太陽(yáng)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(yáng)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(guò)具體的功能分析，介紹了該系統(tǒng)的節(jié)能特點(diǎn)。太陽(yáng)能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)熱源來(lái)自于太陽(yáng)能與谷電時(shí)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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 　　太陽(yáng)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(yáng)能熱力系統(tǒng)可以將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫加熱到高溫，以滿(mǎn)足人們?cè)谏?、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(yáng)能也存在間歇性和能量密度低的缺點(diǎn)，因此在使用太陽(yáng)能熱力系統(tǒng)時(shí)也存在相應(yīng)的缺點(diǎn)：一是太陽(yáng)能熱力系統(tǒng)需要具備足夠的場(chǎng)地條件以安裝足夠面積的太陽(yáng)能集熱器才能收集所需要的熱量，如果場(chǎng)地條件受限，集熱面積匹配不足，就無(wú)法達(dá)到所需要的熱量輸出；二是連續(xù)陰雨（雪）天氣時(shí)，太陽(yáng)集聚的熱量無(wú)法滿(mǎn)足太陽(yáng)能熱力系統(tǒng)的使用需求。對(duì)于這兩個(gè)問(wèn)題，都需要使用常規(guī)能源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱量補(bǔ)充，以滿(mǎn)足用戶(hù)用熱需求。 　　低谷電的使用已經(jīng)越來(lái)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(lì)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(lèi)電器設(shè)備、工廠設(shè)備等。同時(shí)，對(duì)電力部門(mén)來(lái)說(shuō)，將高峰用電轉(zhuǎn)移到低谷時(shí)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(yáng)能因其特殊性所造成的能量供給不足，通過(guò)谷電的形式進(jìn)行補(bǔ)充，可以最大化利用太陽(yáng)能，減少電費(fèi)支出。 　　1太陽(yáng)能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)簡(jiǎn)介 　　太陽(yáng)能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、觸摸屏+PLC控制系統(tǒng)、儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)水泵等組成。 　　太陽(yáng)能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)的熱源來(lái)自于太陽(yáng)能與電能，電能以谷電時(shí)段使用為主，非谷電時(shí)段出現(xiàn)意外因素導(dǎo)致兩個(gè)水箱內(nèi)的儲(chǔ)熱量不足時(shí)，也會(huì)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(shí)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(yáng)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(gè)水箱。圖1是最低配備兩個(gè)水箱的系統(tǒng)原理，兩個(gè)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(hù)直接提供熱水的水箱，而集熱水箱是與太陽(yáng)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(huì)根據(jù)時(shí)間、兩個(gè)水箱的溫度隨時(shí)調(diào)整兩個(gè)水箱所處的功能。 　　谷電時(shí)段（23:00~次日07:00），系統(tǒng)開(kāi)啟溫度較高水箱的電加熱器，對(duì)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(shí)，停止加熱，同時(shí)該水箱被選擇為“供熱水箱”，開(kāi)啟與該水箱對(duì)應(yīng)的電動(dòng)蝶閥（D1或D2），客戶(hù)用水時(shí)，水泵(P3)運(yùn)轉(zhuǎn)，使用該水箱中的熱水。 　　而另外一個(gè)水箱被選擇為“集熱水箱”，系統(tǒng)會(huì)對(duì)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(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)該水箱對(duì)應(yīng)的循環(huán)泵（P2或P1），水箱開(kāi)始集熱升溫。 　　到了夜間，由于經(jīng)過(guò)一天的用熱和集熱，作為“供熱水箱”功能的水箱溫度會(huì)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(shí)段，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)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(gè)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(gè)水箱每天會(huì)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(shí)段選擇溫度較高的水箱開(kāi)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(shí)使用的是價(jià)格便宜的谷電時(shí)段電能，減少了電費(fèi)支出；而白天時(shí)，選擇溫度較低的水箱進(jìn)行太陽(yáng)能集熱，可以提高集熱效率，充分利用太陽(yáng)能。 　　2.3系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行控制 　　由于客戶(hù)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(gè)水箱溫度都較低等情況，這些情況都會(huì)影響客戶(hù)對(duì)熱水的使用，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，制定了4個(gè)涉及水箱控制的溫度值（見(jiàn)表1），以滿(mǎn)足系統(tǒng)在各種情況下客戶(hù)能正常用熱水。 表1  4個(gè)水箱的溫度值 　　注：每個(gè)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(dòng)電加熱器。 　　當(dāng)“供熱水箱”的水溫在“最高洗浴溫度”之上時(shí)，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(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)“集熱水箱”水溫，如果該水箱溫度低于“最低洗浴溫度”，則開(kāi)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(shí)：1.如果“集熱水箱”溫度低于“洗浴預(yù)警溫度”，開(kāi)啟該水箱電加熱器，直到水溫達(dá)到“洗浴預(yù)警溫度”，同時(shí)太陽(yáng)能集熱器開(kāi)始與“供熱水箱”進(jìn)行換熱，優(yōu)先將收集的太陽(yáng)能熱量提供給熱量?jī)?chǔ)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(gè)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(yáng)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(shí)，開(kāi)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(shí)系統(tǒng)切換兩個(gè)水箱的功能，將“集熱水箱”重新設(shè)定為“供熱水箱”，但太陽(yáng)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?jī)?chǔ)備，同時(shí)又避免在非谷電時(shí)段過(guò)分使用高價(jià)電能，達(dá)到滿(mǎn)足客戶(hù)用熱需要且降低電費(fèi)支出的目的。太陽(yáng)能集熱器遵循熱量?jī)?chǔ)備足夠時(shí)用作蓄熱使用、熱量?jī)?chǔ)備不足時(shí)用作供熱使用的基本原則。 　　3結(jié)論 　　太陽(yáng)能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)主要熱源來(lái)自于太陽(yáng)能與谷電時(shí)段的電能，具體所占比重要根據(jù)太陽(yáng)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(yáng)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(shí)段的電能消耗，而通過(guò)兩個(gè)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(yáng)能集熱效率。 　　太陽(yáng)能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)適用于安裝場(chǎng)地有限，所能安裝的太陽(yáng)能集熱器無(wú)法提供每日所需的熱量，需要使用輔助能源的場(chǎng)合，如樓頂面積較小的高層建筑或者安裝場(chǎng)地受限的用熱水場(chǎng)所以及學(xué)校、賓館、工廠等集中洗浴場(chǎng)所。同時(shí)系統(tǒng)也可以應(yīng)用到太陽(yáng)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(yáng)能+低谷電雙水箱熱水系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生任何污染，同時(shí)將消耗的電能利用谷電時(shí)段獲得，一方面降低電費(fèi)支出，一方面也順應(yīng)了國(guó)家相關(guān)政策，因此具有良好的社會(huì)效益，為環(huán)保作出貢獻(xiàn)。