作者：廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司/黃遜青
摘要：家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)通過(guò)蓄熱水箱采用溫度分區(qū)措施和恒溫補(bǔ)熱的輔助加熱措施，以及容量適宜的蓄熱水箱，可以在穩(wěn)定的熱水流量下獲得適宜的熱水溫度并保持恒定，從而顯著改善了舒適性要求。同時(shí)，蓄熱水箱采用溫度分區(qū)的運(yùn)行方式，便于測(cè)量蓄熱水箱內(nèi)儲(chǔ)存的熱量，為及時(shí)利用輔助熱源補(bǔ)充熱量滿足熱水需求創(chuàng)造了條件，而且也使得最大限度減少補(bǔ)熱運(yùn)行的補(bǔ)充加熱量過(guò)剩。
1.概述
家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的舒適性日益受到消費(fèi)者的關(guān)注，舒適性主要體現(xiàn)為適宜的溫度并保持恒定，以及穩(wěn)定的熱水流量。高舒適性的家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則是利用太陽(yáng)能減少能耗、降低運(yùn)行費(fèi)用，利用高性能的輔助熱源保障舒適性。由于受建筑物結(jié)構(gòu)以及經(jīng)濟(jì)性的制約，家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)通常在配置上采用較大蓄熱水箱，較小集熱器面積的方案，除夏季日照條件良好的情況外，其余季節(jié)通常太陽(yáng)能集熱器的集熱量不足以將整箱水的溫度提高至設(shè)定溫度，所以多數(shù)情況下，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的蓄熱水箱內(nèi)部的溫度分布，從上至下保持5~10℃的溫差，因此在用水時(shí)，水箱輸出的溫度通常隨輸出水量的增加而逐漸降低，若沒(méi)有適當(dāng)?shù)拇胧３钟盟K端的用水溫度穩(wěn)定難度較大。萬(wàn)和公司在近年的蓄熱水箱研究和開(kāi)發(fā)工作中，通過(guò)對(duì)水箱內(nèi)溫度場(chǎng)控制和測(cè)量措施的改進(jìn)，改善了對(duì)蓄熱水箱熱量的調(diào)節(jié)手段，結(jié)合輔助加熱裝置及其運(yùn)行模式的改進(jìn)，作為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱水輸出特性的舒適性的改善措施，可以顯著改善家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的舒適性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
2.蓄熱水箱
在蓄熱水箱內(nèi)將不同溫度的熱水采用分區(qū)儲(chǔ)存的措施，在日本的熱泵熱水器產(chǎn)品的蓄熱水箱中已經(jīng)應(yīng)用多年，這項(xiàng)技術(shù)措施對(duì)改善熱水輸出特性和系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有重要的作用。
在熱泵加熱裝置或燃?xì)饪焖偌訜嵫b置進(jìn)行蓄熱運(yùn)行時(shí)，冷水從蓄熱水箱底部進(jìn)入加熱裝置，以大溫差方式循環(huán)，一次加熱水溫就達(dá)到設(shè)定的加熱溫度，流量控制在最小值，當(dāng)水箱內(nèi)平均流速低于0.05m/s時(shí)，當(dāng)熱水從蓄熱水箱頂部進(jìn)入后，在水箱上部形成穩(wěn)定的等溫?zé)崴畬印ｋS著加熱量的增加，等溫?zé)崴畬拥暮穸戎饾u增大，由于水的物理特性，等溫?zé)崴畬优c下部的冷水之間形成一層過(guò)渡層，而且該過(guò)渡層保持在較小的厚度并相對(duì)穩(wěn)定，因此，在一定范圍內(nèi)熱水的使用量和加熱量表現(xiàn)為該過(guò)渡層位置的變化，當(dāng)該過(guò)渡層的位置處于預(yù)期范圍內(nèi)，任何時(shí)候需要的水溫都是設(shè)定溫度，使用舒適性和便利性得到顯著改善。
利用水箱中冷水和熱水之間的過(guò)渡層厚度和位置相對(duì)穩(wěn)定的特性，在水箱外殼設(shè)置溫度傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量過(guò)渡層的位置，結(jié)合流量測(cè)量和熱量平衡計(jì)算等方法，從而提高測(cè)量水箱中可用熱水量的準(zhǔn)確度，為優(yōu)化熱水系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)創(chuàng)造條件。若水箱內(nèi)剩余熱水量不足而需要利用輔助加熱裝置補(bǔ)充熱水量時(shí)，輔助熱源提供的熱量集中在水箱頂部，最大限度避免過(guò)量加熱的情況，從而有效提高輔助熱源的利用效率。因而使熱水系統(tǒng)的使用便利性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性得到顯著提高。
對(duì)于太陽(yáng)能加熱循環(huán)，采用外置式換熱器結(jié)構(gòu)方案，熱水系統(tǒng)配置靈活，若太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)采用直接加熱方式即可省略相應(yīng)的換熱器，而且該結(jié)構(gòu)方案便于換熱器維護(hù)，可以避免內(nèi)置盤管故障率高而且無(wú)法維修的問(wèn)題。不過(guò)，考慮到在高舒適性的家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，較低的水溫有利于提高太陽(yáng)能集熱器的集熱效率，所以太陽(yáng)能集熱器的熱水循環(huán)熱水回水不適宜設(shè)置在水箱頂部，而通常不高于全水箱高度的1/3。將太陽(yáng)能集熱器的循環(huán)過(guò)程限制在水箱下部進(jìn)行，由于冷水和熱水在水箱中被過(guò)渡層隔離，保證了進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器的水溫處于較低水平，有利于提高太陽(yáng)能集熱器的集熱效率。在冬季進(jìn)行太陽(yáng)能集熱器防凍循環(huán)運(yùn)行時(shí)，從太陽(yáng)能集熱器冷卻后的溫度降低回水以自然對(duì)流方式進(jìn)行分層，同時(shí)由于過(guò)渡層隔離作用，保證了熱水使用不會(huì)受到防凍循環(huán)運(yùn)行的影響。熱泵水路系統(tǒng)的防凍循環(huán)情況與太陽(yáng)能集熱器的類似。
3.輔助熱源
太陽(yáng)能集熱器的加熱運(yùn)行需利用白天的日照，熱泵最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)間在夜間電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段。不同類型的能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性存在差異，因此，雖然能源之間可以通常適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換相互替代，但是，兩種具有相近的功能而技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差異較大的能源，如果能夠合理地進(jìn)行集成，將獲得優(yōu)于兩種能源獨(dú)立使用的效果。例如，電熱過(guò)程是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的過(guò)程，從一次能源利用效率的角度衡量，能源利用效率較低。但是，電熱過(guò)程易于控制、調(diào)節(jié)以及制造成本低廉是電熱技術(shù)突出的優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)能熱利用過(guò)程受氣象條件制約明顯，日照條件不良會(huì)不同程度影響輸出熱水的溫度，同時(shí)還存在冬季水溫持續(xù)偏低的難題，采用集成電加熱措施，利用電加熱元件能夠以緊湊的結(jié)構(gòu)和低廉的購(gòu)置費(fèi)用，彌補(bǔ)日照條件不足以及冬季運(yùn)行對(duì)太陽(yáng)能熱利用過(guò)程水溫影響的效果，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。
太陽(yáng)能集熱器與燃?xì)饪焖贌崴鹘M合是目前有燃?xì)夤?yīng)地區(qū)比較有競(jìng)爭(zhēng)力的方案，因?yàn)樵谑彝猸h(huán)境溫度較低時(shí)，采用氟碳類制冷劑的空氣源熱泵機(jī)組的制熱性能衰減情況明顯，用燃?xì)饪焖贌崴髋c太陽(yáng)能集熱器結(jié)合，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、簡(jiǎn)單、成本較低。
4.運(yùn)行模式
一般情況下，蓄熱水箱始終保持一定量的恒溫?zé)崴噪S時(shí)滿足少量的熱水需求。如在早晨，水箱下部基本為低溫水，白天太陽(yáng)能加熱時(shí)，在過(guò)渡層以下的低溫區(qū)域，水溫從上至下保持5~10℃的溫差，隨太陽(yáng)能集熱量增加逐漸升高，當(dāng)太陽(yáng)能加熱量足夠大時(shí)，過(guò)渡區(qū)消失，頂部原恒溫?zé)崴畢^(qū)的水溫高于設(shè)定溫度。在太陽(yáng)能加熱結(jié)束時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)剩余熱水量的測(cè)量，與預(yù)計(jì)當(dāng)天熱水需求量進(jìn)行對(duì)比，確定是否需要輔助熱源運(yùn)行以及補(bǔ)充熱量。
輔助熱源補(bǔ)充熱量的基本方式有兩種：
一是蓄熱加熱方式———在不用熱水時(shí)輔助熱源對(duì)蓄熱水箱內(nèi)的熱水加熱；
二是補(bǔ)熱加熱方式———在用水過(guò)程中輔助熱源對(duì)輸出的熱水進(jìn)行加熱。
蓄熱加熱方式適用于水箱中剩余熱水量與預(yù)期需求相差較大的情況，或采用小功率輔助熱源裝置，例如小功率的空氣源熱泵等情況；補(bǔ)熱加熱方式適用于采用水箱中剩余熱水量與預(yù)期需求相差較小，或采用大功率輔助熱源裝置，例如，燃?xì)饪焖贌崴鞯那闆r。
4.1蓄熱加熱方式
若采用熱泵熱水器為輔助熱源，熱泵為水箱加熱時(shí)，低溫水從水箱底部經(jīng)循環(huán)泵進(jìn)入冷凝器，加熱至設(shè)定溫度后進(jìn)入水箱頂部；用水時(shí)，從水源補(bǔ)充的冷水部分與水箱出水混合，冷水通過(guò)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度和熱泵運(yùn)行狀態(tài)，使得水箱的出水與冷水的混合水溫符合使用要求，同時(shí)從水源補(bǔ)充的其余冷水進(jìn)入水箱底部。
若采用燃?xì)饪焖贌崴髯鳛檩o助熱源，燃?xì)饪焖贌崴飨蛩浼訜釙r(shí)，低溫水從水箱底部經(jīng)循環(huán)泵進(jìn)入燃?xì)饪焖贌崴鳎訜嶂猎O(shè)定溫度后進(jìn)入水箱頂部；用水時(shí)，從水源補(bǔ)充的冷水部分與水箱出水混合，冷水通過(guò)調(diào)節(jié)閥和燃?xì)饪焖贌崴鬟\(yùn)行狀態(tài)，使得水箱的出水與冷水的混合水溫符合使用要求，同時(shí)從水源補(bǔ)充的其余冷水進(jìn)入水箱底部。
4.2補(bǔ)熱加熱方式
在用熱水時(shí)，蓄熱水箱出水溫度低于設(shè)定使用溫度時(shí)，輔助加熱裝置啟動(dòng)加熱冷水至高于蓄熱水箱輸出的熱水溫度，然后與蓄熱水箱輸出的熱水混合，混水后溫度達(dá)到符合用水設(shè)定溫度要求。
在正常用水過(guò)程中，由于設(shè)定蓄熱溫度通常高于熱水使用終端的用水設(shè)定溫度，所以，用水時(shí)需要采取混水措施保證使用終端的熱水輸出溫度。為減少熱水輸送過(guò)程的熱量損失，以及穩(wěn)定熱水輸送系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通常混水過(guò)程需要在系統(tǒng)的熱水輸出前完成。
5.結(jié)語(yǔ)
家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的舒適性日益受到消費(fèi)者的關(guān)注，舒適性主要體現(xiàn)在適宜的溫度并保持恒定，以及穩(wěn)定的熱水流量，蓄熱水箱采用溫度分區(qū)措施形成容量適宜的等溫?zé)崴畢^(qū)，結(jié)合恒溫補(bǔ)熱的輔助加熱措施，以及容量適宜的蓄熱水箱，滿足舒適性要求。同時(shí)，蓄熱水箱采用溫度分區(qū)運(yùn)行方式，使得蓄熱水箱內(nèi)的儲(chǔ)存的熱量測(cè)量簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確，便于及時(shí)利用輔助熱源補(bǔ)充熱量以保證熱水供應(yīng)充足，而且補(bǔ)熱運(yùn)行最大限度減少過(guò)剩的加熱量，從而降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。
