供暖系统和生活热水系统中膨胀罐选型教材

素材 |来源德国麦歇尔

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众所周知，供暖系统和生活热水系统中的水在加热时都会膨胀，这种热膨胀是不可避免且相当强烈的自然现象。加热时，系统中上万亿的水分子每一个都会轻微变大。从宏观的角度来看，大家会觉得是系统的水量增加了，但事实并非如此，同样的水分子只是在温度升高时占据更多空间，水的体积上升了，但是系统总的水量并没有改变。1000 升水从 10℃加热到 90℃体积增加了 35.6升。

在实际的用途中，水是不能被压缩的，一定量的水分子除非是在巨大的压力作用下才能被压缩为更小的体积。任何容器在完全盛满水并且与大气隔离的情况下在加热时压力会迅速地升高，如果此压力继续升高，容器则会爆炸，有时后果非常严重。水在密闭式的换热罐里水温从 14℃加热到 33℃时，压力从 4 公斤急剧上升到了 12 公斤，由此可见封闭式容器里水温上升后带来的压力增大多么剧烈。

 

为了避免上述情况发生，所有的供暖系统和生活热水系统中都需要安装相应的设备容纳水在加热时增大的体积。在与大气相通的系统里，比如无压储水罐，其上部多余的空间能容纳增大的体积。在更典型的封闭式供暖系统中，由一个单独的称为膨胀罐的设备提供水加热膨胀需要的空间，现在通常使用的是隔膜式的膨胀罐，下文中我们就把隔膜式膨胀罐称为膨胀罐。膨胀罐隔膜的一侧充满加压的空气，另一侧容纳膨胀的系统水体积。当系统水进入膨胀罐里面时，隔膜受力弯曲，预充空气被压缩。

 

 

供暖系统和生活热水系统中膨胀罐的工作原理如下图：

 

一般壁挂炉产品在出厂前都已配置了膨胀罐，威能的常规壁挂炉 turbo 和 turboTEC 系统配置的均是10L的膨胀罐，是业内配置最大的，这样可以供更大的采暖面积。威能的冷凝炉产品出厂前没有配置膨胀罐，安装时就需要配置膨胀罐，生活热水系统中也需要配置膨胀罐，但如何选型呢？麦歇尔和您作如下探讨。

 

供暖系统和生活热水系统中膨胀罐选型：

 

第一步：计算系统总水量

 

膨胀罐的选择计算公式里首先需要知道的就是供暖系统或生活热水系统的总水量。供暖系统总水量通常由三部分构成：锅炉水量（锅炉制造厂家已标明）；散热设备如散热器、风机盘管容水量（由厂家提供）；管道容水量；生活热水系统总水量通常由二部分构成：生活热水储水罐（由厂家提供）、管道容水量。见以下几种常用管材的容水量表格：

 

地暖系统的容水量由使用的管材与每平米管道疏密决定的，地暖系统通常使用的是DN20的管材，每平米通常使用3米的管材，那每平米的水量大约是0.2*3=0.6升水。
 

第二步：计算空气预压值

 

在系统注水前，需要将膨胀罐的空气预充压力调节到计算出来的空气预压值。膨胀罐壳体上的充气阀可以实现加气或放气：加气可以通过一个小的空气压缩机或自行车气筒实现，在加气时需要使用一个精度为 0.1巴的气压表检测。

 

正确的空气预充压力保证膨胀罐隔膜在系统注水后未加热时完全膨胀到壳体。如果空气预充压力低于计算值，系统在未加热时就有一部分系统水进入到膨胀罐里面，因此当系统加热时膨胀罐的容积不够，会造成每次系统加热时安全阀泄水，这种情况应予以避免。

 

常规壁挂炉对供暖系统中压力要求如下图：

 

 

常规壁挂炉产品要求的正常工作压力为 1.0 - 2.0 bar 之间，所以供暖系统中的膨胀罐的空气预压值推荐为 1.0bar 即膨胀罐的空气预充压力为 1.0bar。

 

生活热水系统中膨胀罐的正确空气预充压力是膨胀罐入口处的静压，即自来水的压力与膨胀罐的接口到系统最高点的这段距离的水柱压力的和。自来水的压力可以直接测出来，水柱压力可以通过 P=Hpg 来计算（H为高度，单位为m；p为水的比重，为1000kg/m3；g为重力加速度，为9.8N/kg；P为压强，单位为Pa，0.1MPa=1bar）。 

 

第三步：计算膨胀罐最低容积 

 

可以通过公式来计算：V=C△e/（1-Pi/Pf）

V = 膨胀罐最低容积（升）

△e= 水加热膨胀系数差，即水加热到最高温度的系数 -水冷却时的温度系数

C = 系统总水量（升）

Pi =起始压力，即计算的膨胀罐空气预压值 + 1bar 的大气压（bar）

Pf =最终压力，安全阀设定的最大压力+1bar 的大气压  

 

水在温度变化时体积相应变化。实验证明，水在 4℃ (准确说是 3.98℃)时体积最小，因此水不仅是在 4-100℃加热时体积会增大，同样从 4-0℃冷却时体积也会膨胀。以下图表说明了水在不同温度下相对于 4℃时其体积的膨胀系数。

 

水加热膨胀系数‘e’即相对于水温在 4℃时体积的膨胀系数

膨胀罐商用规格与理论计算容积的对应表

膨胀罐的参数

上面的选型公式里有一个假设：即系统所有水温均同时达到最高温度，但这种情况几乎不可能发生，因为水在经过管道和散热装置时温度降低，水温越低，其膨胀量也越低。

 

对于高温供水、温差在 10℃左右的小型水暖系统以上假设意义不大，因为没有更小的膨胀罐可以使用了。但是对于低温辐射供暖系统则不同，因为大量的系统水存在于辐射环路里，而辐射环路的工作水温往往在 40-50℃左右，这会明显地减低系统水膨胀量。

 

如果按系统水都达到锅炉出水温度计算膨胀罐，对于低温辐射系统其容积必然过大。虽然膨胀罐容积过大对系统运行没有危害，但却造成不必要的浪费。因此，在为低温辐射系统选型时，应该把系统分成两部分计算：一是锅炉高温水部分：即锅炉容水量+锅炉至温控中心的水量；二是温控中心后面辐射系统的管道水容量。同样用公式分别予以计算，然后将两部分的膨胀水容积相加。

 

还有需要注意的是隔膜式膨胀罐有最大压力和最高温度值，在罐体上都有标注。耐压因型号不一，通常为5-10 bar，耐温通常在 110℃。在选用膨胀罐时一定要注意此技术特征。比如将耐压 5bar的膨胀罐用在安全阀设定压力 6 bar的系统时，安全阀还未开启，有可能膨胀罐就已经破损了。

 

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