建筑卫生热水与采暖工程采用真空锅炉系统优势分析

步亚辉

上海乾玺实业有限公司

0 前言

真空锅炉技术源自上世纪70年代瑞士苏黎世大学，随后得到了广泛应用，但在我国建筑卫生热水与采暖等民用项目中应用不畅，主要是市场上部分落后产能单方面放大了其缺点，导致投资企业存在一定认识误区，不认可真空锅炉系统具有的优势。本文通过对真空锅炉系统在投资成本、工程技术、节能降耗等多方面分析和阐述，探讨了真空锅炉系统在建筑卫生热水与采暖工程中具有的优势。

1 初始投资成本的优势

在生活热水及采暖工程中，真空锅炉系统的初始投资比承压、常压锅炉成本更低。承压、常压锅炉系统的组成因阀门多、设备多、管道多、占用面积大等使系统更复杂。然而，投资企业把经济成本的对比仅集中在锅炉本体上，忽视了系统整体的对比而选用承压、常压锅炉。

实际上，应用真空锅炉系统整体投资更经济、性价比更高，主要是承压、常压锅炉系统的换热原理和过程造成换热设备及阀门组件等的增加抵消了成本优势，故真空锅炉由于其系统整体更简单、辅助设备更少而从源头上减少了初始投资。

以下为承压、常压锅炉系统与真空锅炉系统辅助设备的对比：

1.1 承压、常压锅炉系统：锅炉为承压、常压锅炉，采暖部分包括板式交换器、软水器、过滤器、循环泵泵组、补水水箱、分集水器等，生活热水部分包括导流式浮动盘管容积式换热器、循环泵泵组、补水水箱等，见图1。

图1 常压锅炉卫生热水与采暖系统

1.2 真空锅炉系统：锅炉为真空锅炉，采暖部分包括软水器、过滤器、循环水泵泵组、补水水箱等，生活热水部分包括导流式盘管容积式热水器、循环水泵泵组、补水水箱等。可见，真空锅炉系统大大减少了机房占用面积、系统复杂性，增加了运行可操作性［1］，见图2。

图2 真空锅炉卫生热水与采暖系统

2 运维成本的优势

真空锅炉系统设备简单、操作容易，特别是内置一键式点火、PLC出水温度控制及气候补偿等极大简化了系统操作性，使员工经短期培训即可成为操作人员，是实现锅炉无人值守的一大步。而承压和常压锅炉系统分水器、板式换热器阀门多达十几个，操作繁杂且易出错，增加了操作成本、保养成本及折旧成本。

此外，承压锅炉属特种设备，需年检及报备，需根据国家《特种设备安全监察条例》聘用持证人员操作，增加了人力成本和管理成本。常压锅炉虽不需年检和专职司炉，但锅炉内部加热直管长期浸于高温热媒水中，老化和腐蚀更严重，设备使用寿命更短，且故障也随着使用年限的增加而增加，增加了保养、折旧成本。

3 节能降耗的优势

锅炉热效率是锅炉节能的重要指标，被广泛应用。然而，许多锅炉厂刻意宣传锅炉本体热效率甚至标注热效率高达108%，以体现其产品节能性，导致了许多工程技术人员的误解。以下为节能选型的建议和分析。

3.1 节能选型不能仅看锅炉热效率，而应先精确计算项目热负荷，再与锅炉进行匹配。匹配过大浪费能耗，匹配过小供热不足。如某酒店计算的热负荷值为2 409 144．375 kJ/h=669．2 kW（100×104 kcal/h），热负荷计算过程参考《建筑给水排水设计规范》GB50015-2019中6．4．2条款计算公式（适用计算住宅、酒店式公寓、宿舍、别墅、宾馆客房、旅馆等）［2］：

式中：Qh——设计小时耗热量kJ/h；m——用水人数，取每房间2人×258间客房=516人；qr——热水用水定额L/人·d，取150L/人·d；C——水的比热，C=4 187（J/kg·℃）；tr——热水计算温度tr=60℃；tl——冷水计算温度tl=5℃；ρr——热水密度，取0．983 kg/L（按60℃）；Kh——小时变化系数取值3．0；Cr——热水供应的热损失系数1．1；T——每日使用的时间（h）24 h。

3.2 将热负荷值与厂家设备进行匹配。如将热负荷值5．76×105（kcal)与锅炉热负荷值相当的60万kcal锅炉1台或30万kcal锅炉2台进行匹配，再与不同厂家、不同燃烧性能、不同工作原理的锅炉进行热效率对比，最后选取所需的锅炉。

3.3 再从节能匹配看热效率。锅炉热效率是指进入锅炉的燃料经充分燃烧后所释放出的全部能量，以百分比表示，根据能量守恒定律，热效率是不会超过100%的。

热效率可用正平衡法和反平衡法两种数学公式表达。

正平衡法：锅炉热效率

反平衡法：锅炉热效率η=100%-锅炉各项热能损失=100%-(a+b+c)×100%

a=排烟热损失×100%

b=未完全性燃烧热损失×100%

c=散热热损失×100%

3.4 实践中，真空锅炉热效率更高，可达92%以上，而承压和常压锅炉不超过90%。目前的认知把真空锅炉节能优势归于结构，认为真空锅炉只是简单利用了锅炉双壁技术，即利用锅炉壳体双壁中空形成的真空来防止热损失，及把板式换热器置于锅炉内部减少换热过程而已，但真正原因是加热原理的优化。真空锅炉由于内部是真空的，几乎无氧气存在，且所用工作介质是经特殊脱气处理的无离子水，故氧腐蚀问题基本消除［3］。此外，真空锅炉采用的直管受热环境为真空，受热速度明显高于承压、常压锅炉，因真空锅炉内的热媒水是在一定真空（负压）下发生低温沸腾，沸点低于正常大气压下水的饱和温度，使水变成蒸汽的速度加快。利用低温沸腾相变的蒸汽对采暖直管表面冷凝导热，如此反复进行，换热系数可达4 000～4 500 kcal/m2·℃，比承压、常压锅炉高出许多。另外，真空锅炉可配置多组不同温度的直管回路，不需额外的板换、分水器等，见图3。

图3 真空锅炉工作原理图

3.5 常压锅炉虽也是采暖直管受热，但直管是浸泡于热媒水中进行水水换热或置于常压下有氧燃烧受热的。以水水换热原理为例，随着水温提高，直管导热速度加快，至100℃时水沸腾。除导热时间比真空锅炉更长外，还只有单一出水温度，对循环回路有不同温度要求的，需另外配置板换、分水器、循环泵等，见图4。

图4 常压锅炉工作原理图

3.6 承压锅炉由于锅炉本体直接承受系统压力，属压力容器，危险性较大。加热原理为，在高于标准大气压下加热，通过的液体介质沸点升高。出水温度可调，但也只能提供单一回路，如采暖分高低区或有采暖与卫生热水2路时，仍需配置一次循环泵、板式换热器、分水器等进行二次换热，见图5。

图5 承压锅炉工作原理图

3.7 真空锅炉除本体可节能外，整个系统不需搭载板式换热器、分水器等二次换热设备，不需增加循环管道，减少了换热过程中热能损失，且炉体多回路出水即可满足卫生热水和采暖不同温度的需求，体现了二次节能的优势。

4 安全、操作和使用寿命上的优势

4.1 常压锅炉内部的热媒水不断循环，受热直管浸泡在热媒水中进行水水换热，使冷水成为热水。由于热媒水工作时温度接近沸点（一般大于90℃），且与外界补水系统直接连通，故析出钙镁盐等杂质，使锅炉内氧腐蚀、结垢腐蚀，残渣沉淀等问题长期存在且日趋严重，使用寿命只有8-10年左右。锅炉虽安全，也不属于需监管的特种设备，但阀门管道多，操作烦琐，维护管理成本高。

4.2 承压锅炉炉膛为高温，极易产生冷凝腐蚀，且热媒水与外界系统循环连通，使锅炉内氧腐蚀、结垢腐蚀、残渣沉淀等问题长期存在，热效率逐年下降，使用寿命一般不超过10年［4］。另外，因锅炉本体承受系统压力，存在爆炸危险，需专门配备泄爆设施、专职司炉工，需每年报批年检，操作烦琐，阀门管道复杂，管理维护成本高。

4.3 真空锅炉出厂时在真空状态下炉膛内部一次性注入了热媒水。该热媒水不与外界相通，故氧腐蚀、结垢腐蚀等问题较小，真空状态下漏气概率也很小，且真空负压下，锅炉出水温度一般不超过85℃，故不会产生严重的高温腐蚀，保证了使用寿命达15年以上。此外，负压运行没有爆炸危险，不属特种设备，故维护、管理成本低。

锅炉对比表见表1。

5 结语

随着我国节约能源、降低成本、生态文明建设的推进，真空锅炉作为2010年工业信息化部第二批节能型机电设备得到了一定的推广，但相较于国外，仍显不足，特别是民营企业的投资。为此，本文通过经济成本、工程技术、节能分析等综述了真空锅炉系统的优势，以期共勉。