家用采暖系统的一种简易升级

于晨， 傅明星， 王瑜

（陕西理工学院机械工程学院，陕西汉中723000）

0 引言

随着经济社会的发展，人们对生活环境的要求也越来越高，希望冬天供暖、夏季供冷，且尽可能地减少资金投入。基于此，家庭用简易采暖供热系统应运而生。自20世纪80年代至今，一些学者从家用采暖燃煤锅炉的结构、家用采暖系统结构、工作原理、能源充分利用、常见形式和注意事项等方面做了大量工作，很好地解决了部分没有集中供暖的城乡居民的冬季取暖问题［1-5］。

进入21世纪以来，保护环境的理念和深远的影响逐渐深入人心，加之壁挂燃气炉、太阳能集热器、空气源热水器等热源的面世，原来使用家用燃煤采暖的居民越来越多地开始升级他们的采暖热源及系统，如热泵与家用太阳热水器联合供热系统，双热源小型家用供热机组等［6-7］。但是，对于已经完成装修的居民，特别是对于安居工程住宅或经济适用住宅以及20世纪90年代初期以前建设的住宅（面积比较小）的居民来说，现代化的采暖供热升级换代很难实现。一是没有足够的空间安置壁挂燃气锅炉或空气能热水器等相关设备，难以采用它们作为供热热源；二是改用燃气锅炉或空气能热水器供热，其土建改造的工程量大成本也较高；三是有的住宅还没有开通天然气自然无法用燃气锅炉。为此，笔者对这一类家用采暖系统进行了基本型改进和节约型改进，能较好地解决上述问题。

1 家用采暖系统的基本型改进方案

家用采暖系统的基本型改进方案是以原有的家用燃煤锅炉采暖系统为基础，用电加热微型锅炉替代燃煤锅炉，加装管道循环泵实现升级换代。其突出的特点是微型电锅炉作为热源几乎不占住宅的使用空间，又能充分利用原系统部件，简便易行；不足的是电锅炉加热水沸腾时，会产生较燃煤锅炉大的振动和噪声。为降低电热锅炉的噪声，同时又要有足够的循环动力，必须在水系统增加了一个管道热水泵，当然原来与大气连通的膨胀水箱也必须改为密封水箱。较原来的燃煤采暖系统，改进后的系统除了微型电热锅炉、管道、膨胀水箱外，还增加了管道循环泵和相关的供电及控制系统。

1.1 微型电锅炉及简易的供热水系统

本改进的核心是微型电锅炉，其结构如图1～图3所示。图1和图2分别是微型电锅炉的剖视图和装配结构图，它由金属外壳、循环水进出接口、电热管、电热管固定板、垫圈、接线保护罩等组成。具有结构紧凑、使用安全、安装方便的特点。安装时，先将电热管固定在固定板上，再将其通过垫圈固定在电加热器的外壳上，便于电热管的清洗和更换。为保证电锅炉运行安全、检修方便，必须垂直安装且进行保温处理。

图1 电加热器剖视图

图2 电加热器结构装配示意图

采暖系统改进后的结构如图3所示。其中，阀门a、b、c分别是热水泵、微型电锅炉的检修阀，阀门d是安装在密封膨胀水箱上的高位排气阀，阀门f、g、h是各房间是否供热的开关阀。系统运行前加水排气：所有阀门打开，最好在系统的底部增加自来水进水阀完成；正常工作时，阀门 a、b、c 全部打开，阀门 f、g、h 根据需要打开，电锅炉加热管道内循环水，热水泵保证循环动力。

1.2 配电及控制系统

对于图3所示的采暖系统的配电及控制十分简单：按照电热管、热水泵的标称功率配备线路和系统开关、电锅炉及热水泵的温控开关，保证各开关容量特别是电热管温控开关容量大于电热管标称功率。系统开关可用具有漏电保护的空气开关，热水泵可用普通触点开关，电锅炉采用温度控制开关，其感温包固定在电锅炉出口处，设定加热温度为85℃，确保系统不会因水沸腾而产生振动及噪声。

图3 基本改进型系统结构

2 家用采暖系统的节约型改进方案

为了降低家用采暖供热的成本，有太阳能集热水箱的居民可将太阳能热水作为辅助热源，当太阳能集水箱的温度高于50℃时用太阳能热水采暖以降低电加热成本。由于人工难以及时完成对太阳能水温的监测和两个热源的切换，需要增加部分可控电磁阀和相应的检测控制系统。

2.1 节约型供热水系统

在基本型改进的基础上，再进行管道改造，容易得到以电热为主、太阳能热水为辅的供热系统，其结构如图4所示。

图4 节约改进型系统结构

相对图3所示的系统，一是增加了太阳能热水水箱和相邻的两个阀门；二是增加了接入系统的自来水入口和出口阀门，前者用于采暖节能，后者用于夏天辅助降温。其中阀门c、d、e是电磁阀。

供热时，自来水入、出口的阀门j、i关闭，阀门a、b常开，阀门 f、g、h 同前。选择电锅炉供热时，电磁阀门 d、e关闭，电磁阀门c打开，实现电热水循环；选择太阳能储水箱为热源时，电磁阀门d、e打开，电磁阀门c关闭，改由太阳能储水箱的热水循环，实现太阳能供热节能的效果。两个热源的选择与切换由控制系统自动完成。

夏天，阀门 a、b、c、d、e、k 全部关闭，阀门 f、g、h 同前。家庭需要的自来水先通过换热器再进入消费环节，实现辅助降温。

2.2 节约型改进的控制系统

供热系统的目的是满足舒适性的要求，而控制系统的任务则是在满足舒适性要求的前提下是实现节能。图5是控制系统的结构示意图。

图5 控制系统结构示意图

控制器的核心是单片机，负责检测电加热器和太阳能储水箱的温度，记忆电加热器工作状态并控制开关动作。具体任务有：电热器工作自动控制，当电热器温度低于40℃自动加热，高于85℃停止加热；循环泵工作自动控制，随着系统加电便开始工作，若循环泵3 min之内入口的水温差不超过1℃，说明热源与散热器温度相同则自动停止工作；太阳能与电加热切换自动控制，当太阳能储水箱温度高于60℃切换为太阳能热水循环，低于40℃切换电热水循环；报警控制，当电加热处于工作状态，电加热温度又低于40℃，则给出电热管故障的提示，从而保证系统工作既能满足舒适的要求，又能实现自动循环和节能。

经实验运行两年，该系统工作正常，效果满意。

3 系统特点与效益分析

如前所述，该系统充分考虑了家庭供暖的各种需要，其热源部分几乎不占空间，安装维护方便，电热器的功率可选可控，保证供暖需求，而且还可以适当扩展功能。除了管道和散热器部分，电锅炉、循环泵和控制器总共投入不超过500元人民币，而目前市场供应的燃气锅炉和空气能热水器一般都在8000元人民币以上。

如果按照设备寿命为10a计，综合考虑系统改进的初投资和运行费用，本文的改进系统与燃气壁挂锅炉、空气能热水器为热源的改进系统相比，性价比基本相当。最大的优势是没有因室内安置燃气锅炉或空气能热水罐所产生的拥挤感，减少占用空间。

4 结论

本改进设计完备，方便安装，效益明显。既可以作为对家用燃煤锅炉供热系统进行改造，又可以作为新住宅的采暖供热方案。但需要注意夏天辅助降温要考虑结露的问题及本设计的供热系统需要电力保障。

［1］ 张欣.家庭简易暖气［J］.建筑知识，1982（5）：24-25.

［2］ 张强.家用土暖气的合理供热［J］.农村实用工程技术，1991（3）：22.

［3］ 孙鹏.家用土暖气的构造［J］.中小企业科技，2000（12）：19.

［4］ 曹亨嘉.住宅简易节能供热技术三项［J］.住宅科技，1991（4）：59-61.

［5］ 杨晚生，张艳梅.北方农村家用采暖方式及其技术要点［J］.可再生能源，2005（4）：59-61.

［6］ 谌先学，高文锋，兰青，等.热泵与家用太阳热水器联合供热性能试验［J］.农业工程学报，2011（2）：272-275.

［7］ 吕帅，杨前明，丁鸿昌.基于PLC的双热源小型家用供热机组设计［J］.太阳能，2014（9）：43-46.