探討家用太陽能熱水系統(tǒng)燃氣輔助加熱技術(shù)

1引言 　　由于太陽能熱水器的熱輸出能力受日照、環(huán)境、溫度等氣象條件影響較大，為穩(wěn)定獲得熱水，家用太陽能熱水器通常都配有輔助熱源，其中采用電熱元件的輔助電加熱方式最為常見。不過，近年采用其他輔助熱源成為太陽能熱水器技術(shù)發(fā)展的熱點課題，燃氣加熱裝置就是其中的方案之一。 　　2燃氣加熱裝置 　　燃氣熱水器是用于加熱生活用熱水的產(chǎn)品，其熱輸出能力不受日照和氣象條件的影響。由于熱輸出功率較大，具有對熱負荷變化能夠進行快速響應(yīng)，配套燃氣加熱裝置的系統(tǒng)在多數(shù)情況下，即使太陽能熱水器無法運行，仍然可以快速輸出熱水。但是，由于所用燃料是不可再生的天然氣、液化石油氣等燃氣，一方面運行費用較高，另一方面不可避免地在運行期間就地排放一定量的污染物，而且由于我國的燃氣供應(yīng)相對不足，國家的燃氣利用政策并未將采暖用氣列入優(yōu)先保障之列，一定程度限制了家用燃氣鍋爐市場的發(fā)展。 　　太陽能+燃氣兩用爐是用于加熱采暖熱水的產(chǎn)品，多數(shù)型號同時具備加熱衛(wèi)生熱水的功能，具有運行穩(wěn)定、負荷響應(yīng)特性好的特點。所以，在住宅采暖領(lǐng)域采用太陽能采暖和燃氣采暖相結(jié)合的方式，可以更有效地利用燃氣，因而成為以壁掛爐為代表的家用燃氣采暖鍋爐技術(shù)發(fā)展的熱點課題。 　　太陽能熱水裝置與燃氣加熱裝置在許多方面都有明顯的差異，這些差異使得兩者之間存在明顯的互補性。利用燃氣加熱裝置作為太陽能熱水裝置的輔助熱源，需要面臨燃氣熱水器的原有結(jié)構(gòu)和運行模式的適應(yīng)性問題，同時運行費用較高，燃氣的燃燒產(chǎn)物排放存在一定程度的環(huán)境污染問題，煙氣中的CO等物質(zhì)具有較強的危險性，以及燃氣泄漏可能導致火災(zāi)等事故發(fā)生，所認在采用燃氣裝置時必須妥善予以解決。二者的區(qū)別，如表1所示： 　　3技術(shù)課題 　　3.1系統(tǒng)設(shè)計 　　現(xiàn)有的燃氣熱水器通常是按照單獨使用的要求設(shè)計的，當其作為太陽能熱水系統(tǒng)的組合單元時，需要解決一些可能產(chǎn)生的問題，例如： 　　———不同單元之間的運行參數(shù)不同，盡管某個單元仍然處于正常狀態(tài)，但是可能導致其他單元進入非正常運行狀態(tài)； 　　———若某個單元發(fā)生故障時，故障的影響可能通過相互之間的接口傳遞，使影響擴大； 　　———不同的單元分別具有不同的運行特性，運行狀態(tài)的優(yōu)化程度，對使用性能和運行費用影響較大； 　　———當熱源裝置組合之后，可能導致某些運行條件與單獨使用的情況有較大差異，從而導致相應(yīng)的熱源裝置處于非正常運行狀態(tài)； 　　———組成熱水系統(tǒng)的各熱源單元的容量配置的合理性，也成為一個重要問題，過高的配置可能導致系統(tǒng)的經(jīng)濟性受到不良影響，而過低的配置則可能導致熱水供應(yīng)能力不能達到預(yù)期的使用要求。 　　3.2安全設(shè)計 　　由于燃氣輔助加熱裝置是在太陽能熱水系統(tǒng)中新增的裝置，由于配置變化而產(chǎn)生的安全設(shè)計問題，主要由該裝置的安全特性解決。大致要求為，故障隔離、互鎖聯(lián)鎖和防止誤操作等。 　　燃氣輔助加熱裝置的故障隔離能力，應(yīng)能夠防止其故障對其他熱源裝置或儲熱裝置產(chǎn)生不良影響，或其他熱源裝置或儲熱裝置等發(fā)生故障時對熱水器產(chǎn)生不良影響。熱水器應(yīng)能夠與外部裝置，包括其他熱源裝置或儲熱裝置實現(xiàn)聯(lián)動，包括實現(xiàn)互鎖或聯(lián)鎖。在需要時實現(xiàn)以下功能： 　　1.熱水器輸出的熱水溫度或熱量可能導致其它熱源裝置或儲熱裝置處于不正常狀態(tài)時，通過熱水器停止運行實現(xiàn)停止輸出熱水，在燃氣輸入管道設(shè)置電磁閥在需要時由外部控制電路切斷燃氣供應(yīng)也視為符合上述要求； 　　2.熱水器的工作狀態(tài)可以通過輸出的電氣信號傳遞到其他熱源裝置、儲熱裝置或控制裝置。 　　同時，要考慮若燃氣輔助加熱裝置與太陽能熱水裝置聯(lián)接，應(yīng)允許隨意啟動任意一種熱源裝置獨立運行或?qū)⑵渫C，除非受到熱水器或相應(yīng)熱源的保護功能限制。例如，空氣源熱泵蒸發(fā)器進風溫度過低或其他需要保護的原因所致。如果允許熱水器與其他熱源裝置同時運行，那么任何一種熱源裝置的運行不應(yīng)對器具或另一種熱源裝置產(chǎn)生危險，否則任何一種熱源裝置進入運行狀態(tài)之前，必須對另一種熱源裝置進行鎖定。 　　對于具備自動啟動和停機的燃氣輔助加熱裝置，還需要規(guī)定： 　　1.具備自動啟動功能的熱水器，應(yīng)考慮在用水開始時管路內(nèi)的冷水可能導致熱水器短暫啟動運行導致出水溫度波動產(chǎn)生的影響； 　　2.熱水器自動啟動點火溫度應(yīng)臆設(shè)置溫度－0.5℃；熱水器自動停機熄火溫度應(yīng)逸設(shè)置溫度＋0.5℃。 　　3.3材料要求 　　作為常規(guī)的要求，用于制造零部件的材料，其溫度適應(yīng)范圍和耐環(huán)境性能，如耐腐蝕、耐紫外線輻射等應(yīng)滿足系統(tǒng)在正常和非正常使用條件下的要求。采用平板式集熱器的太陽能熱水器夏季的水溫可能高達85℃以上，如果溫度如此高的熱水直接進入燃氣熱水器的進水口，可能導致某些結(jié)構(gòu)部件損壞。燃氣熱水器的進水溫度一般按30℃以下設(shè)計，進水口超溫的后果不僅是控制器判定為發(fā)生故障，而且可能損壞進口管路上的密封件和管路件中的非金屬材料制作的零件。 　　作為解決措施，原則上要求燃氣加熱裝置中與水接觸的材料和部件，應(yīng)能夠適應(yīng)正常使用條件下的溫度和壓力，而且在可以預(yù)見的非正常條件下不導致危險出現(xiàn)。具體要求包括，在正常使用條件下，家用輔助加熱型燃氣快速熱水器進水溫度為5℃～85℃，設(shè)置出水溫度為35℃～65℃，進水壓力為0.02MPa～1.0MPa；同時要求這些部件即使在正常條件下，不會受到高于45℃溫度的影響，仍然需要能夠在非正常條件下滿足最高溫度85℃熱水沖擊試驗1min，同時應(yīng)滿足65℃溫度下4h高溫沖擊試驗。 　　3.4配置方案 　　輔助熱源與太陽能主熱源的配置方案，大體上有兩種基本方案，一種方案，是輔助熱源將輸出的熱水送入儲熱裝置，成為并聯(lián)方式，另一種方案，是輔助加熱裝置將輸出的熱水直接送往用水點，稱為串聯(lián)方式。并聯(lián)方案由于難以實現(xiàn)對熱水需求的迅速響應(yīng)要求，所以專用的燃氣加熱裝置一般按蓄熱方式運行配備，容量較小，一般對負荷調(diào)節(jié)性能沒有要求。而從最大限度減少輔助熱源的運行費用要求考慮，多數(shù)實際應(yīng)用采用串聯(lián)方案，或者是具備串聯(lián)和并聯(lián)兩種運行方式的組合方案。 　　由于正常情況下，燃氣輔助加熱裝置的溫升幅度大致為常規(guī)燃氣熱水器的一半，所以，在配套太陽能熱水裝置的系統(tǒng)中，一般要求燃氣輔助加熱裝置的容量為相同應(yīng)用場所單獨配備的燃氣熱水器容量的一半。 　　3.5設(shè)計參數(shù) 　　由于燃氣輔助加熱裝置的容量通常需要考慮在太陽能集熱器無法提供熱量的情況下，能夠獨立滿足基本的熱水需求，所以在多數(shù)運行條件下，輔助熱源處于部分負荷狀態(tài)下運行，部分負荷運行狀態(tài)下的熱效率成為決定其運行經(jīng)濟性的關(guān)鍵。某公司開發(fā)的這類產(chǎn)品，規(guī)定在50%負荷條件下，必須保證熱效率達到88%以上。 　　不過，作為輔助熱源裝置的燃氣熱水器在設(shè)計方面，要求在相同最大加熱功率下，水流量比常規(guī)燃氣熱水器大一倍左右。 　　3.6超溫限制 　　雖然在太陽能熱水裝置熱水出口或用水點處安裝混水裝置，以防止出現(xiàn)超溫現(xiàn)象是常見的做法，而且，燃氣快速熱水裝置并不要求必須配備混水裝置，但是對于采用燃氣輔助加熱裝置的太陽能熱水系統(tǒng)，混水裝置的作用則顯得尤為重要。通過將冷水與超溫的熱水混合的措施，顯著降低進入燃氣熱水器的進水口或用水末端的熱水溫度，一方面改善用水末端的溫度調(diào)節(jié)能力，另一方面，優(yōu)化系統(tǒng)的運行特性。 　　因此，需要考慮若熱水器的應(yīng)用方式包括輸出的熱水，不經(jīng)過儲水裝置等直接送往用水點時，熱水器就應(yīng)配備混水裝置，以防止進水溫度高于設(shè)置出水溫度。除非已經(jīng)具備其他功能，可以避免由于進水溫度高于設(shè)置出水溫度，而導致實際出水溫度超過允許水溫波動幅度的情況，例如燃氣熱水裝置內(nèi)部已經(jīng)配備了混水部件。 　　3.7調(diào)溫特性 　　常規(guī)設(shè)計的燃氣熱水器最高進水溫度為30℃以下，所以，其進出水口之間的最小溫升為10℃以上。在與太陽能熱水器和熱泵熱水器組合運行時，將出現(xiàn)在蓄熱水箱出水溫度40℃時要求燃氣熱水器點火運行的情況，這時就會出現(xiàn)出水溫度無法低于50℃的情況，不僅超出舒適使用范圍，而且還可能導致使用者被燙的情況。 　　所以，利用電子控制技術(shù)將混水閥的狀態(tài)根據(jù)燃氣熱水器點火前后的不同情況，分別設(shè)定不同的混水后熱水溫度，就成為有效的解決方案之一。而作為另一個解決方案，就是開發(fā)熱工性能有異于常規(guī)設(shè)計的燃氣熱水器的專用燃氣輔助加熱單元。后者的特征之一，就是更小的最小溫升。某公司開發(fā)的具備自動恒溫功能的燃氣輔助加熱裝置，可以滿足以下要求： 　　1.對于額定流量逸6L/min的熱水器，在流量逸6L/min的運行條件下，出水溫度應(yīng)為設(shè)置溫度±2℃；對于額定流量＜6L/min的熱水器，在額定流量的運行條件下，出水溫度應(yīng)為設(shè)置溫度±2℃。 　　2.在流量變化和啟動熱水器時，在30s以內(nèi)實際出水溫度變化超過規(guī)定水溫波動范圍的情況，不視為異?，F(xiàn)象。 　　3.在燃燒器熄火時，應(yīng)仍然保持出水溫度的波動幅度在允許的范圍內(nèi)，除非此時熱水器停止出水。因為，熱水器停止出水通常是兩種情況，不需要用熱水，或進水溫度較高時，熱水不進入熱水器而經(jīng)過旁路送往用水點。燃氣輔助加熱裝置附加性能要求，見表2： 　　3.8采暖系統(tǒng) 　　實際投入使用的住宅太陽能采暖系統(tǒng)，其太陽能集熱裝置的容量通常不足住宅計算熱負荷的50%，由于冬季采暖熱負荷需求最大的時間是在夜間，采暖負荷熱慣性較大，溫度變化緩慢，所以，在采暖系統(tǒng)一側(cè)，燃氣輔助加熱裝置面臨的問題沒有生活熱水側(cè)的問題那么多。而且，燃氣采暖裝置采暖側(cè)的負荷調(diào)節(jié)措施本來就比較完善。在采暖季節(jié)，太陽能采暖系統(tǒng)主要承擔日間住宅無人時的保溫運行和采暖運行的部份負荷，在住宅出現(xiàn)最大采暖熱需求時，基本上需要燃氣采暖裝置承擔全部負荷。 　　不過，由于燃氣采暖裝置的功率較大，在非采暖季節(jié)對生活熱水進行輔助加熱時，在50%生活熱水負荷率的運行狀態(tài)，熱效率要求需要放寬到84%左右。同時，在非采暖運行條件下，對生活熱水進行加熱，需要用冷水混合的方式將進入燃氣加熱裝置的水溫降得較低，以避免出水溫度超過允許的范圍，影響舒適性。 　　3.9太陽能保證率 　　在太陽能熱利用領(lǐng)域，常常以太陽能保證率來衡量太陽能利用水平，但是，在高密度的建筑物中，即使是12層以下的多層住宅建筑物，考慮到太陽能集熱器的安裝條件和相鄰建筑物的太陽陰影等制約條件，即使是在屬于太陽能資源豐富的地區(qū)，要求所有用戶都能夠配備太陽能保證率逸60%的太陽能熱水系統(tǒng)，實際上是無法實現(xiàn)的，因此不得不面臨兩種選擇：或是不安裝太陽能熱水器，或是降低太陽能保證率。 　　事實上，近年太陽能熱利用技術(shù)發(fā)展的趨勢之一，就是在供熱系統(tǒng)中較小容量的太陽能集熱系統(tǒng)與較大容量的輔助熱源配套，其技術(shù)經(jīng)濟性較優(yōu)，雖然冬季輔助熱源運行費用較高，但是夏季太陽能集熱系統(tǒng)的過剩容量大大減小。太陽能集熱器的造價較高，若配套集熱面積較小的集熱器，就可以將節(jié)省下來的部分購置費用沖減輔助熱源裝置所需的部分費用，從而降低系統(tǒng)總造價。為保證太陽能熱水系統(tǒng)在最不利的運行條件下仍然具備良好的使用性能，一般來說，輔助熱源的容量不會由于太陽能集熱器的配置而變化。 　　所以，太陽能保證率為30%的太陽能—燃氣采暖熱水系統(tǒng)與60%的同類系統(tǒng)相比，只是太陽能集熱器的面積減小了，總造價降低了，即使前者的運行費用有所增加，但是在全壽命周期中的總費用可能仍然是前者較低。更重要的是，較小面積的太陽能集熱器可以促使更多的用戶樂于采用太陽能集熱器。此外，用于采暖的太陽能熱水系統(tǒng)的容量一但超過30%保證率，造價的影響還不限于此，住宅采暖熱負荷大致10倍于生活熱水負荷，太陽能采暖系統(tǒng)在日間提供住宅保溫用熱，大致上就是全天熱負荷的30%左右，所以，基本上不需要為采暖用熱采取儲熱措施，否則，就需要為較高的保證率獲得的更多熱負荷配置比儲蓄生活熱水容量大得多的儲熱裝置，系統(tǒng)造價、安裝場地以及運行方式的差異顯而易見。 　　據(jù)了解，國外太陽能集熱器的容量選擇范圍最小的只有10%左右，至于小于50%更為常見，這類太陽能保證率較低的系統(tǒng)由于配套了高性能的輔助熱源裝置，顯著提高了使用性能，因而更受市場的歡迎。由此可見，適當降低太陽能保證率，更有利于太陽能熱水系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，有利于太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從宏觀的角度來看，有利于減少常規(guī)能源消耗。 　　3.10燃氣泄漏 　　當使用燃氣加熱裝置作為輔助熱源時，首先必須考慮燃氣一旦發(fā)生泄漏的應(yīng)對措施。作為燃氣加熱裝置，由于其設(shè)計必須符合相應(yīng)的燃氣具設(shè)計標準、規(guī)范，所以在一旦發(fā)生燃氣泄漏時，其結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的安全措施能夠有效降低其危害程度。但是，常規(guī)設(shè)計的太陽能熱水器，在設(shè)計標準、規(guī)范中并未涉及處于燃氣濃度達到較高水平條件下的安全措施，可能導致發(fā)生安全事故。 　　顯然，在考慮使用燃氣加熱裝置作為輔助熱源時，就需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計以及運行控制方面，對燃氣一旦泄漏可能出現(xiàn)的危險要有相應(yīng)的處置措施。所以，應(yīng)規(guī)定若熱水器安裝在器具內(nèi)部，該器具結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠防止發(fā)生燃氣泄漏時，燃氣在器具內(nèi)部進入器具其他部分，除非這些部分的安全性能符合相關(guān)的燃氣裝置標準的要求。 　　4結(jié)束語 　　采用燃氣加熱裝置作為太陽能輔助熱源，對太陽能熱水器的技術(shù)經(jīng)濟性產(chǎn)生顯著的影響；然而，當一些按獨立運行要求設(shè)計的熱源裝置組合配置和運行時，這些裝置相互之間的影響可能是不良的，必須認真處理；為了提高系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性之外，同時也為實現(xiàn)系統(tǒng)安全、可靠運行，諸如降低太陽能保證率、超溫限制、減小燃氣加熱裝置最小溫差以及應(yīng)對燃氣泄漏的安全設(shè)計等措施，在系統(tǒng)設(shè)計和安裝過程中都需要妥善考慮。家用多能互補供熱系統(tǒng)運作原理，如圖1所示：