供暖沐浴集成装置的供热能力及其与燃气热水器的适配性研究

顾玉强 鲁信辉

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

据统计数据，我国房屋总能耗占总的能源消耗的37 %以上[1]。提高供热能效是降低建筑能耗的重要手段，而低温运行的供暖系统不仅可以大幅降低能耗水平，而且更加健康舒适[2]。姚登科[3]等采用数值模拟与实验测试相结合的方法对比了低温系统中普通散热器与风机盘管的供暖效果。结果表明，在同一热源下，使用风机盘管作为散热末端进行供暖，可以得到更高的房间温度，体感更好，满意率更高。朱晓姣[4]等通过实验对3种典型的低温散热器进行了性能分析，在相同工况下，强制对流散热器的散热量最大。姬立敏[5]以实际案例分析比较了节能改造前后采暖系统管径和散热器片数的变化。结果表明相较于原系统，低温系统中散热器面积增加了两倍，因此必须选用散热效率更大的散热器。

目前智能家居市场快速发展，全屋热水系统作为智能家居的的组成部分得到各大厂家的广泛关注。零冷水燃气热水器因其内置循环水泵，不仅可以实现热水零等待，也为燃气热水器终端低温供暖设备的开发提供了可能。根据零冷水燃气热水器的工作特点，万和设计了一款强制对流式供暖沐浴集成装置，该装置兼具热水供应及局部供暖的功能。本文针对该供暖沐浴集成装置的供暖能力及该装置在工作过程中与燃气热水器的配合联动问题进行实验研究。研究结果为供暖沐浴集成系统的开发及其与燃气热水器的联动控制提供了相应参考。

1 供暖沐浴集成装置及测试系统

该供暖沐浴装置主要有沐浴管路、贯流风机、换热器等组成，采用集成化设计，将所有零部件一体安装。为了防止该装置内部进水，在洗浴过程中是不进行供暖，即在洗浴过程中，该装置的进出风口应该是关闭的。其外观形态如图1所示，供暖系统的主要结构的参数见表1。

表1 主要结构参数

图2是焓差室实验原理图，该焓差室可以直接测量供热系统的风量及换热量。

图2 焓差室测试系统

依据GB/T 19232-2019《风机盘管机组》中的测试标准，对该供暖沐浴装置在标准焓差室中进行测试。

2 供暖能力试验分析

散热器的散热能力与环境温度、进水温度、进水水量、风机风量等有直接的关系。由于该供暖沐浴集成装置采用风机定转速设计，本文主要研究前三项因素对供热能力的影响。

2.1 进水温度及进水流量对供暖能力的影响

测试条件：环境干球温度21 ℃；风量：310 m3/h；分别调节水流量及进水温度。测试结果及分析如表2。

表2 不同进水温度及流量下的供暖功率

从表2中可以发现，在测试条件下，该供暖沐浴装置的最大换热能力为2.42 kW，最小换热功率为1.35 kW。通过风机风量及出风口的面积可以计算得出，该装置的出口平均气流速度约为1.2 m/s，风速较为柔和。

图3为供暖功率与进水温度关系曲线图，从图中可以看出，不同进水流量下，功率-进水温度曲线排列密集；同一进水流量下，随着进水温度升高，换热功率大幅增大，平均增幅约50 %；图4为功率-水流量关系曲线，图中各曲线间的间距较大，排列疏松；曲线上升平缓，表明在同一进水温度下，随着水流量的增大，换热功率增加不明显，平均增幅约13 %。

图4 不同水流量下的供暖功率

从图3、图4的曲线斜率及曲线排列的密集程度可以发现，水流量的变化对换热功率的影响较为微弱，水温变化对换热功率的影响强烈，进水温度的升高对换热功率的增大作用明显。该结果亦说明供暖沐浴装置对水泵的扬程要求不高，在低水量情况下便可实现较大采暖功率的供给，解除了燃气热水器低压小体积水泵的应用障碍。

从表3中可以发现，在测试条件下，最高出风温度46.41 ℃，最低出风温度34.86 ℃，出风温度均高于30 ℃；

表3 不同进水温度及流量下的出风温度

图5显示，在同一水流量，不同进水温度下，出风温度随着进水温度的升高而大幅升高，最大出风温度差值约为10 ℃，这与进水温度升高，换热功率增大结果是一致的；图6显示，在同一进水温度，不同水流量下，出风温度有小幅上升，最大出风温度差值约为3 ℃；

图5 不同进水温度下的出口风温

图6 不同进水流量下的出口风温

2.2 环境温度对供暖能力的影响

测试条件：环境干球温度12 ℃、17 ℃、21 ℃ ；风量：约310 m3/h；水流量约4 L/min，分别调节进水温度。

表4的测试结果显示，最大的供暖功率为3.14 kW，最小供暖功率为1.5 kW；从图7可以看出，在进水量及进水温度相同的情况下，随着环境温度的下降，供暖功率逐渐升高。

图7 不同环境温度下的供暖功率

2.3 体验房的实际供暖效果测试

为了测试该沐浴供暖装置的实际使用效果，将该装置壁挂安装在一个6 m2的浴室内，测试条件如下：环境温度20 ℃，热水温度：60 ℃，水流量：4 L/min，风机风量：310 m3/h，测试过程中，关闭浴室房门。测试该装置周围1 m处的温度变化，温度记录如图8所示，可以发现，房间内温度缓慢升高，升高速度逐渐降低。在刚开始的6 min内，房间内温度升高了3 ℃，然而，当温度升高到27 ℃，时，用时20 min，且温度到后期基本不再变化，说明此时房间四周墙壁与外界环境处于热量平衡状态。当加热6 min后从外界进入到浴室，可以感到浴室内温度较门外温度为高，当加热20 min后从外界进入到浴室，可以明显感到房间较为温暖。

图8 不同加热时间下的房间温度

综合以上研究可以发现，水温对该装置的供暖能力具有决定作用，较高的出水温度不仅可以提升供暖沐浴装置换热功率，也可以提高出风温度，提高该装置的使用舒适度。水流量的变化对供暖能力的影响较小，该特性为该供暖沐浴装置与零冷水燃气热水器的完美结合提供了良好契机。环境温度降低，该装置的供暖能力相应提高。

3 与燃气热水器的适配性问题分析

目前市面上的燃气热水器的功能单一，仅仅具有提供家庭生活热水的功能。扩展燃气热水器的使用范围，使燃气热水器具有供暖与热水的双重能力在国内鲜有研究。本文接下来主要分析该供暖沐浴装置与燃气热水器的适配性问题并提出针对性的解决方案，也为后续研究提供参考。

3.1 高温水供暖与低温水洗浴之间的防烫问题

人体舒适的沐浴温度一般在42 ℃左右，经过对该供暖沐浴装置的供热能力的研究可知，在45 ℃进水温度下，该装置的供热能力较低，出风口的出风温度也比较低。若依此热水温度作为工作热水温度，就会导致该供暖沐浴装置的供热能力小，房间温升速度慢。如何实现高的供暖功率并保证合适的沐浴水温，是该沐浴供暖装置与燃气热水器配合应用面临的第一问题。

日本公司林内株式会社开发了一款空气循环机，该空气循环机只有供暖功能，且该空气循环机可以接入生活热水系统进行供暖。其主要管路布置如图9。从其管路布置上可以发现，该供暖系统通过恒温水阀来实现高温水供暖与生活热水使用之间的矛盾。由于本供暖沐浴集成装置同时具有供暖与沐浴的功能，因此，其管路布置系统将更加复杂。

图9 林内供暖及生活用水混合管路

3.2 装置散热能力小于燃气热水器最小负荷的问题

将该沐浴供暖装置接入燃气热水器循环管路，当环境温度较高时，装置的散热能力降低，当散热能力降低到小于燃气热水器的最小负荷时，循环管路内的水便会持续升温，若加热时间较长，则会导致燃气热水器的超温保护。因此，在该装置低散热能力状态，必须对燃气热水器的工作逻辑进行改进，以防止燃气热水器超温保护停机，进而导致供暖工作的停止。在表4所示的测试条件下，设定燃气热水器的回水温度上下限来确定热水器的燃烧器的启停条件，其测试结果如图10所示，可以发现，测试结果具有明显的周期性，启停周期平均约4 min。

图10 无水罐时供暖工作周期

表4 不同环境温度下的供暖功率

通过对供暖工作过程进行分析，为了减小燃气热水器的启停次数，除了增大供暖装置的散热能力外，在循环管路内串联水罐也是一个解决办法。在测试过程中，临时找到一个方便连接的7 L大水罐，并将其串联在循环管路内，测试条件同表5。测试结果如图11所示，可以发现该装置的供暖周期明显加长，燃烧器的启停周期延长至14 min。当然，该启停周期会随着串联水罐的体积大小而变化，具体的水罐体积及安装位置应结合实际测试结果及燃气热水器的相关使用标准进行确定。

图11 加水罐时供暖工作周期

表5 体验室内测试条件

4 结论

1）供暖能力受温度影响最为剧烈，进水温度、环境温度决定该沐浴供暖装置的供暖能力。进水流量对供暖能力的影响较小，该特性可以降低对燃气热水器的低压水泵的使用要求，为零冷水与供暖的结合提供了可能。

2）为了保证供暖功率，燃气热水器的供暖出水温度要高于洗浴出水温度。而为了防止烫伤，需要增设恒温混水阀，确保高温供暖用水用作生活用水时可以降低到一个合适的温度。

3）当环境温度较高或燃气热水器的最低负荷较高时，燃气热水器的燃烧器将会频繁启停，为了减小启停次数，可以在循环管路中加装水罐，水罐的具体容积可根据实验进行确定。