
首先应该明确“能耗“和”功率“的区别,这个概念很多同学在中学毕业之后就忘记掉了,或者学文科的压根就不会学这个物理概念。
我们要知道一个常识:功,能,热,是同一种物理量,都称为能量。其单位都是焦耳(J)。只是根据所在情景方面做的不同表述。
功,常用于动能作用的表述;
能,常用于能量在不同形式下的转化;
热,则常用于给物体升温和降温产生的热能转移。因此热能还有一个非国际单位:卡路里(cal),换算关系是1卡=4.1858518焦耳。
1焦耳能量相等于1牛顿力的作用点在力的方向上移动1米距离所做的功,1卡能量相等于在1个标准大气压下将1克水升温1℃的热能。
热力学第一定律:不同形式的能量在传递与转换过程中守恒。 表述为:物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所做的功的总和。
该定律定义了能量的守恒性质,也定义了:功,能,热的物理概念等同。
热力学第二定律:热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。
该定律定义了能量的方向性,有两个方面:
1.功可以自动地转化为热,功转热是不可逆过程, 其反向过程, 即降低流体的热力学能或收集散给环境的热量转化为功重新举起重物恢复原位的过程, 则不能单独地、自动地进行, 热不可能全部无条件地转化为功。
2.热永远只能由热处传到冷处(在自然状态下)。
热量一定自动地从高温物体传向低温物体; 而反向过程, 热量由低温传回高温、系统回复到原状的过程,则不能自动进行, 需要依靠外界的帮助。
壁挂炉采暖,所使用的基本原理就是——热力学第二定律的克劳修斯表述,即热能在自然状态下会自发的由高温物体向低温物体转移。
壁挂炉采暖的作用对象是室内空气,定义为中温物体(暖气片所需舒适温度22~24℃);
室外环境为低温物体,温度为当地冬季实际气温(0-7℃);
传热介质是水,为高温物体,供回水平均温度55℃(供水65℃回水45℃);
壁挂炉为热源,为超高温物体,燃烧器内部超过300℃。
所以,用户的整个采暖系统使用的过程,在4个温阶物体之间发生了3次由高温物体向低温物体的热能转移:
第一次:燃烧器的火焰通过主换热器向采暖热水的热能转移;
第二次:采暖热水通过暖气片向室内空气的热能转移;
第三次:室内空气向室外空气的热能转移;
过程中没有物体做功发热(排烟风机/水泵/水流的摩擦发热忽略不计)。
那么根据热力学第一定律:壁挂炉传递给室内空气的热能=室内空气向室外空气传递损失的热能,即能量守恒定律。
因为在室内空气能量守恒状态下,物体内能不变,气温(表征物体内能多少的物理量)不变。
如果壁挂炉向室内空气传递的热能在一个时间段内大于室内向室外传递损失的热能,则室内空气温度上升,反之,室内空气温度下降。
这就引入了时间的概念,即功率概念。
功率是什么?是单位时间(秒)内,物体做功(传热)的多少。代表的是能量转移(转化)的速度快慢。
放到传热学研究上,物体之间传热的速度,受物体分子结构的影响,有快有慢。这就是物体的“热导率”,其对数就是热阻率。
物体之间传热的速度,还和物体之间的接触面积,与物体的温度差有关。
那么,室内空气向室外空气传热的快慢,其计算公式就是:
Q=K×M×(T内-T外)
其中:Q,就是室内空气热损失的功率,是个速度单位。单位是焦耳/秒,也叫瓦特,简称瓦(W)。表征1焦耳的热能在1秒时间完成了传递。
K,就是室内外空气之间的隔层(墙体/门窗/楼板)的传热系数,单位是瓦/(平方米开尔文),或瓦/(平方米℃) ;
M,就是隔层的面积,单位是平方米;
T内,室内空气温度;
T外,室外空气温度;
因此影响传热损失速度的因子就三个:围护结构传热系数;围护结构面积;室内外温度差。
前两者,是恒定值,对一个已入住房屋来讲不发生变化。而室内温度和室外温度的差(T内-T外),是个变量。当T内=T外时,室内外温差=0,则公式乘积的结果Q也是0,即无热损失。
在舒适的居住环境下,我们需要室内空气保持一个舒适的恒定值,不发生变化。室外温度如果以冬季气象平均温度来进行研究,也可以视为不发生变化。比如计算一个冬天的热损失,你不可能随时去看室外温度计的变化,而是取气象平均室外气温作为T外的取值,而舒适温度取值则由用户自行设定,比如设置暖气片采暖舒适的室内温度为24℃。
那么,对于房屋的舒适使用时间段内,建筑物的热损失功率Q,也可以视为恒定值。
但房屋的热能消耗总量,是功率和时间的乘积。也就是E=Q×t,焦耳/秒×秒=焦耳,最终能耗的影响因素又多了一条:时间
所以,影响采暖功率大小的因素有3条,但影响房屋采暖总能耗的因素有4条。其中2条是恒定值,2条可变:
恒定值1:房屋围护结构传热系数K;
恒定值2:房屋围护结构面积M;
可变值1:房屋室内外空气温度差(T内-T外);
可变值2:采暖舒适温度保持时间t。
说完了房屋热量损失的影响因素,再说采暖系统是如何来维持室内舒适温度的。也就是题主的后面的疑问,壁挂炉最低功率连续工作是否节能了?
这里首先要纠正一个认知错误——没有壁挂炉能永远以最低功率连续工作,只是在一个短时间内,壁挂炉可能会连续工作不熄火(一般在1小时以内)。而壁挂炉连续工作不熄火的唯一原因,就是室内空气温度还没到达目标值。
什么叫“目标值”?有两种情况:
1.温控器的设定值,室温达到此温度后,供暖水路会被电动阀门切断,或控制阀芯减少流量。从而停止,或降低向室内的热量输入。避免因为输入热量Q2大于房间热损失Q,而引起的室内空气温度持续上升。
2.无控制下的极限值,就是散热设备在水温和室内空气存在温差下,产生的连续传热有极限。当室内空气温度升高时,暖气片中的热水向室内空气传热的速度会变慢(温差变小),但室内空气向室外空气传热的速度会变快(温差变大)。这两个数值会最终达到平衡态,就是暖气片发热速度=房间热损失速度。而这个状态下的室内温度,就是当前采暖系统的极限值。
因此在室内温度不到目标值时,采暖壁挂炉会连续以10℃供回水温差,当前循环泵工作流量下的功率连续燃烧。但室内温度到达目标值以后:
情况1:供暖阀门切断或减少流量,则供回水温差低于10℃,温差小于5℃后壁挂炉熄火。
情况2:壁挂炉会以极限值情况下的房屋热损失功率持续加热(如暖气片的发热极限功率大于壁挂炉最小功率);壁挂炉会以最小功率持续提升水温,温差小于5℃后壁挂炉熄火(如暖气片的发热极限功率小于壁挂炉最小功率)。
所以,采暖系统的木桶短板,是暖气片(或地暖),其工作特性决定了,在一定的尺寸(就是发热面积)和恒定的供水温度流量情况下,其升温有极限,发热功率也有极限。
根据上面的分析,我们很容易理解:如果家里装了4-5片暖气片,但我只开1-2片,发热的极限值也不会大于壁挂炉的最小输出功率。那么壁挂炉烧呀烧的,最终必然会使供回水温差不断缩小,控制主板会命令壁挂炉熄火。
熄火时就没有能耗了,然后回水温度会逐步降低,供回水温差拉大到10℃以上后,壁挂炉继续点火。
因此简单一句话来总结:用10千瓦功率工作半小时,和用5千瓦功率工作1小时,能耗是一样的:都是5千瓦时(或18000000 焦耳)。要知道电费的“度数“单位就是千瓦时,千瓦×小时。没有用瓦数来计量能量收费的哦。
如果你把上面每一大段的文字都读懂了,而且还有兴趣继续看,没睡着的话。下面就是正题:壁挂炉怎么做到1天10方气?
其实答案已经在前面写了,就两个办法:
1.减少室内外温差;
2.减少舒适供暖时间;
比如题主的房子,开启所有暖气片,24℃恒温(如果装的是手动阀得自己调节极限值,用改变阀门开度减少流量的方法来调),开24小时。烧了23方气。
那我开12小时,就烧11.5方气,开10小时,就烧9.583立方气(1小时燃气消耗是23/24=0.9583333333......)
或者,我开5片暖气片,用了24方气;不住人的房间我都关掉,晚上睡觉把客厅也关掉。实际供热面积小了一半,能耗也小了。2片暖气片连续工作24小时,能耗就是5片的40%。还不到10方呢。
再或者:我开20℃行不行?开18℃行不行?比如室外气温0℃,室内24℃。
在24-0=24℃的室内外温度差下,一天的燃气消耗是23立方。
但降低到18℃,在18℃的温差下,一天的能耗就是24℃温差的3/4,也不是个小数字了。这个方法适合装地暖的家庭,因为地暖关不掉,再热太慢。但有电控温度控制器,就可以通过降低温度设定值,来减少能耗了。
因此,千万别觉得壁挂炉烧3分钟停4分钟的是浪费,实际上,间歇工作是壁挂炉的常态,正因为房屋能耗小,小到比壁挂炉最小输出功率还小,那就只能停下来休息了。停的时间越久,就越节能。
