建筑热水应用全预混冷凝模块炉系统优势分析_步亚辉.pdf

绿 色 性 能 Green Performance绿色建筑2023年 第2期056建筑热水应用全预混冷凝模块炉系统优势分析建筑热水应用全预混冷凝模块炉系统优势分析步亚辉（上海正峰投资集团有限公司，上海 201100）摘要：实践中，我国民用建筑的生活、生产、采暖热水应用燃气锅炉系统加热供给是一种常见技术。然而，为建筑供应热水，应用什么类型的燃气锅炉系统最节能、最具优势，却常常成为一道难题。一种可应用于民用建筑供应热水且高效节能的全预混冷凝模块炉系统，因不明确其优势，导致其在实践中应用不畅。从空间对比、节能研究、性能优势、管理和成本等多角度出发，研究得到了全预混冷凝模块炉系统在建筑空间、节能减排、管理成本等方面具有优势的结论。综合阐述全预混冷凝模块炉系统在民用建筑领域的实际应用价值，为先进供热技术推广和节能减碳贡献微薄力量。关键词：燃气锅炉；建筑热水系统；节能减碳；供热技术；绿色经济中图分类号：TU833+.1 TK229.8 文献标志码：A 文章编号：1674-814X（2023）02-056-05我国民用领域的建筑生活、生产、采暖热水应用燃气锅炉加热及供给是一种常见技术。然而，为建筑供应热水，应用什么类型的燃气锅炉系统最节能、最具优势，却成为一道难题。投资方既不想投入太高的经济成本，又希望为建筑应用一套节能、高效的热水锅炉系统。理念看似合理却容易产生误区，特别是只看重锅炉设备的热效率参数，却忽视热水锅炉系统与建筑的匹配度，这不仅影响了先进热水锅炉系统的应用和推广，也往往导致工程技术人员在制定方案和决策时不好开展。一种可应用于建筑供应热水的全预混冷凝模块炉系统，在实践中应用不畅。笔者将从建筑空间、节能技术、系统性能、成本管理等多角度出发，利用空间对比、节能对比、技术对比、成本对比、管理对比的方式，围绕全预混冷凝模块炉系统的技术特点和节能原理进行分析和对比，参照不同的热水锅炉系统，综合分析建筑热水应用全预混冷凝模块炉系统所具有的优势，为推广先进供热技术和节能减碳贡献微薄力量。1 建筑应用全预混冷凝炉系统的空间优势分析各类建筑的热水均可由全预混冷凝炉系统供应，全预混冷凝炉系统也能最大限度地节约建筑设备空间。为直观了解全预混冷凝炉系统的大小，笔者以常压和真空热水炉系统作为参照对比，从锅炉系统的主辅设备组成和体积大小方面分析全预混冷凝燃气炉系统的空间优势，为建筑热水供应系统小型化、节约化提供参考和选择，以期更好地产生经济效益。1.1 常压热水锅炉系统分析建筑热水系统采用常压锅炉加热，采用导流式浮动盘管容积式热交换器或板式热交换器进行换热，采用软水器、过滤器、循环泵泵组、补水水箱、分集水器、阀门辅助。系统整体占用空间面积大，阀门设备繁多，相对复杂。1.2 真空热水锅炉系统分析建筑热水系统采用真空锅炉加热，采用导流式浮动盘管容积式热交换器进行换热或直接出热水，采用软水器、过滤器、循环水泵泵组、补水水箱、阀门辅助。系统整体占用空间面积适中，阀门设备精简，相对简单。1.3 全预混冷凝模块炉系统分析建筑热水系统采用若干小型化独立燃烧运行的全预混冷凝炉加热、采用板式热交换器进行换热或直接出热水，采用软水器、过滤器、循环水泵泵组、补水水箱、阀门辅助。系统整体占用空间面积小，只有真空、常压热水锅炉系统的 1/4 左右，阀门设备少，系统简单。根据常压、真空、全预混冷凝 3 个不同工作原理，额定功率相近的热水锅炉系统进行分析：引用 2 台额定功率 350 kW 常压热水锅炉、1 台额定功率 700 kW 真空热水锅炉、8 台额定功率 90 kW 全预混冷凝模块炉对比。2 台 350 kW 常压锅炉（规格为 2 600 mm1 150 mm1 600 mm），主设备占用空间平面面积为 19.74 m2（含检修尺寸 800 mm）；1 台 700 kW 真空锅炉（规格为 3 230 mm 1 220 mm2 050 mm，主设备占用空间平面面积为 13.62 m2（含检修尺寸 800 mm）；8 台 90 kW 全预混冷凝模块组合式燃气热水锅炉（规格为 510 mm540 mm825 mm），主设备占用空间平面面积为 12.21 m2（含检修尺寸 800 mm）。由主设备的规格和尺寸分析可知：全预混冷凝模块炉系统的设备体积和占用空间较小，设备在不降低换热量的情况下，整体模块化、小型Green Performance 绿 色 性 能绿色建筑2023年 第2期057化，这无疑为不能提供较大设备空间的建筑提供了更多选择余地，特别是小型化建筑的锅炉房空间可缩小，也能让一些空间利用率低的建筑能够应用节能、高效的燃气热水锅炉系统。2 建筑热水应用全预混冷凝模块炉系统的节能优势分析建筑热水系统好比一座建筑的“心脏”，选择最合适的热水锅炉系统是实现建筑热水供给节能的重要一环。工程技术人员往往把节能目光集中在锅炉的热效率高低上，却很容易忽视建筑本身的功能定位与不同热水锅炉系统的匹配度问题，片面认为只要采用热效率高的热水锅炉，就最大限度实现了建筑热水系统的节能降耗。然而，现实情况是许多热效率高的锅炉虽然很节能，却被错误配置到与其不相适应的建筑内，出现不节能，且运行成本高的问题。为什么节能的热水锅炉系统配置到一些建筑内会发生“不节能”问题？总结原因有两个方面。一方面，采取过分保守或裕度过高的方法计算建筑热水的标准热负荷，在标准热负荷之上盲目增加热负荷，把高于标准热负荷过多的设备配置到建筑内，导致装机容量偏大。过多的设备不仅造成闲置，也造成低负荷运行下能耗大。另一方面，对一座建筑的功能定位、规划、气候环境没有准确把握，只看重锅炉设备的热效率，却极少顾及锅炉的季节运行热效率，对各类建筑盲目应用不适配的热水锅炉系统，不仅没有实现节能降耗的目的，反而导致经济效益很差，推倒重来的代价又太高。2.1 精确计算建筑热水负荷确保锅炉系统发挥节能优势要解决过分保守或裕度过高计算建筑热水热负荷的问题，就必须做到精确计算建筑的热水负荷。以下为一套建筑生活热水部分热负荷计算过程的示例。参考某酒店项目（258 套客房）为例，结合 GB 500152019建筑给水排水设计规范第 6.4.2 条款的计算公式（适用计算住宅、酒店式公寓、宿舍、别墅、宾馆客房、旅馆等）对某酒店建筑的标准生活热水热负荷进行如式（1）的演算。设参数：Qh 为设计小时耗热量，kJ/h；m 为用水人数，按每房间 2 人258 套客房516人；qr 为热水用水定额，L/人d，取 150 L/（人d）；C 为水的比热，取 4 187 J/(kgK)；tr 为热水计算温度，取 60；tl 为冷水计算温度，取 5；r 为热水密度，取 0.983 kg/L（按 60）；Kh 为小时变化系数，取值为 3.0；Cr 为热水供应的热损失系数，取值为 1.1；T 为每日使用的时间，取值为 24 h。（1）35161504.187(605)0.983241.1 2 409 144.375(kJ/h)669.21（kW）669.21103（J/s)如果将设置参数进行改变，将式（1）中（tr 热水计算温度）tr 60 改为 tr 55，则：35161504.187(55-5)0.983241.1Kh mqrC（trtl）r CrTQh2 190 131.250(kJ/h)608.37(kW)608.37103(J/s)在式（1）中代入不同温度参数的计算结果可知，（tr 热水计算温度）的变化对建筑热水负荷的估算值影响大，tr 热水温度设置过高或过低会直接影响热负荷变大或变小，也间接影响了热水锅炉的配置数量（装机容量）。若以 60 为参数，得出的热负荷估算值为 669.21103 J/s，需配置全预混冷凝模炉 90 kW 级 8 台；若以 55 为参数，得出的热负荷估算值为 608.37103 J/s，只需配置全预混冷凝模块炉 90 kW 级 7 台。另外，不同功能定位的建筑在不同地理位置和气候环境下，热水温度取值的高低，都需要工程技术人员认真决策。比如：纬度高、寒冷地区 tr 热水温度的取值应偏大一些；纬度低、热带地区 tr 热水温度的取值应偏小一些；一些建筑功能定位为医院、浴室、五星级酒店的 tr 热水温度取值应偏大一些；一些建筑功能定位为办公、商业、经济型酒店的 tr 热水温度设置应偏小一些。tr 热水温度数值过大，会间接导致盲目扩大热水系统的装机容量偏大，设备增加导致能耗增加，投资成本增加；tr 热水温度数值过小，又会间接导致热水系统的装机容量偏小、运行过程中供热不足。2.2 建筑应用全预混冷凝模块炉系统提高锅炉季节热效率的节能优势要解决不同功能定位、不同规划、不同气候环境下的建筑配置合适的热水锅炉系统问题，需要工程技术人员熟悉且运用好不同锅炉系统的技术特点和节能原理，努力提高一座建筑的锅炉季节运行热效率，因为锅炉季节运行热效率的高低才真正反映出一座建筑的热水系统是否节能。锅炉季节运行效率是指建筑采暖期用户正常需求热量与锅炉输出热量之比1，笔者认为不同季节下建筑热水供应的需求热量与锅炉输出热量之比同样适用锅炉季节运行热效率的概念。锅炉季节运行热效率是滞后参数，通常需要装机运Kh mqr C（trtl）r CrTQh绿 色 性 能 Green Performance绿色建筑2023年 第2期058行 1 年以上，采集各季节锅炉系统每天实际运行的数据进行运算和比对，才能较为准确地得出一座建筑的锅炉季节运行热效率，如式（2）式（6）所示。设参数：Qr 为锅炉季节运行热效率，Qc 为锅炉春季运行热效率，Qx 为锅炉夏季运行热效率，Qq 为锅炉秋季运行热效率，Qd 为锅炉冬季运行热效率，Qv 为锅炉日输出热量；Q1 为春季热水日需求热量，Q2 为夏季热水日需求热量，Q3 为秋季热水日需求热量，Q4 为冬季热水日需求热量，n1 为春季天数，n2 为夏季天数，n3 为秋季天数，n4 为冬季天数。（2）（3）（4）（5）（6）众所周知，建筑热水系统的装机通常一步到位。假设投入运行一段时间后，出现季节运行热效率不佳的情况，推倒重来的可能性很小，代价难以承受。另外，努力提高锅炉季节运行热效率并不是简单选择燃烧热效率高的锅炉，特别是常有人把锅炉季节运行热效率与锅炉的燃烧热效率概念相混淆，片面认为只要采用燃烧热效率高的锅炉就是在提高季节运行热效率，就是在推动供热节能，许多厂商也把锅炉的燃烧热效率标注到 100%以上以吸引眼球。实际上，锅炉的燃烧热效率高，却并不代表锅炉季节运行热效率高。比如：一座功能定义为五星级酒店的建筑，运营方为确保舒适度，会 24 h 开启所有锅炉来维持客房即时出热水温度、维持酒店游泳池水温度、保持空调循环热水温度，这类建筑更适合应用常压或真空热水锅炉系统，因为热水需求常处于相对均衡的状态，均衡状态下会十分节能，如此才能提高锅炉的季节运行热效率。但是一座功能定义为经济型酒店的建筑，运营方不会 24 h 确保客房即时出热水，大多会根据入住量变化或当日热水需求的峰谷段来选择开启一半或关停全部锅炉来节能。这类建筑更适用全预混冷凝模块炉系统，因为模块炉系统非常适应频繁启停或低负荷的工况。常压或真空锅炉系统与模块炉系统相比，不具备频繁关停及低负荷工作的优势，包括一些日夜温差变化大或季节温度波动大的地区，模块炉热水系统比常压、真空锅炉热水系统具有明显的节能调节优势。因此，一座建筑的锅炉季节运行热效率影响着天然气能耗。以下提供一组 120 d 耗气量图片数据：2 台 350 kW 常压热水锅炉系统耗气量如图 1 所示；1 台 700 kW 真空热水锅炉系统耗气量如图 2 所示；8 台 90 kW 全预混冷凝模块炉系统耗气量如图 3 所示。由图 1图 3 不难看出，在均衡运行状态下，常压锅炉系统耗气量最大，真空锅炉系统耗气量最小，全预混冷凝模块炉系统耗气量介于两者之间。在不均衡运行状态下，全预混冷凝模块炉系统比非模块式的常压、真空锅炉系统更节省天然气，比非模块锅炉系统节省 10%20%天燃气2。图 1 2 台 350 kW 常压热水锅炉耗气量图 2 1 台 700 kW真空热水锅炉耗气量图 3 8 台 90 kW 全预混冷凝模块炉耗气量51 408102 816154 224205 632050 000100 000150 000200 000250 000306090120Q1n1Qvn1Qc 100%Q2n2Qvn2Qc 100%Q3n3Qvn3Qc 100%Q4n4Qvn4Qc 100%Q1n1+Q2n2 Q3n3 Q4n4Qv365Qr 100%48 31296 624144 936193 248050 000100 000150 000200 000250 000306090120Green Performance 绿 色 性 能绿色建筑2023年 第2期0592.3 全预混冷凝模块炉系统具有克服“小型化切割”和“少量化叠加”的节能优势“小型化切割”是将标准热负荷下的锅炉系统切割为若干独立燃烧输出的小功率锅炉，即组合式的模块炉形式，切割后各个小功率模块锅炉可以根据总负荷的变化而变化。当运行负荷增加时，若干小锅炉可根据运行负荷不断增加并逐台开启，当每台达到 80%运行负荷就开启下一台，反之每台运行负荷低于 30%时逐台关停，形成总用能大时开启锅炉数量多、输出功率大，总用能小时开启锅炉数量少、输出功率小，直到锅炉系统调节至最佳运行负荷状态，实现动态化节能。但不是所有热水锅炉系统都可以实现动态化的供热及节能，有的锅炉系统低负荷运行时，热效率大多呈下降趋势，很大程度上不会节能；有的锅炉系统则不适应变负荷工况下的频繁启停，停炉冷却再启动必须经烘炉预热一段时间后才能正常工作。“少量化叠加”是指设计阶段以略高于标准热负荷的一种负荷叠加来节能，设计往往决定着一座建筑未来的能耗，因此叠加热负荷越接近标准热负荷就越节能。假设一座建筑配置合理数量的热水锅炉设备，当其标准热水热负荷为 520 kW 时，配置通用的 4 65 kW 锅炉会显得供热不足，配置通用的 700 kW 锅炉又供热太多，若定制 520 kW 锅炉成本太高，最终选择了 700 kW 锅炉。这多出来的 180 kW 实际就是无法满足热水负荷少量化叠加的不节能负荷。鉴于我国小型化模块炉生产能力弱，技术和材料落后，质量不稳定，国产化接近空白，民用领域企业在缺技术、缺人才、缺资金的情况下往往会盲目选择一些大规格设备来确保热水负荷达标，比如将 700 kW 锅炉安装到实际只需要 520 kW 热水负荷的建筑上，这就造成建筑热水负荷叠加过多而导致产生不节能现象。全预混冷凝模块炉系统，能较好克服热水负荷“小型化切割”和“少量化叠加”的问题。其独特的模块化节能优势，既杜绝了装机容量大、能耗高、无法进行小功率低负荷输出问题，又解决了热负荷精细化叠加问题，向真正实现建筑节能迈出一大步。3 全预混冷凝模块炉系统的性能优势分析3.1 全预混冷凝模块炉的铸造材料优势国际上，全预混冷凝模块炉主要采用 EN-AC-4300 硅镁铝合金（AlSi10Mg）铸造。铝（有较好的耐腐蚀，传热效率比钢快 710 倍）、镁（可提高对碱性溶液的耐蚀性）、锰（对铝耐蚀有较好影响）、硅（对铝合金耐蚀性稍有降低）3。我国采用硅镁铝合金（AlSi10Mg）铸造的模块炉很少，大部分锅炉采用了碳素钢或不锈钢材料，技术上难以克服微小型燃烧器自主研制及模块炉智能联动控制系统国产化，导致市场上的模块炉大部分来自国外进口。从材料分析，硅镁铝合金的导热性能远高于不锈钢和碳素钢，其优异的可铸造性能使锅炉具有更好的炉膛结构，耐高温、耐腐蚀、使用寿命长，设备体型小。3.2 全预混冷凝模块炉的微型燃烧器和冷凝器优势全预混冷凝模块炉采用微小型的金属纤维缠绕型不锈钢全预混燃烧器，这类燃烧器在提高燃烧效率的同时，确保燃烧产生的有害物质 NOx 和 CO2 排放量少，燃烧发出的噪声不超过 50 dB，对环境影响小。硅镁铝合金材质的冷凝器，可有效防止冷凝水的反复腐蚀，提高炉体导热效率，能以最小导热面积吸收更多热量，以使锅炉体积变小，质量变轻。冷凝器利用独特的肋柱式导热锥滴水冷凝结构来进行冷凝式热交换，这种结构水阻力小，烟气侧全部被水道覆盖，可有效吸收热量，冷凝水在换热面散热后，形成水滴流出，反复冷凝变相提高了锅炉系统潜热回收的性能。3.3 全预混冷凝模块炉的燃烧性能和智能化优势全预混冷凝模块炉的燃烧性能好，热效率可达 89.5%左右，高于常压锅炉 82%87%的热效率，低于真空锅炉 92%的热效率。其变负荷和低负荷工作性能却远优于常压或真空锅炉系统，在微电脑控制下，组合式的模块炉有良好的变负荷和低负荷运行性能，可根据进水、出水温度和出水量大小，合理输出燃气并选择适当台数模块炉参与供热。当出水温度较高时，微电脑会自动切换至低火力或关闭部分模块炉，能耗减少；反之，出水温度较低时，微电脑自动切换至高火力燃烧或开启下一组模块炉，直到均衡。另外，模块炉系统的集成化率和智能化率较高，内置一键式点火装置、可编程序控制器（PLC）自动控制出水温度和模块化启停，可附带网络服务器模块（含 485 通信接口）与楼宇自控系统智能对接。轻松实现远程控制，极大提高了自动化操作性能，机组数量可根据实际需要自由搭配。部分发生故障也不影响正常运行，检修方便，运行稳定，向实现锅炉无人化值守迈出一大步。4 全预混冷凝模块炉系统的成本、安全和使用寿命对比4.1 常压锅炉系统对比常压锅炉热水的加热循环过程为冷水进热水出。由于炉体内热媒水工作时接近沸点（水温通常大于 90），该热媒水与外界补水系统直接连通易析出钙镁盐类等杂质，故绿 色 性 能 Green Performance绿色建筑2023年 第2期060受热直管易受氧腐蚀、结垢腐蚀等问题影响，伴随着锅炉不断结垢，锅炉使用年限通常只有 810 年。虽然，常压锅炉系统相对安全，无不当操作或安装质量等问题，一般没有爆炸危险，不属于特种设备监管范围，但其系统较为复杂、阀门多、管道多，智能化率低，运行需配备 23 位专业司炉工进行监管，管理成本较高。4.2 真空锅炉系统对比真空锅炉出厂时炉内就一次性注有热媒水，该热媒水与外界大气不相通，热媒水对真空状态下的受热直管形成“液态气态液态”的循环加热过程。由于真空锅炉出水温度一般不超过 85，因此真空锅炉受热直管的氧腐蚀和结垢腐蚀问题较小，锅炉使用年限可达 15 年以上。另外，真空状态下运行没有爆炸危险，不属于特种设备，不需要报批年检，且阀门少、管道少、操作人员配备少，管理成本低。4.3 全预混冷凝模块炉系统对比全预混冷凝模块炉系统是一种非常安全的建筑热水系统。每台模块炉都配有独立循环泵和超压保护装置、单独的冷凝式换热器及定压补水装置，锅炉超压会自动停炉，确保系统运行安全。锅炉采用先进的硅镁铝合金材料和金属纤维缠绕的不锈钢微型燃烧器，使氧腐蚀和燃烧结垢问题较小，使用寿命超过常压和真空锅炉，可达 3040 年。由于模块炉出水口水压低于 0.1 MPa 的不属于特种设备，因此不需要向特种设备监管部门报批年检，且系统集成化和智能化率高、操作简单、占用空间小、阀门少、管道少、管理成本低，接近无人化操作，能产生可观的经济效益。锅炉系统对比列表如表 1 所示。表 1 锅炉系统对比列表对比常压热水锅炉真空热水锅炉全预混冷凝模块锅炉出口水压/MPa0.10.10.1额定功率/MW0.10.10.1燃烧热效率/%82879289.5安全保障需设置安全阀、泄压阀、泄爆设施需设置安全阀需设置安全阀、泄压阀系统安全较安全安全安全系统寿命/年810153040报批年检无需报批年检无需报批年检无需报批年检操作管理 运行复杂、操作复杂、每年清管 运行方便、操作简单、无需每年清管 运行方便、操作简单可远程、无需每年清管管理成本高低低锅炉性质非承压非承压非承压用能种类天然气天然气天然气5 结 语21 世纪，虽然我国在诸多高科技领域实现重大突破，但民用领域一些科技含量高、经济效益好、节能减排显著的热水锅炉系统却没能得到很好的推广和应用，特别是在建设开发过程中对热水锅炉系统的选型和应用存在较多短板，这与先进技术认识不足有关，也与我国各领域发展不平衡及不合理的节能观念有关。伴随着我国大力倡导节能减碳，推广先进技术、减少无效投资、推进高质量发展的不断深入，全预混冷凝模块炉系统作为一种先进的节能和热水供应设备，应得到工程技术人员的重视和应用。为了将绿色经济和节能减排更深入推广应用至各类工程项目，坚持节约优先、减碳中和、保护环境，笔者从投资方角度出发，结合建筑空间、节能技术、系统性能、成本管理、操作与安全等方面分析了全预混冷凝模块炉系统的优势。参考文献：1 孙卫达,贾连发,张宏伟.锅炉的三种热效率J.暖通空调,2001(6):23-23.2 国家经贸委节能信息传播中心.模块组合式燃气热水锅炉在建筑采暖中的应用 J.中国设备工程,2003(3):53.3 廖永章.硅镁铝合金材料在冷凝锅炉的应用分析J.日用电器,2019(6):77-82.收稿日期：2022-10-21作者简介：步亚辉，工程师，研究方向为建筑的动力工程及能量转换、传输和利用，现供职于上海正峰投资集团有限公司。通信地址：上海市闵行区都市路 4499 弄 70 号 602。