關鍵詞：不銹鋼換熱式承壓水箱 建筑太陽能供熱系統 換熱效率 防腐處理
引言
國家發展改革委和住房城鄉建設部近期出臺的《綠色建筑行動方案》是在國家發展新形勢下，從國家層面貫徹落實綠色建筑理念，切實轉變城鄉建設模式和建筑業發展方式，提高資源利用效率，實現節能減排約束性目標，積極應對全球氣候變化，全面建設資源節約型、環境友好型社會的一項重要舉措，對建成“美麗中國”具有十分重要的意義。
我們認為《綠色建筑行動方案》中的綠色、循環、低碳理念至關重要，必須從規劃、設計就開始注重綠色節能建筑。在建筑一體化熱利用方面，太陽能以其清潔、無污染、取之不盡、用之不絕等諸多優點應優先考慮，并根據建筑特點和日照條件，選擇不同類型的太陽能供熱系統，實現節能、建筑安全、建筑美學、經濟適用等多方位的結合應用。
目前適應建筑一體化熱利用條件的主要是以太陽能承壓供熱系統為主。承壓供熱系統分多層、中高層建筑的陽臺壁掛供熱系統和集中集熱-分戶儲熱供熱系統；適應新農村建設的單棟或聯排住宅的分體別墅供熱系統以及供熱采暖系統。以上太陽能供熱系統的核心：一是集熱部件（太陽能集熱器）；二是蓄熱部件（換熱式承壓水箱）。因此、科學合理選擇不同類型的換熱式承壓水箱，對提升太陽能供熱系統的換熱效率、使用效果具有決定性作用。我們通過對不銹鋼換熱式承壓水箱在建筑太陽能供熱系統應用中的數據檢測與解析，實踐說明不銹鋼換熱式承壓水箱在建筑太陽能供熱系統應用中所具有的優勢非常明顯。
一、不銹鋼換熱式承壓水箱在建筑太陽能供熱系統中的應用類型
1、家用分體雙回路（陽臺壁掛）供熱系統
如圖（1）所示，本系統主要采取間接式自然循環和電輔加熱方式，應用的換熱承壓水箱選用不銹鋼雙核夾套換熱承壓水箱。本系統工作原理是通過不銹鋼雙核夾套換熱承壓水箱夾套層與太陽能集熱器之間循環介質的虹吸作用，完成太陽能熱量吸收、轉換、傳導、儲存和輸出。
2、集中供熱-分戶儲熱供熱系統
如圖（2）所示，本系統主要采取間接式強制循環和電輔加熱方式，應用的換熱承壓水箱選用小規格不銹鋼單盤管換熱承壓水箱。本系統工作原理是將屋頂緩沖水箱儲存的太陽能集中換熱的熱量，通過定溫間接式強制循環方式，與建筑內每戶安裝的盤管換熱式承壓水箱中盤管換熱器進行換熱，預熱或加熱戶內盤管換熱式承壓水箱中水，完成太陽能熱量吸收、轉換、傳導、儲存和輸出。
3、分體別墅供熱系統
如圖（3）所示，本系統主要采取間接式強制循環和燃氣鍋爐輔助加熱方式，應用的換熱承壓水箱選用大規格不銹鋼雙盤管換熱承壓水箱。本系統工作原理是通過不銹鋼雙盤管換熱承壓水箱下部盤管換熱器與太陽能集熱器之間循環介質的強制循環，完成太陽能熱量吸收、轉換、傳導、儲存和輸出，不銹鋼雙盤管換熱承壓水箱上部盤管換熱器與燃氣鍋爐連接，作為太陽能熱量不足的補充。
二、實現不銹鋼換熱式承壓水箱性能指標提升的優化方法
2.1：換熱效率提高
由于太陽能供熱系統中的換熱過程，基本都是無相變的對流換熱過程，主要通過增大換熱面積、加大流體與換熱面的傳熱溫差、提高表面換熱系數三個方面考慮，進行優化設計，達到提高水箱換熱效率的目的。
◆促使換熱面積加大和換熱系數提高
如圖（4）所示：不銹鋼雙核夾套承壓水箱采用疊層夾套雙核內膽，將換熱內膽設計成狹窄換熱空間，可在一定比例換熱路徑、小流量定壓條件下，可保持流體較好流速，使流體在換熱過程中流層變薄，換熱系數得到加大，取得較高傳熱效率。
為了進一步提高換熱效率，設計中可把水箱內膽換熱面由光滑面滾壓成螺旋上升槽型換熱面(4),不僅擴展整個水箱的換熱面積35%；同時，因換熱面形狀、大小、位置的改變，在換熱過程中螺旋上升槽型換熱面強迫流體在向前運動過程中會連續地改變方向,在橫截面上引起二次環流,可在較低的雷諾數下產生湍流,水箱表面換熱系數進一步加大，強化換熱效率。
如圖（5）所示：不銹鋼盤管換熱式承壓水箱采用螺旋上升盤管換熱器，設計中需要根據水箱內膽直徑、容水量、水溫綜合考慮換熱器的大小、形狀。通過對盤管管徑、螺旋上升角度、換熱盤管之間的螺距、盤管與內膽的間隙匹配和選擇。在確定一定流動阻力條件下，盡可能提高盤管內循環介質流速和二次環流，加強盤管外的換熱狀態由穩態向紊態趨勢的改變，從加大而換熱系數、獲得較高的傳熱效率。
同時、我們也可以通過采用翅片管、波紋管以及浮動盤管換熱器等不同的結構形式，加大換熱面積，提高換熱系數，使換熱效率得到大幅提高。
提高流體與換熱面的傳熱溫差
由于水箱內冷水加熱時，液體流動方向會由下向上運動，必須將水箱一次換熱進出接口設計成逆流循環換熱方式，熱流體介質由換熱器上部流入，再由換熱器下部流出，在同樣流體進出溫度情況下，冷熱流體平均溫差是最大的，起到強化換熱的作用。
2.2、水箱熱水輸出率滿足使用要求
◆水箱容水量必須符合標稱要求，設計時必須剔除換熱器及部件所占水箱容積，一般取水箱容積的正偏差范圍。
◆消除水箱換熱冷水區，設計時換熱器換熱范圍必須涉及到底部水箱端蓋容水部位，一般在冷水分水器進水口位置。
◆水箱具有溫度梯度分層，設計中必須考慮水箱用水使用過程中的水箱溫度梯度問題，冷水進水端必須安裝水流分水器，保持進水的均勻和緩慢，進水分水器盡可能接近水箱底部；出水口同樣也必須安裝出水匯流器，保持水流平穩，不出現漩渦和攪拌現象，出水匯流器盡可能接近水箱頂部。
2.3、降低24小時固有損耗
蓄能是水箱最基本的功能，如何防止水箱吸收儲存的熱量不散失，是水箱體現節能的重要環節。
首先，保溫材料的選擇，目前水箱保溫材料一般采用聚氨酯發泡劑，但質量會有參差不齊，采用進口陶氏環保聚氨酯發泡劑是符合保溫性能需求的。
其次、保溫層厚度確定，必須根據水箱容積大小，按保溫效果線性計算方法，確定適宜的保溫層厚度，一般取計算厚度的1.05倍。
第三、聚氨酯發泡必須采用恒溫恒壓整體發泡而成，保溫層致密度要達到36kg/m3以上。
2.4、水箱承壓強度的保證
依據水箱的結構、容積和承壓的強度，核算水箱桶身和封頭端蓋的板厚，在制作工藝上確保水箱的板材、端蓋、管件實現自動焊接，排除人為因素，保證水箱整體強度要求。水箱承壓強度的測試采用壓力脈沖測試和靜態壓力測試結合方式，壓力脈沖測試國內分為四個等級最低8萬次、最高16萬次；靜態壓力測試為1.5倍工作壓力；目前水箱強度最高標準是通過澳洲WaterMark認證的250000次的脈沖測試。
2.5、不銹鋼水箱防腐的關鍵措施
不銹鋼換熱承壓水箱內膽一般采用304不銹鋼材或者316L不銹鋼材料制作，材料本身具有一定防腐功能，在焊接制作過程中，雖然采用氬氣保護焊接設備，但焊接本身就是一個
金屬金相組織變化及抗電化學腐蝕的極其復雜而高難度的技術工藝過程，不可能完全保證不銹鋼材料經過高溫焊接后，焊縫處材質不會出現變化。因此、在內膽組件焊接完畢后，對不銹鋼換熱承壓水箱內膽再次進行防腐處理是必然的。通過水箱內膽表面金屬化學液鈍化處理，在水箱表面生成一種非常薄的、致密的、覆蓋性能良好的、能堅固地附在金屬表面上的富鉻鈍化膜，這種富鉻鈍化膜電位可高達+1.0V，接近貴金屬電位；并形成多層CrO3或Cr2O3結構，把金屬與腐蝕介質完全隔開的作用，防止金屬與腐蝕介質直接接觸，使金屬基本停止溶解，形成鈍態達到防止腐蝕的效果。
三、建筑太陽能供熱系統中換熱式承壓水箱應用的選擇
目前市場上換熱式承壓水箱主要分為搪瓷內膽和不銹鋼內膽兩大類。搪瓷內膽基板為BTC-340R鋼板，經過搪瓷防腐處理后，具有承壓、耐腐蝕、瓷面光滑，易清洗的特點。不銹鋼內膽基本為304或316不銹鋼，經過鈍化防腐處理后，具有承壓、耐腐蝕、溫度和壓力聚變適應性好的特點。以下通過對搪瓷內膽和不銹鋼內膽對比分析，來深入了解搪瓷內膽和不銹鋼內膽的具體特性：
通過以上不銹鋼水箱與搪瓷水箱的分析可以看出：在建筑太陽能供熱領域應優先采用不銹鋼換熱式承壓水箱，不銹鋼水箱在適應太陽能的加熱特殊性，達到水箱間接換熱效率及特殊結構的要求上比搪瓷水箱更適宜，但在直接加熱、無需二次換熱結構的電熱水器應用領域，搪瓷水箱應用效果會更好。
四、結論
不銹鋼換熱式承壓水箱從設計到工藝的優化方法，提升了不銹鋼換熱式承壓水箱各項性能指標，特別是鈍化的防腐處理關鍵工藝，如同搪瓷水箱搪瓷一樣成為不銹鋼水箱腐蝕的保護神，是衡量不銹鋼水箱質量好壞的關鍵所在。在適應太陽能的加熱特殊性，和水箱間接換熱效率及特殊結構的要求上，不銹鋼水箱比搪瓷水箱更適宜，是建筑太陽能供熱系統應用的最佳選項。但無論是不銹鋼水箱還是搪瓷水箱，技術創新和工藝持續改進是不可或缺的。
