太陽能熱水系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的研究與應用

太陽能熱水系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的研究與應用

0太陽能熱水系統(tǒng)的應用狀況太陽能是一種無法控制的綠色環(huán)保能源。利用太陽能制作生活熱水是最簡單、最流行的方法。為此,近年來國內(nèi)各主要省、市相繼出臺了關于太陽能應用于生活熱水熱源的政策,興建或正在興建的太陽能集中熱水系統(tǒng)的工程成千上萬,其中北京的奧運村、廣州的亞運城太陽能集中熱水系統(tǒng)的集熱器面積分別達到5000m2和12000m2,對促進我國太陽能的利用起到積極推動促進作用。然而近年來我們通過參與奧運村太陽能集中熱水系統(tǒng)的方案設計;通過對亞運村太陽能-熱泵集中熱水系統(tǒng)的全過程設計、測試;以及根據(jù)眾多工程調(diào)查了解,現(xiàn)有的太陽能集中熱水系統(tǒng)(以下簡稱“傳統(tǒng)系統(tǒng)”)使用中存在系統(tǒng)復雜、集熱效率低、實際運行節(jié)能效果差、建設成本高;運行中集熱器爆管、失效、凍裂、集熱系統(tǒng)閥件損壞等事故頻發(fā);綜合運行、管理費用高等問題。這些問題的存在已嚴重影響太陽能集中熱水系統(tǒng)的發(fā)展和推廣應用。為了尋找一種較合理的解決上述問題的途徑,我院從2011年開始,與太陽能企業(yè)合作研發(fā)了一種不設集中的集貯熱水箱(罐)和集熱循環(huán)系統(tǒng)的無動力太陽能熱水系統(tǒng),經(jīng)一年多的反復研究、試驗、測試與改進,工程使用效果良好;在此基礎上,今年初研發(fā)了一種理想的太陽能熱水系統(tǒng)—集貯熱式無動力循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)(以下簡稱“集貯熱系統(tǒng)”),其核心是突破傳統(tǒng)集熱理念,在無動力循環(huán)系統(tǒng)的基礎上用熱傳導為主的集貯熱方式代替對流換熱為主的集貯熱方式,較徹底地解決了現(xiàn)有太陽能集中熱水系統(tǒng)存在的問題。該系統(tǒng)已申請發(fā)明專利(專利申請?zhí)?01410206537.3)。1傳統(tǒng)系統(tǒng)的問題和分析1.1太陽能集熱的回收圖1是德國太陽能專家為北京奧運村大型太陽能集中熱水系統(tǒng)方案設計圖,也是德國太陽能公司推薦的一種典型的系統(tǒng)模式,奧運村的太陽能集中熱水系統(tǒng)除將圖中的貯熱水罐改為貯熱水箱外,其他均按其設計安裝。該系統(tǒng)的設計要點是,通過第一級集熱循環(huán)系統(tǒng)換熱集熱,提高集熱系統(tǒng)承壓能力,借以提高集熱水溫,充分集取太陽能光熱。第二級集換熱是為了避免第一級集貯熱水罐(箱)體積太大,其下部低溫區(qū)易滋生軍團菌等細菌。冷水經(jīng)二級集貯熱水罐通過板式換熱器將其加熱或預熱,再進入常規(guī)熱源的水加熱器輔熱,或直接供給系統(tǒng)用水。從圖1可看出,圖中的輔熱供熱水加熱器之前的1~10共計10種設備、設施均為太陽能集熱系統(tǒng)的組件,比常規(guī)熱源的熱水系統(tǒng)復雜得多。當然在國內(nèi)眾多傳統(tǒng)系統(tǒng)中絕大多數(shù)系統(tǒng)的太陽能集熱部分沒有圖1那么復雜,但為集熱用的換熱器、集熱水箱(罐),循環(huán)泵是不可缺少的組成部分,系統(tǒng)的復雜無疑要增加復雜的控制,并給工程建設、運行管理帶來諸多麻煩。1.2集空氣動力學因此,目前已有的大型、較大型太陽能集中熱水系統(tǒng),其系統(tǒng)集熱效率一般在25%~40%,集熱效率很低。1.3勞動能的大型設備傳統(tǒng)系統(tǒng)的能耗大,主要體現(xiàn)在集熱系統(tǒng),大部分供熱系統(tǒng)也需增大能耗。1.3.1循環(huán)泵運行能耗集熱系統(tǒng)的能耗包括運行動力能耗和集熱循環(huán)系統(tǒng)散熱損失引起的能耗。如圖1所示,傳統(tǒng)系統(tǒng)的動力能耗,包括集熱循環(huán)泵集熱運行時的能耗、防凍倒循環(huán)時的能耗和空氣散熱器的能耗。據(jù)一些工程初步估算,在系統(tǒng)正常運行的工況下,集熱時循環(huán)泵的運行能耗占太陽能有效供熱量的2%~10%(直接供水系統(tǒng)2%~5%,間接換熱供水系統(tǒng)5%~10%),寒冷地區(qū)需做防凍倒循環(huán)時,循環(huán)泵能耗約增加5%,即循環(huán)泵的總能耗約占太陽能有效供熱量的2%~15%。然而對于閉式承壓系統(tǒng),運行中產(chǎn)生氣堵難以避免,因此循環(huán)泵實際運行能耗將比上述比例大,如果集熱系統(tǒng)再采用空氣散熱器作為防過熱措施,則系統(tǒng)運行能耗更大。另外,集熱循環(huán)系統(tǒng)包括集熱水箱(罐)與集熱循環(huán)管路的散熱損失占整個有效集熱量的15%~30%,當采用小區(qū)多棟樓共用太陽能集熱系統(tǒng)時,由于集熱循環(huán)管路長,其熱損失占的比例更大。因此,實際運行的傳統(tǒng)系統(tǒng)扣除上述能耗后,利用太陽能加熱冷水的有效得熱系統(tǒng)效率按輪廓采光集熱面積計算為15%~30%。1.3.2箱+熱水供熱水傳統(tǒng)系統(tǒng)中的供熱系統(tǒng),為節(jié)省一次投資及占地面積,大部分均采用供熱水箱+熱水供水泵的方式供熱水,如圖3所示,這樣帶來的問題一是需增設專用熱水供水泵組(變頻供水泵組)增加一次投資;二是為保證系統(tǒng)冷熱水壓力平衡而增大設置難度;三是不能充分利用冷水供水系統(tǒng)壓力,從而增加能耗。1.4運營中的錯誤多1.4.1玻璃管調(diào)空探壓導致爆管制全玻璃真空管構造見圖4,采用全玻璃真空管作為集熱元器件,傳統(tǒng)系統(tǒng)玻璃管承壓運行,被加熱水直接在內(nèi)玻璃管形成的空腔內(nèi)流動,容易因下列原因引起爆管事故。(1)冷熱沖擊造成爆管。太陽能系統(tǒng)運行過程中,由于太陽暴曬,內(nèi)膽溫度接近200℃,循環(huán)泵啟動,冷水溫度一般約20℃,進入玻璃管,內(nèi)膽內(nèi)外溫度差很大,容易造成爆管。(2)壓力不穩(wěn)定造成爆管。傳統(tǒng)集熱系統(tǒng)需要循環(huán)泵,由于水泵選擇不當,揚程過高,造成某些區(qū)域玻璃管承壓過大,導致爆管;另外,水泵出口單向閥密封不嚴,水泵停泵時也會造成系統(tǒng)負壓,導致爆管,特別是水箱低于集熱器的情況更易爆管。系統(tǒng)參數(shù)設定不當,溫度采集誤差較大,頻繁啟停,系統(tǒng)運行不穩(wěn)定也會產(chǎn)生爆管現(xiàn)象。(3)玻璃管內(nèi)壁因水溫高容易結垢,當冷水進入內(nèi)腔后造成玻璃管傳熱不均導致爆管。圖5為某工程玻璃管因結垢損毀照片。(4)玻璃管加工原因造成爆管。玻璃管加工過程中,玻璃管的材質(zhì)、厚度均勻性、鍍膜、尾部封裝的加工質(zhì)量也會影響玻璃管的機械性能,造成爆管現(xiàn)象。施工安裝用力過猛、野蠻裝卸等原因也會造成爆管現(xiàn)象。1.4.2u型管聚合物串聯(lián)U型金屬-玻璃管集熱器構造見圖6。單組集熱器內(nèi)U型銅管為并聯(lián)布置,U型管直徑ue07e6~8mm,隨著溫度升高,水中的氣體不斷析出或發(fā)生氣化,由于U型管進水口與出水口壓差較小,容易在U型管內(nèi)出現(xiàn)氣堵(見圖6)。多組水平串聯(lián)時,U型管的水流流程也是串聯(lián)運行,總體阻力損失較大,需要較大的水泵揚程,即熱循環(huán)泵耗較大;且氣堵的U型管因過熱出現(xiàn)氧化,容易出現(xiàn)損壞,造成集熱管集熱失效。1.4.3太陽能集熱器熱管真空管集熱器是由帶平板鍍膜肋片的熱管蒸發(fā)段封接在真空玻璃管內(nèi),其冷凝端以緊密配合方式插入導熱塊內(nèi)或插入聯(lián)箱,并將所獲太陽能傳遞給聯(lián)箱的水,通過循環(huán)管路,將熱量送入儲熱水箱。構造原理見圖7。熱管(直流管)等金屬-玻璃太陽能集熱器一般采用單玻璃真空管,采用金屬和玻璃熱壓封方法,將玻璃和金屬封接在一起,達到真空氣密的要求;由于金屬和玻璃熱膨脹系數(shù)差異性加大,玻璃和金屬封接處容易出現(xiàn)裂縫,導致單玻璃真空管的真空破壞而失效。熱管本身因材料精度問題也會造成真空度降低,集熱效果變差。1.4.4系統(tǒng)典型凍裂事故寒冷/嚴寒地區(qū)的生活熱水需要解決冬季系統(tǒng)防凍問題,當處理不好就會發(fā)生如圖8所示的系統(tǒng)凍裂的工程事故。傳統(tǒng)系統(tǒng)一般采用排空、倒循環(huán)、添加防凍液、電伴熱等技術措施防止系統(tǒng)冰凍。由于傳統(tǒng)系統(tǒng)的集熱系統(tǒng)熱容量小,集熱循環(huán)管道長,上述防凍措施均存在成本高、運行能耗大、熱損失大等工程問題。1.4.5防過熱措施設計在太陽能輻照量較好的夏季,當用水量持續(xù)偏小或不用水時,傳統(tǒng)系統(tǒng)溫度過高,系統(tǒng)壓力增加。集熱系統(tǒng)在高溫狀態(tài)下運行,將會導致一系列的系統(tǒng)問題,如高溫造成傳熱介質(zhì)的氣化損失、變質(zhì),太陽能集熱器上非金屬材料的老化和破壞,從而降低太陽能集熱器的使用壽命等。常見的防過熱措施主要有遮陽、加裝散熱器等。散熱器主要是通過自動控制三通電動閥和風機、冷卻器等來達到防過熱目的,在達到設定溫度時三通電動閥控制散熱器開啟進行強制散熱,將集熱系統(tǒng)的溫度降下來,達到保護集熱系統(tǒng)的目的。散熱器技術成熟,散熱效果好,能夠確保系統(tǒng)的過熱保護。歐洲大型集中太陽能系統(tǒng)均配置散熱器防過熱設備,顯而易見需要增加投資和運行管理成本;國內(nèi)太陽能是低成本的工程市場,一般沒有采用散熱器防過熱設備。遮陽措施效果明顯,但靠人工遮掩管理費事、費力,且遮陽設備難以貯存和管理,并需人工費用;電動遮陽造價昂貴,一般項目難以承受。因此,國內(nèi)太陽能系統(tǒng)基本沒有專門的防過熱措施,這也是國內(nèi)太陽能系統(tǒng)不能長期穩(wěn)定健康運行的重要原因之一。1.4.6基于測試的太陽能集熱控制系統(tǒng)研究與試驗驗證由于傳統(tǒng)系統(tǒng)采用循環(huán)泵承壓運行,系統(tǒng)管網(wǎng)內(nèi)溫度、壓力常劇烈升高,溫度最高可超過200℃。因此所有集熱系統(tǒng)用到的關斷閥、溫控閥、安全閥、放氣閥等均需要耐受超高溫要求,而這正是國內(nèi)太陽能市場的薄弱環(huán)節(jié)之一。國內(nèi)缺乏專業(yè)制造太陽能配套閥件的企業(yè),相關配套產(chǎn)品不能滿足嚴酷室外冷熱環(huán)境的要求,類似國外進口產(chǎn)品質(zhì)量可靠,但價格較高。另外,傳統(tǒng)太陽能集熱系統(tǒng)需要復雜的控制系統(tǒng),以北京奧運項目為例,集中太陽能集熱系統(tǒng)主要控制功能包括:水箱定時上水功能、自動或定時啟動輔助加熱功能、集熱器溫差強制循環(huán)功能、集熱器定溫出水功能、防凍循環(huán)功能、生活熱水管路循環(huán)功能、電伴熱帶防凍功能、防過熱散熱器啟停功能等。上述功能實現(xiàn)的核心控制元素為溫度控制,溫度采集的精確性對系統(tǒng)健康運行、提高效率至關重要;溫度探測部份(一般為溫包)設置部位、構造形式、測溫精度對太陽能系統(tǒng)的效率具有顯著影響;目前溫度計的精度一般為±(1~3)℃,溫差循環(huán)的設計溫差為2~8℃,工程實測表明,在工程安裝中溫包的位置和安裝質(zhì)量對溫度精度影響顯著。綜上原因,目前集中太陽能集熱系統(tǒng)自動控制功能遠不能滿足正常運行的要求,故障頻發(fā),不得不依賴人工手動操作,造成維護管理成本較高,系統(tǒng)難以正常運行。1.4.7其他復雜系統(tǒng)的維護管理傳統(tǒng)系統(tǒng)日常運行中需要妥善的維護管理,除集熱器的清掃與維護外,還包括復雜的集熱循環(huán)系統(tǒng)、防爆管、防過熱系統(tǒng)、防凍系統(tǒng)及其相應的自動控制器件的維護管理,工作繁瑣、成本昂貴,稍有疏忽,將嚴重影響系統(tǒng)的運行效果。2無動力循環(huán)熱水系統(tǒng)2.1主題提出2.1.1傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問題我院從2008年開始,連續(xù)為廣州亞運城、中央財經(jīng)大學等多個大型項目設計了太陽能集中熱水系統(tǒng),并對廣州亞運城、中央財經(jīng)大學等不同項目進行了工程系統(tǒng)運行實測;通過實測數(shù)據(jù)和廣泛的調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)并總結了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的前述工程問題。在此基礎上,進行了深入的分析、對比、研究,找到了這些問題存在的主要根源是:傳統(tǒng)系統(tǒng)采用集熱與貯熱分離的方式,通過機械循環(huán)集貯熱,使集熱系統(tǒng)復雜化、集熱器承壓高溫運行所致。2.1.2太陽能熱水系統(tǒng)的本質(zhì)與本質(zhì)針對傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問題并對其原因分析研究,結合我院承擔的國家科技部課題“太陽能與熱泵管網(wǎng)貯熱技術集成與示范研究”,研制開發(fā)了集熱、蓄熱、換熱為一體的無動力循環(huán)集中太陽能熱水系統(tǒng),這種系統(tǒng)可不需要集熱循環(huán)系統(tǒng),集熱溫度不超過100℃。該項科研成果取得了國家發(fā)明專利一項,實用新型7項。專利技術進行有償轉(zhuǎn)讓并形成一定的生產(chǎn)能力,在多個實際工程中得到應用。2.1.3太陽能熱水系統(tǒng)我院為了配合國家科技部課題的研究,于2011年在北京通州建立了太陽能試驗基地,針對陶瓷平板集熱器、無動力循環(huán)集中太陽能熱水器等設計安裝了不同形式的太陽能熱水系統(tǒng);并對系統(tǒng)進行了研究和測試,取得了一系列實測數(shù)據(jù),并順利完成科研課題。2.2無動力循環(huán)熱水系統(tǒng)的開發(fā)和應用2.2.1太陽能熱水系統(tǒng)無動力循環(huán)太陽能熱水裝置:將貯熱箱體與集熱元器件緊湊式連接,依靠自然循環(huán)集熱,將太陽能集熱、貯熱、換熱集成一體的無動力循環(huán)太陽能熱水裝置;系統(tǒng)原理見圖9。無動力循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng),利用無動力循環(huán)太陽能熱水裝置,將生活水作為被加熱水被太陽能工質(zhì)加熱的太陽能熱水系統(tǒng)。系統(tǒng)化、集成化實現(xiàn)冷熱水、輸配水系統(tǒng)的統(tǒng)一性、完整性。集熱依靠自然循環(huán),將集取太陽能光熱的熱水貯存在集熱器頂部開式箱體內(nèi)作為熱媒,管束內(nèi)為被加熱生活用水,閉式系統(tǒng);集熱器非承壓運行。無動力循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)特點:(1)最大化貯存全日集熱量:集熱元器件與貯水裝置緊湊連接,每m2集熱輪廓采光面積按65L貯存量配置。(2)充分利用現(xiàn)有玻璃真空管和平板集熱元器件的長處:利用水的溫差實現(xiàn)自然循環(huán),不需要集熱循環(huán)泵,元器件成熟可靠;北方地區(qū)適宜采用真空管,南方地區(qū)適宜采用平板型集熱器。(3)利用波紋管束紊流振動強化傳熱,實現(xiàn)被加熱水即時換熱。(4)生活熱水為閉式系統(tǒng),水質(zhì)不受污染。(5)不需要集中水箱和水箱間,大幅度減少對建筑、結構的影響,最大化實現(xiàn)建筑一體化的統(tǒng)一性、完整性。(6)集熱系統(tǒng)不超過100℃,不需要專門的過熱保護措施。2.2.2無動力循環(huán)熱水系統(tǒng)的實驗結果表明2.2.2.系統(tǒng)熱水供應方案測試利用通州試驗平臺,2012年8月~2013年4月進行了2期的測試。(1)一期測試。采用3組無動力循環(huán)太陽能集熱器,并聯(lián)布置。按開啟1個淋浴噴頭,2個淋浴噴頭,2個淋浴噴頭+1個熱水龍頭的三種工況,測試系統(tǒng)的最大供熱能力、供熱穩(wěn)定性。2012年8月5日的測試結果見圖10。實測表明,在10min的供熱水時段內(nèi),系統(tǒng)熱水出水水溫穩(wěn)定。系統(tǒng)熱水出水水溫與貯熱箱體內(nèi)水溫存在平穩(wěn)的對應關系,即3~5℃溫差。經(jīng)集熱箱內(nèi)置的30m不銹鋼波紋換熱盤管換熱后,熱水供應基本滿足設計工況的要求。(2)二期測試。按5組集熱器并聯(lián)設計,集熱面積18m2,每m2產(chǎn)熱水量按溫升30℃熱水量為60L貯存容積;按50%保證率計算,可供18~20戶住宅用戶,相當于一梯2戶住宅9層住宅的一個單元。試驗平臺照片見圖11。試驗在同時開啟3個熱水龍頭供應生活熱水時,貯熱箱體中熱媒水,以0.35℃/min的速度下降。在夏季正常日間下午17時,貯熱水罐內(nèi)熱媒水水溫達到80℃,系統(tǒng)不依靠輔助熱源加熱的情況下,可提供60min的高溫熱水。冷水經(jīng)過換熱器的阻力損失穩(wěn)定在3m左右。2.2.2.陽能系統(tǒng)制備生活熱水某大學一期工程核心地塊學生公寓,服務人數(shù)3700人,采用無動力循環(huán)太陽能系統(tǒng)制備生活熱水。按每座宿舍設1套獨立的太陽能熱水系統(tǒng),宿舍樓共設3套系統(tǒng),食堂單設1套系統(tǒng),根據(jù)屋面實際狀況,集熱面積約1382m2,貯熱總?cè)莘e約90m3,太陽能保證率理論計算為50%,系統(tǒng)原理見圖12。2.3太陽能集貯熱系統(tǒng)如上所述,無動力太陽能熱水系統(tǒng)在簡化系統(tǒng),減少運行故障及方便管理等諸多方面起到了很好的作用,但被加熱水直接經(jīng)集熱器內(nèi)換熱管換熱,是一個即時過程,難以帶走集熱器已集取的大部分熱量,且存在被加熱水阻力較大,阻力變化及換熱管內(nèi)壁結垢影響換熱和出流等問題。為此,我們通過多次模擬實測與研討,終于找到了一條較徹底地解決現(xiàn)有太陽能集中熱水系統(tǒng)存在問題的途徑———采用集貯熱系統(tǒng)改變傳統(tǒng)集熱理念,變換熱為主的集熱方式為熱傳導為主的集、貯熱方式集取太陽能。眾所周知,太陽能是一種低密度、不穩(wěn)定、不可控的能源,與以蒸汽、高溫水為熱媒的常規(guī)熱源熱水系統(tǒng)相比其集熱過程是緩慢的,而傳統(tǒng)系統(tǒng)大都是套用常規(guī)熱源系統(tǒng)以對流換熱為主的集熱模式,通過循環(huán)泵、換熱器或貯熱水箱來集貯太陽能,然后再通過輔熱換熱器(箱)供給系統(tǒng)熱水,這樣一個承壓、高溫(≈200℃)、復雜的過程勢必帶來前述存在的一系列難以解決的問題。集貯熱系統(tǒng)的核心就是適應太陽能低密度等特點,將太陽能的集、貯熱集于集熱器一體,如圖13所示:集熱器主要由U型管玻璃集熱真空管(以下簡稱集熱管)、開式集熱外箱(以下簡稱外箱)和閉式集熱內(nèi)箱(以下簡稱內(nèi)箱)組成。其工作原理為:集熱管集取太陽能光熱經(jīng)自然循環(huán)加熱外箱內(nèi)熱媒水。熱媒水通過熱傳導加熱內(nèi)箱內(nèi)的水,由于太陽能是低密度能源,集熱管集熱和通過自然循環(huán)加熱外箱內(nèi)的熱媒水過程緩慢,內(nèi)箱內(nèi)的冷水則可通過筒壁的熱傳導,同時集取外箱熱媒水傳導的熱量,內(nèi)、外箱在此過程中幾乎處于同一水溫。當系統(tǒng)用水時,冷水頂進內(nèi)箱,將箱內(nèi)的熱水供給用戶。集中熱水系統(tǒng)具有間隙用水的特點,當內(nèi)箱內(nèi)的熱水被全部或部分頂出后,其水溫隨之下降,但外箱熱媒水仍處于高溫,通過熱傳導又可將內(nèi)箱水緩慢加熱,這樣周而復始,整個集熱器集取的熱量可以得到充分利用。另外由于集熱器內(nèi)箱斷面較大,由同區(qū)給水管輸入內(nèi)箱的冷水頂出熱水時,流速很低,阻力很小,而且筒內(nèi)壁形成的結垢層對過水斷面的影響也很小,完全可以保證用水點冷熱水壓力平穩(wěn)。2.4測試結果測試系統(tǒng)時間:2014年5月28~30日;地點:浙江上虞杭特容器有限公司;測試系統(tǒng):測試系統(tǒng)由6個集熱器模塊組成,分成并聯(lián)的3組,每個集熱器模塊規(guī)格見表1。(2)測試集熱器組的布置見圖14。(3)測試結果(見表2)。(4)測試集熱器集熱效率見表3。3集熱系統(tǒng)的基本結構與傳統(tǒng)系統(tǒng)的比較3.1集貯熱供熱的集貯熱系統(tǒng)的模式(1)應用于住宅建筑的集中集熱,分散(分戶)輔熱供熱的集貯熱系統(tǒng)的模式如圖15所示。(2)適用于賓館,醫(yī)院,公寓等公共建筑的集中集熱、集中輔熱供熱的集貯熱系統(tǒng)的模式如圖16所示。3.2與傳統(tǒng)系統(tǒng)的比較3.2.1太陽能熱水系統(tǒng)(1)住宅建筑采用太陽能熱水系統(tǒng)是我國推廣太陽能光熱利用最廣泛普及,節(jié)能效果最顯著的領域。圖17為常用的一種傳統(tǒng)的住宅集中集熱、分散輔熱供熱的太陽能熱水系統(tǒng),與此相比,圖5所示的系統(tǒng)具有下列明顯優(yōu)點:(1)集熱系統(tǒng)無水箱、集熱循環(huán)泵,供熱系統(tǒng)無循環(huán)管和循環(huán)泵。系統(tǒng)大大簡化。圖15系統(tǒng)雖然取消了供熱回水管及循環(huán)泵,但因用戶終端有自備熱水器,供熱管中的先期冷水流經(jīng)自備熱水器被加熱,打開淋浴器即可出熱水,隨著停留在供熱管的冷水流盡后,太陽能熱水即可供給使用,這樣既可滿足使用要求,又可充分利用太陽能,節(jié)水節(jié)能經(jīng)濟適用。(2)圖15系統(tǒng)中冷水均由同區(qū)的給水系統(tǒng)供給,而流經(jīng)集熱器的水流阻力很小(小于1m),與圖7相比,不僅充分利用了給水系統(tǒng)的壓力,同時能確保冷熱水系統(tǒng)壓力平衡,系統(tǒng)合理、舒適。此外,在供熱系統(tǒng)中設置了恒溫混水閥,太陽能熱水水溫過高時,可通過此閥混合成50~55℃熱水,穩(wěn)定供水水溫又可避免燙傷事故的發(fā)生,還能減少供水管道的熱損失。(2)公共建筑一般采用集中集熱、集中供熱的太陽能熱水系統(tǒng)。圖16系統(tǒng)適用于公建項目,集貯熱式無動力太陽能熱水系統(tǒng)與圖1所示的典型傳統(tǒng)系統(tǒng)相比,系統(tǒng)的簡化效果更明顯,該系統(tǒng)沒有圖1的一、二級集熱換熱系統(tǒng),沒有相對應的集貯熱水箱(罐)及多臺集熱換熱器和循環(huán)泵,沒有為防止集熱系統(tǒng)高溫爆管用的空氣冷卻器。這些在保證系統(tǒng)合理使用條件下的簡化,將給設計、施工、管理及使用帶來極大便利,能真正突顯出利用太陽能的節(jié)能效果。3.2.2獨立集貯熱集貯熱系統(tǒng)的集熱器為集熱、貯熱一體的裝置,單個集熱器一天集取的熱量均分別貯存在集熱器的內(nèi)外水箱內(nèi),與傳統(tǒng)集熱器采用換熱方式將集取到的熱量傳輸?shù)郊械馁A熱箱(罐)的方式相比,不僅省去了循環(huán)系統(tǒng),省去了循環(huán)管路增加的熱損失,而且每個集熱器均能獨立集貯熱,不會因循環(huán)管路的短路、氣堵等而影響其集熱效率,即系統(tǒng)中的每個集熱器都能充分集熱,基本上做到了系統(tǒng)的集熱效率等同于單體集熱器的集熱效率。同時,每個集熱器集取的熱量除小部分散熱損失外,均能將冷水預熱或加熱供給用水,不像傳統(tǒng)系統(tǒng)的溫差循環(huán),低溫熱量得不到利用。另外,集貯熱系統(tǒng)無集熱循環(huán)系統(tǒng),即無循環(huán)管路,集熱器之間只有很短的連接管道,其熱損失要比傳統(tǒng)系統(tǒng)小很多。因此,其實際系統(tǒng)集熱效率可達50%以上,為傳統(tǒng)系統(tǒng)實際應用效率的2~3倍。集貯熱系統(tǒng)無運行能耗體現(xiàn)在集熱系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)兩個方面:一是集熱系統(tǒng)省去了循環(huán)系統(tǒng)集熱,因此省去了循環(huán)泵的能耗;二是相對于以水箱集貯熱的傳統(tǒng)系統(tǒng)(見圖7),集貯熱系統(tǒng)中的供水系統(tǒng)不僅系統(tǒng)簡單,能充分利用給水系統(tǒng)水壓,而且無需另加供水泵,節(jié)省了因增加供水泵而增加的系統(tǒng)能耗。3.2.3集貯熱系統(tǒng)設計的優(yōu)點集貯熱系統(tǒng)省去了換熱集熱循環(huán)系統(tǒng),也就省去了集熱水箱(罐)及相應的循環(huán)泵,設備機房,簡化了集熱供熱管路,同時也省去了復雜的且容易出故障的自動控制系統(tǒng);因此它為解決設置集中太陽能系統(tǒng)與建筑一體化的難題提供了便利條件,尤其是屋面上不需設水箱間等有礙建筑立面的問題不再存在。集貯熱系統(tǒng)對傳統(tǒng)系統(tǒng)的簡化,也使得設計太陽能熱水系統(tǒng)的給排水專業(yè)、建筑專業(yè)及其他相關專業(yè)的設計工作大大簡化,為確保設計質(zhì)量提供了保證。集貯熱系統(tǒng)的集熱器單體,因其集貯熱箱的增大和特殊換熱構造,與傳統(tǒng)的單體集熱器相比,自然要增加成本,但系統(tǒng)省去上述傳統(tǒng)系統(tǒng)的大水箱(罐)、水泵、機房及控制設施等,因此系統(tǒng)總體比較,建筑成本有所降低,詳見本文第4節(jié)分析。3.2.4太陽能熱水系統(tǒng)的優(yōu)越性(1)集熱系統(tǒng)為開式系統(tǒng),解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)的爆管和集熱管失效的難題。前文已述及傳統(tǒng)系統(tǒng)中,由于集熱系統(tǒng)溫度最高可達約200℃,因此集熱管易產(chǎn)生爆管及失效。集貯熱系統(tǒng)的集熱部分為開式構造,運行中集熱的最高溫度≤100℃,而且集中熱管與外箱不承壓,因此,它完全消除了因高溫、承壓而引發(fā)的集熱管爆管和失效的事故。(2)消除了循環(huán)泵、集熱自動控制系統(tǒng)的運行故障。集貯熱系統(tǒng)用熱傳導集貯熱,取消了傳統(tǒng)的循環(huán)換熱集熱系統(tǒng),取消了循環(huán)泵,因此也消除了傳統(tǒng)閉式系統(tǒng)因高溫汽化系統(tǒng)排氣不暢形成氣堵引起循環(huán)泵工況惡劣,甚而產(chǎn)生空轉(zhuǎn),燒壞電機的故障。另外,相應的自動控制部分也被取消,因此,該系統(tǒng)也消除了集熱自控部分的故障。(3)緩解了防凍問題。集貯熱系統(tǒng)的單個集貯熱箱體,要比傳統(tǒng)系統(tǒng)的單個集熱器的水容量大得多,其介質(zhì)熱容量為傳統(tǒng)系統(tǒng)單個集熱器的50~100倍,因此相對耐凍的時間要比傳統(tǒng)系統(tǒng)長得多。集貯熱箱體工廠內(nèi)一次保溫成型,保溫效果遠好于傳統(tǒng)水箱現(xiàn)場保溫做法,基本上解決了箱體防凍問題,對于嚴寒地區(qū),集熱介質(zhì)可添加防凍液防止集熱管冰凍,室外冷熱水管可按常規(guī)做防凍保溫處理。(4)運行管理費用低廉,適應用熱負荷的變化。由于太陽能是一種低密度、不可控、不穩(wěn)定的熱源,因此傳統(tǒng)系統(tǒng)在實際工程中存在因用熱負荷極大差異帶來的運行管理費用高昂的困境,這在住宅建筑中尤為明顯。一般住宅建成后,住戶的入住有一個很長的周期。有人入住就得使用熱水,當采用常規(guī)熱源時,由于熱源可控,可以根據(jù)系統(tǒng)用熱量的需求來調(diào)節(jié)供熱量。但太陽能熱水系統(tǒng)中太陽能不可控,無法調(diào)控,即使用熱負荷很低,整個太陽能熱水系統(tǒng)均需開啟運行。除了集熱循環(huán)泵運行耗能外,整個系統(tǒng)管網(wǎng)亦存在很大熱損失引起的能耗。另外,因太陽能集取的熱量過多,對于閉式集熱系統(tǒng)還需采用空氣冷卻器等耗能的措施散熱。這些相應的運行能耗均分攤在剛?cè)胱〉纳贁?shù)住戶上,熱水的價格將高達20~40元/m3,甚至更高,引起住戶的強烈不滿。因而有的住戶放棄使用太陽能熱水,改用自備熱水器熱水,這樣的惡性循環(huán)其結果就是整個太陽能熱水系統(tǒng)的癱瘓。集貯熱系統(tǒng)相當于一個冷水的預熱系統(tǒng)。冷水經(jīng)它無需任何附加能耗,該系統(tǒng)預熱或預熱輔熱后直接供熱水,不會因此增加運行成本。即運行成本低廉且平穩(wěn),適應太陽能不可控等特點,使太陽能熱水系統(tǒng)成為一個真正的節(jié)能系統(tǒng),適用于系統(tǒng)各種不同的使用工況。4實例應用效果分析4.1太陽能集貯供熱系統(tǒng)比較北京某大學5層宿舍樓,采用太陽能集中熱水供應系統(tǒng),每層設集中淋浴房。輔熱熱源為自備鍋爐熱水。單棟宿舍樓的太陽能集熱的面積為410m2,系統(tǒng)總集熱面積為1382m2,以下比較采用傳統(tǒng)系統(tǒng)與集貯熱系統(tǒng)的一次投資、維護費用、節(jié)能效果、回收年限等?？偼顿Y