步亞輝

上海乾璽實業(yè)有限公司

0 前言

真空鍋爐技術(shù)源自上世紀(jì)70年代瑞士蘇黎世大學(xué)，隨后得到了廣泛應(yīng)用，但在我國建筑衛(wèi)生熱水與采暖等民用項目中應(yīng)用不暢，主要是市場上部分落后產(chǎn)能單方面放大了其缺點，導(dǎo)致投資企業(yè)存在一定認(rèn)識誤區(qū)，不認(rèn)可真空鍋爐系統(tǒng)具有的優(yōu)勢。本文通過對真空鍋爐系統(tǒng)在投資成本、工程技術(shù)、節(jié)能降耗等多方面分析和闡述，探討了真空鍋爐系統(tǒng)在建筑衛(wèi)生熱水與采暖工程中具有的優(yōu)勢。

1 初始投資成本的優(yōu)勢

在生活熱水及采暖工程中，真空鍋爐系統(tǒng)的初始投資比承壓、常壓鍋爐成本更低。承壓、常壓鍋爐系統(tǒng)的組成因閥門多、設(shè)備多、管道多、占用面積大等使系統(tǒng)更復(fù)雜。然而，投資企業(yè)把經(jīng)濟成本的對比僅集中在鍋爐本體上，忽視了系統(tǒng)整體的對比而選用承壓、常壓鍋爐。

實際上，應(yīng)用真空鍋爐系統(tǒng)整體投資更經(jīng)濟、性價比更高，主要是承壓、常壓鍋爐系統(tǒng)的換熱原理和過程造成換熱設(shè)備及閥門組件等的增加抵消了成本優(yōu)勢，故真空鍋爐由于其系統(tǒng)整體更簡單、輔助設(shè)備更少而從源頭上減少了初始投資。

以下為承壓、常壓鍋爐系統(tǒng)與真空鍋爐系統(tǒng)輔助設(shè)備的對比：

1.1 承壓、常壓鍋爐系統(tǒng)：鍋爐為承壓、常壓鍋爐，采暖部分包括板式交換器、軟水器、過濾器、循環(huán)泵泵組、補水水箱、分集水器等，生活熱水部分包括導(dǎo)流式浮動盤管容積式換熱器、循環(huán)泵泵組、補水水箱等，見圖1。

圖1 常壓鍋爐衛(wèi)生熱水與采暖系統(tǒng)

1.2 真空鍋爐系統(tǒng)：鍋爐為真空鍋爐，采暖部分包括軟水器、過濾器、循環(huán)水泵泵組、補水水箱等，生活熱水部分包括導(dǎo)流式盤管容積式熱水器、循環(huán)水泵泵組、補水水箱等?？梢?，真空鍋爐系統(tǒng)大大減少了機房占用面積、系統(tǒng)復(fù)雜性，增加了運行可操作性［1］，見圖2。

圖2 真空鍋爐衛(wèi)生熱水與采暖系統(tǒng)

2 運維成本的優(yōu)勢

真空鍋爐系統(tǒng)設(shè)備簡單、操作容易，特別是內(nèi)置一鍵式點火、PLC出水溫度控制及氣候補償?shù)葮O大簡化了系統(tǒng)操作性，使員工經(jīng)短期培訓(xùn)即可成為操作人員，是實現(xiàn)鍋爐無人值守的一大步。而承壓和常壓鍋爐系統(tǒng)分水器、板式換熱器閥門多達十幾個，操作繁雜且易出錯，增加了操作成本、保養(yǎng)成本及折舊成本。

此外，承壓鍋爐屬特種設(shè)備，需年檢及報備，需根據(jù)國家《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》聘用持證人員操作，增加了人力成本和管理成本。常壓鍋爐雖不需年檢和專職司爐，但鍋爐內(nèi)部加熱直管長期浸于高溫?zé)崦剿校匣透g更嚴(yán)重，設(shè)備使用壽命更短，且故障也隨著使用年限的增加而增加，增加了保養(yǎng)、折舊成本。

3 節(jié)能降耗的優(yōu)勢

鍋爐熱效率是鍋爐節(jié)能的重要指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用。然而，許多鍋爐廠刻意宣傳鍋爐本體熱效率甚至標(biāo)注熱效率高達108%，以體現(xiàn)其產(chǎn)品節(jié)能性，導(dǎo)致了許多工程技術(shù)人員的誤解。以下為節(jié)能選型的建議和分析。

3.1 節(jié)能選型不能僅看鍋爐熱效率，而應(yīng)先精確計算項目熱負(fù)荷，再與鍋爐進行匹配。匹配過大浪費能耗，匹配過小供熱不足。如某酒店計算的熱負(fù)荷值為2 409 144．375 kJ/h=669．2 kW（100×104 kcal/h），熱負(fù)荷計算過程參考《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》GB50015-2019中6．4．2條款計算公式（適用計算住宅、酒店式公寓、宿舍、別墅、賓館客房、旅館等）［2］：

式中：Qh——設(shè)計小時耗熱量kJ/h；m——用水人數(shù)，取每房間2人×258間客房=516人；qr——熱水用水定額L/人·d，取150L/人·d；C——水的比熱，C=4 187（J/kg·℃）；tr——熱水計算溫度tr=60℃；tl——冷水計算溫度tl=5℃；ρr——熱水密度，取0．983 kg/L（按60℃）；Kh——小時變化系數(shù)取值3．0；Cr——熱水供應(yīng)的熱損失系數(shù)1．1；T——每日使用的時間（h）24 h。

3.2 將熱負(fù)荷值與廠家設(shè)備進行匹配。如將熱負(fù)荷值5．76×105（kcal)與鍋爐熱負(fù)荷值相當(dāng)?shù)?0萬kcal鍋爐1臺或30萬kcal鍋爐2臺進行匹配，再與不同廠家、不同燃燒性能、不同工作原理的鍋爐進行熱效率對比，最后選取所需的鍋爐。

3.3 再從節(jié)能匹配看熱效率。鍋爐熱效率是指進入鍋爐的燃料經(jīng)充分燃燒后所釋放出的全部能量，以百分比表示，根據(jù)能量守恒定律，熱效率是不會超過100%的。

熱效率可用正平衡法和反平衡法兩種數(shù)學(xué)公式表達。

正平衡法：鍋爐熱效率

反平衡法：鍋爐熱效率η=100%-鍋爐各項熱能損失=100%-(a+b+c)×100%

a=排煙熱損失×100%

b=未完全性燃燒熱損失×100%

c=散熱熱損失×100%

3.4 實踐中，真空鍋爐熱效率更高，可達92%以上，而承壓和常壓鍋爐不超過90%。目前的認(rèn)知把真空鍋爐節(jié)能優(yōu)勢歸于結(jié)構(gòu)，認(rèn)為真空鍋爐只是簡單利用了鍋爐雙壁技術(shù)，即利用鍋爐殼體雙壁中空形成的真空來防止熱損失，及把板式換熱器置于鍋爐內(nèi)部減少換熱過程而已，但真正原因是加熱原理的優(yōu)化。真空鍋爐由于內(nèi)部是真空的，幾乎無氧氣存在，且所用工作介質(zhì)是經(jīng)特殊脫氣處理的無離子水，故氧腐蝕問題基本消除［3］。此外，真空鍋爐采用的直管受熱環(huán)境為真空，受熱速度明顯高于承壓、常壓鍋爐，因真空鍋爐內(nèi)的熱媒水是在一定真空（負(fù)壓）下發(fā)生低溫沸騰，沸點低于正常大氣壓下水的飽和溫度，使水變成蒸汽的速度加快。利用低溫沸騰相變的蒸汽對采暖直管表面冷凝導(dǎo)熱，如此反復(fù)進行，換熱系數(shù)可達4 000～4 500 kcal/m2·℃，比承壓、常壓鍋爐高出許多。另外，真空鍋爐可配置多組不同溫度的直管回路，不需額外的板換、分水器等，見圖3。

圖3 真空鍋爐工作原理圖

3.5 常壓鍋爐雖也是采暖直管受熱，但直管是浸泡于熱媒水中進行水水換熱或置于常壓下有氧燃燒受熱的。以水水換熱原理為例，隨著水溫提高，直管導(dǎo)熱速度加快，至100℃時水沸騰。除導(dǎo)熱時間比真空鍋爐更長外，還只有單一出水溫度，對循環(huán)回路有不同溫度要求的，需另外配置板換、分水器、循環(huán)泵等，見圖4。

圖4 常壓鍋爐工作原理圖

3.6 承壓鍋爐由于鍋爐本體直接承受系統(tǒng)壓力，屬壓力容器，危險性較大。加熱原理為，在高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下加熱，通過的液體介質(zhì)沸點升高。出水溫度可調(diào)，但也只能提供單一回路，如采暖分高低區(qū)或有采暖與衛(wèi)生熱水2路時，仍需配置一次循環(huán)泵、板式換熱器、分水器等進行二次換熱，見圖5。

圖5 承壓鍋爐工作原理圖

3.7 真空鍋爐除本體可節(jié)能外，整個系統(tǒng)不需搭載板式換熱器、分水器等二次換熱設(shè)備，不需增加循環(huán)管道，減少了換熱過程中熱能損失，且爐體多回路出水即可滿足衛(wèi)生熱水和采暖不同溫度的需求，體現(xiàn)了二次節(jié)能的優(yōu)勢。

4 安全、操作和使用壽命上的優(yōu)勢

4.1 常壓鍋爐內(nèi)部的熱媒水不斷循環(huán)，受熱直管浸泡在熱媒水中進行水水換熱，使冷水成為熱水。由于熱媒水工作時溫度接近沸點（一般大于90℃），且與外界補水系統(tǒng)直接連通，故析出鈣鎂鹽等雜質(zhì)，使鍋爐內(nèi)氧腐蝕、結(jié)垢腐蝕，殘渣沉淀等問題長期存在且日趨嚴(yán)重，使用壽命只有8-10年左右。鍋爐雖安全，也不屬于需監(jiān)管的特種設(shè)備，但閥門管道多，操作煩瑣，維護管理成本高。

4.2 承壓鍋爐爐膛為高溫，極易產(chǎn)生冷凝腐蝕，且熱媒水與外界系統(tǒng)循環(huán)連通，使鍋爐內(nèi)氧腐蝕、結(jié)垢腐蝕、殘渣沉淀等問題長期存在，熱效率逐年下降，使用壽命一般不超過10年［4］。另外，因鍋爐本體承受系統(tǒng)壓力，存在爆炸危險，需專門配備泄爆設(shè)施、專職司爐工，需每年報批年檢，操作煩瑣，閥門管道復(fù)雜，管理維護成本高。

4.3 真空鍋爐出廠時在真空狀態(tài)下爐膛內(nèi)部一次性注入了熱媒水。該熱媒水不與外界相通，故氧腐蝕、結(jié)垢腐蝕等問題較小，真空狀態(tài)下漏氣概率也很小，且真空負(fù)壓下，鍋爐出水溫度一般不超過85℃，故不會產(chǎn)生嚴(yán)重的高溫腐蝕，保證了使用壽命達15年以上。此外，負(fù)壓運行沒有爆炸危險，不屬特種設(shè)備，故維護、管理成本低。

鍋爐對比表見表1。

5 結(jié)語

隨著我國節(jié)約能源、降低成本、生態(tài)文明建設(shè)的推進，真空鍋爐作為2010年工業(yè)信息化部第二批節(jié)能型機電設(shè)備得到了一定的推廣，但相較于國外，仍顯不足，特別是民營企業(yè)的投資。為此，本文通過經(jīng)濟成本、工程技術(shù)、節(jié)能分析等綜述了真空鍋爐系統(tǒng)的優(yōu)勢，以期共勉。