太陽能熱水系統舒適性蓄熱水箱設計措施分析

摘要：家用太陽能熱水系統通過蓄熱水箱採用溫度分區措施和恆溫補熱的輔助加熱措施，以及容量適宜的蓄熱水箱，可以在穩定的熱水流量下獲得適宜的熱水溫度並保持恆定，從而顯著改善了舒適性要求。同時，蓄熱水箱採用溫度分區的運行方式，便於測量蓄熱水箱內儲存的熱量，為及時利用輔助熱源補充熱量滿足熱水需求創造了條件，而且也使得最大限度減少補熱運行的補充加熱量過剩。

關鍵詞：太陽能熱水系統,生活熱水,蓄熱水箱,溫度分區,補熱加熱,剩餘熱水量,熱泵,燃氣熱水器

1.概述

家用太陽能熱水系統的舒適性日益受到消費者的關注，舒適性主要體現為適宜的溫度並保持恆定，以及穩定的熱水流量。高舒適性的家用太陽能熱水系統的基本設計原則是利用太陽能減少能耗、降低運行費用，利用高性能的輔助熱源保障舒適性。由於受建築物結構以及經濟性的制約，家用太陽能熱水系統通常在配置上採用較大蓄熱水箱，較小集熱器面積的方案，除夏季日照條件良好的情況外，其餘季節通常太陽能集熱器的集熱量不足以將整箱水的溫度提高至設定溫度，所以多數情況下，太陽能熱水系統的蓄熱水箱內部的溫度分布，從上至下保持5~10℃的溫差，因此在用水時，水箱輸出的溫度通常隨輸出水量的增加而逐漸降低，若沒有適當的措施，保持用水終端的用水溫度穩定難度較大。萬和公司在近年的蓄熱水箱研究和開發工作中，通過對水箱內溫度場控制和測量措施的改進，改善了對蓄熱水箱熱量的調節手段，結合輔助加熱裝置及其運行模式的改進，作為太陽能熱水系統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能熱水系統的舒適性和運行經濟性。

2.蓄熱水箱

在蓄熱水箱內將不同溫度的熱水採用分區儲存的措施，在日本的熱泵熱水器產品的蓄熱水箱中已經應用多年，這項技術措施對改善熱水輸出特性和系統運行經濟性具有重要的作用。

在熱泵加熱裝置或燃氣快速加熱裝置進行蓄熱運行時，冷水從蓄熱水箱底部進入加熱裝置，以大溫差方式循環，一次加熱水溫就達到設定的加熱溫度，流量控制在最小值，當水箱內平均流速低於0.05m/s時，當熱水從蓄熱水箱頂部進入後，在水箱上部形成穩定的等溫熱水層。隨著加熱量的增加，等溫熱水層的厚度逐漸增大，由於水的物理特性，等溫熱水層與下部的冷水之間形成一層過渡層，而且該過渡層保持在較小的厚度並相對穩定，因此，在一定範圍內熱水的使用量和加熱量表現為該過渡層位置的變化，當該過渡層的位置處於預期範圍內，任何時候需要的水溫都是設定溫度，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渡層厚度和位置相對穩定的特性，在水箱外殼設置溫度感測器可以準確測量過渡層的位置，結合流量測量和熱量平衡計算等方法，從而提高測量水箱中可用熱水量的準確度，為優化熱水系統的運行參數創造條件。若水箱內剩餘熱水量不足而需要利用輔助加熱裝置補充熱水量時，輔助熱源提供的熱量集中在水箱頂部，最大限度避免過量加熱的情況，從而有效提高輔助熱源的利用效率。因而使熱水系統的使用便利性和運行經濟性得到顯著提高。

對於太陽能加熱循環，採用外置式換熱器結構方案，熱水系統配置靈活，若太陽能熱水系統採用直接加熱方式即可省略相應的換熱器，而且該結構方案便於換熱器維護，可以避免內置盤管故障率高而且無法維修的問題。不過，考慮到在高舒適性的家用太陽能熱水系統中，較低的水溫有利於提高太陽能集熱器的集熱效率，所以太陽能集熱器的熱水循環熱水回水不適宜設置在水箱頂部，而通常不高於全水箱高度的1/3。將太陽能集熱器的循環過程限制在水箱下部進行，由於冷水和熱水在水箱中被過渡層隔離，保證了進入太陽能集熱器的水溫處於較低水平，有利於提高太陽能集熱器的集熱效率。在冬季進行太陽能集熱器防凍循環運行時，從太陽能集熱器冷卻後的溫度降低回水以自然對流方式進行分層，同時由於過渡層隔離作用，保證了熱水使用不會受到防凍循環運行的影響。熱泵水路系統的防凍循環情況與太陽能集熱器的類似。

3.輔助熱源

太陽能集熱器的加熱運行需利用白天的日照，熱泵最經濟運行時間在夜間電網負荷低谷時段。不同類型的能源技術經濟特性存在差異，因此，雖然能源之間可以通常適當的轉換相互替代，但是，兩種具有相近的功能而技術經濟性差異較大的能源，如果能夠合理地進行集成，將獲得優於兩種能源獨立使用的效果。例如，電熱過程是將電能轉換為熱能的過程，從一次能源利用效率的角度衡量，能源利用效率較低。但是，電熱過程易於控制、調節以及製造成本低廉是電熱技術突出的優勢。太陽能熱利用過程受氣象條件制約明顯，日照條件不良會不同程度影響輸出熱水的溫度，同時還存在冬季水溫持續偏低的難題，採用集成電加熱措施，利用電加熱元件能夠以緊湊的結構和低廉的購置費用，彌補日照條件不足以及冬季運行對太陽能熱利用過程水溫影響的效果，系統運行穩定、可靠。

太陽能集熱器與燃氣快速熱水器組合是目前有燃氣供應地區比較有競爭力的方案，因為在室外環境溫度較低時，採用氟碳類製冷劑的空氣源熱泵機組的制熱性能衰減情況明顯，用燃氣快速熱水器與太陽能集熱器結合，系統運行穩定、簡單、成本較低。

4.運行模式

一般情況下，蓄熱水箱始終保持一定量的恆溫熱水以隨時滿足少量的熱水需求。如在早晨，水箱下部基本為低溫水，白天太陽能加熱時，在過渡層以下的低溫區域，水溫從上至下保持5~10℃的溫差，隨太陽能集熱量增加逐漸升高，當太陽能加熱量足夠大時，過渡區消失，頂部原恆溫熱水區的水溫高於設定溫度。在太陽能加熱結束時，控制系統通過對剩餘熱水量的測量，與預計當天熱水需求量進行對比，確定是否需要輔助熱源運行以及補充熱量。

輔助熱源補充熱量的基本方式有兩種：

一是蓄熱加熱方式———在不用熱水時輔助熱源對蓄熱水箱內的熱水加熱；

二是補熱加熱方式———在用水過程中輔助熱源對輸出的熱水進行加熱。

蓄熱加熱方式適用於水箱中剩餘熱水量與預期需求相差較大的情況，或採用小功率輔助熱源裝置，例如小功率的空氣源熱泵等情況；補熱加熱方式適用於採用水箱中剩餘熱水量與預期需求相差較小，或採用大功率輔助熱源裝置，例如，燃氣快速熱水器的情況。

4.1蓄熱加熱方式

若採用熱泵熱水器為輔助熱源，熱泵為水箱加熱時，低溫水從水箱底部經循環泵進入冷凝器，加熱至設定溫度後進入水箱頂部；用水時，從水源補充的冷水部分與水箱出水混合，冷水通過調節閥的開度和熱泵運行狀態，使得水箱的出水與冷水的混合水溫符合使用要求，同時從水源補充的其餘冷水進入水箱底部。

若採用燃氣快速熱水器作為輔助熱源，燃氣快速熱水器向水箱加熱時，低溫水從水箱底部經循環泵進入燃氣快速熱水器，加熱至設定溫度後進入水箱頂部；用水時，從水源補充的冷水部分與水箱出水混合，冷水通過調節閥和燃氣快速熱水器運行狀態，使得水箱的出水與冷水的混合水溫符合使用要求，同時從水源補充的其餘冷水進入水箱底部。

4.2補熱加熱方式

在用熱水時，蓄熱水箱出水溫度低於設定使用溫度時，輔助加熱裝置啟動加熱冷水至高於蓄熱水箱輸出的熱水溫度，然後與蓄熱水箱輸出的熱水混合，混水後溫度達到符合用水設定溫度要求。

在正常用水過程中，由於設定蓄熱溫度通常高於熱水使用終端的用水設定溫度，所以，用水時需要採取混水措施保證使用終端的熱水輸出溫度。為減少熱水輸送過程的熱量損失，以及穩定熱水輸送系統的運行狀態，通常混水過程需要在系統的熱水輸出前完成。

5.結語

家用太陽能熱水系統的舒適性日益受到消費者的關注，舒適性主要體現在適宜的溫度並保持恆定，以及穩定的熱水流量，蓄熱水箱採用溫度分區措施形成容量適宜的等溫熱水區，結合恆溫補熱的輔助加熱措施，以及容量適宜的蓄熱水箱，滿足舒適性要求。同時，蓄熱水箱採用溫度分區運行方式，使得蓄熱水箱內的儲存的熱量測量簡便、準確，便於及時利用輔助熱源補充熱量以保證熱水供應充足，而且補熱運行最大限度減少過剩的加熱量，從而降低系統的運行費用。

來源：《中國太陽能工程》雜誌作者：廣東萬和新電氣股份有限公司/黃遜青

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！