探讨家用太阳能热水系统燃气辅助加热技术

1引言 　　由于太阳能热水器的热输出能力受日照、环境、温度等气象条件影响较大，为稳定获得热水，家用太阳能热水器通常都配有辅助热源，其中采用电热元件的辅助电加热方式最为常见。不过，近年采用其他辅助热源成为太阳能热水器技术发展的热点课题，燃气加热装置就是其中的方案之一。 　　2燃气加热装置 　　燃气热水器是用于加热生活用热水的产品，其热输出能力不受日照和气象条件的影响。由于热输出功率较大，具有对热负荷变化能够进行快速响应，配套燃气加热装置的系统在多数情况下，即使太阳能热水器无法运行，仍然可以快速输出热水。但是，由于所用燃料是不可再生的天然气、液化石油气等燃气，一方面运行费用较高，另一方面不可避免地在运行期间就地排放一定量的污染物，而且由于我国的燃气供应相对不足，国家的燃气利用政策并未将采暖用气列入优先保障之列，一定程度限制了家用燃气锅炉市场的发展。 　　太阳能+燃气两用炉是用于加热采暖热水的产品，多数型号同时具备加热卫生热水的功能，具有运行稳定、负荷响应特性好的特点。所以，在住宅采暖领域采用太阳能采暖和燃气采暖相结合的方式，可以更有效地利用燃气，因而成为以壁挂炉为代表的家用燃气采暖锅炉技术发展的热点课题。 　　太阳能热水装置与燃气加热装置在许多方面都有明显的差异，这些差异使得两者之间存在明显的互补性。利用燃气加热装置作为太阳能热水装置的辅助热源，需要面临燃气热水器的原有结构和运行模式的适应性问题，同时运行费用较高，燃气的燃烧产物排放存在一定程度的环境污染问题，烟气中的CO等物质具有较强的危险性，以及燃气泄漏可能导致火灾等事故发生，所认在采用燃气装置时必须妥善予以解决。二者的区别，如表1所示： 　　3技术课题 　　3.1系统设计 　　现有的燃气热水器通常是按照单独使用的要求设计的，当其作为太阳能热水系统的组合单元时，需要解决一些可能产生的问题，例如： 　　———不同单元之间的运行参数不同，尽管某个单元仍然处于正常状态，但是可能导致其他单元进入非正常运行状态； 　　———若某个单元发生故障时，故障的影响可能通过相互之间的接口传递，使影响扩大； 　　———不同的单元分别具有不同的运行特性，运行状态的优化程度，对使用性能和运行费用影响较大； 　　———当热源装置组合之后，可能导致某些运行条件与单独使用的情况有较大差异，从而导致相应的热源装置处于非正常运行状态； 　　———组成热水系统的各热源单元的容量配置的合理性，也成为一个重要问题，过高的配置可能导致系统的经济性受到不良影响，而过低的配置则可能导致热水供应能力不能达到预期的使用要求。 　　3.2安全设计 　　由于燃气辅助加热装置是在太阳能热水系统中新增的装置，由于配置变化而产生的安全设计问题，主要由该装置的安全特性解决。大致要求为，故障隔离、互锁联锁和防止误操作等。 　　燃气辅助加热装置的故障隔离能力，应能够防止其故障对其他热源装置或储热装置产生不良影响，或其他热源装置或储热装置等发生故障时对热水器产生不良影响。热水器应能够与外部装置，包括其他热源装置或储热装置实现联动，包括实现互锁或联锁。在需要时实现以下功能： 　　1.热水器输出的热水温度或热量可能导致其它热源装置或储热装置处于不正常状态时，通过热水器停止运行实现停止输出热水，在燃气输入管道设置电磁阀在需要时由外部控制电路切断燃气供应也视为符合上述要求； 　　2.热水器的工作状态可以通过输出的电气信号传递到其他热源装置、储热装置或控制装置。 　　同时，要考虑若燃气辅助加热装置与太阳能热水装置联接，应允许随意启动任意一种热源装置独立运行或将其停机，除非受到热水器或相应热源的保护功能限制。例如，空气源热泵蒸发器进风温度过低或其他需要保护的原因所致。如果允许热水器与其他热源装置同时运行，那么任何一种热源装置的运行不应对器具或另一种热源装置产生危险，否则任何一种热源装置进入运行状态之前，必须对另一种热源装置进行锁定。 　　对于具备自动启动和停机的燃气辅助加热装置，还需要规定： 　　1.具备自动启动功能的热水器，应考虑在用水开始时管路内的冷水可能导致热水器短暂启动运行导致出水温度波动产生的影响； 　　2.热水器自动启动点火温度应臆设置温度－0.5℃；热水器自动停机熄火温度应逸设置温度＋0.5℃。 　　3.3材料要求 　　作为常规的要求，用于制造零部件的材料，其温度适应范围和耐环境性能，如耐腐蚀、耐紫外线辐射等应满足系统在正常和非正常使用条件下的要求。采用平板式集热器的太阳能热水器夏季的水温可能高达85℃以上，如果温度如此高的热水直接进入燃气热水器的进水口，可能导致某些结构部件损坏。燃气热水器的进水温度一般按30℃以下设计，进水口超温的后果不仅是控制器判定为发生故障，而且可能损坏进口管路上的密封件和管路件中的非金属材料制作的零件。 　　作为解决措施，原则上要求燃气加热装置中与水接触的材料和部件，应能够适应正常使用条件下的温度和压力，而且在可以预见的非正常条件下不导致危险出现。具体要求包括，在正常使用条件下，家用辅助加热型燃气快速热水器进水温度为5℃～85℃，设置出水温度为35℃～65℃，进水压力为0.02MPa～1.0MPa；同时要求这些部件即使在正常条件下，不会受到高于45℃温度的影响，仍然需要能够在非正常条件下满足最高温度85℃热水冲击试验1min，同时应满足65℃温度下4h高温冲击试验。 　　3.4配置方案 　　辅助热源与太阳能主热源的配置方案，大体上有两种基本方案，一种方案，是辅助热源将输出的热水送入储热装置，成为并联方式，另一种方案，是辅助加热装置将输出的热水直接送往用水点，称为串联方式。并联方案由于难以实现对热水需求的迅速响应要求，所以专用的燃气加热装置一般按蓄热方式运行配备，容量较小，一般对负荷调节性能没有要求。而从最大限度减少辅助热源的运行费用要求考虑，多数实际应用采用串联方案，或者是具备串联和并联两种运行方式的组合方案。 　　由于正常情况下，燃气辅助加热装置的温升幅度大致为常规燃气热水器的一半，所以，在配套太阳能热水装置的系统中，一般要求燃气辅助加热装置的容量为相同应用场所单独配备的燃气热水器容量的一半。 　　3.5设计参数 　　由于燃气辅助加热装置的容量通常需要考虑在太阳能集热器无法提供热量的情况下，能够独立满足基本的热水需求，所以在多数运行条件下，辅助热源处于部分负荷状态下运行，部分负荷运行状态下的热效率成为决定其运行经济性的关键。某公司开发的这类产品，规定在50%负荷条件下，必须保证热效率达到88%以上。 　　不过，作为辅助热源装置的燃气热水器在设计方面，要求在相同最大加热功率下，水流量比常规燃气热水器大一倍左右。 　　3.6超温限制 　　虽然在太阳能热水装置热水出口或用水点处安装混水装置，以防止出现超温现象是常见的做法，而且，燃气快速热水装置并不要求必须配备混水装置，但是对于采用燃气辅助加热装置的太阳能热水系统，混水装置的作用则显得尤为重要。通过将冷水与超温的热水混合的措施，显著降低进入燃气热水器的进水口或用水末端的热水温度，一方面改善用水末端的温度调节能力，另一方面，优化系统的运行特性。 　　因此，需要考虑若热水器的应用方式包括输出的热水，不经过储水装置等直接送往用水点时，热水器就应配备混水装置，以防止进水温度高于设置出水温度。除非已经具备其他功能，可以避免由于进水温度高于设置出水温度，而导致实际出水温度超过允许水温波动幅度的情况，例如燃气热水装置内部已经配备了混水部件。 　　3.7调温特性 　　常规设计的燃气热水器最高进水温度为30℃以下，所以，其进出水口之间的最小温升为10℃以上。在与太阳能热水器和热泵热水器组合运行时，将出现在蓄热水箱出水温度40℃时要求燃气热水器点火运行的情况，这时就会出现出水温度无法低于50℃的情况，不仅超出舒适使用范围，而且还可能导致使用者被烫的情况。 　　所以，利用电子控制技术将混水阀的状态根据燃气热水器点火前后的不同情况，分别设定不同的混水后热水温度，就成为有效的解决方案之一。而作为另一个解决方案，就是开发热工性能有异于常规设计的燃气热水器的专用燃气辅助加热单元。后者的特征之一，就是更小的最小温升。某公司开发的具备自动恒温功能的燃气辅助加热装置，可以满足以下要求： 　　1.对于额定流量逸6L/min的热水器，在流量逸6L/min的运行条件下，出水温度应为设置温度±2℃；对于额定流量＜6L/min的热水器，在额定流量的运行条件下，出水温度应为设置温度±2℃。 　　2.在流量变化和启动热水器时，在30s以内实际出水温度变化超过规定水温波动范围的情况，不视为异常现象。 　　3.在燃烧器熄火时，应仍然保持出水温度的波动幅度在允许的范围内，除非此时热水器停止出水。因为，热水器停止出水通常是两种情况，不需要用热水，或进水温度较高时，热水不进入热水器而经过旁路送往用水点。燃气辅助加热装置附加性能要求，见表2： 　　3.8采暖系统 　　实际投入使用的住宅太阳能采暖系统，其太阳能集热装置的容量通常不足住宅计算热负荷的50%，由于冬季采暖热负荷需求最大的时间是在夜间，采暖负荷热惯性较大，温度变化缓慢，所以，在采暖系统一侧，燃气辅助加热装置面临的问题没有生活热水侧的问题那么多。而且，燃气采暖装置采暖侧的负荷调节措施本来就比较完善。在采暖季节，太阳能采暖系统主要承担日间住宅无人时的保温运行和采暖运行的部份负荷，在住宅出现最大采暖热需求时，基本上需要燃气采暖装置承担全部负荷。 　　不过，由于燃气采暖装置的功率较大，在非采暖季节对生活热水进行辅助加热时，在50%生活热水负荷率的运行状态，热效率要求需要放宽到84%左右。同时，在非采暖运行条件下，对生活热水进行加热，需要用冷水混合的方式将进入燃气加热装置的水温降得较低，以避免出水温度超过允许的范围，影响舒适性。 　　3.9太阳能保证率 　　在太阳能热利用领域，常常以太阳能保证率来衡量太阳能利用水平，但是，在高密度的建筑物中，即使是12层以下的多层住宅建筑物，考虑到太阳能集热器的安装条件和相邻建筑物的太阳阴影等制约条件，即使是在属于太阳能资源丰富的地区，要求所有用户都能够配备太阳能保证率逸60%的太阳能热水系统，实际上是无法实现的，因此不得不面临两种选择：或是不安装太阳能热水器，或是降低太阳能保证率。 　　事实上，近年太阳能热利用技术发展的趋势之一，就是在供热系统中较小容量的太阳能集热系统与较大容量的辅助热源配套，其技术经济性较优，虽然冬季辅助热源运行费用较高，但是夏季太阳能集热系统的过剩容量大大减小。太阳能集热器的造价较高，若配套集热面积较小的集热器，就可以将节省下来的部分购置费用冲减辅助热源装置所需的部分费用，从而降低系统总造价。为保证太阳能热水系统在最不利的运行条件下仍然具备良好的使用性能，一般来说，辅助热源的容量不会由于太阳能集热器的配置而变化。 　　所以，太阳能保证率为30%的太阳能—燃气采暖热水系统与60%的同类系统相比，只是太阳能集热器的面积减小了，总造价降低了，即使前者的运行费用有所增加，但是在全寿命周期中的总费用可能仍然是前者较低。更重要的是，较小面积的太阳能集热器可以促使更多的用户乐于采用太阳能集热器。此外，用于采暖的太阳能热水系统的容量一但超过30%保证率，造价的影响还不限于此，住宅采暖热负荷大致10倍于生活热水负荷，太阳能采暖系统在日间提供住宅保温用热，大致上就是全天热负荷的30%左右，所以，基本上不需要为采暖用热采取储热措施，否则，就需要为较高的保证率获得的更多热负荷配置比储蓄生活热水容量大得多的储热装置，系统造价、安装场地以及运行方式的差异显而易见。 　　据了解，国外太阳能集热器的容量选择范围最小的只有10%左右，至于小于50%更为常见，这类太阳能保证率较低的系统由于配套了高性能的辅助热源装置，显著提高了使用性能，因而更受市场的欢迎。由此可见，适当降低太阳能保证率，更有利于太阳能热水系统的推广应用，有利于太阳能热利用产业的发展，从宏观的角度来看，有利于减少常规能源消耗。 　　3.10燃气泄漏 　　当使用燃气加热装置作为辅助热源时，首先必须考虑燃气一旦发生泄漏的应对措施。作为燃气加热装置，由于其设计必须符合相应的燃气具设计标准、规范，所以在一旦发生燃气泄漏时，其结构以及相应的安全措施能够有效降低其危害程度。但是，常规设计的太阳能热水器，在设计标准、规范中并未涉及处于燃气浓度达到较高水平条件下的安全措施，可能导致发生安全事故。 　　显然，在考虑使用燃气加热装置作为辅助热源时，就需要在结构设计以及运行控制方面，对燃气一旦泄漏可能出现的危险要有相应的处置措施。所以，应规定若热水器安装在器具内部，该器具结构应能够防止发生燃气泄漏时，燃气在器具内部进入器具其他部分，除非这些部分的安全性能符合相关的燃气装置标准的要求。 　　4结束语 　　采用燃气加热装置作为太阳能辅助热源，对太阳能热水器的技术经济性产生显著的影响；然而，当一些按独立运行要求设计的热源装置组合配置和运行时，这些装置相互之间的影响可能是不良的，必须认真处理；为了提高系统的技术经济性之外，同时也为实现系统安全、可靠运行，诸如降低太阳能保证率、超温限制、减小燃气加热装置最小温差以及应对燃气泄漏的安全设计等措施，在系统设计和安装过程中都需要妥善考虑。家用多能互补供热系统运作原理，如图1所示：