一種新型高效的分層水箱熱水集熱系統(tǒng)

摘要 本文以北京市某公寓太陽能熱水系統(tǒng)為例，采用太陽能作為熱水系統(tǒng)的預熱設備，并通過水箱的分層結構更加有效的提高太陽能集熱器的集熱效率。本系統(tǒng)還采用雙容積式換熱器串聯(lián)結構既保證了系統(tǒng)的安全，又確保了太陽能系統(tǒng)的高效運行。本系統(tǒng)還采用熱管集熱器，系統(tǒng)介質為防凍液來解決冬季防凍的問題，再通過兩次間接換熱措施來保證生活用水的安全性，有效防止介質滲漏帶來的安全隱患。 1項目概況 該公寓地處北京市，主要作為員工的休息場所。本項目主要設計熱水的供應系統(tǒng)，設計熱水總用水量30m3/d，熱水供水溫度60℃。而且甲方要求必須采用防凍液循環(huán)系統(tǒng)，同時還要確保防凍液萬一滲漏的安全性問題。 根據以上的要求，在該項目熱水系統(tǒng)熱源的設計過程中，我們首先考慮使用綠色能源——太陽能。并且在這個太陽能熱水供應系統(tǒng)設計中，我們增加了以下幾個方面的考慮：第一，為了防止萬一發(fā)生防凍液泄漏，也不會影響洗浴生活用水的水質，必須采用兩級換熱系統(tǒng)；第二，為了提高換熱效率，就要增加換熱熱源側的溫差，所以在太陽能集熱過程中儲熱水箱設計了分層結構來提高上部的溫度同時還提高了太陽能集熱效率；第三，輔助能源確認采用燃氣鍋爐，并且在使用燃氣鍋爐時怎樣避免太陽能的利用率受其影響的問題。 2 運行原理 本系統(tǒng)適用于居住建筑太陽能熱水系統(tǒng)，根據用戶的總日用熱水量，配置相應的太陽能集熱器和水箱，同時結合建筑結構，太陽能集熱器安裝在屋頂，儲熱水箱、循環(huán)泵、控制器及膨脹罐、板式換熱器、供熱水箱等設備安裝在室內地下設備間。工作原理如圖1所示。   3 工程技術特點 3.1熱水系統(tǒng) 人們對熱水的要求是什么？舒適、持續(xù)、穩(wěn)定以及衛(wèi)生等等，可見大家對熱水的要求是比較高的。那通過什么樣的供熱水方式來滿足這樣的需求呢？我們設計了將市政給水用太陽能和燃氣雙熱源在容積式換熱器內進行加熱，并直接利用市政的壓力承壓供水的這一系統(tǒng)。 3.2太陽能熱水系統(tǒng)作為預熱系統(tǒng) 本項目的設計供熱水溫度要求為60℃，這樣我們就需要燃氣鍋爐作為恒定的熱源，但是這樣一來，又帶來一個問題：如果水箱內的水溫恒定在60℃的溫度下，太陽能豈不是用不上？當然不是，我們只需要將太陽能換個位置，作為預熱系統(tǒng)，直接給市政給水加熱，提高太陽能的熱利用率，一舉兩得。預熱系統(tǒng)原理詳見圖1。 3.3 提高太陽能集熱器的集熱效率——分層水箱 “—太陽能集熱器的作用？—集熱！—集熱效果的標志是什么？—集熱效率。”眾所周知玻璃真空管集熱管的特點是全年效率高，但其致命弱點是玻璃管容易破損，從而產生漏水。怎樣做到集熱效率高且不漏水呢？答案是內插金屬流道真空管集熱器。那我們又該怎么從集熱器應用方面上提高集熱器的效率呢？ 首先分析，影響集熱器集熱效率的因素有哪些？從圖2中不難看出有3個因素：工質進口溫度、環(huán)境溫度和集熱器采光面上總日射輻照度。其中，正常設計時，環(huán)境溫度和集熱器采光面上總日射輻照度不易控制。但工質進口溫度我們卻可以控制，這樣我們就可以從這方面入手。 圖2 瞬時效率曲線 怎樣降低集熱器工質進口的溫度？本系統(tǒng)中，我們主要通過水箱的分層結構的措施來解決。分層水箱是由四季沐歌自主研發(fā)并且效果明顯的一款產品，它有以下特點：1.水箱內有明顯的溫度梯度，通過測試四季沐歌的技術已經實現(xiàn)下層20℃，上層45℃的效果，詳見圖3。2.系統(tǒng)運行時，即集熱、換熱溫差循環(huán)時，水箱溫度梯度不會受到明顯的影響。利用這一特點，我們只需選取集熱器工質進口溫度合適點（溫度穩(wěn)定點），即可有效避免常規(guī)系統(tǒng)中集熱器的效率會隨著進口工質溫度的升高而降低。 圖3 分層水箱測試溫度曲線 其實分層水箱結構不但能提高集熱器的集熱效率，它還可以利用分層技術的特點提高供應熱水的溫度，這樣可以進一步提高容積式換熱器的效率，進而提高整個系統(tǒng)的效率。 3.4 兩次間接換熱措施 本系統(tǒng)采用熱管集熱器作為集熱模塊，承壓運行，運行介質為防凍液，可起到冬季防凍的作用。采用防凍液作為介質，會帶來一個隱患：市場上常見的承壓系統(tǒng)都是一次換熱系統(tǒng)，一旦承壓系統(tǒng)與用水系統(tǒng)接觸處出現(xiàn)滲漏介質點，那帶來的后果不堪設想。怎樣解決這一問題？其實很簡單，在集熱承壓系統(tǒng)與用水系統(tǒng)之間加上一個非承壓系統(tǒng)即可。這樣盡管會提高換熱熱量損失，但卻可以保證用水的安全、衛(wèi)生。 3.5 板式換熱器與容積式換熱器的共存 本系統(tǒng)的熱源是太陽能和燃氣，其中太陽能系統(tǒng)是作為預熱系統(tǒng)。即太陽能提供的熱源溫度為50~60℃之間，鍋爐提供的熱源溫度為90~120℃之間。到底選取什么換熱設備合適呢？我們來分析一下常見的換熱設備，即板式換熱器與容積式換熱器： 板式換熱器（圖4）是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過半片進行熱量交換。它的主要特點：1.板式換熱器是液—液、液—汽進行熱交換的理想設備。2.傳熱系數(shù)高：一般是管殼式的3-5倍。3.末端溫差?。汗軞な揭话銥?℃，板式可達到＜1℃。4.占地面積小：單位體積內的換熱面積為管殼式的2~5倍。實現(xiàn)同樣的換熱量，板式換熱器占地面積約為管殼式換熱器的1/5~1/8。 圖4 板式換熱器 容積式換熱器（圖5）是利用冷、熱流體交替流經蓄熱室中的蓄熱體表面，從而進行熱量交換的換熱器。它的功能特點：1.熱媒溫降大：熱溫降為同型換熱器的2～2.5倍，適用于高溫熱源。2.內置銅管，節(jié)省占地空間。3.保持了換熱器貯水量大，水頭損失低，供水安全穩(wěn)定，方便清垢之優(yōu)點。 結合板式換熱器與容積式換熱器兩者的特點，太陽能作為熱媒換熱端采用板式換熱器，鍋爐作為熱媒換熱端采用容積式換熱器。 5  結束語 本工程采用太陽能預熱系統(tǒng)并通過水箱分層結構有效的提高太陽能集熱器在應用方面的效率。系統(tǒng)還采用熱管集熱器承壓系統(tǒng)的運行原理，并通過兩次間接換熱措施，有效的保證系統(tǒng)用熱水的穩(wěn)定性，并且避免防凍介質滲漏帶來的安全及衛(wèi)生隱患。本系統(tǒng)也可為居住建筑的供熱水系統(tǒng)提供一個可行的方案。（北京四季沐歌太陽能技術集團有限公司  朱寧 溫仁新）