探讨集中集热 分散储热性能标准

摘要 本文通过对集中集热、分散储热太阳能热水系统特点的分析，提出了集中集热、分散储热太阳能热水系统的热性能指标体系；通过理论计算和工程测试，确定了热性能指标值。 　　0 引言 　　集中集热、分散储热太阳能热水系统是近几年发展起来的，适用于高层住宅的太阳能热水系统，已成为建筑住宅太阳能热水系统的主要形式。 　　1 特点与热性能指标体系 　　集中集热、分散储热太阳能热水系统（以下简称“JF 系统”）：是由多个太阳能集热器组成一个集热系统，用多个家用贮水箱储存热量，通过传热介质将太阳能集热器收集的太阳能量输送并通过换热器传递给多个家用贮水箱的太阳能热水系统。 　　1.1 JF系统特点 　　1.太阳能集热器通过热媒循环，用较长的循环管道输送到用户贮水箱；而贮水箱至用水点的热水管道较短。 　　2.每户一个贮水箱，与集中太阳能热水系统用一个贮水箱比较，贮水箱散热表面积大很多。 　　3. 为了各户公平有效的使用太阳能集热系统中的能量，要求各用户的贮水箱得热量均匀、最低的贮水箱温升值达到使用热水温度。 　　4.各户热水使用情况差别较大，特别是内置辅助加热器并自动控制的贮水箱，可能某天用户不使用热水或热水使用量很少，贮水箱温度较高，在第二天集热系统运行时，要求用户贮水箱的热量不能带入集热循环系统（称“能量倒输”）。 　　5.集热系统只在有能量输送时运行，贮水箱只单向获取集热循环系统送入的能量，因此系统的热损评价只需要对贮水箱提出要求。 　　1.2 JF系统热性能指标体系 　　根据JF系统的特点与要求，其热性能指标与集中太阳能热水系统和家用太阳能热水系统比较需要增加：防“能量倒输”、贮水箱温升均匀性指标。热性能指标体系见表1： 　　2 热性能指标分析 　　2.1 “能量倒输”现象与控制指标分析 　　JF 系统中，当某个或某几个户用贮水箱的温度较高，在集热循环时，由于介质的温度低于贮水箱中的水温，传热介质经过换热器时将贮水箱的能量带到集热循环系统中，称“能量倒输”。 　　用户出现“能量倒输”现象，对于这个或这些用户将产生能量损失，JF系统在系统设计时，必须防止产生“能量倒输”现象，这是JF系统的关键指标。 　　采用旁通阻尼技术和户用电磁阀（电动阀）防能量倒输方法时,支管长度控制到一定的值,可以完全防止“能量倒输”问题。 　　对于一次集热循环，如果把介质的流量确定为定值，那么用户得热量为： 　　△q=KQ2（t1-t2）-KQ1（t2-t3） （1） 　　式中：K—换热器换热系数； 　　Q2—次集热循环流过换热器的热介质量，L； 　　t1—热介质温度，℃； 　　t2—贮水箱中的水温，℃； 　　Q1—次集热循环流过换热器的冷介质量，L； 　　t3—冷介质温度，℃。 　　不产生“能量倒输”现象，必须满足△q≥0，根据公式（1）可以得到： 　　Q1≤Q2（t1-t2）/（t2-t3） （2） 　　最不利情况是第一次集热循环，此时冷介质温度t3最低，接近环境温度。如果在第一个循环中保证△q≥0，那么任何一个循环△q≥0。 　　t3可以按照设计冷水温度计算，如取5℃。 　　Q2可以按照每户平均太阳能集热器面积内的介质量（一次循环热介质量）计算，平板型集热器约为1L/m2，如果每户平均集热器总面积为2.5m2，则Q2=2.5L。 　　根据公式（2）可以得到Q1与t1、t2关系见表2： 　　根据表（2）：如果循环启动温差为5℃，冬天贮水箱最高温 　　度55℃，则Q1≤0.25L。如果连接贮水箱支管直径为DN15，则进入端支管长度≤1.4m。如果进入端支管长度≤0.6m，Q1=0.106L， t1-t2＞3.1℃就可以保证不产生能量倒输现象。 　　按照目前通用的循环启动温差8～10℃，如果Q1≤0.5L则不会产生能量倒输现象，只有支管冷介质经过贮水箱内置换热器时，进入端支管长度应＜2.83m。 　　2.2 贮水箱温升指标分析 　　无论家用太阳能热水系统还是集中太阳能热水系统，在测定单位轮廓集热器面积有效得热量时，国标都用了一个相同的贮水箱温升值指标△t17≥25℃，这是考虑到太阳能热水的使用要求，初始温度20℃，终止温度45℃，直接可以使用。 　　JF系统有多个贮水箱，温升最低的用户贮水箱也应达到使用要求，因此：用户贮水箱温升值指标应为最低的贮水箱温升 　　△tmin17≥ 25℃。 　　JF 系统一般采用同程设计，由于管道本身有热损，热媒供热管路越长，温升越低，因此最低的贮水箱温升值出现在底层住户。 　　2.3 贮水箱平均热损因数指标 　　用户贮水箱的保温性能参照GB/T269670《家用分体式双回路太阳能热水系统技术条件》中规定的平均热损因数USL≤16W /（m3·K）比参照GB/T20095《太阳热水系统性能评定规范》中规定的V≤2m3时标准温降≤8℃要求高，也更合理。 　　对一个150L的45mm 厚聚氨酯保温层的贮水箱用上述两种方法进行了测试，结果为：当地标准温差下的降温2.4℃，平均热损因数12.2W/（m3·K）。 　　由于一个JF系统中可能出现不同规格的家用贮水箱，对各种规格的贮水箱其平均热损因数USL不同，要求各贮水箱平均热损因数最大值USLmax≤16W/（m3·K）。 　　2.4 贮水箱温升均匀性指标 　　JF系统由于贮水箱位置与集热器间的距离差异大，为了各户公平使用太阳能热水系统中的能量，必须保证各用户的贮水箱得热均匀性，水箱得热量与贮水箱温升值成正比，可用贮水箱温升值最大差异的进行控制，保障各用户得热量的均匀性。根据工程产品和典型系统测试结果，贮水箱温升值最大差异应控制在5%以内。 　　2.5 单位轮廓采光面积日有效得热量指标 　　GB/T269670《家用分体式双回路太阳能热水系统技术条件》中规定q17≥6.6MJ/m2；GB/T20095《太阳热水系统性能评定规范》中规定间接式集中太阳能热水系统，q17≥6.3MJ/m2。这些规定都基于集热器与水箱的距离比较短，这些系统供热水管网（管道）比较长，没有考虑供热管道损失。对于JF系统，由于贮水箱分别安装在用户家里，循环管道长，管道损失和储热损失大，有用得热量会低一些；但是，因供热水管道短，供热管道热损失少，且集热系统共用，实际用户使用的太阳能能量不比上述规定的少。 　　1.JF系统与家用太阳能热水系统比较：太阳能集热后的输送距离增加，管道热损增加；平均每户热媒量增加，会降低系统有效得热量。 　　2.JF系统与集中太阳能热水系统比较：太阳能集热后的输送距离增加，管道热损增加；平均每户热媒量增加；分散储热的储热热损增加，会降低系统有效得热量。 　　2.5.1 循环管道热损分析 　　循环管道热损与循环管道表面积成正比，循环管道表面积越大，循环管道热损越大。不同情况下平均每户循环管道表面积和循环管道内热媒量见表3。 　　注：1.JF系统中循环泵至集热器部分管道称为集热部分管道，循环泵至用户水箱部分管道称为输热部分管道。 　　2.循环管道内热媒量计算：只计算循环管道内热媒，不计算平板集热器、膨胀罐和水箱内换热盘管或夹套内的热媒量。 　　计算条件： 　　1.家用分体式双回路太阳能热水系统：日用热水120L，平板集热器采光面积2m2（按照q17≥6.6MJ/m2计算），循环管道长度6m，管径DN15（阳台式或测试用系统循环管道长度）。 　　2.JF 系统，每户日用水120L，平板集热器采光面积2.33m2（按照q17≥5.4MJ/m2计算） 　　3.JF系统两个典型项目：多层（香枫园小区1 号楼，4层8户），小高层（蔚蓝公寓6 号楼，10 层20 户）实际循环管道用量见表4。 　　注：数字带*号的为输热部分管道。 　　按照管道保温允许的能量损失计算结果如表5：设定每天集热循环6小时。 　　结果： 　　1. 循环管道表面积以家用双回路系统为基准：JF系统表面积增加4.4～6.4 倍，管道热损增加4.7～5.9 倍，并且一个JF 系统中用户数越多，平均每户循环管道表面积越大，循环管道热损越大。如果家用双回路系统循环管道热损为3%～5%，JF 系统的循环管道热损将达到15%～25%，增加热损系数0.1～0.2。 　　2. 循环管道表面积以集中系统为基础：JF系统表面积增加2～6倍，如果集中系统循环管道热损为5%～7%，JF系统循环管道热损将达到20%～28%，增加热损系数0.15～0.2。 　　3.综合考虑增加管道热损系数0.15。 　　2.5.2 热媒量分析 　　根据表3数据，循环管道热媒量变化为： 　　①JF系统与家用双回路系统比较：循环管道中的热媒量增加6～12升/户，为设计水量的5%-10% 　　②JF系统与集中系统比较：循环管道中的热媒量增加4～5升/户，为设计水量的3.5%～4%。 　　循环管道中的热媒在输送热量的同时，自己也储存热量。如果热媒温度和热容与贮水箱中水的温度与热容一致，增加的热媒量吸收储存的热量就变成了损失。 　　2.5.3 储热热损分析 　　JF系统与集中太阳能热水系统比较，将JF系统按照集中太阳能热水系统设计贮水箱，贮水箱表面积计算结果如表6。 　　储热损失同贮水箱表面积成正比，分户越多贮水箱表面积增加越多，储热损失系数越大。8～20 户的JF系统贮水箱表面积比集中系统增加1.22～2倍。如果集中系统储热损失为6%～8%，JF系统的储热损失将达到13%～20%。 　　2.5.4 轮廓采光面积平均有效得热量指标 　　根据以上分析，JF系统的热损失比家用双回路系统大，循环管道热损和热媒储能损失增加20%～25%，按照家用分体双回路系统得热量q17≥6.6MJ/m2要求，JF系统用户平均得热量应q17≥5.28MJ/m2。 　　JF系统的热损失比间接式集中太阳能热水系统大，管道和储热损失增加25%~35%，按照间接集中系统得热量q17≥6.3MJ/m2要求，JF系统用户平均得热量应≥4.73MJ/m2。 　　JF系统的平均日有效得热量采用q17≥5.3MJ/m2比较合理。 　　3 典型工程热性能测试 　　2012年6月13日～14日，由浙江省太阳能产品质量检验中心在岱山蔚蓝公寓6号楼进行了JF系统的热性能测试。测试结果见表7、表8。 　　岱山蔚蓝公寓6 号楼JF系统基本情况：共10层，一梯两户，用户数20 户；用户储热水箱为单盘管150L水箱；集热器为平板型太阳能集热器，规格：2000mm×1000mm×90mm，集热器总数28块；介质为水。 　　测试贮水箱选择：最高层11 层，中间层6 层，最底层2 层，每层2户。 　　现场贮水箱温度采用混水法测试，贮水箱热损带回浙江省太阳能产品质量检验中心测试。 　　其他热性能分析：贮水箱最大温升差异，根据表7、表8 计算得到：δt=3.5%。 　　4 结论 　　集中集热、分散储热太阳能热水系统的热性能指标可以确定为表9数据。 （浙江中新能源发展有限公司张建高、浙江省能源与核应用研究院周鑫发、浙江大学傅莉霞、蔡文玉）