分戶儲熱間接換熱式太陽能熱水系統(tǒng)設計探討

謝紅雷 劉曉霞

1 分戶儲熱間接換熱式太陽能熱水系統(tǒng)介紹及其優(yōu)點

分戶儲熱間接換熱式太陽能熱水系統(tǒng)一般應用于住宅，是集中集熱分散供熱的熱水系統(tǒng)，一般按住宅單元把太陽能集熱器集中布置在屋頂，儲熱供熱水箱分散在每戶戶內(nèi)。本熱水系統(tǒng)特點是太陽能集熱器內(nèi)水和用戶使用熱水進行間接換熱，相比其他系統(tǒng)有比較明顯的優(yōu)勢:

1)戶內(nèi)冷熱水同源，冷熱水側(cè)壓差小，使用穩(wěn)定舒適。

2)使用戶內(nèi)水源和輔助熱源，熱水無需另外計量收費，運行工作量小。

3)不受樓層限制，各層住戶資源均好。

4)系統(tǒng)不影響建筑外立面，易于同建筑一體化。

5)主要設備集中在屋面，便于管理維護。

2 分戶儲熱間接換熱式太陽能熱水系統(tǒng)組成及原理圖

系統(tǒng)主要由屋面上的太陽能集熱器、集熱循環(huán)泵、緩沖水箱、換熱循環(huán)泵和戶內(nèi)的儲熱水箱、循環(huán)管路組成。原理圖見圖1。

圖1 分戶儲熱間接換熱式太陽能熱水系統(tǒng)原理圖

3 集熱器、緩沖水箱、分戶儲熱水箱設計

集熱器設計參數(shù)和方法在設計手冊和國標圖集《太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》中已有詳細說明，據(jù)此設計即可。緩沖水箱沒有儲熱要求，在太陽能集熱部分和戶用水箱換熱部分之間起過渡作用，一般采用1 t的不銹鋼水箱。

按《建筑給水排水設計規(guī)范》住宅熱水定額取低值，每人每日40 L。小戶型住宅每戶取2.5個人，儲熱水箱采用100 L。大戶型住宅每戶取3個人，儲熱水箱采用120 L。水箱內(nèi)輔助電加熱功率一般取2 kW。

4 緩沖水箱和分戶儲熱水箱循環(huán)系統(tǒng)流量和揚程設計探討

集熱器加熱后的水和用戶水箱內(nèi)的水通過水箱內(nèi)的盤管換熱，屬于間壁式換熱。盤管內(nèi)流體和管壁間是強迫流動交熱，為了保證換熱效率，應使流體處于紊流，即雷諾數(shù)Re＞10 000。經(jīng)了解市場上100 L和120 L儲熱水箱內(nèi)盤管一般為管徑9.5 mm銅管，管長約15 m。據(jù)此可以計算最小流量。

水的運動粘性系數(shù):

緩沖水箱沒有儲熱功能，集熱器得到的熱量和交換給儲熱水箱的熱量宜基本平衡。按寧波地區(qū)小戶型計算。

換熱量:Qz=Kt×f×qrd×C×ρr×(te－tL)×1 000/(3 600×Sy)=1.8×0.5×100×4.187×(60－5)×1 000/(3 600×5.67)=1 015 W。

溫差:Δtj=Qz×Cr/F/K/ε =1 015 ×1.1/(3.141 5 ×0.009 5 ×15)/410/0.7=6.7 ℃。

流量:qrx= K1× Qz/(1.163 × Δtj× ρr)=1.1 × 1.015/(1.163 ×6.7)=0.143 m3/h=0.039 L/s。

在熱平衡算得的流量和最小流量中取大者，并由此確定循環(huán)泵流量。循環(huán)管路按推薦流速配置，即管徑15 mm～20 mm，流速不大于0.8 m/s;管徑25 mm～40 mm，流速不大于1.0 m/s;管徑不小于50 mm，流速不大于1.2 m/s。確定系統(tǒng)后計算管路水頭損失，并以此確定循環(huán)泵揚程。

5 系統(tǒng)控制策略，防止分戶水箱熱量逆流

當熱媒水溫低于戶內(nèi)水箱輔助熱源加熱后的水溫時，應采取措施防止熱量逆流。一般有3種方式:

1)在水箱熱媒入口處設溫度傳感器和常開電動閥，控制器監(jiān)控水箱水和熱媒水溫差，當熱媒水溫不大于水箱水溫時關(guān)閉電動閥。

2)在水箱熱媒入口和出口間設旁通管和常閉電動閥，控制器監(jiān)控到熱媒水溫不大于水箱水溫時打開電動閥。

3)控制戶用水箱輔助加熱后溫度低于熱媒最低循環(huán)溫度，比如輔助加熱最高溫度控制為50℃，換熱循環(huán)泵最低循環(huán)停止溫度設置為55℃。

上面這3種方式中第3種方式雖然在戶內(nèi)水箱輔助加熱上有一定限制，但系統(tǒng)簡單、投資少、運行維護容易，因此應用最多。

6 結(jié)語

本文比較全面的討論了分戶儲熱間接換熱式太陽能熱水系統(tǒng)各個組成部分的設計，特別是戶內(nèi)儲熱水箱市場上可供設計人員選擇的類型很少，基本只能按定型產(chǎn)品(換熱盤管參數(shù)確定)設計。本文給出了一種已知盤管參數(shù)，求換熱循環(huán)泵流量的計算方法，并討論了防止水箱熱量逆流的控制方式。

［1］ 王 經(jīng).傳熱學與流體力學基礎［M］.上海:上海交通大學出版社，2007.

［2］ 黃儒欽.水力學教程［M］.成都:西南交通大學出版社，1998.

［3］ 蘇亞欣.傳熱學［M］.宜昌:華中科技大學出版社，2009.

［4］ 中國建筑標準設計研究院.太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝［M］.北京:中國計劃出版社，2006.

［5］ 中國建筑設計研究院.建筑給水排水設計手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.