一种新型高效的分层水箱热水集热系统

摘要 本文以北京市某公寓太阳能热水系统为例，采用太阳能作为热水系统的预热设备，并通过水箱的分层结构更加有效的提高太阳能集热器的集热效率。本系统还采用双容积式换热器串联结构既保证了系统的安全，又确保了太阳能系统的高效运行。本系统还采用热管集热器，系统介质为防冻液来解决冬季防冻的问题，再通过两次间接换热措施来保证生活用水的安全性，有效防止介质渗漏带来的安全隐患。 1项目概况 该公寓地处北京市，主要作为员工的休息场所。本项目主要设计热水的供应系统，设计热水总用水量30m3/d，热水供水温度60℃。而且甲方要求必须采用防冻液循环系统，同时还要确保防冻液万一渗漏的安全性问题。 根据以上的要求，在该项目热水系统热源的设计过程中，我们首先考虑使用绿色能源——太阳能。并且在这个太阳能热水供应系统设计中，我们增加了以下几个方面的考虑：第一，为了防止万一发生防冻液泄漏，也不会影响洗浴生活用水的水质，必须采用两级换热系统；第二，为了提高换热效率，就要增加换热热源侧的温差，所以在太阳能集热过程中储热水箱设计了分层结构来提高上部的温度同时还提高了太阳能集热效率；第三，辅助能源确认采用燃气锅炉，并且在使用燃气锅炉时怎样避免太阳能的利用率受其影响的问题。 2 运行原理 本系统适用于居住建筑太阳能热水系统，根据用户的总日用热水量，配置相应的太阳能集热器和水箱，同时结合建筑结构，太阳能集热器安装在屋顶，储热水箱、循环泵、控制器及膨胀罐、板式换热器、供热水箱等设备安装在室内地下设备间。工作原理如图1所示。   3 工程技术特点 3.1热水系统 人们对热水的要求是什么？舒适、持续、稳定以及卫生等等，可见大家对热水的要求是比较高的。那通过什么样的供热水方式来满足这样的需求呢？我们设计了将市政给水用太阳能和燃气双热源在容积式换热器内进行加热，并直接利用市政的压力承压供水的这一系统。 3.2太阳能热水系统作为预热系统 本项目的设计供热水温度要求为60℃，这样我们就需要燃气锅炉作为恒定的热源，但是这样一来，又带来一个问题：如果水箱内的水温恒定在60℃的温度下，太阳能岂不是用不上？当然不是，我们只需要将太阳能换个位置，作为预热系统，直接给市政给水加热，提高太阳能的热利用率，一举两得。预热系统原理详见图1。 3.3 提高太阳能集热器的集热效率——分层水箱 “—太阳能集热器的作用？—集热！—集热效果的标志是什么？—集热效率。”众所周知玻璃真空管集热管的特点是全年效率高，但其致命弱点是玻璃管容易破损，从而产生漏水。怎样做到集热效率高且不漏水呢？答案是内插金属流道真空管集热器。那我们又该怎么从集热器应用方面上提高集热器的效率呢？ 首先分析，影响集热器集热效率的因素有哪些？从图2中不难看出有3个因素：工质进口温度、环境温度和集热器采光面上总日射辐照度。其中，正常设计时，环境温度和集热器采光面上总日射辐照度不易控制。但工质进口温度我们却可以控制，这样我们就可以从这方面入手。 图2 瞬时效率曲线 怎样降低集热器工质进口的温度？本系统中，我们主要通过水箱的分层结构的措施来解决。分层水箱是由四季沐歌自主研发并且效果明显的一款产品，它有以下特点：1.水箱内有明显的温度梯度，通过测试四季沐歌的技术已经实现下层20℃，上层45℃的效果，详见图3。2.系统运行时，即集热、换热温差循环时，水箱温度梯度不会受到明显的影响。利用这一特点，我们只需选取集热器工质进口温度合适点（温度稳定点），即可有效避免常规系统中集热器的效率会随着进口工质温度的升高而降低。 图3 分层水箱测试温度曲线 其实分层水箱结构不但能提高集热器的集热效率，它还可以利用分层技术的特点提高供应热水的温度，这样可以进一步提高容积式换热器的效率，进而提高整个系统的效率。 3.4 两次间接换热措施 本系统采用热管集热器作为集热模块，承压运行，运行介质为防冻液，可起到冬季防冻的作用。采用防冻液作为介质，会带来一个隐患：市场上常见的承压系统都是一次换热系统，一旦承压系统与用水系统接触处出现渗漏介质点，那带来的后果不堪设想。怎样解决这一问题？其实很简单，在集热承压系统与用水系统之间加上一个非承压系统即可。这样尽管会提高换热热量损失，但却可以保证用水的安全、卫生。 3.5 板式换热器与容积式换热器的共存 本系统的热源是太阳能和燃气，其中太阳能系统是作为预热系统。即太阳能提供的热源温度为50~60℃之间，锅炉提供的热源温度为90~120℃之间。到底选取什么换热设备合适呢？我们来分析一下常见的换热设备，即板式换热器与容积式换热器： 板式换热器（图4）是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。它的主要特点：1.板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。2.传热系数高：一般是管壳式的3-5倍。3.末端温差小：管壳式一般为5℃，板式可达到＜1℃。4.占地面积小：单位体积内的换热面积为管壳式的2~5倍。实现同样的换热量，板式换热器占地面积约为管壳式换热器的1/5~1/8。 图4 板式换热器 容积式换热器（图5）是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体表面，从而进行热量交换的换热器。它的功能特点：1.热媒温降大：热温降为同型换热器的2～2.5倍，适用于高温热源。2.内置铜管，节省占地空间。3.保持了换热器贮水量大，水头损失低，供水安全稳定，方便清垢之优点。 结合板式换热器与容积式换热器两者的特点，太阳能作为热媒换热端采用板式换热器，锅炉作为热媒换热端采用容积式换热器。 5  结束语 本工程采用太阳能预热系统并通过水箱分层结构有效的提高太阳能集热器在应用方面的效率。系统还采用热管集热器承压系统的运行原理，并通过两次间接换热措施，有效的保证系统用热水的稳定性，并且避免防冻介质渗漏带来的安全及卫生隐患。本系统也可为居住建筑的供热水系统提供一个可行的方案。（北京四季沐歌太阳能技术集团有限公司  朱宁 温仁新）