258
225
抛小砖的采暖节能课 篇一：分室温控-精致的废物
2024-01-13 19:46:07
3点赞
3收藏
0评论
2024年冬季还没过完，我觉得有必要写一篇通用的科普文章，为各家各户采暖节能贡献一点点力量。毕竟谁家的钱都不是大风刮来的，能省一点是一点，往大了说也是为国家节能减排出了一份力。
今天我要批判的核心，就是南方家庭采暖方案中最为常见的配置以及使用方法：分室温控。
先说结论：在绝大部分200平以内的南方家庭自采暖系统中，无论热源是用燃气锅炉，还是使用水系统二联供主机，分室温控都会因为加剧大马拉小车的矛盾，从而导致能耗的显著提升。
一定有读者会反问，为什么？按需开启室内对应面积采暖，难道不是很符合开得多用的多、开得少用得少的朴素认知吗？你要说开得少反而能耗高，岂不是物理学不存在了？
那么别急，且听我用最通俗易懂的文字给你讲清楚其中的原理。然后告诉你家庭采暖真正合理的使用方法。
1.分室温控的底层控制逻辑
下图的东西叫分水器，通常来说，暖通商基本上会给你满配电热执行器（也俗称热电阀/电磁阀），每一个热电阀的电源，由各对应房间的温控面板独立控制。
敲黑板了，第一个知识点出现了：热电阀控制分水器只有两种状态，要么通电开，要么断电关，没有中间状态，更没有开一半的状态。
一般温控面板启动和关闭的温度间隔是1度。所以当你使用温控面板设置22度来控制室温的话，实际的执行逻辑是这样的
看起来似乎很合理没毛病，那么我提一个问题，你猜猜图中2/4/6步骤：从22度降低到21度仅仅一度，需要多长时间？从21度升到22度又需要多长时间？
想好了吗？下面是我实测的数据：
答案是从0点停止地暖加热，因为热惰性四个半小时室温才下降0.8度，记住这个时间，下降一度要4-5小时，这个时间与采暖水温无关。
同样因为热惰性，开始采暖1小时，室温不升反而继续下降0.1度。真正完整升温1度在室外11度和低水温采暖的条件下，花了约9个小时。这个升温速度跟采暖水温有关，但是看得出也是相当漫长的。
所以我们得到的第一个有用的结论就是：
分室温控因为只有开和关两种状态，再加上地暖的热惰性，导致在很长的时间内（3-5个小时）分水器的水流是停止的，地面是逐渐变凉的。
而这个特性，将会导致在采暖的大部分时间，分水器上同时有效开启的回路数是非常非常少的。而这带来了第一个较大的问题：
问题1：实时有效的末端负荷更小了，加剧主机/锅炉启停频次。
而需要另外注意的一个关键信息是，分室温控的情况下，系统的有效水流也因此变小。而这带来了第二个更致命的问题：
问题2：系统流量变小，对出水温控的锅炉/热泵造成致命一击
2.实际有效采暖负荷变小，加剧启停频次
无论是查国标地暖管道最大散热能力，还是用实际业主采暖能耗进行反推，都可以得到一个明确有效的结论。也即家用采暖负荷，是在80w每平米以内的。
如果问的更精确一点，我可以给一个经过上百位业主交叉核验过的经验数据：室内外温差每5度，对应大约每平米20w的采暖负荷。
那么代入以上数据，以武汉一个建面140平套内110平的户型为例，8路地暖管，使用一个24kw的锅炉进行采暖。按上文分析，有很大概率白天同时开启的地暖路数就2-4路，对应约50平采暖，夜里4-6路对应约75平采暖。以武汉冬季平均10度气温推算，每平米采暖负荷40w左右。那么实际白天50平地暖消耗的负荷在2kw左右，夜间75平采暖消耗的负荷在3kw左右。
是的你没看错，全天平均采暖的有效末端负荷，只有2-3kw，就算翻倍计算，也不过4-6kw而已。而一个普通常规两用采暖炉的最低输出功率是大约6-8kw，一个16kw采暖的热泵最低频输出也有大约4-6kw。
显然，实时采暖负荷＜热源最低输出功率，那么无论锅炉还是热泵，一定都是在启停工况，而绝不可能连续工作。只有较贵且最低燃烧功率参数做到2kw以内的冷凝炉，才有可能连续高效燃烧。
那么我们就可以得到第二个有用的结论：
分室温控导致分水器上同时有效开启的回路非常少，使得末端负荷远小于热源端最小输出能力，加剧了热泵主机/采暖锅炉的启停频次。
而启停，是有损耗的，并且还不小！
3.出水温控的悬头利剑-死亡启停螺旋
先科普一个常识，无论锅炉也好，热泵也罢，都有出水管和回水管。那么围绕这个，我想给在座的各位提三个问题：
第一个问题：你知道你通常所说的采暖水温是指的出水还是回水吗？
先想一想你心中的答案然后再看下面，正确的答案是：
对燃气锅炉而言，我们通常所说的采暖水温绝大部分是指的出水，锅炉的温控、启停逻辑都是围绕着出水水温来做的。
对水机热泵而言，分不同品牌，有的品牌是做回水温控，有的品牌是做出水温控，有的品牌做的是组合温控。
然后问你第二个问题，锅炉或者热泵的出水温度和回水温度，哪个跟实际采暖体感是强相关的呢？
答案是：
回水温度，从分水器回到锅炉或者热泵主机的水温，是约等于地面温度的，有了分水器的回水水温，就能基本推理出地面此时大约的表面温度，进而推导出大致室温。而从出水温度你是读不出这个信息的。
比如：锅炉采暖5路分水器16mm地暖管，出水温度45度，回水温度30，温差15度，流量1吨/h，供热量17.5kw；热泵采暖5路分水器20mm地暖管，出水37.5度，回水30度，温差7.5度，流量2吨/h，供热量也是17.5kw。 那么当这两个业主交流的时候，会发现，虽然一个说我家锅炉采暖用45度（出水）水温，另一个说我家用热泵采暖30度（回水）水温。实际两家的地面温度几乎是一样的，大约28度左右，实际体感也差不多，气温22-23度。因为他们的回水温度，是一模一样的30度。
那么回到小节的标题，我为什么说出水温控有悬头利剑呢？这是因为纯粹的出水温控，有一个非常底层的逻辑bug，这个bug在系统流量偏小的时候，会让系统产生致命的启停死亡螺旋。
以锅炉为例 ，常见的出水温控的采暖锅炉，设置水温如60度采暖，当水温超过约5度也即水温65度时锅炉停机，水温低于设定10度也即50度是锅炉启动，启停间隔为15度。那么注意，有趣的地方就来了：
在T0时间，进回水都是50度，锅炉启动，对于回水温度，他是平稳上升，不会突变，如蓝色曲线。但是对出水温度，只要锅炉开始燃烧，他一定是快速跳变的，跳变的值=锅炉燃烧功率/流量。假设24KW锅炉点火后按70%功率燃烧，如果业主8路地暖全开不限制室温，有1.6吨/h地暖流量，那么这个跳变的水温是可计算的9度。那么此时此刻出水是50+9=59度，回水温度是50度。
那么如果燃烧功率不变，进回水就维持着9度的温差持续燃烧平行上升，直到出水温度在时间T1触及65度锅炉停机。停机后出水温度也快速跳变到跟回水温度一致，然后缓慢降温直到下次启动。这是一个正常的合理的启停逻辑。
如果，业主开了分室温控，那么同时有效开启的路数只有4路，系统总流量是0.8吨/h，精彩的地方就来了！锅炉点火功率还是按70%计算，点火后出水温度的跳变值，可计算出是18度。那么结果是什么？结果就是刚刚点火完成达到时间点T1，出水温度就是50+18=68度，超过了停机判定65于是立马要熄火。而且停火后出水温度又跳变下降18度，然后跟随回水一起缓慢下降。
这个T0-T1的时间有多夸张呢，按知乎业主实测，可能也就半分钟而已，T1到T2再次启动时间呢，也不长，也就几分钟罢了（而且很有可能这几分钟，是因为锅炉的频繁启停保护故意不点火，而不是说温度没到再启动温度）：
这种魔幻的启停工况，我愿称之为：死亡启停螺旋。因为停不下来，根本停不下来。
热泵水机/天氟地水有没有这个隐患？答案是肯定的，也有。这两三年我就遇到过几个不同品牌、系列的产品受此问题困扰，有一些我反馈给厂家研发升级解决了，有些还在跟进。关注我，以后我会单独发文章详解。
如果说上一个小节说的负荷过小导致锅炉/热泵频繁启停，是勉强可以捏着鼻子接受的启停损耗。
那么这个小节所说的过小的水流耦合出水温控带来的超高频死亡螺旋启停，则是损耗惊人但隐藏极深的系统缺陷。
4.启停为什么损耗大？
对于燃气炉，启停损耗的原因是：
点火前，锅炉要进行前扫也即排风扇开始吹炉腔，把板换上的热量吹走一部分
点火时，燃气是过量喷射低效燃烧，能源利用率很低
熄火时，锅炉为了避免一氧化碳风险也会后扫，也即强制排风扇继续吹一阵子带走尾气，但是这样也把锅炉板换上的热量吹走了相当可观的能量。
锅炉越大，单次启停损耗越大
对于水系统热泵主机，启停损耗的原因是：
每一次压缩机启动，整个机械结构的动能从0到高转速，需要消耗能量，这部分能量是没有对搬运冷量做功的
每一次压缩机启动，整个冷媒循环里的介质压力、温度、相变状态是发生了变化的，这部分能量也是没有对搬运冷量做功的
对定频压缩机而言，启动时冲击电流大，有效转换为动能效率极低，大部分都变成压缩机绕组发热，损耗极大
对变频压缩机而言，启动损耗比定频机小，但是启动后是要跑一阵子高频低效的回油程序，也会浪费相当可观的能量。
每一次压缩机停机，以上的压缩机旋转动能、冷媒的压力、状态，都是无意义的消散耗尽，没有对搬运冷量做功的
热泵主机越大，单次启停损耗越大
综合以上四点，其实就可以解释绝大部分南方家庭燃气锅炉采暖能耗不理想的成因（不太大的户型用了分室温控，大部分业主用的是常规炉而非冷凝炉，因此深受频繁启停高能耗的困扰）。
也可以部分解释使用水机二联供家庭能耗不理想的成因（主因是水泵，次因是过大主机带来的启停，当然还有不少品牌强推分室温控+自动水温的组合拳，还是出水温控的，其中酸爽谁用谁知道）。
所以说分室温控在南方大部分面积并不大的自采暖系统里，多数时候，
就是那个又贵又蠢的，精致的废物。因为他导致热源的频繁启停产生了巨大损耗。
只有在北方集中供暖系统里，基于流量/热量计算费用的框架下，分室温控才有其应用价值和意义。
5.正确的节能使用方式
真正的节能，是把能源有效的转化为室内采暖的热量，为家人所享受。
而不是因为系统配置和使用方法原因，让能源都浪费在莫名其妙的启停损耗中。
那么对于正确的锅炉和热泵的使用方法，我相信读懂文章的业主应该心里有了大概的方向。
对锅炉采暖面积不超过200平的户型而言：
不要对全屋使用分室温控，而是尽量每个房间设置到不了的温度如30度，确保分水器全开，流量最大化，非要分室温控的话，起码得保障有6路以上分水器常开不控温，确保系统流量大于等于1吨/h
选择合适的采暖水温，用水温来控制室温，冷凝炉带地暖比如用45度左右的出水水温。
对常规炉带暖气片，应该用高水温，然后搭配主机温控器，做基于室温控制的锅炉启停，可以实现极为明显的节能效果，我会写一篇文章，用极低的成本DIY一套简单但有效控制系统。
对于方案设计阶段的业主，选择最低燃烧效率小的锅炉比如冷凝炉、使用20mm地暖管放大地暖流量，越是小户型地暖采暖，20mm地暖管的应用必要性越强。
至于什么二次系统、气候补偿等等技术方案，并不能从根本上解决以上全部问题，只能锦上添花不能雪中送炭。
对水机热泵采暖面积不超过200平的户型而言同理：
不要对全屋使用分室温控，而是尽量每个房间设置到不了的温度如30度，确保分水器全开，流量最大化
选择合适的采暖水温，用水温来控制室温，自己找到平衡点，通常来说在28-32度之间。
更进一步，在日晒特别好的天气，可以基于室外温度和天气情况在白天关闭主机一段时间更进一步的节能
对于方案设计阶段的业主，选择真正匹配负荷合适的小主机、使用20mm地暖管放大地暖流量，还是那句话，越是小户型地暖采暖，20mm地暖管的应用必要性越强。
至于什么二次系统、自动水温等等技术方案，并不能从根本上解决以上全部问题，只能锦上添花不能雪中送炭。
好了，文章也该收尾了，这是我节能课的第一篇，希望我的讲解，能解决各位心中的疑惑。
关注我的知乎/公众号，接下来，我会继续围绕节能减排，给各位分享朴实无华的节能技巧、戳穿各种所谓节能手段的噱头，以及探讨一下部分品牌锅炉/热泵主机的优缺点，长短板，以及如何在实践应用中取长补短，推进厂家革新和行业进步。
我们下篇再见！
作者声明本文无利益相关，欢迎值友理性交流，和谐讨论～
