淺析太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行方式

0前言 　　本文針對目前存在的幾種太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行方式的原理、優(yōu)缺點(diǎn)略作淺析，并針對不足之處提出幾種新型的系統(tǒng)運(yùn)行方式。 　　1自然循環(huán)系統(tǒng) 　　自然循環(huán)系統(tǒng)（見圖1）是最原始的太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行方式，在太陽能技術(shù)開發(fā)初期應(yīng)用極為廣泛，目前在大型太陽能熱力工程中已經(jīng)被擯棄。 　　運(yùn)行原理：在太陽光照條件下，太陽能真空管吸熱加熱管內(nèi)的水，但與儲熱水箱內(nèi)的水溫相比，水溫差距較大。因此太陽能集熱器內(nèi)水的體積質(zhì)量減小變輕，開始慢慢上升到高位的儲熱水箱中，而儲熱水箱內(nèi)的水由于溫度低，因此體積質(zhì)量增大變重，水自然流回處于較低位的太陽能集熱器內(nèi)。如此不斷地循環(huán)，使儲熱水箱內(nèi)的水溫逐漸升高，但這是一個(gè)緩慢的過程。儲熱水箱內(nèi)的水位通常采用機(jī)械浮球控制。 　　優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行方式簡單，投資小，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用少，適合單機(jī)太陽能熱水器。 　　缺點(diǎn)：儲熱水箱必須要高于太陽能集熱器，而且高度差要大，通常1m~2m。儲熱水箱內(nèi)的水升溫比較緩慢，而且對管道和坡度都有嚴(yán)格的要求，不宜做成較大（30m2以內(nèi)）的太陽能熱水系統(tǒng)。 　　2定溫放水系統(tǒng) 　　運(yùn)行原理：定溫放水系統(tǒng)（見圖2）是應(yīng)用較為廣泛的太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行方式，大、小型太陽能熱水系統(tǒng)均適用。在太陽光照條件下，在太陽能集熱器的出水末端增加一個(gè)溫度探頭（水箱內(nèi)的水位可以采用機(jī)械浮球控制也可以采用控制器控制水位探頭）。 　　當(dāng)太陽能集熱器內(nèi)的水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制器發(fā)出信號，控制打開電磁閥，冷水把已經(jīng)達(dá)到設(shè)定溫度的熱水頂入儲熱水箱并儲存起來；當(dāng)太陽能集熱器內(nèi)水溫低于設(shè)定值時(shí)，控制器使電磁閥自動關(guān)閉。如此不斷循環(huán)使儲熱水箱內(nèi)的高溫水不斷增多，當(dāng)儲熱水箱內(nèi)的水位達(dá)到最大水位時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉，不再進(jìn)水。 　　優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)運(yùn)行相對自然循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)熱水速度大大提高，系統(tǒng)運(yùn)行由控制器控制，智能化程度提高，系統(tǒng)相對比較穩(wěn)定。 　　缺點(diǎn)：對儲熱水箱保溫性能要求高，當(dāng)儲熱水箱內(nèi)的水溫降低而儲熱水箱又處于滿水位時(shí)，無法使太陽能集熱器內(nèi)的高溫水繼續(xù)進(jìn)入水箱，造成浪費(fèi)。 　　系統(tǒng)增加控制器及溫度探頭，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用提高。 　　3溫差循環(huán)系統(tǒng) 　　運(yùn)行原理：溫差循環(huán)系統(tǒng)（見圖3）在大型太陽能熱力工程中基本都采用。在太陽光照條件下，在太陽能集熱器的出水末端和儲熱水箱內(nèi)均增加一個(gè)溫度探頭，采用控制器控制，通過設(shè)定溫差控制功能，當(dāng)太陽能集熱器內(nèi)的水溫與儲熱水箱中的水溫之差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制器開始動作，控制啟動熱水循環(huán)泵，把太陽能集熱器中的高溫水和儲熱水箱中的低溫水交換循環(huán)；當(dāng)太陽能集熱器中的水溫與儲熱水箱中的水溫之差低于設(shè)定值時(shí)，控制器開始動作，停止熱水循環(huán)泵工作；如此不斷循環(huán)，從而使整個(gè)儲熱水箱中的水溫升高。 　　優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)運(yùn)行相對定溫放水系統(tǒng)產(chǎn)熱水速度又大大提高，通過采用循環(huán)泵，換熱頻率提高，可以始終保持儲熱水箱內(nèi)的水溫相對較高，大大提高了太陽能集熱器的利用率。 　　缺點(diǎn)：增加了熱水循環(huán)泵，系統(tǒng)投資費(fèi)用相對較高。系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用也相應(yīng)的提高。 　　4定溫放水+溫差循環(huán)系統(tǒng) 　　原理：定溫放水+溫差循環(huán)系統(tǒng)（見圖4）采用定溫放水，使進(jìn)入儲熱水箱內(nèi)的水始終是某一較高溫度值，當(dāng)儲熱水箱內(nèi)的水溫降低時(shí)，采用溫差循環(huán)控制系統(tǒng)，使儲熱水箱內(nèi)的水和太陽能集熱器內(nèi)的水交換。從而始終保持儲熱水箱內(nèi)的水溫為較高溫度，同時(shí)可以采用輔助熱源，這樣就能保證全天候產(chǎn)熱水。 　　優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)可以完全智能化，而且運(yùn)行費(fèi)用比單獨(dú)溫差循環(huán)系統(tǒng)大大降低，最大限度地提高了太陽能集熱器的利用率，采用輔助熱源即可保證任意時(shí)刻的熱水供應(yīng)，不受天氣限制。 　　缺點(diǎn)：系統(tǒng)對控制器功能要求高，系統(tǒng)投資費(fèi)用較高，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用相對較高。 　　上述幾種運(yùn)行方式也是比較典型的太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行方式，尤其是最后一種復(fù)合系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的。下面再介紹幾種在上述方式基礎(chǔ)上新增加的太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行方式。 　　5定溫分區(qū)供水 　　運(yùn)行原理：定溫分區(qū)供水（見圖5）是在“定溫放水+溫差循環(huán)系統(tǒng)”的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生的。這種系統(tǒng)運(yùn)行方式通常是在不采用輔助熱源的情況下使用。自來水先進(jìn)入儲熱水箱，通過儲熱水箱內(nèi)的水溫水位探頭將儲熱水箱分為若干個(gè)高度區(qū)域，首次使用自來水上水至一小高度區(qū)域，通過“定溫放水+溫差循環(huán)系統(tǒng)”的方式使這一小區(qū)域水溫較快升高，然后溫度達(dá)到設(shè)定值，控制器打開電磁閥，儲熱水箱內(nèi)的水再上升至一小高度區(qū)域，然后水溫再升高，再進(jìn)水，如此不斷循環(huán)，使水溫保持在固定范圍內(nèi)的情況不斷提高儲熱水箱內(nèi)的水位。我們稱這種方式為定溫分區(qū)供水。 　　優(yōu)點(diǎn)：提高太陽能集熱器利用率，水溫提升速度大大提高，儲熱水箱內(nèi)的水溫始終保持在一固定范圍內(nèi)，節(jié)省能源利用。 　　缺點(diǎn)：需要通過具體數(shù)據(jù)計(jì)算來設(shè)定分區(qū)的大小。 　　例如：設(shè)定水溫55℃，最低水溫45℃，也就是首先計(jì)算太陽能集熱器內(nèi)滿水時(shí)的體積V，然后計(jì)算太陽能集熱器滿水時(shí)水溫由55℃降到45℃所釋放的熱量Q，再計(jì)算Q可以使多大體積（V1）的水從15℃升高至55℃。然后通過儲熱水箱的總體積和V1來確定分區(qū)的大小及數(shù)量。 　　6副水箱上水定溫放水系統(tǒng) 　　運(yùn)行原理：副水箱上水定溫放水系統(tǒng)（見圖6）在定溫放水基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，可以用于典型系統(tǒng)的2、4方式中?；驹硗胤潘到y(tǒng)一致，只是上水的方式有所改變，即采用副水箱上水，自來水先進(jìn)副水箱，然后水再從副水箱進(jìn)至太陽能集熱器，下面的方式就同定溫放水系統(tǒng)一致了。 　　優(yōu)點(diǎn)：可以克服自來水壓力不穩(wěn)定的問題，避免了壓力過大，損壞水箱的問題。 　　缺點(diǎn)：系統(tǒng)投資成本增加，副水箱體積大小要經(jīng)過合理計(jì)算。 　　7定溫管道循環(huán)系統(tǒng) 　　運(yùn)行原理：定溫管道循環(huán)系統(tǒng)（見圖7）在使用熱水的供熱水末端增加一溫度探頭，自動檢測供水末端管路水溫，當(dāng)水溫低于設(shè)定溫度時(shí)，控制器開始動作，控制啟動管道熱水循環(huán)泵，把管路中的水與儲熱水箱中的水交換，從而使管路中的水溫不低于設(shè)定值，用戶一打開水龍頭就是熱水。 　　優(yōu)點(diǎn)：滿足現(xiàn)代人24小時(shí)全天候熱水需求，可以有效地防止管道被凍壞。 　　缺點(diǎn)：增加初始投資費(fèi)用，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用提高，控制功能相應(yīng)增加。 　　隨著人們生活水平的提高，對生活熱水的使用量和質(zhì)量要求也不斷提高，因此太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行方式也隨之特殊化。這就要求工程設(shè)計(jì)人員要不斷提高能力，不斷創(chuàng)新，在實(shí)際設(shè)計(jì)中不斷進(jìn)步。