李旺++馬永志++欒曉文++樊明珠

摘 要：提出了一種節(jié)能可控式分戶暖氣片熱量計量系統(tǒng)（HRHCS），該系統(tǒng)集成了分戶暖氣片熱計量技術與智能化控制技術等生態(tài)節(jié)能建筑技術，實現了冬季取暖的智能化，可測溫、可控制、可定時，可以采用太陽能、地熱能、風能、生物質能、電能等單一能源模式，或采用其中兩種或兩種以上復合能源模式。從智能控制角度，針對四種典型模式的HRHCS，著重論述了系統(tǒng)方案和工作特點；從能源角度，作為傳熱、換熱供暖功能模塊的HRHCS，分析并給出了太陽能、地熱能以及太陽能+風能等HRHCS方案。HRHCS對于建筑能耗滿足2015年10月我國住房城鄉(xiāng)建設部公布的《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試行）》具有重要的現實意義。

關鍵詞：生態(tài)節(jié)能建筑技術；分戶；暖氣片；熱計量；方案

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.080

建筑節(jié)能是實現我國節(jié)能減排重大戰(zhàn)略決策的主要任務之一。我國北方地區(qū)建筑采暖能耗占當地全社會能耗的25%左右，占我國建筑總能耗的40%，是我國建筑節(jié)能的重點[1-4]，為此，2015年10月我國住房城鄉(xiāng)建設部公布了《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試行）》以推動我國超低能耗建筑[5]。

本文提出了節(jié)能可控式分戶暖氣片熱量計量系統(tǒng)（energy-saving controllable household radiator heat- metering system and charging，簡稱HRHCS），并對其進行深入研究，基于智能控制、能源等角度，設計提出了幾種典型的HRHCS，并對其應用前景進行了分析[6-7]。

1 HRHCS方案

1.1 系統(tǒng)整體方案

如圖1所示，HRHCS由電源、閥控系統(tǒng)、定時系統(tǒng)、進水管道、回水管道、暖氣片、顯示調節(jié)系統(tǒng)、熱量計量系統(tǒng)、進水管口及回水管口等組成。其中，電源為鋰離子儲能電池，供給系統(tǒng)中閥控系統(tǒng)、定時系統(tǒng)、熱量計量系統(tǒng)等所需電能；閥控系統(tǒng)控制閥門開關，由閥門驅動直流電機、電磁繼電器及其控制電路組成。當室內溫度低于室內設置最低溫度時，閥控系統(tǒng)中電磁繼電器打開電源，直流電機驅動打開閥門，閥門打開后電磁繼電器切斷電源；當室內溫度高于室內設置最高溫度時，閥控系統(tǒng)中電磁繼電器打開電源，直流電機驅動關閉閥門，閥門關閉后電磁繼電器切斷電源。熱量計量系統(tǒng)實現HRHCS熱量使用的計量，由熱量計及兩側閥門組成，在熱量計出現故障時，關閉兩側閥門可以取下熱量計進行更換或維護。

HRHCS本質上屬于供暖功能模塊，其內部定時系統(tǒng)通過設定時間開關閥門實現室溫控制。依據供暖針對性不同，HRHCS又可以進行設置為不同模式：（1）基于用戶人群可以設置為老人專用模式、兒童專用模式、成人專用模式等三種；（2）基于室溫控制模式，可以設置為溫控及紅外探測感控；（3）基于功能控制模式有可以設置為溫暖舒適型、平安健康型、抗力鍛煉型等類型。

1.2 基于時間溫控模式

基于時間溫控模式HRHCS采用最簡單的時控方式，尤其適合于有固定作息時間的家庭，如具有固定上下班規(guī)律的上班族、學生等。當家里沒人時，可以將室內取暖閥門關閉；在將要回家前五分鐘，打開取暖閥門，讓室溫在人到家時剛好提升上來。

基于時間溫控模式的設定時間范圍可以為天制、周制、月制甚至年制，即可以設置一天內、一周內、一月內甚至一年內閥門的開關時段，如圖2所示。復雜設置方式可以利用網絡通過數據庫方式直接導入模式完成，如此實現了供暖的精確時效控制。時控范圍、時控初始時間、時控模式等均可以通過顯示調節(jié)系統(tǒng)設置或者選擇。

當然，基于時間溫控模式的HRHCS也可以同時與其它控制模式組合聯用，如圖2所示，與基于室溫控制模式中的手機遙控模式聯用，通過手機遙控實現閥門開啟時間的精確控制就更為便捷、節(jié)能。

1.3 基于用戶人群模式

不同供暖用戶人群，對所需求的室內溫度是不一樣的。如圖2所示，按供暖用戶人群細分，可以分為老人專用模式、兒童專用模式、成人專用模式。一般說來，老年人身體較弱，冬季容易怕冷，故而其房間設置供暖溫度要高些，一般為22-26℃；兒童火力旺，在太暖和的房間反而容易因外出受涼感冒，因此其房間設置供暖溫度可以低一些，一般為14-18℃；一般成人房間設置供暖溫度居于兩者之間，一般可取18-22℃；客廳為全家主要活動場所，溫度適中較為合適，一般設置20℃左右；門廳、衛(wèi)生間等取暖溫度設置可以更低些，取16℃；廚房因為其他房間熱量的傳遞，其溫度即使不供暖也會維持在6℃以上，如此還有利于蔬菜等保鮮。如此設置，既考慮了不同人群體質因素，同時從自己房間出門到外，還有客廳、門廳等需要穿過，減少了冬季由于室內外大溫差變化對人體的影響。

1.4 基于室溫控制模式

基于室溫控制模式究其實質而言屬于點溫度控制，如圖2所示，具體可分為普通溫控模式、紅外溫控模式及手機遙控溫控模式三種：（1）基于室溫控制的普通溫控模式，取室內某一地點溫度為控制溫度點，進行室溫控制，該控制溫度地點可以為室內任意一處，設定室內最低溫度與最高溫度，在室溫低于設置的最低溫度時，閥門開度增大；當室溫高于設置的最高溫度時，閥門開度減小。如此實現室溫的自動調節(jié)。（2）基于室溫控制的紅外溫控模式通過紅外探測感知室內沒有人時，閥門開度關閉，由此減小室內熱量消耗。在紅外探測感知室內進入人后，閥門開度開到最大，以盡快提升室內溫度至設置溫度范圍。室溫提升的過程時間可以根據需求進行調整，該過程正好有效避免了人由室外直接進入較高溫度室內因溫差過大而引起的不舒服問題。（3）基于室溫控制的手機遙控溫控模式則是通過手機遙控HRHCS閥門開關，實現室溫遙控效果。

1.5 基于功能控制模式

基于功能控制模式則以人為本，具體說來可分為溫暖舒適型、平安健康型、抗力鍛煉型等類型：（1）溫暖舒適型HRHCS實際上就是目前普通取暖方式，它強調人體對于溫度的舒適感覺，室溫要求不低于18℃。（2）平安健康型HRHCS強調人體的身體健康，其室溫設置上可以更低，強調人體感知的不僅是溫度，更重要的室內外溫差，根據人體適應性不同，進行室溫設置，對于一般健康人群，其最低室溫設置一般為不讓人凍傷為目的，一般可設為12℃，最高室溫設置為22℃；對于怕冷人群，最低室溫設置可以高些，但一般不會超過16℃，最高室溫設置為26℃；對于怕熱人群，最低室溫設置回更低些，可設置為8℃甚至更低，最高室溫設置為20℃。（3）抗力鍛煉型HRHCS則是全能型設置模式，此時不再注意能耗情況，其提供了鍛煉身體的一種模式，就是為了提高身體抵抗高溫、低溫、高溫差、低溫差的能力，即使是夏季室內也可調整為冬季三九嚴寒環(huán)境，冬季下室內亦可將溫度調整為夏季酷暑環(huán)境，當然，夏季時也可讓室溫更高，冬季時也可讓室溫更低；同時，人處于室內時室溫也可變化，室溫變化的速度也可以調節(jié)。具體原理圖如圖2所示。

2 功能拓展

HRHCS本質上是一個傳熱、換熱功能模塊，它可以與太陽能、地熱能、風能、生物質能等其他能量供應模式結合，形成更為環(huán)保節(jié)能的取暖模式。

HRHCS中所需電能由光伏板組件將太陽能轉化為直流電，直接儲存在鋰離子電池中，由鋰離子電池供給系統(tǒng)用電；太陽能集熱板將太陽能加熱水，當加熱到設定溫度時，將熱水存儲到集熱裝置中，當室內溫度降低需要HRHCS供暖時，HRHCS中閥控系統(tǒng)驅動其內直流電機打開閥門，集熱裝置中儲存的熱水自其中流出實現取暖效果；當室內溫度升高到設定的室內最高溫度時，HRHCS中閥控系統(tǒng)驅動其內直流電機關閉閥門。

2.1 太陽能HRHCS

萬物生長靠太陽，太陽能具有普遍、無害、巨大、長久等其他能源供給模式無可比擬的優(yōu)點。若完全以太陽能供給HRHCS，則其原理示意圖如圖3所示。

HRHCS中所需電能由光伏板組件將太陽能轉化為直流電，直接儲存在鋰離子電池中，由鋰離子電池供給系統(tǒng)用電；太陽能集熱板將太陽能加熱水，當加熱到設定溫度時，將熱水存儲到集熱裝置中，當室內溫度降低需要HRHCS供暖時，HRHCS中閥控系統(tǒng)驅動其內直流電機打開閥門，集熱裝置中儲存的熱水自其中流出實現取暖效果；當室內溫度升高到設定的室內最高溫度時，HRHCS中閥控系統(tǒng)驅動其內直流電機關閉閥門。

2.2 地熱能HRHCS

地熱能HRHCS原理示意圖如圖4所示。世界五大地熱資源中有三大地熱資源與我國有關，地熱能供暖是僅次于地熱發(fā)電的地熱開發(fā)利用方式，以地熱能供給HRHCS無論對于我國的地熱綜合開發(fā)利用還是節(jié)能減排都具有重要的現實意義。

2.3 太陽能+風能HRHCS

當然，根據以上思路，還可以進一步拓展，根據實際條件采用更為靈活的兩能源、三能源甚至更多種能源的復合能源供給模式，譬如太陽能+電能，太陽能+風能等，以便HRHCS節(jié)能的同時，還可以保證其運行效果的可靠性。這里僅以太陽能+風能HRHCS為例，其參考原理示意圖如圖5所示。

鑒于風能更適合于發(fā)電，而太陽能則既可以發(fā)電，又可以直接熱利用，這里太陽能+風能HRHCS中所需電能均由風能提供，風力發(fā)出來的電首先儲存在鋰離子蓄電池中；太陽能僅進行熱利用。

3 結論

模塊化功能模塊HRHCS應用更靈活。基于時效（時間）角度，HRHCS形成了供暖的全時間范圍的精確時效控制，基于用戶人群模式、室溫控制模式、功能控制模式，可以形成更有針對性的不同類型的HRHCS。同時，HRHCS可以與太陽能、地熱能、風能、生物質能等其他能量供應模式結合，實現了建筑能耗取暖零能耗。HRHCS節(jié)能環(huán)保，綠色健康，安裝簡單可靠，制造成本低，地區(qū)適用范圍廣，不僅適用于現有北方集中供暖系統(tǒng)，尤其適用于南方濕冷地區(qū)。

參考文獻：

[1]武涌，丁研.我國北方采暖地區(qū)既有居住建筑供熱計量及節(jié)能改造的目標分析及政策建議[J].建筑，2010（18）：8-10.

[2]李炎鋒，王慧琛，孫萍，趙剛，王雪竹.節(jié)能型住宅采暖期建筑能耗動態(tài)分析[J].北京工業(yè)大學學報，2014，40（08）：1270-1274.

[3]江億.北方采暖地區(qū)既有建筑節(jié)能改造問題研究[J].中國能源，2011，33（09）：6-13，35.

[4]江億.我國建筑節(jié)能戰(zhàn)略研究[J].中國工程科學，2011，13（06）：30-38.

[5]住房和城鄉(xiāng)建設部.被動式超低能耗建筑技術導則（試行）（居住建筑）[R].2015.

[6]欒曉文，王學升，周相鑫等.可控式分戶暖氣片熱量計量裝置：中國，ZL200920280905.3[P].2010（11）：17.

[7]馬永志，張鐵柱，鄭藝華等.一種智能溫濕自控暖氣片：中國， ZL201210595168.2[P].2016（02）：24.

作者簡介：李旺（1996-），男，本科.

*為通訊作者