“冷凝炉适配调速锅炉泵节能效果”实验项目数据分析及结论

威乐 2023-11-16

2023年4月，全球专业的智能室内环境解决方案提供商喜德瑞热能集团（BDR）、全球领先的水泵及水泵系统制造商威乐（Wilo）在喜德瑞中国嘉兴工厂联合启动“冷凝炉适配调速锅炉泵节能效果”实验项目

2023年4月，全球专业的智能室内环境解决方案提供商喜德瑞热能集团（BDR）、全球领先的水泵及水泵系统制造商威乐（Wilo）在喜德瑞中国嘉兴工厂联合启动“冷凝炉适配调速锅炉泵节能效果”实验项目，旨在通过实验手段，验证“冷凝炉适配调速锅炉泵”对比于定速锅炉泵的节能性，并根据具体数据得到冷凝炉供热系统的应用设计、运行策略的建议，指导工程实践。

经过启动前的准备工作，喜德瑞各品牌的冷凝炉与威乐变频泵（调速锅炉泵）配套，在“一炉一泵”形式的冷凝炉供热系统中，可实现：

调速锅炉泵受控于冷凝炉，安全性高、调速功能可靠；
冷凝炉不同负荷位条件下，通过锅炉泵调速，能够维持锅炉供回水温差稳定于20℃。

实验说明

实验系统示意图

设备1——冷凝炉（额定热输出50kW）

设备2——锅炉泵（可受控于锅炉调速，可定速）

设备3——板式换热器

其中：

——锅炉回水温度，℃

——锅炉供水温度，℃

——锅炉目标供水温度，℃

本实验，分别在一次侧定流量（锅炉泵定速）、一次侧变流量（锅炉泵调速）的工况下，测试不同锅炉负荷位、不同锅炉供水温度条件下（同时对应于不同的回水温度）的多个工况，分别得到对应工况下的热输入（）及热输出（），整理和计算得到对应工况下的各个热效率。

冷凝炉热效率

数据分析

1、冷凝炉热效率与锅炉回水温度间的关系

01 一次测定流量

02 一次测变流量

可以看出：

▷同样负荷位下，无论一次侧是否变流量（锅炉泵是否调速），锅炉回水温度↓，锅炉热效率↑。

平均变化数据如下：

一次侧定流量时，变化30℃，变化4%左右，即，每↓1℃，↑0.15%

一次侧变流量时，变化30℃，变化5%左右，即，每↓1℃，↑0.2%。

▷同样回水温度条件下，无论一次是否变流量（锅炉泵是否调速），负荷位↓，锅炉热效率↑。

平均变化数据如下：

一次侧定流量时，最低负荷位（20%）比最高负荷位（100%）工况，升高约9-10%。

一次侧变流量时，最低负荷位（20%）比最高负荷位（100%）工况，升高约9-10%。

应用建议

对于特定的项目，无论是否“一炉一泵”系统，无论“一炉一泵”系统的锅炉泵是否受控于锅炉变流量运行，均应使冷凝炉运行于最低回水温度、最低负荷位工况下。

具体的运行策略包括：

1、冷凝炉运行于自动模式（非手动）

由锅炉控制器自主判断供水温度及负荷位需求。此时，冷凝炉将自动调整至满足用户侧需求的输出工况，即时刻保持于当前需要的最低回水温度和最低负荷位。不建议冷凝炉长时间工作于满负荷的定温供热模式下。

2、保持“连续低温供暖”运行

用户侧需求直接决定系统需求，特别是对于供暖系统，冷凝炉供热系统应设计并运行于“连续低温供暖模式”。例如，低温辐射供暖末端较更高设计温度的散热器末端，更利于供热热媒水温度的降低，同样室内温度条件下，耗气量将更低；连续供暖较间歇性供暖系统，系统长时间低负荷运行维持室温，将较间歇性供暖后的初期满负荷升温，更有利于系统节能。

3、启用“气候补偿”

设置合理的“气候补偿曲线”，冷凝炉将根据室外温度，并结合室内温度，调节供暖用户的供水温度。在气候较温暖时段，供水温度将根据“气候补偿曲线”降低，低于设计温度运行，是提高冷凝炉热效率的有效措施。

2、冷凝炉适配“调速锅炉泵”与“定速锅炉泵”的节能差异对比分析

为保证供热系统的供热品位，最大限度提高用户满意度，锅炉供热系统的热媒水温控制，无论单台锅炉还是多台锅炉级联的多热源系统，多采用“供水温度”为目标温度。因此对于“冷凝炉适配调速锅炉循环泵节能性”的分析，应以供水温度为指标进行对比。

由上图可以分析出：

20%、40%负荷位时，同一供水温度下，一次变流量（锅炉泵调速）的热效率高于一次定流量（锅炉泵定速）。其中20%负荷位时，差异在2%-3.5%，40%负荷位时，差异为1%-2%。
60%、80负荷位时，一次变流量和定流量时，曲线基本重合，即锅炉热效率基本相当。

以上趋势和差异度的形成，主要与以下方面有关：

部分负荷时，锅炉泵定速比锅炉泵变速流量偏大，且负荷位越低，流量差异越大。在特定的锅炉及运行条件下，通过主换热器的流量↑，主换热器换热量越大，烟气冷凝效果越好，即锅炉热效率越高。负荷位越低，这种影响越大。
但在供水温度相同时，锅炉泵定速的锅炉回水温度要高于锅炉泵调速时的回水温度，不利于冷凝炉冷凝，降低锅炉热效率。负荷位越低，回水温度的差异越大，对锅炉热效率的降低影响越大。
二者综合影响锅炉热效率，结果如上。低于40%负荷位时，回水温度的影响更大；高于40%负荷位时，二者的影响相当。

应用建议

设计及选型阶段，应选用可以受控于冷凝炉的调速泵，有限的初投资成本的提高，将在运行阶段有效的提高锅炉热效率，降低天然气耗量。负荷位越低，对锅炉热效率的提升越明显，特别是对于长时间运行于部分负荷工况的供暖项目来说，节能潜力将发挥的更充分。

扩展建议

1、如未采用“一炉一泵”系统，多台冷凝炉共用的一次循环泵也可通过外部控制实现“定温差”调速，仍可实现与锅炉自控类似的节能效果。

2、为保证供热系统的控制精准度，目标供水温度传感器一般设置于换热器二次侧，即直接控制二次侧供水温度。换热器的换热温差将进一步提高冷凝炉热输出品位（供水温度），一定二次供水温度条件下，该设计换热温差越大，冷凝炉供热时的供水温度将越高，热效率也将降低。

故供热系统的换热器，特别是供暖回路的换热器，应尽量选用较大换热面积的设备，结合工程实践，建议的换热平均对数温差最大为10℃。

实验结论

根据本次实验的实验基础数据，上一章节已对具体项目的设备选用、运行策略提出了具体的建议。

考虑冷凝炉的实际应用和运行特性的类似性，本次实验的实验结论适用于冷凝式燃气采暖热水炉、商用冷凝热水炉。在不同区域、不同运行策略的前提下，各类冷凝炉在适配“调速锅炉泵”系统中，均存在不同程度的节能性。从宏观层面看，“冷凝炉适配调速锅炉泵”的供暖系统，具有统计意义上的节能性，并可做如下的分析量化：

01、分户供暖系统供暖耗气量对比

我国夏热冬冷地区是最为典型的住宅分户供暖地区，其中采用冷凝式燃气采暖热水炉（冷凝壁挂炉）为热源的系统比例较高。

该地区的分户供暖热源系统，对供暖舒适度要求较高，且壁挂炉需满足家庭生活热水的加热需求，壁挂炉供暖的“超配”（供热功率远大于户内热需求）情况严重，一般超配1-2倍。

从供暖系统使用方面看，该地区住宅用户多采用“间歇式”供暖模式。

依据《长江流域居住建筑不同供暖模式下的负荷特性分析》所做结论，间歇供暖部分负荷分布如下表：

当考虑热源超配2倍的情况下，相对于壁挂炉额定热负荷的部分负荷比例，将对应变化为：

与本次实验的一次变流量与一次定流量的锅炉热效率的差异相对应并进行加权计算得到，采用调速锅炉泵对该地区采暖季内冷凝炉供暖效率的提高比例：

19%×3.5%+69%×3%+8%×2.5%+4%×2%=3%

即采暖季天然气耗量将降低约3%

02、集中供暖系统供暖耗气量对比

对于我国广大东北、西北和华北地区的集中供暖系统，特别是采用商用冷凝热水炉为热源的分布式供热系统/小区锅炉房，一般采用“连续式”供暖模式。但由于集中供暖系统的建筑功能的差异、运行时段的差异以及室内末端差异性等，对部分负荷比的影响较为复杂，并没有权威的统计数据可供参考。本实验结论以喜德瑞多年来各类型项目的实际运行负荷比数据为基础进行分析，详见下表：