁挂炉工作状态不稳定,一次回水温度低的时候周在40℃左右;25分钟之后将混水设置在壁挂炉混水模式下,系统工作很稳定,壁挂炉在均匀的启停工作,高温供水回水的温度也相对较高,而地暖的供回水温度都较低,同时满足两者对水温的需求。
 
但是如果简单的采用这种方式也会带来两个严重问题:
 
第一,通过混水装置供应地暖时,如果地暖需要的散热量较小,混水只从壁挂炉索取少量的高温水即可满足对功率的需求,则必然导致壁挂炉流量更低,造成壁挂炉的工作异常,上图中的前面部分状态就是这样的。
第二,采用混水装置之后,地暖回水直接进入壁挂炉中,而由于地暖回水温度较低,一般远远低于55℃的结露点,因此壁挂炉必然工作在高温输出供水、低温回水的状态,并不能满足壁挂炉对回水温度的需求。
 
如何同时解决上述问题?
 
当然,现在已经有人采用在去耦罐之后加混水装置的方式,同时解决流量去耦和温度去耦的问题。这种方式是可行的,一部分高温水将通过去耦罐回到壁挂炉,与混水装置的低温回水混合,从而提高了壁挂炉回水温度,满足壁挂炉对水温的需求。
不过这种方案的问题在于成本较高。
 
另外一种方式就是采用壁挂炉专用的混水装置,壁挂炉出水在满足混水装置需求的同时,有控制地让一部分高温水直接进入回水,从而提高壁挂炉回水温度,实现解决上述问题的目的。
上面这个方案中还有一个问题没有得到解决,那就是功率匹配问题。
 
如果想要真正地解决功率的匹配问题,最好的方式是增加一个蓄能水箱,将水温作为壁挂炉的负荷,同时水箱也是末端的热源,这样一来,末端需要多少热量从水箱中取得即可,壁挂炉工作的时候可以稳定工作。
 
 
但是这也会带来一个问题,就是很多情况下用户家里没有充足的地方去安装水箱,或者是用户不愿意掏钱买水箱。不过对地暖来说,可以利用地暖本身的蓄热能力进行缓冲,使那些暂时用不了的热量存储在蓄热层中。从这个角度来说,湿式地暖更容易做得比较稳定、节能。
 
对于散热器来说,选择容水量更大的散热器,会减少壁挂炉的频繁启停,也是有利于系统的稳定运行和节能的。
 
总结:
 
去耦罐的方式虽然应用很多,但对于普通地暖来说也不是“万能灵药”,相对而言从壁挂炉专用混水装置能够同时解决水流去耦和温度去耦的问题,个人更为推荐。

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