探討集中集熱 分散儲(chǔ)熱性能標(biāo)準(zhǔn)

摘要 本文通過對(duì)集中集熱、分散儲(chǔ)熱太陽能熱水系統(tǒng)特點(diǎn)的分析，提出了集中集熱、分散儲(chǔ)熱太陽能熱水系統(tǒng)的熱性能指標(biāo)體系；通過理論計(jì)算和工程測(cè)試，確定了熱性能指標(biāo)值。 　　0 引言 　　集中集熱、分散儲(chǔ)熱太陽能熱水系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來的，適用于高層住宅的太陽能熱水系統(tǒng)，已成為建筑住宅太陽能熱水系統(tǒng)的主要形式。 　　1 特點(diǎn)與熱性能指標(biāo)體系 　　集中集熱、分散儲(chǔ)熱太陽能熱水系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“JF 系統(tǒng)”）：是由多個(gè)太陽能集熱器組成一個(gè)集熱系統(tǒng)，用多個(gè)家用貯水箱儲(chǔ)存熱量，通過傳熱介質(zhì)將太陽能集熱器收集的太陽能量輸送并通過換熱器傳遞給多個(gè)家用貯水箱的太陽能熱水系統(tǒng)。 　　1.1 JF系統(tǒng)特點(diǎn) 　　1.太陽能集熱器通過熱媒循環(huán)，用較長(zhǎng)的循環(huán)管道輸送到用戶貯水箱；而貯水箱至用水點(diǎn)的熱水管道較短。 　　2.每戶一個(gè)貯水箱，與集中太陽能熱水系統(tǒng)用一個(gè)貯水箱比較，貯水箱散熱表面積大很多。 　　3. 為了各戶公平有效的使用太陽能集熱系統(tǒng)中的能量，要求各用戶的貯水箱得熱量均勻、最低的貯水箱溫升值達(dá)到使用熱水溫度。 　　4.各戶熱水使用情況差別較大，特別是內(nèi)置輔助加熱器并自動(dòng)控制的貯水箱，可能某天用戶不使用熱水或熱水使用量很少，貯水箱溫度較高，在第二天集熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，要求用戶貯水箱的熱量不能帶入集熱循環(huán)系統(tǒng)（稱“能量倒輸”）。 　　5.集熱系統(tǒng)只在有能量輸送時(shí)運(yùn)行，貯水箱只單向獲取集熱循環(huán)系統(tǒng)送入的能量，因此系統(tǒng)的熱損評(píng)價(jià)只需要對(duì)貯水箱提出要求。 　　1.2 JF系統(tǒng)熱性能指標(biāo)體系 　　根據(jù)JF系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求，其熱性能指標(biāo)與集中太陽能熱水系統(tǒng)和家用太陽能熱水系統(tǒng)比較需要增加：防“能量倒輸”、貯水箱溫升均勻性指標(biāo)。熱性能指標(biāo)體系見表1： 　　2 熱性能指標(biāo)分析 　　2.1 “能量倒輸”現(xiàn)象與控制指標(biāo)分析 　　JF 系統(tǒng)中，當(dāng)某個(gè)或某幾個(gè)戶用貯水箱的溫度較高，在集熱循環(huán)時(shí)，由于介質(zhì)的溫度低于貯水箱中的水溫，傳熱介質(zhì)經(jīng)過換熱器時(shí)將貯水箱的能量帶到集熱循環(huán)系統(tǒng)中，稱“能量倒輸”。 　　用戶出現(xiàn)“能量倒輸”現(xiàn)象，對(duì)于這個(gè)或這些用戶將產(chǎn)生能量損失，JF系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須防止產(chǎn)生“能量倒輸”現(xiàn)象，這是JF系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。 　　采用旁通阻尼技術(shù)和戶用電磁閥（電動(dòng)閥）防能量倒輸方法時(shí),支管長(zhǎng)度控制到一定的值,可以完全防止“能量倒輸”問題。 　　對(duì)于一次集熱循環(huán)，如果把介質(zhì)的流量確定為定值，那么用戶得熱量為： 　　△q=KQ2（t1-t2）-KQ1（t2-t3） （1） 　　式中：K—換熱器換熱系數(shù)； 　　Q2—次集熱循環(huán)流過換熱器的熱介質(zhì)量，L； 　　t1—熱介質(zhì)溫度，℃； 　　t2—貯水箱中的水溫，℃； 　　Q1—次集熱循環(huán)流過換熱器的冷介質(zhì)量，L； 　　t3—冷介質(zhì)溫度，℃。 　　不產(chǎn)生“能量倒輸”現(xiàn)象，必須滿足△q≥0，根據(jù)公式（1）可以得到： 　　Q1≤Q2（t1-t2）/（t2-t3） （2） 　　最不利情況是第一次集熱循環(huán)，此時(shí)冷介質(zhì)溫度t3最低，接近環(huán)境溫度。如果在第一個(gè)循環(huán)中保證△q≥0，那么任何一個(gè)循環(huán)△q≥0。 　　t3可以按照設(shè)計(jì)冷水溫度計(jì)算，如取5℃。 　　Q2可以按照每戶平均太陽能集熱器面積內(nèi)的介質(zhì)量（一次循環(huán)熱介質(zhì)量）計(jì)算，平板型集熱器約為1L/m2，如果每戶平均集熱器總面積為2.5m2，則Q2=2.5L。 　　根據(jù)公式（2）可以得到Q1與t1、t2關(guān)系見表2： 　　根據(jù)表（2）：如果循環(huán)啟動(dòng)溫差為5℃，冬天貯水箱最高溫 　　度55℃，則Q1≤0.25L。如果連接貯水箱支管直徑為DN15，則進(jìn)入端支管長(zhǎng)度≤1.4m。如果進(jìn)入端支管長(zhǎng)度≤0.6m，Q1=0.106L， t1-t2＞3.1℃就可以保證不產(chǎn)生能量倒輸現(xiàn)象。 　　按照目前通用的循環(huán)啟動(dòng)溫差8～10℃，如果Q1≤0.5L則不會(huì)產(chǎn)生能量倒輸現(xiàn)象，只有支管冷介質(zhì)經(jīng)過貯水箱內(nèi)置換熱器時(shí)，進(jìn)入端支管長(zhǎng)度應(yīng)＜2.83m。 　　2.2 貯水箱溫升指標(biāo)分析 　　無論家用太陽能熱水系統(tǒng)還是集中太陽能熱水系統(tǒng)，在測(cè)定單位輪廓集熱器面積有效得熱量時(shí)，國標(biāo)都用了一個(gè)相同的貯水箱溫升值指標(biāo)△t17≥25℃，這是考慮到太陽能熱水的使用要求，初始溫度20℃，終止溫度45℃，直接可以使用。 　　JF系統(tǒng)有多個(gè)貯水箱，溫升最低的用戶貯水箱也應(yīng)達(dá)到使用要求，因此：用戶貯水箱溫升值指標(biāo)應(yīng)為最低的貯水箱溫升 　　△tmin17≥ 25℃。 　　JF 系統(tǒng)一般采用同程設(shè)計(jì)，由于管道本身有熱損，熱媒供熱管路越長(zhǎng)，溫升越低，因此最低的貯水箱溫升值出現(xiàn)在底層住戶。 　　2.3 貯水箱平均熱損因數(shù)指標(biāo) 　　用戶貯水箱的保溫性能參照GB/T269670《家用分體式雙回路太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》中規(guī)定的平均熱損因數(shù)USL≤16W /（m3·K）比參照GB/T20095《太陽熱水系統(tǒng)性能評(píng)定規(guī)范》中規(guī)定的V≤2m3時(shí)標(biāo)準(zhǔn)溫降≤8℃要求高，也更合理。 　　對(duì)一個(gè)150L的45mm 厚聚氨酯保溫層的貯水箱用上述兩種方法進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果為：當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)溫差下的降溫2.4℃，平均熱損因數(shù)12.2W/（m3·K）。 　　由于一個(gè)JF系統(tǒng)中可能出現(xiàn)不同規(guī)格的家用貯水箱，對(duì)各種規(guī)格的貯水箱其平均熱損因數(shù)USL不同，要求各貯水箱平均熱損因數(shù)最大值USLmax≤16W/（m3·K）。 　　2.4 貯水箱溫升均勻性指標(biāo) 　　JF系統(tǒng)由于貯水箱位置與集熱器間的距離差異大，為了各戶公平使用太陽能熱水系統(tǒng)中的能量，必須保證各用戶的貯水箱得熱均勻性，水箱得熱量與貯水箱溫升值成正比，可用貯水箱溫升值最大差異的進(jìn)行控制，保障各用戶得熱量的均勻性。根據(jù)工程產(chǎn)品和典型系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，貯水箱溫升值最大差異應(yīng)控制在5%以內(nèi)。 　　2.5 單位輪廓采光面積日有效得熱量指標(biāo) 　　GB/T269670《家用分體式雙回路太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》中規(guī)定q17≥6.6MJ/m2；GB/T20095《太陽熱水系統(tǒng)性能評(píng)定規(guī)范》中規(guī)定間接式集中太陽能熱水系統(tǒng)，q17≥6.3MJ/m2。這些規(guī)定都基于集熱器與水箱的距離比較短，這些系統(tǒng)供熱水管網(wǎng)（管道）比較長(zhǎng)，沒有考慮供熱管道損失。對(duì)于JF系統(tǒng)，由于貯水箱分別安裝在用戶家里，循環(huán)管道長(zhǎng)，管道損失和儲(chǔ)熱損失大，有用得熱量會(huì)低一些；但是，因供熱水管道短，供熱管道熱損失少，且集熱系統(tǒng)共用，實(shí)際用戶使用的太陽能能量不比上述規(guī)定的少。 　　1.JF系統(tǒng)與家用太陽能熱水系統(tǒng)比較：太陽能集熱后的輸送距離增加，管道熱損增加；平均每戶熱媒量增加，會(huì)降低系統(tǒng)有效得熱量。 　　2.JF系統(tǒng)與集中太陽能熱水系統(tǒng)比較：太陽能集熱后的輸送距離增加，管道熱損增加；平均每戶熱媒量增加；分散儲(chǔ)熱的儲(chǔ)熱熱損增加，會(huì)降低系統(tǒng)有效得熱量。 　　2.5.1 循環(huán)管道熱損分析 　　循環(huán)管道熱損與循環(huán)管道表面積成正比，循環(huán)管道表面積越大，循環(huán)管道熱損越大。不同情況下平均每戶循環(huán)管道表面積和循環(huán)管道內(nèi)熱媒量見表3。 　　注：1.JF系統(tǒng)中循環(huán)泵至集熱器部分管道稱為集熱部分管道，循環(huán)泵至用戶水箱部分管道稱為輸熱部分管道。 　　2.循環(huán)管道內(nèi)熱媒量計(jì)算：只計(jì)算循環(huán)管道內(nèi)熱媒，不計(jì)算平板集熱器、膨脹罐和水箱內(nèi)換熱盤管或夾套內(nèi)的熱媒量。 　　計(jì)算條件： 　　1.家用分體式雙回路太陽能熱水系統(tǒng)：日用熱水120L，平板集熱器采光面積2m2（按照q17≥6.6MJ/m2計(jì)算），循環(huán)管道長(zhǎng)度6m，管徑DN15（陽臺(tái)式或測(cè)試用系統(tǒng)循環(huán)管道長(zhǎng)度）。 　　2.JF 系統(tǒng)，每戶日用水120L，平板集熱器采光面積2.33m2（按照q17≥5.4MJ/m2計(jì)算） 　　3.JF系統(tǒng)兩個(gè)典型項(xiàng)目：多層（香楓園小區(qū)1 號(hào)樓，4層8戶），小高層（蔚藍(lán)公寓6 號(hào)樓，10 層20 戶）實(shí)際循環(huán)管道用量見表4。 　　注：數(shù)字帶*號(hào)的為輸熱部分管道。 　　按照管道保溫允許的能量損失計(jì)算結(jié)果如表5：設(shè)定每天集熱循環(huán)6小時(shí)。 　　結(jié)果： 　　1. 循環(huán)管道表面積以家用雙回路系統(tǒng)為基準(zhǔn)：JF系統(tǒng)表面積增加4.4～6.4 倍，管道熱損增加4.7～5.9 倍，并且一個(gè)JF 系統(tǒng)中用戶數(shù)越多，平均每戶循環(huán)管道表面積越大，循環(huán)管道熱損越大。如果家用雙回路系統(tǒng)循環(huán)管道熱損為3%～5%，JF 系統(tǒng)的循環(huán)管道熱損將達(dá)到15%～25%，增加熱損系數(shù)0.1～0.2。 　　2. 循環(huán)管道表面積以集中系統(tǒng)為基礎(chǔ)：JF系統(tǒng)表面積增加2～6倍，如果集中系統(tǒng)循環(huán)管道熱損為5%～7%，JF系統(tǒng)循環(huán)管道熱損將達(dá)到20%～28%，增加熱損系數(shù)0.15～0.2。 　　3.綜合考慮增加管道熱損系數(shù)0.15。 　　2.5.2 熱媒量分析 　　根據(jù)表3數(shù)據(jù)，循環(huán)管道熱媒量變化為： 　?、貸F系統(tǒng)與家用雙回路系統(tǒng)比較：循環(huán)管道中的熱媒量增加6～12升/戶，為設(shè)計(jì)水量的5%-10% 　?、贘F系統(tǒng)與集中系統(tǒng)比較：循環(huán)管道中的熱媒量增加4～5升/戶，為設(shè)計(jì)水量的3.5%～4%。 　　循環(huán)管道中的熱媒在輸送熱量的同時(shí)，自己也儲(chǔ)存熱量。如果熱媒溫度和熱容與貯水箱中水的溫度與熱容一致，增加的熱媒量吸收儲(chǔ)存的熱量就變成了損失。 　　2.5.3 儲(chǔ)熱熱損分析 　　JF系統(tǒng)與集中太陽能熱水系統(tǒng)比較，將JF系統(tǒng)按照集中太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)貯水箱，貯水箱表面積計(jì)算結(jié)果如表6。 　　儲(chǔ)熱損失同貯水箱表面積成正比，分戶越多貯水箱表面積增加越多，儲(chǔ)熱損失系數(shù)越大。8～20 戶的JF系統(tǒng)貯水箱表面積比集中系統(tǒng)增加1.22～2倍。如果集中系統(tǒng)儲(chǔ)熱損失為6%～8%，JF系統(tǒng)的儲(chǔ)熱損失將達(dá)到13%～20%。 　　2.5.4 輪廓采光面積平均有效得熱量指標(biāo) 　　根據(jù)以上分析，JF系統(tǒng)的熱損失比家用雙回路系統(tǒng)大，循環(huán)管道熱損和熱媒儲(chǔ)能損失增加20%～25%，按照家用分體雙回路系統(tǒng)得熱量q17≥6.6MJ/m2要求，JF系統(tǒng)用戶平均得熱量應(yīng)q17≥5.28MJ/m2。 　　JF系統(tǒng)的熱損失比間接式集中太陽能熱水系統(tǒng)大，管道和儲(chǔ)熱損失增加25%~35%，按照間接集中系統(tǒng)得熱量q17≥6.3MJ/m2要求，JF系統(tǒng)用戶平均得熱量應(yīng)≥4.73MJ/m2。 　　JF系統(tǒng)的平均日有效得熱量采用q17≥5.3MJ/m2比較合理。 　　3 典型工程熱性能測(cè)試 　　2012年6月13日～14日，由浙江省太陽能產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心在岱山蔚藍(lán)公寓6號(hào)樓進(jìn)行了JF系統(tǒng)的熱性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表7、表8。 　　岱山蔚藍(lán)公寓6 號(hào)樓JF系統(tǒng)基本情況：共10層，一梯兩戶，用戶數(shù)20 戶；用戶儲(chǔ)熱水箱為單盤管150L水箱；集熱器為平板型太陽能集熱器，規(guī)格：2000mm×1000mm×90mm，集熱器總數(shù)28塊；介質(zhì)為水。 　　測(cè)試貯水箱選擇：最高層11 層，中間層6 層，最底層2 層，每層2戶。 　　現(xiàn)場(chǎng)貯水箱溫度采用混水法測(cè)試，貯水箱熱損帶回浙江省太陽能產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心測(cè)試。 　　其他熱性能分析：貯水箱最大溫升差異，根據(jù)表7、表8 計(jì)算得到：δt=3.5%。 　　4 結(jié)論 　　集中集熱、分散儲(chǔ)熱太陽能熱水系統(tǒng)的熱性能指標(biāo)可以確定為表9數(shù)據(jù)。 （浙江中新能源發(fā)展有限公司張建高、浙江省能源與核應(yīng)用研究院周鑫發(fā)、浙江大學(xué)傅莉霞、蔡文玉）