基于電磁感應加熱技術的家用采暖器*

孫昱辰，秦 柳

1.浙江省慈溪中學 浙江寧波 315300 2.寧波格林美孚新材料科技有限公司 浙江寧波 315300

在冬季，人們都夢寐以求有一個溫暖、舒適的生活和工作環境。長江以南的地區冬季沒有集中供暖[1-2]，只能依靠空調、小太陽、油汀等進行取暖。然而，采用空調取暖房間里會非常干燥，影響人的健康，特別是老人、小孩、孕婦，長時間在空調房內，會出現胸悶、呼吸道疼痛等癥狀[3]。使用小太陽、油汀等取暖設備，雖然價格便宜，但是都存在以下缺點：① 房間供熱不均勻，只能局部供熱；② 存在安全隱患，新聞報道每年都會出現多起因使用小太陽或油汀而導致的安全事故。因此，設計一款舒適、安全、便捷、節能的采暖器，將會給人們營造更好的生活環境。

1 產品整體設想

筆者設計了一款基于電磁感應加熱技術的采暖器，它可以取代北方集體供暖的燃煤鍋爐和南方小太陽、油汀等設備，實現個體家庭小范圍暖氣片供暖。該款采暖器外形美觀，具有節能、使用方便的特點。

采暖器的電磁加熱原理如圖1所示。感應線圈根據對應功率的電感量規則地纏繞在金屬加熱芯上，50Hz、220V交流電通過電磁控制板被轉換為 20kHz 的高頻電流，通過電磁線圈，在采暖器金屬加熱芯上產生渦流，使加熱芯加熱。水從金屬加熱芯的一端進入，被金屬加熱芯加熱后，從另一端流出[4-6]。

圖1 采暖器電磁加熱原理

采暖系統的工作原理如圖2所示。被采暖器加熱的水在循環泵的驅動下，通過出水管道進入暖氣片。暖氣片將熱水熱量吸收，并釋放到房間的空氣中。被暖氣片釋放熱量后的水在循環泵的驅動下，通過回水管道回到采暖器再次被加熱，反復循環，使房間內空氣加熱，從而達到供暖效果。

圖2 采暖系統工作原理

2 產品設計

2.1 溫度

(1) 室內供暖溫度。根據GB/T 18883—2002《室內空氣質量標準》，室內供暖溫度標準為16～20℃[7-8]。

(2) 供回水溫度。暖氣片的供回水溫度主要根據氣候環境、戶型結構、面積、使用效果來確定。筆者設計的暖氣片供水溫度為60～85℃，回水溫度50～75℃。

2.2 功率

電磁采暖器的功率要按照采暖房間的熱負荷來計算[9-10]。不同的房屋結構、房間高度、采光面積、房間位置，其熱負荷是不同的。通常建議節能建筑可以取13～15m2/kW；普通樓房可以取10～11m2/kW；別墅、平房可以取8～9m2/kW；如果房間密封條件不佳且高度大于2.7m，或經常有人出入，需要適當減小采暖器單位功率的取暖面積。

通常家庭單個房間的面積約為30m2，按常規房間的采暖配備功率0.1kW/m2計算，將采暖器的功率定為3kW。

2.3 控制板

交變磁場在導體中的感應電流稱為渦流，工件中產生的渦流由于集膚效應，沿橫截面由外表面至中心按指數規律衰減，當渦流強度從外表面向內層降低到其數值等于最大渦流強度的1/e時,該處與外表面的距離Δ稱為電流滲入深度，由式(1)確定：

(1)

式中：ρ為工件電阻率，Ω·m；μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7H/m；μ為工件磁導率；μr為工件相對磁導率；ω為角頻率，rad/s；f為頻率,Hz。

由式(1)看出，可以通過調節f來控制加熱厚度。

電磁加熱的核心電路是一個變頻電路，即將 50～60Hz的低頻市電轉換成20kHz的高頻電，供給感應線圈來產生高頻磁場，使金屬在磁場作用下產生渦流而發熱。目前，電磁加熱變頻電路的主要形式有三種：單管電路、半橋電路和全橋電路。單管電路由于存在缺點，已漸漸不再被使用。通常小功率(10kW以下)電路會使用半橋電路，大功率電路(30kW以上)會使用全橋電路，本設計中電磁加熱功率只有3kW，因此選擇半橋電路。

電磁加熱半橋主電路如圖3所示。半橋電路使用兩個絕緣柵雙極晶體管(IGBT)輪流開展工作，當其中一個晶體管關閉后，另一個晶體管即開通，不存在高反電壓的問題，沒有過電壓損壞IGBT的隱患，產品的可靠性大大提高。半橋電路另外一個優點是連續功率很低，不存在低功率影響IGBT工作狀態的問題，理論上可以在所有功率范圍內都連續加熱，但受器件工作頻率限制，實際一般需高于最大功率的20%，即使如此，也仍大大提高了實用性。

圖3 電磁加熱半橋主電路

本設計的電磁加熱內膽厚度約6mm，電源頻率取15kHz～20kHz。采暖器的功率為 3kW，市用電源為220V、50Hz，因此需要將220V、50Hz的電源進行頻率轉換。根據以上要求，選擇了一款體積較小的3kW電磁加熱控制板。

2.4 感應線圈

根據電磁感應加熱的特性，感應線圈選擇常規漆包線繞制。根據功率和電壓，可計算出電流約為13.6A。根據電流的大小，線圈的截面積選擇為 5mm2。為了適配3kW的電磁加熱控制板，線圈長度定為15m左右。

2.5 加熱芯

(1) 加熱芯的材質。根據電磁加熱的特點，加熱芯的材料選擇為普通碳鋼。

(2) 加熱芯結構設計。為了使采暖器的熱效率達到最高，加熱芯設計了三個方案，分別是內層加熱、外層加熱和分層交互式加熱。

內層加熱即被加熱的加熱芯處于感應線圈的內側，如圖4所示。內層加熱芯結構采暖器的熱效率見表1。

圖4 內層加熱芯結構示意圖

表1 內層加熱芯結構采暖器熱效率測試

外層加熱即被加熱的加熱芯處于感應線圈的外側，如圖5所示。外層加熱芯結構采暖器的熱效率見表2。

圖5 外層加熱芯結構示意圖

表2 外層加熱芯結構采暖器熱效率測試

分層交互式加熱即感應線圈被放置在分層交互式加熱芯的中間，加熱芯的內外兩層均能被加熱，如圖6、圖7所示。分層交互式加熱芯結構采暖器的熱效率見表3。測試時均采用如下方法：管道通水加熱多次測試取平均值，水質量5kg，加熱功率3kW。

圖6 分層交互式加熱芯結構示意圖

圖7 分層交互式加熱芯結構實物圖

表3 分層交互式加熱芯結構采暖器熱效率測試

通過以上測試數據可以看出，分層交互式加熱芯結構的采暖器熱效率最高，原因有兩點：① 感應線圈在實際使用過程中，自身具有一定的發熱量，采用分層交互式加熱芯后，感應線圈自身的發熱也被加熱芯吸收，從而利用了這部分熱量；② 感應線圈對內、外層金屬負載，即加熱負載都會進行磁感線切割，因此能夠充分地將電能轉化成熱能。

綜上所述，本設計項目的采暖器最終采用分層交互式加熱芯結構。

3 采暖系統組裝

組裝完成采暖系統，用塑料軟管依次將采暖器、循環泵和暖氣片連接好，然后向暖氣片內加水，加好水后插上220V電源，打開采暖器的電源鍵，采暖器就開始工作。經測試，采暖器達到預想的效果。

[1] 包士方.南方地區冬季供暖問題[C].廣州：第6屆全國建筑環境與設備技術交流大會,2015.

[2] 郭偲悅,燕達,崔瑩,等.長江中下游地區住宅冬季供暖典型案例及關鍵問題[J].暖通空調,2014，44(6)：25- 32.

[3] 霍雨佳.空調取暖，溫度別太高[J].食品與健康,2012(2)：58.

[4] 趙宗彬,朱斌祥,李金榮,等.基于電磁感應加熱原理的擠塑機加熱系統節能改造[J].現代化工,2014,34(3)：134-136.

[5] 王啟涵,姚纓英,陳衛寶.電磁感應加熱中加熱物體位置的選擇[J].電工技術學報,2011(6)：160-165.

[6] 宋國梅,王永濤.電磁感應加熱系統電路設計[J].濰坊學院學報,2010，10(4)：34-36.

[7] 室內空氣質量標準：GB/T 18883—2002[S].

[8] 民用建筑室內環境污染控制規范：GB 50325—2010[S].

[9] 楊善勒.《民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)》介紹(四) 建筑物耗熱量指標及采暖耗能的估算[J].建筑知識,1990(4)：23-24.

[10] 嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準：JGJ 26—2010[S].

(編輯：丁 罡)