您的位置 首页 游戏资讯

太阳能资讯:“集分式”太阳能热水系统之经验总结

  摘要:“集分式”太阳能热水系统应用至今,已经具备了一定的市场规模和广泛的市场发展空间,笔者通过多年的从业经验,总结该系统的发展历程、介绍了目前行业中近乎全部典型的系统形式、相关产品和系统设计理念,提出了“集分式”太阳能热水系统面临的问题和发展方向,以此抛砖引玉,希望能够为太阳能事业的发展贡献一份力量。

  前言

  集中集热-分户换热系统是近几年来广泛应用于太阳能集中供热水工程项目的系统形式之一,这种系统是不同于以往太阳能热水系统的一种新的应用形式。

  集中集热-分户换热系统最早出现是在2007年,由北京市太阳能研究所集团有限公司提出,其原理是借鉴了阳台壁挂式太阳能热水器的储热水箱设计思想,整体系统构想是应天津市建委的要求,响应当时天津市政府民心工程的设计理念,与天津市建筑设计院共同研究并设计推出的一套太阳能与多层、中高层民用建筑领域结合的系统形式。

  “集中集热-分户供热”主要解决了太阳能热水系统对于高层、小高层建筑收费难的问题,同时,在体现公平、合理使用太阳能的原则下,彰显了“能量免费”和“使用者付费”的设计理念,因此,该系统一经推出,短短几年就占据了民用建筑太阳能应用领域的绝大部分市场,甚至在行业内形成了这样一种趋势——能够设计“集中集热-分户供热”系统的太阳能公司方能被太阳能行业专业人士认可。

  诚然,“集中集热-分户供热”太阳能系统由于其系统优势——解决了收费问题,使其更容易被房地产开发商和用户接受,但“集中集热-分户供热”太阳能热水系统目前也有其难以解决的问题,本文将一并提出,希望行业内外有关人士能建言献策,将“集中集热-分户供热”太阳能热水系统不断完善使之发扬光大。

  集中集热-分户供热系统详解

  “集中集热-分户供热”太阳能热水系统容易与“集中-分散供热水系统”相混淆,对照《民用建筑太阳能设计规范》GB50364-2005相关条款的规定,集中-分散供热水系统是不适合高层或小高层运用的。

  表1-1 太阳能热水系统设计选用表(摘自GB50365-2005表4.2.6)

  

  表一:太阳能热水系统设计选用表

  针对此问题,作为《民用建筑太阳能设计规范》GB50364-2005国家标准的主要起草人之一,北京市太阳能研究所学术委员会主任、国家新能源工程技术研究中心副主任何梓年老师给出了两点解释:

  1、规范所设定的不适用是在编订时的技术条件下制定的,受当时条件所限,并没有涵盖所有的系统形式;

  2、规范所规定的是指供热水系统,而“集中集热-分户供热”系统供应的是热量而非热水,因此并没有违背国家标准的规定。

  为了与规范中的系统区分开来,何老师将该系统命名为为“集中集热-分户供热”系统,简称“集分系统”,虽然现在行业内有各种不同的名称如: “集中集热-分户储热”、“集中集热-分户储热供热”等等,其本质还是“集分式系统”,设计思路和理念并没有变化。

  “集分式系统”的设计主要考虑了几个方面:

  1、集中集热——将足够供应整个建筑或系统的太阳能集热器集中布置,集热器所得的热量统一收集,统一分配,这样就使得用户所得到热量不再受日照条件、楼层高低等客观条件的限制,从而确保最大收益、合理分配、减少能源浪费。

  2、分户供热——指的是将集热器收集的热量公平的分配给每个用户,每个住户得到等额的热量,并且降低住户的费用支出,除去合理的运行公摊支出外,不再为热量付费。

  从以上介绍可以看出,“集分式系统”是由两个独立的循环系统组成,“集中集热”是指太阳能循环集热系统,通常都设计有储热水箱、循环水泵、循环管路和控制系统等几个部件,这和以往的太阳能热水系统组成部件一样,采用的温差循环原理也一样,稍有不同的只是储热水箱的容积要远小于以往的系统。

  许多设计人员认为“集分式系统”的储热水箱设计容量小是为了使得储热水箱得到的水温大幅升高,从而提高分户换热的换热能力。其实,在北京市太阳能研究所集团有限公司最初设计“集分式系统”时,并没有将这个水箱定义为储热水箱,而是定义为“落水水箱”,其主要功能是为了解决北方冬季集热器的防冻问题,因为“集分式系统”除了循环水泵等必要的用电必须分摊外,降低常规能源的消耗来降低住户的花费也是设计目的之一。

  既然“集分式系统”的水箱是为了解决冬季防冻而设置,因此,设计容量是依据集热器和循环管路所容纳的最多水量而计算出来的,再经过水箱单位容积的性价比对比选型,最终确定为1~2立方米的净容积,现在大多数系统选择的1~2立方米也是参照了当时的设计。

  典型的“集分式”太阳能热水系统原理图如下:

  

  图一:典型“集分式”太阳能热水系统原理图

  从“集分式”太阳能热水系统设计的基本思路上可以看出,整个系统是由太阳能集热部分和分户换热部分两部分组成。

  太阳能集热部分比较传统:就是一个由集热器、循环水泵、储热水箱、循环管路及控制仪表组成的直接开放式循环系统,通常采用的是机械式强制温差循环;分户换热部分是由循环水泵、户内换热水箱及连接管路组成的闭式循环系统,一般为了保证各个水箱的换热效果一致,循环管路设计时遵循了“等径同程”的三管形式,即由一根供水管、两根回水管形成分户换热水箱“并联”的形式,为节省建筑内管井的占用空间,在有条件的住宅楼往往也采用多住户共用一根主回水管式的方式,如下图:

  

  图二:“集分式”太阳能热水系统主回水式原理图

  从最近接触的工程项目设计和运行效果来看,储热水箱(或叫落水水箱)的设置并不是唯一可行的设计方案——用板式换热器或容积式换热器取代储热水箱,同时采用防冻液等具有抗冻能力的循环介质来进行集热换热的间接式闭式循环系统也得到的较好应用和推广,采用板式换热器的系统图如下:

  

  图三:“集分式”太阳能热水系统板换式原理图

  由上图可见,采用板式换热器或容积式换热器的系统,减少了水箱储热升温的过程,使得集热器获得的热量第一时间就能够用于户内换热水箱的换热,这样的设计有几个优点:

  1、减少了储热水箱需要提升水温至一定的温度后才开始户内水箱换热的过程,从每日的换热过程来说,采用换热器的方式延长了户内换热时间,从而使换热效果更优。

  2、对于阴雨天或者日照时长低于平均日照时长的日子,采用换热器的方式可以使得有限的热量充分被利用,避免了图一中储热水箱温度未达到换热所需温度导致控制系统无法启动换热水泵,从而使得系统无法将原本可利用的热量传递给用户,造成能源的浪费。

  3、从控制系统的原理的设计原理上来看,太阳能集热循环的温差循环也直接带动换热循环,省去了户内换热的温差比较和控制元器件的数量,系统性价比更高,系统安全、稳定性也更好。

  4、采用换热器的系统设计可以有效的隔断太阳能循环和户内换热循环两种换热介质,从而使得两种循环可以使用不同的换热介质,这样的设计对于北方四季气候变化比较明显的地区特别重要。例如在天津,采用换热器的系统,太阳能循环一侧采用防冻液循环,保证冬季防冻效果;而户内换热一侧采用水循环,避免了循环介质泄漏造成的环境污染和对人身健康的威胁。

  “集中集热-分户供热”太阳能热水系统的理论计算

  太阳能集热部分设计计算,见GB50364中直接系统的公式:

  

  具体各个参数的取值,这里不再繁述,需要注意的是:

  1. 日均用水量,通常计算都以户内换热水箱的总容积作为日均用水量来考虑,但是对于储热水(或落水水箱)而言,储热水箱内的水虽然没有被用掉,但是这些水每日都被提升加热,而且在系统完成每日的循环换热后仍有很大一部分热量无法释放出去,设计计算时必须考虑该部分水量,否则会造成系统实际效果明显低于设计效果。

  2. 贮水箱和管路的热损失率取值,对于“集散式”这种大系统,循环管路要远远大于一般的太阳能系统,因此,系统热损失率应该考虑按照最大值计取,取值过低会造成系统达不到设计要求。

  分户换热部分的计算可以依据GB50364中间接加热系统的太阳能集热器面积的计算公式计算:

  

  间接加热系统的计算公式对于储热水箱的系统可以套用,但是对于换热器形式的系统的计算就明显不适合,这是因为间接加热系统的计算只适合二次换热系统,而采用换热器的太阳能热水“集分式”系统属于三次换热系统,即太阳能至换热器为一次换热,换热器至户内水箱为二次换热,户内换热水箱至自来水为三次换热,这三次换热过程的结果通过间接系统的一次计算很难保证其结果更准确有效。

  虽然GB50364所给出的这个公式并不适用于“集分式”系统,其中的参数也不是完全适合“集分式”系统,但目前没有更加适合的标准规范和相关公式,行业内暂时依据这个公式作为参考。在此也希望更多的太阳能从业人员能参与“集分式”系统的探讨、研究,更早的提出合适的理论计算方法。

  “集中集热-分户供热”系统的适用范围

  “集分式系统”适用的范围主要是针对高层、小高层的建筑,根据建筑结构的划分规范规定:1~3层为低层(习惯上1层住宅建筑叫平房,2~3层的称为低层住宅)、4~6层为多层、7~9层为中高层(习惯上4~7层称为多层住宅;8~11层称为小高层住宅)、10层及以上为高层(通常12层以上才称为高层住宅)、总高度为100米以上为超高层。如果建筑层高为3米/层来计算话,超高层建筑的层数在33层以上。

  从目前房地产开发商所推广的项目层数上来看,6-30层的住宅项目居多,1~5层的项目基本集中在别墅、联排洋房等相对高档的住宅,对于这些项目,一般建议选择家用太阳能热水器或分体式太阳能热水器,而“集分式”太阳能系统重点解决的是6-30层住宅项目使用太阳能热水系统的问题。

  6层以下的多层普通住宅建筑,选择家用单体太阳能热水器(包括阳台壁挂式太阳能热水器)更加适合。对于6层以上9层以下的住宅项目,“集分式”太阳能热水系统常常因性价比不合适而被开发商拒绝,在这里推荐一种“集散式”太阳能热水系统—— “集散式”太阳能热水系统是将太阳能换热水箱串联在太阳能循环系统的回水管路上而组成的单组水泵循环系统,如下图:

  

  图四:“集散式”太阳能热水系统原理图

  “集散式”太阳能热水系统是一次循环系统,其与“集分式”系统最大的不同就是其储热水箱、循环水泵等系统组件是设置在建筑的低层或底层,“集散式”太阳能热水系统由一组水泵完成集热循环和换热循环的前提条件就是两个循环循环系统的流量和扬程要基本一致。

  首先计算两个循环的流量:假定“集散式”太阳能热水系统的集热面积为每户1.75平米,可以计算出太阳能集热器所需要的循环流量;而户内换热水箱的换热循环流量通过实验得出最佳的换热流量为100L/h,按此数据计算出户内换热水箱所需要的循环流量,见下表:

  表二:“集散式“太阳能热水系统循环流量计算表

  说明:

  1、太阳能集热循环流量依据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册(第二版)》,(郑瑞澄主编,化学工业出版社2005出版),真空管型太阳能集热器可以按照0.015~0.02L/(s·m2)进行估算,平板型太阳能集热器可以按照0.02L/( s·m2)进行估算。

  2、户内换热水箱循环流量数据来自北京市太阳能研究所集团有限公司针对本公司产品所做的测试数据得出。

  3、循环水泵的流量以威乐水泵热水循环泵PH系列额定流量为准。

  从以上计算可以看出,“集散式”太阳能热水系统如果选择合适的水泵确实可以满足集热循环和换热循环的要求。

  系统的循环扬程计算:水泵的扬程是和水泵的功率成正比关系,随着楼层的逐渐升高,满足同样的需求的耗能也逐渐上升,通过计算不同层高的“集散式”系统水泵轴功率计算来比较一下户均耗能功率:

  表三:“集散式”太阳能热水系统户耗能功率计算表

  说明:

  1. 以常见的一梯四户建筑格局为例,户内换热水箱假设为60L/户,换热水箱所需要的循环流量统一为100L/h。

  2.循环水泵的轴功率计算公式为:

  式中: N,轴功率,单位是瓦(W);

  Q,流量,单位是立方米每小时(m3/h);

  H,扬程,单位是米(m);

  G,是水泵的效率,固定值(0.6~0.85),,一般流量大的取大值,流量小的取小值;本表取0.7;

  1. 水泵功率=轴功率*安全系数(通常取1.1~1.2);

  从以上计算结果可以看出,随着建筑高度由6层升至17层,户均耗能由11W升至了30W,假定每日“集散式”太阳能热水系统运转6小时可以将60L初始温度为15℃的冷水加热到60℃,则得到的热量为11.34kJ,户均耗能则由2%升至5.67%,多耗能近乎3倍:

  

  图五:6-17层“集散式”太阳能系统获得相同热量所耗能所占比例

  这里还有一个问题,通过理论计算的水泵选型并不一定能够选择到合适的水泵,以威乐PH热水循环水泵为例,满足6层一梯四户的“集散式”系统,可以选择PH751EH(原型号为PH403EH):额定流量130L/min,额定扬程16米,输入功率1KW,这时的户均能耗为41.67W,而同样的11层建筑,则应该选择PH2201QH(原型号PH2200Q),额定流量308L/min,额定扬程30米,输入功率2.8kW,这时的户均能耗就达到了63.64W,对比理论计算值都有很大程度的升高。

  

  图六:6-11层“集散式”太阳能系统所所选水泵的能耗对比

  从以上计算可以看出,“集散式”系统在9层以上的住宅建筑单位能耗要远远大于9层以下的单位能耗,所以超过9层住宅不宜采用“集散式”太阳能系统。

  “集中集热-分户供热”系统尚存的几个问题

  “集中集热-分户供热”太阳能热水系统应用至今,也随之产生了很多相关的问题,针对这些问题,北京市太阳能研究所集团有限公司在长期的实践过程中,积累了一些宝贵的经验,供读者参考:

  (1) “反向换热”现象是否真的存在?

  “反向换热”问题自“集分式”太阳能热水系统出现之时就有很多人提出,由于在换热水箱中设置了电加热装置,因此用户比较关心“反向换热”问题,即某户的换热水箱使用电热加热到一个较高的温度状态时,是否会产生热量被循环系统带走一部分热量的可能,“反向换热”是肯定存在的,但这个问题要从三个方面考虑:

  1、用户启动电加热和使用热水的习惯问题,通常情况下用户使用热水的时间都是在PM7:00~10:00左右,这时太阳已经下山,太阳能换热循环系统已经进入停止状态,这时不存在“反向换热”问题。

  2、如果用户在白天太阳能系统运行时,启动电加热,这时是两套加热设备在为同一个终端设备加热,由于部内换热水箱设定的最终水温为60℃,而太阳能循环换热为达到这个温度必定会高于60℃,因此此时“反向换热”问题理论上不成立。

  3、最后一种情况很少见,就是在俗称的“昙天”情况下,既有太阳能系统的运行,又有电加热的使用,同时太阳能的循环换热温度低于电加热的温度,在这种情况下,“反向换热”是存在的,但是热传导行业的专家给出了权威解释:在循环换热过程中,高温的、运动的介质向低温、静止的介质传热的能力很强;而高温的、静止的介质向低温的、运动的介质传热的过程不仅传热能力较差,而且很快就会达到动态平衡,因为这时换热的接触面附近的温度一旦达到平衡或等温,换热过程马上就停止了,这种现象就像冬天河面会结冰而河水还可以保持一定温度的道理是一样的。

  目前,有一些厂家在设计“集分式”太阳能热水系统时,加入了电磁两通阀或三通阀的设计,从而保证“反向换热”出现时阻断太阳能循环,如下图:

  

  图七:“集分式”太阳能热水系统电磁阀阻断“反向换热“示意图

  采用增加电磁两通阀或三通阀的做法虽然可以有效的防止“反向换热”现象的出现,但同时也要注意几个问题:

  1、在每户户内换热水箱上增加电磁阀,要保证电磁阀的质量优良,目前市场上的电磁阀均存在寿命短的问题,每日的频繁开启、关闭,极易导致电磁阀损坏。

  2、循环系统不能全部采用电磁两通阀,设计时应考虑电磁两通阀全部关闭而循环水泵开启时造成的系统循环不畅,损害设备、管道的问题。

  3、采用电磁两通阀需要每户增加初投资,使得“集分式”系统的性价比升高,导致系统整体缺乏市场竞争力。

  (2) “集分式”太阳能热水系统是否能真正的实现 “公平”?

  “集分式”太阳能热水系统倡导“公平、利益共享”原则,虽然设计时采取了很多措施、手段来尽量消除因楼层的不同引起的差异,但是,绝对的“公平”还是难以实现。

  (3) “集分式”太阳能热水系统是否适用于30层以上的住宅?

  高层和超高层住宅项目采用太阳能热水系统一直是困扰太阳能行业的难题,在“集分式”太阳能热水系统出现以前,绝大多数的太阳能热水系统是以“集中集热、集中供水”的方式来解决的,虽然“集分式”在6~20层住宅项目上有良好的表现,但是“集分式”系统目前还是不适合30层左右或更高的住宅项目运用,其症结在于:

  1) 超过30层的住宅项目屋顶太阳能集热器的安装面积无法满足整栋建筑的全部生活热水集热面积,以层高30层,户均80平米,一梯四户的常见住宅户型为例,则平屋顶的总面积约为320平米;对于南北坡的斜屋顶,可利用安装太阳能集热器的南坡面积大约只有160平米。总住户120户,大致计算120户,每户的集热器面积应该保证在1~1.5平米,总集热器面积为180平米,平屋顶大约1.7平米安装1平米的集热器,则平屋顶需要306平米,如果平屋顶有电梯机房以及预留通道等占用空间后,安装太阳能集热器的空间就明显不足了。

  2) 高层安装“集分式”太阳能热水系统,管路的静压问题一定要考虑,对于30层高的住宅,层高超过100米,静压力超过1.0MPa,供热循环水泵需要克服静压力所产生的阻力,如果系统循环不均衡或水泵扬程不足以克服静压力产生的阻力就会造成建筑低区水压过高,甚至会影响整个系统的运行,同时,在住宅项目中引入高压管网,其本身就不符合规范要求。

  依据《建筑给水排水设计规范》 GB50015 的有关规定:

  1.3.3 建筑物内的给水系统宜按下列要求确定:

  1、应利用室外给水管网的水压直接供水。当室外给水管网的水压和(或)水量不足时,应根据卫生安全、经济节能的原则选用贮水调节和加压供水方案;

  2、给水系统的竖向分区应根据建筑物用途、层数、使用要求、材料设备性能、维护管理、节约供水、能耗等因素综合确定;

  3、不同使用性质或计费的给水系统,应在引入管后分成各自独立的给水管网。(注意子系统界定与分解)

  3.3.5 高层建筑生活给水系统应竖向分区,竖向分区压力应符合下列要求:

  1、各分区最低卫生器具配水点处的静水压不宜大于 0.45MPa;

  2、静水压大于 0.35MPa 的入户管(或配水横管),宜设减压或调压设施;

  3、各分区最不利配水点的水压,应满足用水水压要求。

  3.3.5A 居住建筑入户管给水压力不应大于0.35MPa。(静水压、动水压)。

  第2.3.4条高层建筑生活给水系统的竖向分区,应根据使用要求、材料设备性能、维修管理、建筑物层数等条件,结合利用室外给水管网的水压合理确定。分区最低卫生器具配水点处的静水压,住宅、旅馆、医院宜为300~350kPa;办公楼宜为350~450kPa。

  从以上规范标准来看,高层“集分式”太阳能热水系统的压力远远超过了规范允许的入户水压,虽然“集分式”太阳能热水系统的管路属于封闭循环管路,而卫生器具配水点的静压力是属于开放式生活供水管路,两者存在本质的区别,但是,在没有明确的规范约束时,还是应该尽量考虑周全,避免不成熟的设计方案投入施工当中。

  当然,不能仅仅强调太阳能热水系统的压力不是卫生器具配水点的压力就认为这个问题已经解决了,太阳能热水系统的循环管路也进入了室内,虽然并没有输出水压的问题,但是系统1.0MPa的压力仍然是一个比较危险的压力源,一旦发生管道泄漏或配件损坏,极易造成人身、财产伤害和危险事故的发生。

  目前能够采用的解决办法就是循环管道采用竖向分区,控制各个分区最高静水压不大于0.45MPa,实现这个目标有两种方式:

  a) 户内支管减压方式:

  减压阀是通过调节,将进口压力减至某一需要的出口压力,并依靠介质本身的能量,使出口压力自动保持稳定的阀门。从流体力学的角度看,减压阀是一个局部阻力可以变化的节流元件,即通过改变节流面积,使流速及流体的动能改变,造成不同的压力损失,从而达到减压的目的。

  “集分式”太阳能热水系统,设置支管减压来使得入户水压降低至安全值以下是目前较易实现的方式,但是采取这种方式有两个问题必须注意:

  支管减压阀安装示意如下图。

  

  图八:“集分式”太阳能热水系统支管减压阀安装示意图

  ① 支管减压的方式一般需要减压阀直立安装在水平管道上,并且必须严格保证水流流动方向和阀体上的箭头方向一致,而在“集分式”太阳能热水系统中,水流方向会随着循环水泵的启停改变,循环水泵启动时,水流向储热水箱流动;循环水泵停止时,水流会瞬时间反向流动,这时静压力依旧会恢复最大值,并且一直保持到水泵的再次启动,因此,在支管设置减压阀并不能消减管道的静压力,只能在系统循环时降低储热水箱所承受的水压冲击。

  ② 在热水管道上使用减压阀,一定要考虑减压阀的使用寿命,无论是比例式减压阀还是可调式减压阀,其密封部件及可调式减压阀腔中的隔膜均为橡胶制品,即使是最好的可耐温260℃的氟橡胶在高温热水环境中工作,持续一段时间后就会降低密封盒减压性能,从而造成减压阀失去减压作用,形成危险,而这一点却经常为人们所忽视。

  b) 除了支管减压方式,将循环管路水分为区,也是消减静压力的方法之一。高、低分区使得各分区分别循环,高、低区各以自身的最高点产生静压,从而使各分区的压力控制在允许的范围内。通常低区以1~14层为一个循环系统,供水循环泵可以设置在1层或者地下设备间;高区循环以15~30层为一个系统,循环水泵可以设置在屋顶;而超过30层的建筑则划分为高、中、低三区。

  采用分区分别循环的方式可以有效的消减入户水压的静压力,同时通过在公共管井中的竖向立管上安装减压阀组来降低低区系统的整体静压力,这样的设计依旧需要保证减压阀的质量和寿命来提高系统可靠性,一旦减压阀失效,系统依然存在管道压力超高的风险;同时,低区供水循环泵需要选用扬程较高的水泵,不仅对于水泵的出水、增压能力有要求,对水泵的质量也要有一定的要求。

  划分高、低区,将高、低区的设备必须全部分开,高区循环沿用原设计的上供上回方式;低区循环改为下供下回方式,需要在首层或地下层增设一个设备间或设备机房。

  在公共管井内进行压力分区,而保证入户的供回水最高压力低于0.45MPa,满足规范对于水压的要求,但是,高低区分区的设计会产生高区热、低区冷的现象,这是由于低区供水的管道长度远远大于高区的管道长度而造成低区的热损失远远高于高区,,从满足使用要求的角度考虑,需要适当增加低区使用的集热器面积,并且严把施工质量,确保保温措施的有效。

  采用分区的方式带来了增加户内管道井占用面积的问题,低区循环管道需要通过管道井将热水输送至低区设备间,这样的系统相比典型的“集分式”系统增加了竖向立管的数量,造成系统初投资的增加。

  高区、低区的划分,是解决系统静压力的最有效方式,也是目前设计单位所能给出的最好方案。

  在“集分式”太阳能热水系统的设计时应尽量不要把系统的安全性捆绑在产品的质量上,多考虑意外的发生,通过技术手段来提高系统的安全性,“越简单的设计就越合理”,对于节能、环保的产品(系统)设计,系统设计更应该重视安全性。

  (4) “集分式”太阳能热水系统中各部分管道的设计?

  “集分式”太阳能热水系统的工程案例中对于竖向立管的管径设计一直都有争议,北京市太阳能研究所集团有限公司最初设计的系统均为等径立管,随着项目设计参与人员的增加,立管变径的方案逐渐多了起来。

  (5) “集分式”太阳能热水系统采用何种户内换热水箱更好?

  “集分式”太阳能热水系统中户内储热水箱,是一种新型的双能源水箱,虽然形式与容积式燃气壁挂炉的水箱原理相近,但是加热方式和设计参数都需要重新设计计算。

  北京市太阳能研究所集团有限公司最早开始研究并生产测试这种换热水箱,通过研发、生产、安装使用了大约10万只水箱后,总结出一些具有实际指导和应用的经验。

  “集分式”太阳能热水系统对户内储热水箱的换热性能、储热性能以及外形尺寸的要求较高,因此,如何选择最适宜的水箱受到设计人员高度重视。

  从目前的生产加工工艺角度来看,储热水箱能实现的换热形式可以分为三大类:胆中胆储热水箱、夹套储热水箱、盘管储热水箱。

  胆中胆储热水箱:

  在水箱内部设置一个换热小内胆的为胆中胆搪瓷储热水箱,小内胆又分为两类:不锈钢换热内胆和搪瓷换热内胆。胆中胆储热水箱中的小胆可以承受更高的内压和负压,特别适应于静压力较高的项目,北京市太阳能研究所集团有限公司在“集分式”系统实施之初也是大量的采用胆中胆储热水箱,换热效果可以满足需要,但是胆中胆储热水箱换热面积受限,设计时应该考虑加大循环流量,用较大的循环流量弥补换热面积不足。

  采用胆中胆搪瓷储热水箱还应考虑小内胆内部无法搪瓷的问题,小内胆内部没有搪瓷,会造成小内胆从内部蚀穿,造成储热水箱内外串水。

  胆中胆搪瓷储热水箱因为简单易实现,成本低,耐压能力强,可以手动排出小内胆积存空气等优点,因此一直被“集分式”太阳能系统选用,甚至被用于太阳能阳台壁挂自然循环系统。

  

  图九:胆中胆储热水箱构造示意图

  夹套储热水箱

  夹套储热水箱最早是阳台壁挂太阳能集热器的专用水箱,其结构特点在与搪瓷内胆的筒体外加了一层外胆,夹层与贮水胆之间就是传热工质通道。由于夹套储热水箱换热胆直径为整个水箱的最大尺寸。因此换热面积相较胆中胆大很多,因此在系统自然循环的情况下都可以得到较高的换热效率。但是夹套储热水箱的结构特点,决定了其承压能力的很弱,当系统运行压力达到一定值时,夹套层之间的压力会涨爆水箱外胆,增加夹套层的材质厚度可以增加夹套层的耐压能力,但同时也造成了加工工艺的难度和成本的增加,所以夹套储热水箱不太适合高层“集分式”系统的采用,静压力在可控范围内的还是可以使用的。

  夹套储热水箱在“集分式”太阳能系统中使用的很少,除了耐压问题外,还存在夹层“窝气”的情况,在阳台壁挂式太阳能热水器使用时,循环系统一直处于闭式状态,“窝气”现象并不明显,而在“集分式”太阳能热水系统中,循环系统经常会带入空气,久而久之,造成了储热水箱夹套层循环被空气阻隔,难以实现循环。

  

  图十:夹套储热水箱构造示意图

  盘管储热水箱

  盘管储热水箱是以盘管作为换热器的。水箱内置的盘管可以实现大换热面积,承压能力不亚于胆中胆储热水箱,而且换热工质在盘管内流动长度长,换热效果好,更适合“集分式”太阳能热水系统在高层建筑的使用。

  

  图十一:盘管储热水箱构造示意图

  盘管储热水箱所使用的盘管材料主要有铜盘管、碳钢搪瓷盘管和不锈钢盘管三种。不锈钢盘管加工工艺难,无法搪瓷处理,采用的较少;铜盘管的优点在于铜盘管的导热系数高,换热效果好,而搪瓷的基材是低碳钢加搪瓷层换热效果要比铜材的差。

  虽然盘管储热水箱从技术成熟度和技术指标上都能满足“集分式”太阳能热水系统的使用要求,但是常用的横置盘管式储热水箱对于卧式安装的水箱还是存在一些问题的。

  立式盘管水箱的换热介质的水流是自下而上流动,可以将换热介质中携带的少量空气带出循环盘管,而卧式安装时的横置盘管无法有效带出全部的空气,一旦水泵停止运转,多余的空气会积聚,直至在盘管内形成气堵,导致换热循环无法进行,这也是北京市太阳能研究所集团公司最早弃用盘管储热水箱而选择胆中胆储热水箱的主要原因。

  

  图十二:横置盘管储热水箱气堵示意图

  目前行业内有些厂家就盘管水箱的盘管的内置形式进行了优化,竖置储热水箱内的盘管,有效的杜绝气堵的产生。

  

  图十三:竖置盘管储热水箱杜绝气堵示意图

  竖置盘管解决了气堵的问题,但是同时带来了盘管的有效换热面积减少了,这是因为在储热水箱内的水会因为温度的不同而产生分层,高温水在上层,低温水在下层,竖置的盘管仅在下部的盘管能够达到良好的换热效果,而上层的盘管会因温度相差不大而降低换热效率。

  比较目前采用的三种储热水箱,各有优势和不足,现阶段也不能一概而论,还需要设计师和生产厂家进行更多的优化和比较:

  表四:三种储热水箱特性说明

  (6) “集分式”太阳能热水系统同程循环的重要性?

  “集分式”太阳能热水系统体现了太阳能热利用的最大利益化和公平性,而循环管路的同程循环是实现公平性的重要手段,同程管路设计不合理会造成用户的使用差异,进而降低大众对太阳能使用的接受意识。

  北京市太阳能研究所集团公司一直坚持以三管方式实现同程循环,这种方式从设计角度考虑最为合理,但是这种方式使用管材较多,成本增加,同时在实际施工时会遇到各种原因而增加施工难度,影响使用效果。

  

  图十四:三管同程式“集分式”太阳能热水系统示意图

  采用三管同程在竖向立管部分很容易做到同程,但是在房型不对称的户型建筑,屋顶要增加很多水平管道来实现管路的全部同程,这样大大增加了施工的难度。

  实现同程循环不仅有三管方式,还可以有其他的简便方式,比如双管U型,如下图;

  

  图十五:双管U型同程式“集分式”太阳能热水系统示意图

  采用双管U型方式,节省了竖向立管的数量,也实现了各层各户的循环管道同程,只是循环水泵的扬程、功率要比三管方式有所提高,具体提高多少需要设计人员复核计算。

  “集中集热-分户供热”太阳能热水系统的发展方向预测

  “集分式”太阳能热水系统从根本上解决了20层以下的住宅建筑使用太阳能的难题,20层以上还有很多技术难题亟待解决,在设计方案尚存疑点的情况下,建议不要盲目实施,毕竟作为一个项目,一旦失败影响不是一户两户,而是几十、几百户的使用。

  “集分式”太阳能热水系统从出现至今,短短几年,发展速度很快,仅北京市太阳能研究所集团有限公司截止2014年就已经完成并投入使用了30万户“集分式”系统,并且以每年8%的增速增长,说明市场对于“集分式”太阳能热水系统的认可程度逐步在提升,同时,“集分式”太阳能热水系统相关配套的产业集群也在迅速形成,江苏靖江的“迈能高科”、北京“丹普”、深圳“嘉普通”等专业水箱生产企业都在以“集分式”户内储热水箱的研发、生产作为业务增长方向。

  一个项目的成功或一个方案的成功,其中有很多部门、很多专业相互配合,协调发展才能共同提供保障,北京市太阳能研究所集团有限公司在最早“集分式”系统的储热水箱开发过程中,就试制、生产测试了15种储热水箱,不仅从技术指标、产品性能上进行研制、开发,对各种水箱在各种极端使用环境中的数据也进行了测试,最终选择最适合的水箱投入生产,期间也得到了众多配套厂家的大力支持,才取得了“天津顶秀欣园”、“上海临港新城”、“北京水立方”等几个单项过千万的项目成功。

  “集分式”太阳能热水系统作为目前太阳能行业的优秀方案,尽快形成行业或国家标准是规范市场的重要手段,同时,也需要行业内部本着造福大众、服务社会的精神,共同呵护、壮大“集分式”太阳能热水系统的生命力。

  北京北方汇德太阳能技术有限公司盛国刚

  更多太阳能技术、工程案例等内容请关注中国太阳能工程官微 获取。

关于作者: zhaosf

热门文章

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注