基于电磁感应加热技术的家用采暖器*

孙昱辰，秦 柳

1.浙江省慈溪中学 浙江宁波 315300 2.宁波格林美孚新材料科技有限公司 浙江宁波 315300

在冬季，人们都梦寐以求有一个温暖、舒适的生活和工作环境。长江以南的地区冬季没有集中供暖[1-2]，只能依靠空调、小太阳、油汀等进行取暖。然而，采用空调取暖房间里会非常干燥，影响人的健康，特别是老人、小孩、孕妇，长时间在空调房内，会出现胸闷、呼吸道疼痛等症状[3]。使用小太阳、油汀等取暖设备，虽然价格便宜，但是都存在以下缺点：① 房间供热不均匀，只能局部供热；② 存在安全隐患，新闻报道每年都会出现多起因使用小太阳或油汀而导致的安全事故。因此，设计一款舒适、安全、便捷、节能的采暖器，将会给人们营造更好的生活环境。

1 产品整体设想

笔者设计了一款基于电磁感应加热技术的采暖器，它可以取代北方集体供暖的燃煤锅炉和南方小太阳、油汀等设备，实现个体家庭小范围暖气片供暖。该款采暖器外形美观，具有节能、使用方便的特点。

采暖器的电磁加热原理如图1所示。感应线圈根据对应功率的电感量规则地缠绕在金属加热芯上，50Hz、220V交流电通过电磁控制板被转换为 20kHz 的高频电流，通过电磁线圈，在采暖器金属加热芯上产生涡流，使加热芯加热。水从金属加热芯的一端进入，被金属加热芯加热后，从另一端流出[4-6]。

图1 采暖器电磁加热原理

采暖系统的工作原理如图2所示。被采暖器加热的水在循环泵的驱动下，通过出水管道进入暖气片。暖气片将热水热量吸收，并释放到房间的空气中。被暖气片释放热量后的水在循环泵的驱动下，通过回水管道回到采暖器再次被加热，反复循环，使房间内空气加热，从而达到供暖效果。

图2 采暖系统工作原理

2 产品设计

2.1 温度

(1) 室内供暖温度。根据GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》，室内供暖温度标准为16～20℃[7-8]。

(2) 供回水温度。暖气片的供回水温度主要根据气候环境、户型结构、面积、使用效果来确定。笔者设计的暖气片供水温度为60～85℃，回水温度50～75℃。

2.2 功率

电磁采暖器的功率要按照采暖房间的热负荷来计算[9-10]。不同的房屋结构、房间高度、采光面积、房间位置，其热负荷是不同的。通常建议节能建筑可以取13～15m2/kW；普通楼房可以取10～11m2/kW；别墅、平房可以取8～9m2/kW；如果房间密封条件不佳且高度大于2.7m，或经常有人出入，需要适当减小采暖器单位功率的取暖面积。

通常家庭单个房间的面积约为30m2，按常规房间的采暖配备功率0.1kW/m2计算，将采暖器的功率定为3kW。

2.3 控制板

交变磁场在导体中的感应电流称为涡流，工件中产生的涡流由于集肤效应，沿横截面由外表面至中心按指数规律衰减，当涡流强度从外表面向内层降低到其数值等于最大涡流强度的1/e时,该处与外表面的距离Δ称为电流渗入深度，由式(1)确定：

(1)

式中：ρ为工件电阻率，Ω·m；μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7H/m；μ为工件磁导率；μr为工件相对磁导率；ω为角频率，rad/s；f为频率,Hz。

由式(1)看出，可以通过调节f来控制加热厚度。

电磁加热的核心电路是一个变频电路，即将 50～60Hz的低频市电转换成20kHz的高频电，供给感应线圈来产生高频磁场，使金属在磁场作用下产生涡流而发热。目前，电磁加热变频电路的主要形式有三种：单管电路、半桥电路和全桥电路。单管电路由于存在缺点，已渐渐不再被使用。通常小功率(10kW以下)电路会使用半桥电路，大功率电路(30kW以上)会使用全桥电路，本设计中电磁加热功率只有3kW，因此选择半桥电路。

电磁加热半桥主电路如图3所示。半桥电路使用两个绝缘栅双极晶体管(IGBT)轮流开展工作，当其中一个晶体管关闭后，另一个晶体管即开通，不存在高反电压的问题，没有过电压损坏IGBT的隐患，产品的可靠性大大提高。半桥电路另外一个优点是连续功率很低，不存在低功率影响IGBT工作状态的问题，理论上可以在所有功率范围内都连续加热，但受器件工作频率限制，实际一般需高于最大功率的20%，即使如此，也仍大大提高了实用性。

图3 电磁加热半桥主电路

本设计的电磁加热内胆厚度约6mm，电源频率取15kHz～20kHz。采暖器的功率为 3kW，市用电源为220V、50Hz，因此需要将220V、50Hz的电源进行频率转换。根据以上要求，选择了一款体积较小的3kW电磁加热控制板。

2.4 感应线圈

根据电磁感应加热的特性，感应线圈选择常规漆包线绕制。根据功率和电压，可计算出电流约为13.6A。根据电流的大小，线圈的截面积选择为 5mm2。为了适配3kW的电磁加热控制板，线圈长度定为15m左右。

2.5 加热芯

(1) 加热芯的材质。根据电磁加热的特点，加热芯的材料选择为普通碳钢。

(2) 加热芯结构设计。为了使采暖器的热效率达到最高，加热芯设计了三个方案，分别是内层加热、外层加热和分层交互式加热。

内层加热即被加热的加热芯处于感应线圈的内侧，如图4所示。内层加热芯结构采暖器的热效率见表1。

图4 内层加热芯结构示意图

表1 内层加热芯结构采暖器热效率测试

外层加热即被加热的加热芯处于感应线圈的外侧，如图5所示。外层加热芯结构采暖器的热效率见表2。

图5 外层加热芯结构示意图

表2 外层加热芯结构采暖器热效率测试

分层交互式加热即感应线圈被放置在分层交互式加热芯的中间，加热芯的内外两层均能被加热，如图6、图7所示。分层交互式加热芯结构采暖器的热效率见表3。测试时均采用如下方法：管道通水加热多次测试取平均值，水质量5kg，加热功率3kW。

图6 分层交互式加热芯结构示意图

图7 分层交互式加热芯结构实物图

表3 分层交互式加热芯结构采暖器热效率测试

通过以上测试数据可以看出，分层交互式加热芯结构的采暖器热效率最高，原因有两点：① 感应线圈在实际使用过程中，自身具有一定的发热量，采用分层交互式加热芯后，感应线圈自身的发热也被加热芯吸收，从而利用了这部分热量；② 感应线圈对内、外层金属负载，即加热负载都会进行磁感线切割，因此能够充分地将电能转化成热能。

综上所述，本设计项目的采暖器最终采用分层交互式加热芯结构。

3 采暖系统组装

组装完成采暖系统，用塑料软管依次将采暖器、循环泵和暖气片连接好，然后向暖气片内加水，加好水后插上220V电源，打开采暖器的电源键，采暖器就开始工作。经测试，采暖器达到预想的效果。

[1] 包士方.南方地区冬季供暖问题[C].广州：第6届全国建筑环境与设备技术交流大会,2015.

[2] 郭偲悦,燕达,崔莹,等.长江中下游地区住宅冬季供暖典型案例及关键问题[J].暖通空调,2014，44(6)：25- 32.

[3] 霍雨佳.空调取暖，温度别太高[J].食品与健康,2012(2)：58.

[4] 赵宗彬,朱斌祥,李金荣,等.基于电磁感应加热原理的挤塑机加热系统节能改造[J].现代化工,2014,34(3)：134-136.

[5] 王启涵,姚缨英,陈卫宝.电磁感应加热中加热物体位置的选择[J].电工技术学报,2011(6)：160-165.

[6] 宋国梅,王永涛.电磁感应加热系统电路设计[J].潍坊学院学报,2010，10(4)：34-36.

[7] 室内空气质量标准：GB/T 18883—2002[S].

[8] 民用建筑室内环境污染控制规范：GB 50325—2010[S].

[9] 杨善勒.《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》介绍(四) 建筑物耗热量指标及采暖耗能的估算[J].建筑知识,1990(4)：23-24.

[10] 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准：JGJ 26—2010[S].

(编辑：丁 罡)