1 燃气壁挂炉的应用现状与前景

目前，煤炭、石油与天然气并称为世界能源的三大支柱。在我国的能源结构中，煤炭的应用比例仍然很高，但以煤炭为主的能源结构效率低、环境污染严重。因为传统的供暖方式为燃煤锅炉集中供暖，除了采暖费较低这一优势外，其对于环境污染、一次性投资巨大、供暖质量难以保证以及采暖费收取等问题日趋突出，因此单元化、独立式的供暖方式相继引入，并得到普遍关注及认同[1]。

1.1 传统的集中供热

城市热网集中供暖是最传统的采暖方式，系统以煤为燃料，运行稳定且运行费用较低。一般由热力公司统一配套，但配套上网费较高，同时燃煤锅炉对环境的污染十分严重。大量烟雾粉尘，影响大气质量，要想彻底改善大气环境，应从堵住污染源开始。从这一观点出发，突破原有的采暖方式，采用分户供暖，即取消锅炉房，利用洁净能源和高效的燃气设备进行冬季采暖，将为城市供暖开辟出一条新的途径[2]。然而分散采暖能否被推广和普及，主要取决于其安全性和经济性。例如东北地区旧的采暖方式面临许多问题，最实际的问题就是采暖费收缴难度大，供暖部门用一户一阀的办法来解决采暖费问题，无形中增加了投资。在这种情况下，分散式供暖有了与传统的供暖方式相互竞争的机会[2]。

1.2 独立式燃气壁挂炉采暖

燃气壁挂炉采暖是区别于传统的集中供热采暖的一种单元化、独立式的采暖方式．它的内部供热部分有循环水泵、加热器、膨胀水箱。水以燃气为热源，经过加热器加热和循环水泵循环，将热水送至散热器或地暖盘管后，经回水管回流壁挂炉，完成循环。其特征就是单台壁挂炉可为300m²左右的单元住宅或别墅，单独提供采暖热源和生活用热水。分户式壁挂炉采暖与集中供暖相比，热力、外网及楼内管道的热损失至少可以减少15%左右；另外用户可以根据自己的实际情况确定室内温度、采暖时间和采暖区间，可以为用户节约运行费用30%左右。而集中供热无论何时、家中是否有人，均需将室内温度保持在一定温度，甚至还存在因室温过高而开窗散热的情况，浪费能源，所以分户式壁挂炉采暖与集中供热相比，舒适性和节能效果都较显著。

(1) 燃气壁挂炉的应用形式

燃气壁挂炉作为热源，其末端散热设备可以采用散热器，也可以采用热舒适性较高的低温地板辐射采暖系统，具体形式如图1所示。

图1 燃气壁挂炉分户采暖系统形式

(2) 燃气壁挂炉采暖的经济效益与社会效益

目前我国市场上的燃气壁挂炉主要以欧洲品牌为主，欧洲产品一般分为3个型号，功率分别为18～20kW，23～24kW和28～30kW；对应的采暖面积分别为160m²，220m²和280m²。欧洲产品的价格为5000～8000元/台，国产产品的价格为4000-6000元/台。钱文斌等[3]经计算得到，燃气壁挂炉的造价约为40～60元/m²，低于集中供热的采暖增容费。钱文斌等还对大连、沈阳和哈尔滨等东北地区的城市进行了抽样调查统计，一般气候条件下，如果给100m²左右的住房供暖，供暖期日平均耗气量(天然气)如表1所示。

韩刚等[4]以供应面积约为300m²采暖的燃气壁挂炉为例，利用热经济学方法对燃气壁挂炉的采暖和供生活热水系统进行了分析，得到不同天然气价格和采暖时间的平均输出成本。对影响平均输出成本的因素进行了敏感性分析。分析表明，天然气价格是最主要的因素，其次为采暖日平均运行时间，再次为燃气壁挂炉初投资费用的影响。在天然气价格为1.6元/m³、电价为0.56元/kW•h时，燃气壁挂炉具有经济可行性。燃气壁挂炉仅用于生活热水时，并不划算，但结合冬季供暖时就具有一定的经济优势。当天然气价格超过1.9元/m³，日运行时间超过20h，此时，燃气壁挂炉不具有经济可行性。

在我国北方的很多城市，集中供暖时间大于180天。在采暖期间，工业生产和居民生活燃煤达到高峰，并排放大量的烟尘、二氧化硫等污染物，造成了严重的空气污染。由于燃气壁挂炉以燃气为燃料，在改善空气环境质量方面具有很强的生命力。

另外，集中供暖要建造锅炉房，并加装许多供暖管道，这些供暖管道本身会损失很大的热量。区别于集中供暖，单体燃气壁挂炉分散供暖没有一次管网、换热站及二次管网的热损失，可节省7%左右的热能，还可以避免因集中供热外网系统水力不平衡所造成的附加热损失。此外分户供暖不设锅炉房，可以让宝贵的土地资源得到合理的利用和开发。单体采暖形式便于实现分户热计量，更符合市场经济规律，避免采暖费用收缴难等问题，因此，燃气壁挂炉采暖具有良好的社会效益。

2 燃气壁挂炉采暖面临的燃气互换性问题

随着大量欧洲品牌壁挂炉的推广和使用，问题开始显现，其中气源与产品之间是否配合是经销商在推广产品时遇到的主要问题。欧洲的壁挂炉产品普遍使用天然气，欧洲市场使用比较成熟的产品也自然都是适合天然气的产品。但在中国还有很多城市，尤其是一些二三级城市根本就没有天然气，即使在同一城市，在不同的地段，使用的燃气种类也不同。事实上，气源问题已经成为影响产品推广的一个重要因素。

燃气互换性和燃具适应性是燃烧技术中的重要课题。目前我国许多城市都具有多种气源，这样就对燃气的互换性以及燃具的适应性提出了要求。燃气互换性是指为了保证燃具的正常工作，燃气性质的变化不能超过某一范围；燃具适应性是指一个合格的燃具应能适应燃气性质的某些变化[5]。燃气壁挂炉作为一种燃具也是按照一定的燃气成分设计的。当燃气成分发生变化而导致其热值、密度和燃烧特性发生变化时，其燃烧器的热负荷、一次空气系数、燃烧稳定性、火焰结构和烟气中CO含量等燃烧工况就会改变。当燃气成分变化不大时，燃烧器燃烧工况虽有改变，但仍能满足燃具的原有设计要求，那么这种变化是允许的；但当燃气成分变化过大时，若燃烧工况的改变使得燃具不能正常工作，这种变化就不允许了[6]。然而两种燃气能否互换，并不只决定于燃气性质本身，它还与壁挂炉燃烧器以及燃具的其他性能有关。

2.1 华白数对燃气互换性的影响

通常，燃气按其燃烧特性可以分为3族：传统的人工煤气类型、天然气类型和液化石油气类型。如果城市燃气供应系统的气源完全由一族转变为另一族，则必须更换或重新调整燃具；而同族的两种燃气则有可能完全互换[6]。华白数就是在互换性问题产生初期采用的一个互换性判定指数，当一种燃气置换另一种燃气时，首先应保证燃具热负荷在互换前后不发生改变，当燃烧器喷嘴前压力不变时，燃具热负荷与燃气热值成正比，与燃气相对密度的平方根成反比，因此把燃气热值与相对密度的平方根的比值称为华白数。华白数是代表燃气特性的一个参数，设有热值和密度均不相同的两种燃气，但只要它们的华白数相等，就能在同一燃气压力和同一燃具上获得同一热负荷[5]。如果华白数变化超过5%～10%的互换范围，就不能互换．这时只能通过更换或重新调整燃烧器，以使燃具适应新的燃气。

2.2 燃烧特性对燃气互换性的影响

随着燃气气源类型的增多和燃气组分的复杂，单用华白指数已不足以表征燃气质量，还要考虑火焰特性对燃气互换性的影响。正常的部分预混火焰应该具有稳定的、燃烧完全的火焰结构；而不正常的部分预混火焰就会产生离焰、回火、黄焰和不完全燃烧等现象。在燃气温度不变的情况下，某一燃具的运行工况取决于燃气的燃烧特性、火孔热强度和一次空气系数。只有当运行点落在特性曲线范围之内时，燃具的运行工况才能认为是满意的。当燃气性质改变时，燃气燃烧特性和华白数同时改变。燃气燃烧特性的改变引起特性曲线位置的改变，华白数的改变引起燃具运行点的改变[6]，如图2所示。

图2 燃烧特性曲线

2.3 壁挂炉燃气互换性问题的解决方案

判别互换性现在还无法实现准确计算，进行实际试验是决定能否互换的可靠方法。因此改用新燃气供应时必须慎重，决定能否互换还要考虑以下几个问题：

(1)即使燃具燃烧工况良好，但易进入爆炸状态的不能进行互换；

(2)对燃气表以及燃具有腐蚀作用的燃气不能互换；

(3)由于燃气着火温度升高，不能采用电点火的燃气，也不具备互换性。

只有能够满足上述几个要求的燃气，才能认为其具有互换性的基础条件。

为了保证壁挂炉燃烧器正常工作，获得预定的火焰特性，燃烧器运行时需经常调节一次空气量。每调节一次空气量，即能得到不同类型的火焰，所以必须调整一次空气调节装置。另外，对于已经出厂的壁挂炉来说，火孔的形式是确定的，面对应用过程中遇到的燃气互换问题时，必须考虑选择适当大小的火孔以适应燃气性质的变化。

例如某一欧洲品牌壁挂炉，其设计燃料为天然气，火孔直径为1.2mm，火孔个数为12个，其布置如图3所示。

如果将其应用于使用人工煤气的地区，需要重新调整燃烧器的火孔尺寸。在未进行火孔改造之前，其单一火孔面积为 

12个火孔的总面积为：
 

对于功率Q=24kW的壁挂炉而言，其火孔强度为
  

如果将天然气设计的壁挂炉气源更换为人工煤气，气源更换前后的华白数比约为1.65[5]，则两种燃气火孔强度比近似于华白数比，可得人工煤气工作条件下的火孔强度为：

由此确定在人工煤气条件下的火孔尺寸，为
  

因此，对于直径为1.2mm的火孔，由天然气更换为人工煤气后，需要将其火孔调整为近似2.8mm。

3 实验检测

经过理论分析与计算后，将加工得到的新的燃烧器喷嘴安装于以天然气为设计气源的壁挂炉内，进行真实运行实验。新的燃烧器喷嘴如图4所示，实验系统如图5所示。

图6为在系统的实际运行过程中，借助壁挂炉自带的外部控制主板，检测壁挂炉各个部分是否处于正常的工作状态，通过长时间的运行检测说明，喷嘴改造后的壁挂炉可以实现正常工作。但是经过一个采暖期之后，由于炉膛内部更易积炭，因此以人工煤气为气源的壁挂炉需要进行炉膛清洗。

4 结语

用户式燃气壁挂炉采暖，由于其良好的经济效益和社会效益而越来越为人们重视和接受，但是气源性质的不同和改变，是壁挂炉推广和使用过程中的制约因素．通过对具体燃具更换气源前后的华白数指数和火孔强度的分析，结果表明，对于直径火孔为1.2mm的天然气壁挂炉，要使其能够在人工煤气条件下正常工作，需要将其火孔直径至少扩大为2.8mm。因此，需要针对更换气源的性质，进行详细的分析，才能确定壁挂炉与气源的适应性。

上海工程技术大学机械工程学院 陈煜 张依 上海凡圣暖通设备安装工程有限公司 张辉