浅谈地暖的供热与节能
【摘要】地暖的相关知识很多，涉及的学科不少。在锅炉这块要涉及到燃烧理论；在地暖系统设计中，牵涉到热能动力学、流体力学，还和各种材料的基本理论有关，本文对地暖的有关方面进行了阐述。
【关键词】热源；地暖；节能
有关资料统计，每年冬季采暖负荷约2亿千瓦，耗电1460亿度，接近于二个三峡电厂的年发电量。在这些用电量中有一部分是地暖用的能量，并且这部分能量日益增长。由此可见地暖的工作有事情做，而且有许多事情可做。
1 热源部分
地暖是需要热量的，目前系统供热的方式主要有二大类：
一类是集中供热，就是说整个一幢楼或一个小区，用大型锅炉集中燃煤或燃油、燃气，产生热水，分别输送到各用户，供给地暖应用。这种集中供热的方式多数在北方采用。
另一类是单元供热的形式，就是每套房子单独配置一台锅炉来供热，在冬寒夏暖地区用得很多。
我们对单元供热的地暖系统进行分解，它主要有三大块：①提供热量的锅炉，目前多数采用的是壁挂炉②配水系统，通过它将锅炉里产生的热水进行分配，分别输送到各采暖点③地暖部分。
通过燃用天然气或煤气的壁挂炉产生热水，通常它会产生二种品质的热水，一种用来沐浴、洗脸等的生活热水，另一种是用于循环加热的地暖热水。
壁挂炉主要有以下几部分组成：
1.1 燃烧器：主要是燃气喷嘴，燃气通过它喷嘴喷出，同时吸引周围的空气和燃气混合，维持燃烧，产生所需要的热量；
1.2 换热器：燃烧器中燃气燃烧产生的热量通过它交换给水以产生热水；
1.3 风机：燃气燃烧时需要的大量空气依靠它来补给，同时将废气排走。
2，烟气量V0=1.18QDWY/1000+0.4，估算燃烧1立方的天然气需要10立方的空气，产生11立方的废气。低负荷运行时，对锅炉运行很不利：
1.3.1 送进去的天然气少了，送进去的空气没有减少，燃烧中心温度就会降低，燃烧会不稳定，燃烧也就不够完全，排出去的可燃气体增加。其结果是能量损失增加，锅炉效率降低了。
1.3.2 在燃气锅炉中，有一个重要的热损失就是排烟热损失。排烟热损失，主要取决于烟气比热、排烟温度及排烟气量，由于排出的烟气都是由锅炉燃烧时吸入的空气在燃烧过程中氧气参与燃烧反应，本身被加热，地暖用热水要求的温度低，出力相应要降低，壁挂炉的有效利用热减少了，损失的热量并没有减少，损失所占的比例却增大了，锅炉效率也就明显降低了。
1.3.3 燃气燃烧时有水产生，燃烧1立方天然气会产生1.35公斤水，当烟气温度低于100℃时水蒸汽冷凝成水，冷凝水和烟气中硫和空气中氧发生反应，腐蚀了设备，对正常运行和设备的安全都有很大威胁。
1.4 壁挂炉里都配置有一台水泵，水泵出力往往都是根据额定出力时，炉内温升Δt=20℃来配置，水泵出力基本上不能变化，当外界地暖用水要求温度降低时，壁挂炉没有增加出水量的能力，只好降低出水温度，唯一的办法就是减少燃烧来减少供热，而没有比例调节燃气量的这类锅炉里，只有用开、停供应燃气来运行，显然，锅炉的不断开停会增加化学不完全燃烧的损失，增加排烟损失，严重影响设备的安全运行，这也是我们所不希望看到的。
综上所述，壁挂炉希望能保持在额定工况下，也就是在额定的出力下、炉内热水温升Δt=20℃，出水温度（75℃～85℃）运行，当要求在低负荷、出水温度低温时，对其安全和效率都是极其不利的，应尽量予以避免。
2 地暖部分
地面采暖设施是指埋在地下的热水管道。国家建设部JGJ142-2004规定“地暖供水温度不应超过60℃。民用建筑供水温度宜采用35℃～50℃，供回水温差不宜大于10℃”。
建设部的规定非常重要。地暖系统在室内供热的多少主要取决于供水温度和管内热水的流量，根据要求，希望供水温度不要太高，不应大于60℃，但管内热水流量较大，保证供回水温差不宜大于10℃，如果达不到国家规定的要求，对地暖系统的运行是很不利的。
它表现在：
2.1 如果供水温度太高，而供回地暖水的温差太大，会影响地暖的舒适性；
2.2 通常在水中氢氧化钙的溶解度随温度升高而降低，水温升高时会有氢氧化钙沉淀析出；水中所存在的钙离子会与水中的二氧化碳反应析出碳酸钙沉淀；水中溶解的碳酸氢钙受热会分解析出碳酸钙沉淀。所以温度高对运行是不利的；
2.3 地暖供水温度超过60℃，地暖管寿命剧降，威胁地暖的安全运行。国家对热塑性塑料管的工作状况有明确规定，设计工作温度是60℃的热塑管，如果在60℃时的使用寿命是49年，它的最高使用温度为80℃，在80℃时使用的寿命就只有1年，如果到了故障温度95℃，它的使用寿命仅为100小时。所以地暖系统的供回水温度超过规定是决不可取的。
3 问题的提出和解决
在地暖系统中，供应热量的壁挂炉只有在提供75℃～85℃、Δt=20℃热水的状态下工作，才是最合理的运行方式；而在地暖侧中所需要的是小于60℃、Δt=10℃的热水，并且还得根据负荷变化随时进行调节，也就是说壁挂炉供应的是温度高、流量小的热水，而地暖需要的是温度低、流量大的，两者之间的矛盾长时期以来一直没有很好的解决。
3.1 在温度问题上，降低壁挂炉的出水温度，会造成壁挂炉的效率降低，会影响它的安全运行。
有人推荐的冷凝炉，冷凝炉的价格成倍上升，而且在适应地暖系统时，对负荷变化的温度调节问题方面还不能很好适应。
3.2 整个地暖循环系统中，实际是一个闭式循环，各部位的水流量应该是相等的，但在地暖系统中，壁挂炉设计的Δt=20℃，放热系统所要求的Δt=10℃，换句话说，就是地暖要求的热水流量比壁挂炉的水量要大一倍。为了解决这一矛盾，设想在系统里增加一只三通阀，再串联一个和壁挂炉相同参数的泵，但这样的结果供水温度可以降下来，但流量并未增加，不能在根本上解决问题，如果串联一只大功率泵，串联泵的出力过大，壁挂炉的工况会被破坏，甚至造成加热器内热水流动过快，换热器过热，过热保护频繁动作，可燃气体排放增加，壁挂炉效率降低，炉内换热器等主要设备寿命大大缩短。
3.3 要合理解决这一问题必须从两方面着手；
3.3.1 在地暖的闭式系统中，通过配水系统将供热的壁挂炉侧与用热的地暖侧分隔开来，但又要将温度高、流量小的锅炉的出水的热量传送给低温大流量的地暖侧。
3.3.2 送给地暖侧的热量，要可根据负荷变化情况进行调节。
3.4 目前解决方法有二个：
3.4.1 在两侧之间装板式交换器。可以用板式交换器将两侧分隔开来，根据地暖侧的负荷的需求，调节热水温度和水量。
但是系统增加的设备较多，占地也较大，目前很少有人采用。
3.4.2 在配水系统中安装“水力恒温单元”。
“水力恒温单元”由一只四通的混水装置和二只旁路阀组合而成。
首先在地暖侧，根据需要加大流量配置循环泵，使热水流量满足需要；然后再在地暖侧进水点设置测温点。
“水力恒温单元”将根据该点温度自动调节供水温度。它可以将通过在地暖侧里放出热量并降低了温度的回水，进入混水装置，根据需要，调节锅炉的高温水也进入混水装置，二者混合后达到所需的设定温度，然后进入地暖，多余的回水回到锅炉。
当回水温度高时，“水力恒温单元”将会自动调节，开大回水，同时关小锅炉出口的高温水，使二者混合后保持锅炉进水温度在设定范围内。
当回水温度低时，“水力恒温单元”将会自动调节，关小回水，同时开大锅炉出口的高温水，使二者混合后保持锅炉进水温度在设定范围内。
4 “水力恒温单元”是配水系统最合适的节能产品
“水力恒温单元”它既解决了锅炉出口热水高温小流量、不适宜地暖低温大流量要求的问题，又能根据地暖负荷要求自动进行温度调节，是目前最为实用的产品。