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家用太陽能熱水系統(tǒng)通過蓄熱水箱采用溫度分區(qū)措施和恒溫補熱的輔助加熱措施，以及容量適宜的蓄熱水箱，可以在穩(wěn)定的熱水流量下獲得適宜的熱水溫度并保持恒定，從而顯著改善了舒適性要求。同時，蓄熱水箱采用溫度分區(qū)的運行方式，便于測量蓄熱水箱內(nèi)儲存的熱量，為及時利用輔助熱源補充熱量滿足熱水需求創(chuàng)造了條件，而且也使得最大限度減少補熱運行的補充加熱量過剩。

關(guān)鍵詞：太陽能熱水系統(tǒng),生活熱水,蓄熱水箱,溫度分區(qū),補熱加熱,剩余熱水量,熱泵,燃氣熱水器

1.概述

家用太陽能熱水系統(tǒng)的舒適性日益受到消費者的關(guān)注，舒適性主要體現(xiàn)為適宜的溫度并保持恒定，以及穩(wěn)定的熱水流量。高舒適性的家用太陽能熱水系統(tǒng)的基本設(shè)計原則是利用太陽能減少能耗、降低運行費用，利用高性能的輔助熱源保障舒適性。由于受建筑物結(jié)構(gòu)以及經(jīng)濟性的制約，家用太陽能熱水系統(tǒng)通常在配置上采用較大蓄熱水箱，較小集熱器面積的方案，除夏季日照條件良好的情況外，其余季節(jié)通常太陽能集熱器的集熱量不足以將整箱水的溫度提高至設(shè)定溫度，所以多數(shù)情況下，太陽能熱水系統(tǒng)的蓄熱水箱內(nèi)部的溫度分布，從上至下保持5~10℃的溫差，因此在用水時，水箱輸出的溫度通常隨輸出水量的增加而逐漸降低，若沒有適當?shù)拇胧?，保持用水終端的用水溫度穩(wěn)定難度較大。萬和公司在近年的蓄熱水箱研究和開發(fā)工作中，通過對水箱內(nèi)溫度場控制和測量措施的改進，改善了對蓄熱水箱熱量的調(diào)節(jié)手段，結(jié)合輔助加熱裝置及其運行模式的改進，作為太陽能熱水系統(tǒng)熱水輸出特性的舒適性的改善措施，可以顯著改善家用太陽能熱水系統(tǒng)的舒適性和運行經(jīng)濟性。

2.蓄熱水箱

在蓄熱水箱內(nèi)將不同溫度的熱水采用分區(qū)儲存的措施，在日本的熱泵熱水器產(chǎn)品的蓄熱水箱中已經(jīng)應(yīng)用多年，這項技術(shù)措施對改善熱水輸出特性和系統(tǒng)運行經(jīng)濟性具有重要的作用。

在熱泵加熱裝置或燃氣快速加熱裝置進行蓄熱運行時，冷水從蓄熱水箱底部進入加熱裝置，以大溫差方式循環(huán)，一次加熱水溫就達到設(shè)定的加熱溫度，流量控制在最小值，當水箱內(nèi)平均流速低于0.05m/s時，當熱水從蓄熱水箱頂部進入后，在水箱上部形成穩(wěn)定的等溫熱水層。隨著加熱量的增加，等溫熱水層的厚度逐漸增大，由于水的物理特性，等溫熱水層與下部的冷水之間形成一層過渡層，而且該過渡層保持在較小的厚度并相對穩(wěn)定，因此，在一定范圍內(nèi)熱水的使用量和加熱量表現(xiàn)為該過渡層位置的變化，當該過渡層的位置處于預期范圍內(nèi)，任何時候需要的水溫都是設(shè)定溫度，使用舒適性和便利性得到顯著改善。

利用水箱中冷水和熱水之間的過渡層厚度和位置相對穩(wěn)定的特性，在水箱外殼設(shè)置溫度傳感器可以準確測量過渡層的位置，結(jié)合流量測量和熱量平衡計算等方法，從而提高測量水箱中可用熱水量的準確度，為優(yōu)化熱水系統(tǒng)的運行參數(shù)創(chuàng)造條件。若水箱內(nèi)剩余熱水量不足而需要利用輔助加熱裝置補充熱水量時，輔助熱源提供的熱量集中在水箱頂部，最大限度避免過量加熱的情況，從而有效提高輔助熱源的利用效率。因而使熱水系統(tǒng)的使用便利性和運行經(jīng)濟性得到顯著提高。

對于太陽能加熱循環(huán)，采用外置式換熱器結(jié)構(gòu)方案，熱水系統(tǒng)配置靈活，若太陽能熱水系統(tǒng)采用直接加熱方式即可省略相應(yīng)的換熱器，而且該結(jié)構(gòu)方案便于換熱器維護，可以避免內(nèi)置盤管故障率高而且無法維修的問題。不過，考慮到在高舒適性的家用太陽能熱水系統(tǒng)中，較低的水溫有利于提高太陽能集熱器的集熱效率，所以太陽能集熱器的熱水循環(huán)熱水回水不適宜設(shè)置在水箱頂部，而通常不高于全水箱高度的1/3。將太陽能集熱器的循環(huán)過程限制在水箱下部進行，由于冷水和熱水在水箱中被過渡層隔離，保證了進入太陽能集熱器的水溫處于較低水平，有利于提高太陽能集熱器的集熱效率。在冬季進行太陽能集熱器防凍循環(huán)運行時，從太陽能集熱器冷卻后的溫度降低回水以自然對流方式進行分層，同時由于過渡層隔離作用，保證了熱水使用不會受到防凍循環(huán)運行的影響。熱泵水路系統(tǒng)的防凍循環(huán)情況與太陽能集熱器的類似。

3.輔助熱源

太陽能集熱器的加熱運行需利用白天的日照，熱泵最經(jīng)濟運行時間在夜間電網(wǎng)負荷低谷時段。不同類型的能源技術(shù)經(jīng)濟特性存在差異，因此，雖然能源之間可以通常適當?shù)霓D(zhuǎn)換相互替代，但是，兩種具有相近的功能而技術(shù)經(jīng)濟性差異較大的能源，如果能夠合理地進行集成，將獲得優(yōu)于兩種能源獨立使用的效果。例如，電熱過程是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的過程，從一次能源利用效率的角度衡量，能源利用效率較低。但是，電熱過程易于控制、調(diào)節(jié)以及制造成本低廉是電熱技術(shù)突出的優(yōu)勢。太陽能熱利用過程受氣象條件制約明顯，日照條件不良會不同程度影響輸出熱水的溫度，同時還存在冬季水溫持續(xù)偏低的難題，采用集成電加熱措施，利用電加熱元件能夠以緊湊的結(jié)構(gòu)和低廉的購置費用，彌補日照條件不足以及冬季運行對太陽能熱利用過程水溫影響的效果，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

太陽能集熱器與燃氣快速熱水器組合是目前有燃氣供應(yīng)地區(qū)比較有競爭力的方案，因為在室外環(huán)境溫度較低時，采用氟碳類制冷劑的空氣源熱泵機組的制熱性能衰減情況明顯，用燃氣快速熱水器與太陽能集熱器結(jié)合，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、簡單、成本較低。

4.運行模式

一般情況下，蓄熱水箱始終保持一定量的恒溫熱水以隨時滿足少量的熱水需求。如在早晨，水箱下部基本為低溫水，白天太陽能加熱時，在過渡層以下的低溫區(qū)域，水溫從上至下保持5~10℃的溫差，隨太陽能集熱量增加逐漸升高，當太陽能加熱量足夠大時，過渡區(qū)消失，頂部原恒溫熱水區(qū)的水溫高于設(shè)定溫度。在太陽能加熱結(jié)束時，控制系統(tǒng)通過對剩余熱水量的測量，與預計當天熱水需求量進行對比，確定是否需要輔助熱源運行以及補充熱量。

輔助熱源補充熱量的基本方式有兩種：

一是蓄熱加熱方式———在不用熱水時輔助熱源對蓄熱水箱內(nèi)的熱水加熱；

二是補熱加熱方式———在用水過程中輔助熱源對輸出的熱水進行加熱。

蓄熱加熱方式適用于水箱中剩余熱水量與預期需求相差較大的情況，或采用小功率輔助熱源裝置，例如小功率的空氣源熱泵等情況；補熱加熱方式適用于采用水箱中剩余熱水量與預期需求相差較小，或采用大功率輔助熱源裝置，例如，燃氣快速熱水器的情況。

4.1蓄熱加熱方式

若采用熱泵熱水器為輔助熱源，熱泵為水箱加熱時，低溫水從水箱底部經(jīng)循環(huán)泵進入冷凝器，加熱至設(shè)定溫度后進入水箱頂部；用水時，從水源補充的冷水部分與水箱出水混合，冷水通過調(diào)節(jié)閥的開度和熱泵運行狀態(tài)，使得水箱的出水與冷水的混合水溫符合使用要求，同時從水源補充的其余冷水進入水箱底部。

若采用燃氣快速熱水器作為輔助熱源，燃氣快速熱水器向水箱加熱時，低溫水從水箱底部經(jīng)循環(huán)泵進入燃氣快速熱水器，加熱至設(shè)定溫度后進入水箱頂部；用水時，從水源補充的冷水部分與水箱出水混合，冷水通過調(diào)節(jié)閥和燃氣快速熱水器運行狀態(tài)，使得水箱的出水與冷水的混合水溫符合使用要求，同時從水源補充的其余冷水進入水箱底部。

4.2補熱加熱方式

在用熱水時，蓄熱水箱出水溫度低于設(shè)定使用溫度時，輔助加熱裝置啟動加熱冷水至高于蓄熱水箱輸出的熱水溫度，然后與蓄熱水箱輸出的熱水混合，混水后溫度達到符合用水設(shè)定溫度要求。

在正常用水過程中，由于設(shè)定蓄熱溫度通常高于熱水使用終端的用水設(shè)定溫度，所以，用水時需要采取混水措施保證使用終端的熱水輸出溫度。為減少熱水輸送過程的熱量損失，以及穩(wěn)定熱水輸送系統(tǒng)的運行狀態(tài)，通常混水過程需要在系統(tǒng)的熱水輸出前完成。

5.結(jié)語

家用太陽能熱水系統(tǒng)的舒適性日益受到消費者的關(guān)注，舒適性主要體現(xiàn)在適宜的溫度并保持恒定，以及穩(wěn)定的熱水流量，蓄熱水箱采用溫度分區(qū)措施形成容量適宜的等溫熱水區(qū)，結(jié)合恒溫補熱的輔助加熱措施，以及容量適宜的蓄熱水箱，滿足舒適性要求。同時，蓄熱水箱采用溫度分區(qū)運行方式，使得蓄熱水箱內(nèi)的儲存的熱量測量簡便、準確，便于及時利用輔助熱源補充熱量以保證熱水供應(yīng)充足，而且補熱運行最大限度減少過剩的加熱量，從而降低系統(tǒng)的運行費用。

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