家用分體式自然循環太陽能熱水系統設計研究

0 引言

隨著人民生活水平的提高，人們對建筑的美觀度要求越來越高。集熱器和貯熱水箱分離的家用分體式太陽能熱水系統中，集熱器可以在陽臺、屋面等處靈活布置，且能實現與建筑一體化，美觀程度較高，越來越受到市場的青睞。

家用分體式太陽能熱水系統傳熱介質循環流動有強制循環和自然循環2個方案。強制循環設計簡單，循環可靠性高；但需要在系統中加裝循環水泵和控制系統，使其成本較高且易損壞。自然循環系統依靠冷熱水的密度差和集熱器與貯熱水箱的高度差產生循環動力，造價較低，使用方便；但若設計不當則不能形成有效循環，會影響使用效果。

1 家用分體式自然循環太陽能熱水系統設計校核

1.1 系統原理

家用分體式自然循環太陽能熱水系統集熱器和貯熱水箱分開設置，貯熱水箱隱藏在室內，坡屋面上僅保留集熱器，原理圖如圖1所示。該系統無需循環水泵，造價低，基本免維修，使用習慣與緊湊式太陽能熱水系統完全一樣，且該形式美觀度較好，非常適合新農村建設太陽能建筑一體化的應用要求。

圖1 家用分體式自然循環太陽能熱水系統原理圖

該系統中，集熱器和貯熱水箱之間傳熱介質的循環動力來源于循環管中冷熱水的密度差和集熱器與貯熱水箱的高度差。系統運行初期，在貯熱水箱溫度較低、集熱器進出水溫差較小時，系統提供的循環動力不足，并不能形成有效的自然循環，集熱器中的水處于“悶曬”狀態；而當集熱器吸收足夠的太陽能、進出水溫差足夠大時，系統產生的循環動力克服了系統阻力，形成了有效的自然循環；在系統運行中期，隨著集熱器進水溫度的升高，系統提供的循環動力更大，循環流量加大，自然循環更加順暢。在系統運行后期，隨著集熱器得熱量的減少，進出水溫差變小，循環動力減弱；當循環動力不足以克服系統阻力時，循環終止。

與強制循環系統不同的是，自然循環系統產生的循環動力較小，設計時需對集熱器與貯熱水箱高差、集熱器進出水溫差和管路阻力等進行細致地校核計算，以保證系統能夠正常運行，并盡量縮短系統運行初期和后期兩個階段的運行時間，提高系統效率。

1.2 集熱器與貯熱水箱的高差校核

為保證自然循環效果，在使用平板型集熱器的自然循環系統中，貯熱水箱的下循環管應比集熱器的上循環管高0.3 m 以上[1]。經調研，國內常用平板型太陽能集熱器的寬度一般為1 m，貯熱水箱直徑一般為0.5 m。在集熱器安裝于坡屋面外側下沿、貯熱水箱臥式安裝于坡屋面內側上沿的極限情況時，符合規定高差的坡屋面高度至少應為1.3 m，此時集熱器中心與貯熱水箱中心的高差Δh為0.76 m。

常見的居住建筑坡屋面單坡進深為3.5 m，坡度為25°。經計算，屋面高度為1.6 m，一般可滿足貯熱水箱臥式安裝時的高差要求，但冗余量不大，需謹慎設計；若集熱器和貯熱水箱采用立式安裝則不能滿足規范中的高差要求。

1.3 設計流量和集熱器進出水溫差的確定

自然循環系統運行初期流量較小，集熱器進出水溫差由小變大；運行中期流量較大，集熱器進出水溫差較小。這2個參數始終處于變化狀態，如何合理地選取系統設計流量和集熱器進出水溫差是設計時需要首先解決的問題，也是判定和校核系統是否進入正常循環狀態的依據。

一般情況下，1 m2集熱器的流量范圍為0.005～0.04 kg/s?m2[2]，強制循環系統選取較大的流量，而自然循環系統對應較小的流量。有研究認為，運行良好的自然循環太陽能熱水系統集熱器中的水流量應為0.02 kg/s?m2，且最小值不應小于0.005 kg/s?m2[3]，對于1 m2集熱器面積搭配水箱容積為50 L/m2的自然循環系統，對應的系統熱水循環次數為0.36～1.44次/h。筆者認為，可以系統流量為0.01 kg/s?m2、集熱器進出水溫差為20 ℃作為設計條件，用于計算循環動力和系統阻力；此時對應的系統熱水循環次數為0.72次/h，若年均日照時間為4 h，則全天可使系統水循環2.88次，相應水溫提升57.6 ℃，基本滿足使用要求，下文也驗證了此結論。

1.4 系統水阻力計算

系統的水阻力包括沿程阻力、局部阻力、設備阻力，校核計算首先需要判斷管中水的流態。集熱器面積為2 m2，采用直徑d為DN25的連接管、介質的平均循環流量為0.01 kg/s?m2、介質水的平均溫度為40 ℃時，其密度ρ=992 kg/m3，動力粘度μ=6.56×10-4kg/(m?s)，循環流速υ=0.041 m/s。用于判斷流態的雷諾數可由式(1)求得：

將值代入式(1)可得，Re=1550，該值小于2300，判斷為層流[4]。由此可見，家用自然循環系統大部分時間因水流速較慢，管路中基本處于層流狀態。

沿程阻力ΔPm的計算式為：

式中，λ為沿程阻力系數；l為總管長。

由式(2)可知，當系統作用半徑為5 m、總管長l為10 m時，計算得到的沿程阻力ΔPm=13.8 Pa。

對于一般家用太陽能熱水系統，局部阻力至少包括集熱器和貯熱水箱上的90°彎頭各2個，進出水管接頭各2個，可查得局部阻力系數[4]ξ=4×2+4×0.75=11。局部阻力計算式為：

由式(3)可得，ΔPj=9.17 Pa。

集熱器在自然循環低流量情況下的阻力特性一般缺乏樣本數據和實測報告，可按集熱管和連管的等效長度估算其阻力值。由于平板型太陽能集熱器U型集熱管和連管長度都約為2 m，則其等效長度為4 m，由式(2)可計算出其沿程阻力，即其等效設備阻力約為5.52 Pa。貯熱水箱的循環水因流速接近零，阻力可忽略不計。

綜上所述，本例中沿程阻力、局部阻力、設備阻力之和約為28.5 Pa。

1.5 自然循環動力校核計算

自然循環管路中循環動力的來源是上下循環管中水的溫差和上下循環管的高差，自然循環動力ΔP的計算公式為[4]：

式中，ρ1為進水管中冷水的平均密度；ρ2為出水管中熱水的平均密度；g為當地重力加速度。

工程中，Δh受建筑條件所限，變化幅度不大。當Δh為760 mm時，可得自然循環動力隨水溫差變化的曲線如圖2所示。

圖2 自然循環動力隨水溫差變化曲線

由圖2可知，集熱器進水溫度越高、集熱器進出水溫差越大，系統提供的循環動力越大。在集熱器進水溫度為10 ℃、集熱器進出水溫差為20 ℃的情況下，可提供30.6 Pa的循環動力，比值略大于算例中的系統阻力，一般循環動力比系統阻力大10%都可認為設計合理。

2 建筑一體化施工方案

室外集熱器與屋面的一體化設計施工是分體式自然循環太陽能熱水系統的一個難點。在浙江某村鎮新農居建設項目中安裝了該系統60余套，采用了圖3所示的施工方案。

圖3 斜屋面太陽能集熱器安裝示意圖

方案中，屋面結構層預留了預埋連接件和預埋套管，預埋連接件和預埋套管穿越保溫層、防水層時另做保溫防水處理。本方案的特點是屋面施工與太陽能安裝界面清晰，屋面施工完成后進行集熱器安裝，集熱器通過連接支架與預埋連接件牢固連接，熱水循環管穿過預埋套管與集熱器和貯熱水箱連接，避免對屋面結構的破壞。需注意的是，預埋連接件和預埋套管的定位應與凸面瓦位置一致，盡可能減少對凹面瓦形成的雨水排水流道的破壞，如圖4所示。

圖4 預埋連接件與屋面瓦的相對位置示意圖

為保證美觀，集熱器的色彩選擇應盡可能與屋面瓦色彩協調一致。實際安裝效果如圖5所示。

圖5 實際安裝效果圖

3 實驗驗證

為驗證該系統自然循環的實際效果，筆者于2017年10月21-22日6:00～18:00進行了測試，在集熱器進出水管路上安裝溫度探頭，分別測試集熱器進、出水溫度，并計算出溫差，每隔5 min記錄1次數據；測試的2天為晴間多云的天氣，室外溫度為18～22 ℃，太陽輻照度良好，實驗結果如圖6所示。

圖6 集熱器進出水溫度測試結果

測試2天得出相似的結果，6:00～9:00屬于“悶曬”階段，管內水不流動，進、出口水溫無變化；9:00～10:00時，集熱器內水溫悶曬至75℃左右，進出水溫差最高達到55 ℃左右，在大溫差作用下，管內水克服管路阻力，產生緩慢流動，當集熱器中高溫存水流過出水管傳感器后，溫度迅速回落，溫差也迅速回落至15～25 ℃，進入正常循環狀態，此時循環溫差為20 ℃左右；10:00～14:00時，循環穩定，水箱溫度逐步升高，隨著流動速度加快，進出水溫差逐漸降低；14:00以后，進出水溫差低至10℃以下，循環動力不足以克服管路阻力，循環停止，傳感器部位水處于自然冷卻狀態，進、出水溫度先后下降至環境溫度。在有效加熱的若干小時內，水箱溫度達到60℃以上，可滿足使用要求。

4 結論

1)分體式自然循環太陽能熱水系統因其布置靈活、美觀度好、價格適中、基本免維護等優良特性，值得在新農村建設的坡屋面建筑中推廣使用。

2)工程常見的坡屋面尺寸、構造一般具備安裝分體式自然循環太陽能熱水系統的條件，但具體工程還需經過校核計算。

3)以單位集熱器面積流量0.01 kg/s?m2、集熱器進出水溫差20 ℃作為設計條件，較為符合家用系統的特點，以此進行自然循環動力和系統阻力的校核計算可得出較為可靠的結論。

4)自然循環系統全天工作按循環水的流動狀態大致可分為運行初期、運行中期及運行后期3個階段，設計良好的系統應盡量使第2個階段的運行時間最大化。

5)集熱器安裝時需注重建筑一體化設計，必須做到牢固、防水、色彩與建筑相協調。