太陽能和低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)的應(yīng)用

摘要 本文介紹了一種太陽能與低谷電相結(jié)合雙水箱熱水系統(tǒng)的組成及原理，并通過具體的功能分析，介紹了該系統(tǒng)的節(jié)能特點(diǎn)。太陽能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)熱源來自于太陽能與谷電時段的電能，因此大大降低了熱水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，具有良好社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。 　　太陽能是綠色能源中最重要的能源，具有豐富、潔凈、安全等優(yōu)點(diǎn)。太陽能熱力系統(tǒng)可以將太陽光轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫加熱到高溫，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中的熱水使用需求，具有安全可靠、環(huán)保節(jié)能、方便使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn)。 　　但是太陽能也存在間歇性和能量密度低的缺點(diǎn)，因此在使用太陽能熱力系統(tǒng)時也存在相應(yīng)的缺點(diǎn)：一是太陽能熱力系統(tǒng)需要具備足夠的場地條件以安裝足夠面積的太陽能集熱器才能收集所需要的熱量，如果場地條件受限，集熱面積匹配不足，就無法達(dá)到所需要的熱量輸出；二是連續(xù)陰雨（雪）天氣時，太陽集聚的熱量無法滿足太陽能熱力系統(tǒng)的使用需求。對于這兩個問題，都需要使用常規(guī)能源對系統(tǒng)進(jìn)行熱量補(bǔ)充，以滿足用戶用熱需求。 　　低谷電的使用已經(jīng)越來越廣泛，包括企事業(yè)單位利用谷電組織生產(chǎn)、谷電蓄熱、谷電供暖等應(yīng)用；峰谷電價(jià)的意義在于：鼓勵居民、企業(yè)利用低谷電價(jià)的優(yōu)惠條件大量消費(fèi)低谷電力，比如電熱水器、空調(diào)、其他類電器設(shè)備、工廠設(shè)備等。同時，對電力部門來說，將高峰用電轉(zhuǎn)移到低谷時段，既緩解了用電高峰電力供需缺口，又促進(jìn)了電力資源的優(yōu)化配置，是一項(xiàng)“削峰填谷”的雙贏政策。 　　將太陽能因其特殊性所造成的能量供給不足，通過谷電的形式進(jìn)行補(bǔ)充，可以最大化利用太陽能，減少電費(fèi)支出。 　　1太陽能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)簡介 　　太陽能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)由太陽能集熱器、觸摸屏+PLC控制系統(tǒng)、儲熱水箱、循環(huán)水泵等組成。 　　太陽能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)的熱源來自于太陽能與電能，電能以谷電時段使用為主，非谷電時段出現(xiàn)意外因素導(dǎo)致兩個水箱內(nèi)的儲熱量不足時，也會使用電能，但是受到嚴(yán)格控制，避免消耗高價(jià)電能。 　　系統(tǒng)采用溫差強(qiáng)制循環(huán)換熱方式，使用補(bǔ)水法方式取水，系統(tǒng)具備用水增壓、回水、防凍伴熱、電輔助加熱、缺水保護(hù)、缺水報(bào)警、耗電統(tǒng)計(jì)、限時停機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等常規(guī)功能，系統(tǒng)原理如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)原理 　　2太陽能+低谷電系統(tǒng)運(yùn)行原理 　　2.1系統(tǒng)基本運(yùn)行原理 　　該系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于，系統(tǒng)最少具備兩個水箱。圖1是最低配備兩個水箱的系統(tǒng)原理，兩個水箱按功能被分為“集熱水箱”和“供熱水箱”；其中供熱水箱是為客戶直接提供熱水的水箱，而集熱水箱是與太陽能集熱器進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)換熱的水箱。在實(shí)際使用中，控制系統(tǒng)會根據(jù)時間、兩個水箱的溫度隨時調(diào)整兩個水箱所處的功能。 　　谷電時段（23:00~次日07:00），系統(tǒng)開啟溫度較高水箱的電加熱器，對其進(jìn)行低谷電蓄能.當(dāng)該水箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，停止加熱，同時該水箱被選擇為“供熱水箱”，開啟與該水箱對應(yīng)的電動蝶閥（D1或D2），客戶用水時，水泵(P3)運(yùn)轉(zhuǎn)，使用該水箱中的熱水。 　　而另外一個水箱被選擇為“集熱水箱”，系統(tǒng)會對比集熱溫度T1和該水箱溫度（T3或T2），到了白天，集熱器與水箱出現(xiàn)溫差時，系統(tǒng)會啟動該水箱對應(yīng)的循環(huán)泵（P2或P1），水箱開始集熱升溫。 　　到了夜間，由于經(jīng)過一天的用熱和集熱，作為“供熱水箱”功能的水箱溫度會比較低；而“集熱水箱”功能的水的溫度則較高；當(dāng)進(jìn)入低谷電蓄熱時段，系統(tǒng)會啟動溫度較高的水箱進(jìn)行蓄熱，功能上，它也被切換為“供熱水箱”，而另一個水箱在功能上成為“集熱水箱”。 　　2.2系統(tǒng)節(jié)能原理 　　系統(tǒng)在合理配比的情況下，兩個水箱每天會交替成為功能上的“供熱水箱”和“集熱水箱”。由于系統(tǒng)在谷電時段選擇溫度較高的水箱開啟蓄熱，可以消耗更少的電能就能達(dá)到最高蓄熱溫度，同時使用的是價(jià)格便宜的谷電時段電能，減少了電費(fèi)支出；而白天時，選擇溫度較低的水箱進(jìn)行太陽能集熱，可以提高集熱效率，充分利用太陽能。 　　2.3系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行控制 　　由于客戶的用水量不同，系統(tǒng)在實(shí)際使用中，可能出現(xiàn)“供熱水箱”溫度較低，而“集熱水箱”溫度較高，或者兩個水箱溫度都較低等情況，這些情況都會影響客戶對熱水的使用，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，制定了4個涉及水箱控制的溫度值（見表1），以滿足系統(tǒng)在各種情況下客戶能正常用熱水。 表1  4個水箱的溫度值 　　注：每個溫度值均具備2~3℃的安全余量，避免實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)在臨界溫度頻繁啟動電加熱器。 　　當(dāng)“供熱水箱”的水溫在“最高洗浴溫度”之上時，系統(tǒng)不存在用熱水不足的隱患。 　　當(dāng)“供熱水箱”的水溫介于“最高洗浴溫度”與“洗浴預(yù)警溫度”之間時，系統(tǒng)檢測“集熱水箱”水溫，如果該水箱溫度低于“最低洗浴溫度”，則開啟該水箱電輔助加熱，直到水溫達(dá)到“最低洗浴溫度”。 　　當(dāng)“供熱水箱”的水溫介于“洗浴預(yù)警溫度”與“最低洗浴溫度”之間時：1.如果“集熱水箱”溫度低于“洗浴預(yù)警溫度”，開啟該水箱電加熱器，直到水溫達(dá)到“洗浴預(yù)警溫度”，同時太陽能集熱器開始與“供熱水箱”進(jìn)行換熱，優(yōu)先將收集的太陽能熱量提供給熱量儲備不足的“供熱水箱”；2.如果“集熱水箱”溫度高于洗浴預(yù)警溫度，切換兩個水箱的功能，將溫度較高的水箱（即“集熱水箱”）重新設(shè)定為“供熱水箱”，但太陽能集熱器仍然與該水箱進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)換熱，以供熱為主要目的。 　　當(dāng)“供熱水箱”溫度低于“最低洗浴溫度”時，開啟“供熱水箱”電加熱器，直到溫度達(dá)到“最低洗浴溫度”停止；同時系統(tǒng)切換兩個水箱的功能，將“集熱水箱”重新設(shè)定為“供熱水箱”，但太陽能集熱器仍然與該水箱進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)換熱，以供熱為主要目的。 　　上面是一部分功能控制流程，基本目的是保證系統(tǒng)具備足夠的熱量儲備，同時又避免在非谷電時段過分使用高價(jià)電能，達(dá)到滿足客戶用熱需要且降低電費(fèi)支出的目的。太陽能集熱器遵循熱量儲備足夠時用作蓄熱使用、熱量儲備不足時用作供熱使用的基本原則。 　　3結(jié)論 　　太陽能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)主要熱源來自于太陽能與谷電時段的電能，具體所占比重要根據(jù)太陽能集熱器與所需熱量之間的比值關(guān)系確定。本系統(tǒng)相比傳統(tǒng)太陽能熱水系統(tǒng)最主要的優(yōu)點(diǎn)就是將需要輔助能源補(bǔ)充的熱量，從正常電價(jià)的電能消耗轉(zhuǎn)移到谷電時段的電能消耗，而通過兩個水箱的配合，系統(tǒng)可以保證集熱水箱的溫度較低，提高太陽能集熱效率。 　　太陽能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)適用于安裝場地有限，所能安裝的太陽能集熱器無法提供每日所需的熱量，需要使用輔助能源的場合，如樓頂面積較小的高層建筑或者安裝場地受限的用熱水場所以及學(xué)校、賓館、工廠等集中洗浴場所。同時系統(tǒng)也可以應(yīng)用到太陽能采暖領(lǐng)域，基本原理不變，只需要進(jìn)行相關(guān)功能擴(kuò)展即可。 　　太陽能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)不會產(chǎn)生任何污染，同時將消耗的電能利用谷電時段獲得，一方面降低電費(fèi)支出，一方面也順應(yīng)了國家相關(guān)政策，因此具有良好的社會效益，為環(huán)保作出貢獻(xiàn)。