摘要：燃气壁挂炉的工况与低温热水地面辐射供暖系统（以下简称地暖系统）的工况冲突应引起重视，尤其是在大面积分户供暖系统的应用中，这种冲突更加严重，如不能很好的加以重视和解决，必然会造成系统运行故障率高，运行效果差，局部不热或能耗高等问题。壁挂炉的“高温出水，小流量、大温差”与地暖系统的“低温进水，大流量、小温差”工况冲突需要优化。本文探讨了壁挂炉应用于地暖系统的常见问题，并重点介绍二次系统、动力分散系统等壁挂炉与地暖应用的优化方案。

关键词：燃气壁挂炉；燃气采暖热水炉；地暖；低温热水地面辐射供暖

0 前言

在长江流域的南方采暖市场，燃气壁挂炉作为热源的分户供暖系统已经成为主流。壁挂炉以其小巧、安装方便，智能化程度高，节能、安全得到用户的青睐。低温热水辐射地板采暖作为发展最快供暖末端形式在南方地区也得到很快的普及。某种意义上说，燃气壁挂炉与低温热水辐射地板采暖是相得益彰的分户供暖最佳匹配形式。

但由于对壁挂炉工况及低温热水辐射地板采暖工况的了解不够，使得应用中也出现了很多问题。我们需要讨论如何优化和提高燃气壁挂炉匹配地暖系统，充分发挥壁挂炉节能、方便和地暖系统节能、舒适的优势。

我们通常形容壁挂炉的工况是“小流量、大温差”，地暖系统工况则是“大流量、小温差”。在分户供暖系统使用壁挂炉应用于地暖末端时，就出现了冲突或是不匹配的问题。而这种问题是很常见的，具体表现为：由于循环不足造成的壁挂炉频繁启停；壁挂炉进回水温差过大带来的冷凝腐蚀；地暖升温时间过长，降低了舒适度；局部不热造成系统应用失败；以及能耗过高造成客户口碑不佳等问题。对这些问题进行分析，并讨论如何匹配壁挂炉与地暖系统是我们本文讨论的重点。

所以，了解燃气壁挂炉和低温热水辐射地板采暖工况，优化和匹配好燃气壁挂炉和低温热水辐射地板采暖系统就显得尤为重要了。

1 燃气壁挂炉的工况特点

1.1 壁挂炉的热效率

通常的即热式燃气壁挂炉都配置有内置动力——循环水泵，通过水泵驱动热媒水通过主热交换器换热。主热交换器（如图2）是由盘绕的干管及焊接在干管上的翅片构成。通过燃气壁挂炉的燃烧器（火排）燃烧，热媒水流过主热交换器带出热量。交换出的热量越大，则壁挂炉的工作效率越高；反之，交换出的热量越低，则壁挂炉的工作效率则越低。而这个换热效率即与壁挂炉的工作负荷有关，通常在全负荷状态下比部分负荷状态下换热效率高。

在新国标 GB25034-2010《燃气采暖热水炉》标准中的第六章第七条“6.7热效率”项目下既明确了“对应于额定热输入时采暖热效率不应小于（84+2lgPn）%”；和“对应于30%额定热输入时采暖热效率不应小于（80+3lgPn）%”。说明采暖负荷不同，燃气具的燃烧换热效率是不同的，所以为了充分发挥设备的工作效率，应克服设备长期工作在“部分负荷”状态下。而这是壁挂炉系统节能的一项重要指标。

在北京菲斯曼供热技术有限公司嵇永飞、冯涛、高学杰所做《燃气壁挂炉部分负荷热效率测试方法探讨》一文中，就30%额定负荷下测试燃气壁挂炉效率给出了方法，并进行的效率测试。解决了通常只能测定50%额定负荷下测试燃气壁挂炉效率的问题。文中描述“GB20665-2006中部分负荷热效率测试时只是限定于额定负荷50%下，并未明确具体负荷数值。一般做测试时都是将燃气壁挂炉（下文简称“器具”）设定在最小负荷处，通过调节使其满足测试要求，然后测试其热效率。这样就不可避免地会产生不同厂家的产品是在不同负荷比例下测试热效率的，其结果不具有可比性，没有说服力。50%额定负荷下、40%额定负荷下、30%额定负荷下等情况的热效率的差异是很显然的。而采暖热水炉新国标（暂未颁布）则明确要求在30%额定负荷下测试部分负荷的热效率，将不同产品归到同一条件下，从而具有了可比性，能甄别产品性能的优劣。如何能够在不改变现有产品条件下将器具按照标准要求准确调节或折算到30%额定负荷下进行部分负荷能效测试成了问题，本文以某一机型为例，介绍新国标中部分负荷的直接测试方法2，并示例如何具体操作。”

通过该文中相关30%部分负荷下的测试数据，我们发现在部分负荷状态下对比全负荷工作状态，燃烧换热效率是有所下降的。

1.2 壁挂炉的流速与流量

查阅了相关资料并进行认真的计算，得到壁挂炉主热交换器内热媒水流速大约在0.45m/s～0.65m/s时、进回水温差在20K～25K时换热效率最高。高于或低于这个流速范围都会带来其他问题。如主热交换器内热媒水流速过高，进回水温差过小，换热效率下降。而主热交换器内热媒水流速过低，则会造成进回水温差过大，回水温度低造成主热交换器冷凝腐蚀；流速低、流量过小还会造成炉膛快速升温、温升过高，壁挂炉频繁启停；流速过低还容易使得气体逸出造成主热交换器积气燃烧穿孔，降低主热交换器的使用寿命。所以，需要有效的控制壁挂炉主热交换器内热媒水流速在合理范围内。

 注：扬程流量曲线图中给出了壁挂炉在额定工况下的流量（最大流量）大约在1000L/h。

注：通常壁挂炉在100%额定负荷状态下运行的效率是91%。通过测试得到其在30%额定负荷状态下运行的效率大约为86%，大约有5%效率损失。

注：表中表明壁挂炉的额定流量只有1032 l/h，再计入系统阻力损失，其有效流量更小，显然不能满足低温热水地面辐射采暖“大流量、小温差”的技术要求。

1.3 壁挂炉的进回水温差

根据壁挂炉的最大输出功率和有效流量，我们可以计算出壁挂炉最佳工况下的进回水温差。

以24kW壁挂炉为例，最大输出20000kcal/h，剩余扬程3m，有效流量800L/h～1000L/h这样我们就能计算出其最佳进回水温差为：20K～25K。考虑到系统阻力损失，我们选定壁挂炉的最佳运行工况为：流量G=800L/h，温差△T=25K。

根据以上分析，我们总结燃气壁挂炉工况特点为：“高温出水，小流量、大温差”，其最佳的运行工况条件为：出水温度70～80℃，流量G=800L/h，温差△T=25K。所以，我们在选择燃气壁挂炉作为热源时就需要考虑满足以上工况条件。

2 低温热水地面辐射供暖系统的工况特点

2.1 低温热水地面辐射供暖系统供水温度计温差

根据JGJ142-2004《地暖辐射供暖技术规程》“第3.1.1条　低温热水地面辐射供暖系统的供、回水温度应由计算确定。民用建筑供水温度宜采用35～50℃，不应超过60℃，供、回水温差宜小于或等于10℃”。

常规地暖系统要求的工况条件如下：“加热管采用PE-X管、PE-RT或PB管、外径为20mm、填充层厚度为50mm、绝热层厚度20mm和供回水温差10℃”。

2.2 地暖盘管中热媒水的流速及流量

根据JGJ142-2004《地暖辐射供暖技术规程》“第3.5.6条　加热管内水的流速不宜小于0.25m/s”，同时亦不宜大于0.8m/s。

通过已知条件计算，我们可以得出每一地暖盘管支路流量≥180L/h。

2.3 地暖盘管中热媒水的阻力损失

根据JGJ142-2004《地暖辐射供暖技术规程》“第3.5.2条　连接在同一分、集水器上的同一管径各环路加热管的长度宜尽量接近，并不宜超过120m”。

结合以上技术要求，我们可以设定已知条件，并计算管路阻力损失：

通过上表我们看到计算结果：Dn20地暖盘管，长度:L=120m长度，流速:v=0.25m/s，流量:G=180L/h，环路压损: △P=0.78m/120m；Dn16地暖盘管，长度:L=120m长度，流速:v=0.44m/s，流量:G=180L/h，环路压损: △P=3m/120m。

地暖升温是利用地暖盘管是通过整根的热水管道与包覆其的混泥土传热，达到升温地面辐射传热空气的目的。

根据以上分析，我们总结地暖系统工况特点为：“低温进水，大流量、小温差”，即：进水温度35～50℃，进回水温差△T=10K。

3 燃气壁挂炉应用于地暖系统中的常见问题分析

3.1 壁挂炉出力不足问题

常见的热源与末端直供的地暖系统，设置出水温度低，而地暖循环流量大，进回水温差小，使得壁挂炉换热效率下降，锅炉频繁启动、间歇燃烧，热输出能力下降。

3.2 壁挂炉循环不足、频繁点火问题

常见的壁挂炉应用于地暖系统都是采用类似于壁挂炉应用于散热器采暖的方式，由壁挂炉直供，壁挂炉内置循环泵作为系统循环动能。由于地暖系统阻力损失大，壁挂炉驱动力不足，造成系统循环不足，系统循环流量小，炉膛升温快，锅炉过热停机保护。温降后锅炉再次点火，迅速过热停机，周而复始，频繁点火。

3.3 壁挂炉进回水温差大问题

在壁挂炉直供地暖系统中，由于系统阻力损失大，如地暖盘管过长、地盘管管径过小，以及阀门配置不当或管路系统施工不合理等，都会造成系统阻力损失过大。而壁挂炉循环动能不足，使得系统流量过小，造成壁挂炉进回水温差过大，回水温度过低易产生冷凝现象，影响壁挂炉使用寿命。地暖的进回水温差过大也会造成地暖的舒适度下降。

3.4 地暖局部不热问题

这在壁挂炉直供地暖末端系统中是很常见的现象，比如两层建筑，分别给每层供热都可以升温，而全部供暖时则会有一层不热，或者是整体供暖时有局部不热。这主要还是循环不足，或者水力失调，造成局部循环不畅，无法将热量带到需要升温的空间。

3.5 地暖升温慢问题

通常大家会说“地暖升温慢”，但过慢也是不正常的。地暖升温慢的主要原因就是系统循环不足造成的壁挂炉出力不够，影响了输出功率。

如重庆地区常用的壁挂炉地暖系统，通常配置的壁挂炉的输出功率远远大于末端输入功率的需要，如100平方采暖面积配置24kW壁挂炉，单位负荷已经达到240W/㎡，如果地暖系统匹配合理，升温是很快的，90分钟就会有明显的温感了。

3.6 系统能耗高问题

循环不足、频繁启停，以及壁挂炉长期运行在低负荷状态下都会造成壁挂炉消耗的燃气不能转化为有效热量，能源利用率低、能耗高。另外热源与末端匹配不好，水力失调，局部过流、局部欠流也是造成热源“热量”不能有效传递到末端“热量”的问题，热量通过排烟损失或传输损失，也是造成系统能耗高的重要原因。

3.7 壁挂炉故障率高

在壁挂炉地暖系统的应用中，施工单位调试中发现系统运行情况不佳，通常采用增加外置循环泵的方法，如果还是循环效果不佳，就更换高扬程水泵强行驱动。

当满足了地暖末端“大流量、小温差”的工况条件后，壁挂炉主热交换器内则流速过高，换热效率下降，锅炉排烟温度升高，造成能源浪费；

如果外置泵与壁挂炉内置泵参数不同还易造成水泵冲突，影响壁挂炉内置泵使用寿命；

过高的串联水泵扬程还会造成三通切换阀工作压差增大，三通阀会出现啸叫、振动等问题，三通阀故障率增加；

如果是分室控温地暖，或是客户部分区域使用，只开一个或两个末端环路的情况下，环路水阀两端压差过大，易产生共振、啸叫等问题，阀门也容易出现的故障。

3.8壁挂炉效率低

常见的热源与末端直供的地暖系统，为了满足地暖的“低温热水供暖”需要，通常是直接调低壁挂炉出水温度，如设置出水50度。由于壁挂炉自身循环流量小，地暖进回水温差小，就使得壁挂炉长期工作在低负荷（部分负荷）状态下，运行效率低。

4 如何优化燃气壁挂炉与低温热水地面辐射供暖系统

JGJ142-2004《地暖辐射供暖技术规程》中规定“第3.1.4条　无论采用何种热源，低温热水地面辐射供暖热媒的温度、流量和资用压差等参数，都应和热源系统相匹配；同时热源系统应设置相应的控制装置，满足地暖系统运行与调节的需要”。

4.1采用二次系统

为克服壁挂炉与地暖工况的冲突，采用二次系统将系统“分割”成为热源侧和末端侧。这样热源侧壁挂炉可以工作在自身的最佳工况下，通过一、二次侧的循环流量比例调节还可以提高壁挂炉回水温度，克服冷凝造成的主热交换器腐蚀，延长壁挂炉使用寿命；

避免壁挂炉长期低负荷（部分负荷）状态下运行，热源侧（一次侧）运行在全负荷（100%负荷）状态下，控制热源侧运行流量不变、进回水温差不变，输出负荷的变化只改变运行时间来实现，杜绝燃气壁挂炉在部分负荷状态下长期运行，有利于发挥壁挂炉热效率。

末端侧（二次侧）循环动能可以根据末端计算参数配置，遵循满足设计流量条件下配置最小动能原则，既可以降低水泵功耗，也可以控制过大水泵带来的成本增加和噪音增大等问题。

末端侧（二次侧）负荷变化时热源侧（一次侧）只改变工作时长，流量不变、温差不变，这样也有利于延长热源设备寿命。

4.2采用混水系统

混水系统可以有效的解决燃气壁挂炉“高温出水”与地暖“低温进水”的矛盾，充分发挥壁挂炉在全负荷状态向运行效率高的优势，又满足了地暖“低温供暖”的需要。所以设计热源侧（一次侧）高温出水、末端侧（二次侧）由混水系统将水温控制在设计进水温度。

4.3动力分散系统

在别墅等大面积壁挂炉分户供暖系统中，由于末端侧（二次侧）采暖面积大，需要的循环流量较大。如果配置较大的末端侧（二次侧）循环动能，在用户部分使用或小面积供暖时，就会出现啸叫、共振等噪音，以及局部过流等问题，不利于节能。还会使得水泵电功耗无谓浪费和出现过载的可能。

可以将较大的末端侧（二次侧）分解成两个或是多个末端侧（二次侧），分别配置循环动能，水泵选型应遵循“满足设计流量的最小动能”原则。这样当某区域有采暖需求时，区域动能工作，只需满足局部流量需要即可，既降低了水泵电功耗，也克服了水泵噪音和阀头噪音等问题，还降低了部件故障率。

4.4总线控制系统

分室控温的地暖系统，设计二次系统和动力分散系统后，系统的智能化控制就非常必要了，我们建议采用总线温控系统。

当某个室内空间有采暖需求需要启动时，通过中央控制器将启动信号传递给区域动能和热源，锅炉启动、区域水泵启动、支路阀门执行器打开，房间开始升温；当其他区域也有采暖需求需要启动时，通过中央控制器将启动信号传递给相应的区域动能和热源，锅炉启动、区域水泵启动、支路阀门执行器打开，房间开始升温。

当某区域最后一个房间温度达到设定值，或是需要关停时，则其对应的区域动能关停；当所有房间温度达到设定值，或是需要关停时，则所有的区域动能关停、锅炉也关停。

室内温度控制可以根据需要设定不同的时间，可以运行在不同的温度下，如上班族：上班离开家时间，室温设定在经济温度值；下班回来时，室温设定在舒适温度值；夜晚睡眠时，温度设定在睡眠温度值。如住校学生：住校期间，其房间温度设定在经济温度值；周末回家时，其房间温度设定在舒适温度值。

节能在于控制。除了系统要有最佳的优化，控制方案也要合理，很难想象一个没有控制的地暖系统会是舒适和节能的。而当前地暖应用中没有控制的地暖还大行其道，这是很不应该的。

5 高效末端模块地暖等新型地暖末端应用于燃气壁挂炉

随着地暖应用技术的不断发展，衍生出了更多的新型地暖末端，如毛细管地暖系统、模块地暖系统等高效地暖末端。这种新型末端的诉求就是更节能、更舒适，这种新型高效地暖末端都有一个共性，那就是“热媒低温化”，即“低温供热”，并且要求进回水温差更小。

高效末端使得地暖的应用范围和热源的选择范围更宽泛，既能适用于传统的锅炉，也能适用于太阳能、热泵以及一些工业余热、废热等。

总结高效末端的工况条件就是：热媒水温更低，只需要≥35℃；进回水温差更小，大约3～5℃。那么在相同的使用条件下，则需要更大的循环流量来满足其散热的需要。

壁挂炉应用于地暖高效末端，热源侧只需要保证壁挂炉的最佳工况即可，末端侧根据末端工况及供暖面积等参数设计，并需优化系统水力分配，配置相应的循环动能，依然遵循“满足设计流量的最小动能”原则，如此设计和匹配就能保证系统高效、节能运行，亦能保证最佳的舒适度。

6 小结

通过以上分析，我们了解了壁挂炉应用于低温热水地面辐射采暖系统的常见问题；通过了解燃气壁挂炉的运行工况及低温热水地面辐射采暖系统的工况条件，我们认识到，造成以上诸多问题的原因就是热源与末端的应用冲突，所以，过去的壁挂炉直供地暖末端的形式是不合理的，需要对系统进行合理匹配和优化。

混水系统、二次系统、动力分散系统及总线温控系统是较好的解决系统冲突的方法，但也会使得系统复杂化、系统成本增加，这就需要地暖行业相关单位、企业共同努力，提高地暖系统的部品化和总成化，并通过教学、培训的方法来提升行业技术水平。同时还需要行业制定相关设计、施工的标准，提高地暖行业的准入门槛，防止失败地暖的负面影响，提升地暖行业的整体形象。

参考文献

[1]《燃气采暖热水炉》-GB 25034-2010

[2]《低温热水辐射地板采暖技术规程》-JGJ 142-2004

[3]《燃气壁挂炉部分负荷热效率测试方法探讨》嵇永飞，冯涛，高学杰.