太阳能热水系统辅助能源综述

1太阳能热水系统常用辅助能源的种类和效率 　　随着人们生活水平的提高和社会进步，人们已经不再满足只有晴好天气才使用太阳能热水系统的生活方式，而是要求太阳能热水系统能够24小时全天提供生活热水，因此我们需要为太阳能热水系统配备辅助能源。 　　1.1太阳能热水系统的辅助加热装置 　　理论上讲只要能产生热值，能加热水的设备都可以用作太阳能热水系统的辅助加热装置或称为辅助能源，根据发热源种类，辅助能源可以分为： 　　1.电加热：电热水器、电磁感应加热器； 　　2.气类加热装：燃气热水器、采暖热水两用燃气炉、燃气锅炉； 　　3.电驱动型加热装置：空气源热泵、水源热泵、地源热泵等； 　　4.化石能源类加热装置：燃煤锅炉、燃油锅炉； 　　5. 生物质锅炉。 　　1.2各种燃料的发热量和燃烧装置的效率 　　目前常用燃料的燃烧值及标准煤折算值如表1所示。 　　常见加热装置的效率见表2。 　　根据表1和表2，得出只考虑运行费用，不考虑初始投资费用的情况下，应优先选用空气源热泵和燃气热水器。 　　2太阳能热水系统与辅助能源的结合方式及优缺点比较 　　图1所示辅助能源为太阳能水箱加热。采用图1 所示的加热方式，在供应热水时辅助加热装置不工作，其功率相对小，比较适合定时供热水的太阳能系统。图2所示太阳能热水作为预热水通过辅助加热装置后供热水。采用图2所示的加热方式，在供热水时辅助加热装置启动，其他时间不启动，根据太阳能水箱中水的温度不同其燃烧器的功率不同，对辅助加热装置自动调节功能要求很高。 　　辅助加热装置为太阳能水箱加热时采用内置式加热方式、外置式加热方式，尤其使用电加热器时当辅助加热系统功率小于30kW时优先采用内置式电加热器。外置式加热装置与储热水箱的结合方式如图3所示；通过水箱内置盘管换热器的换热方式如图4所示和通过外置板式换热器的换热方式如图5所示。 　　直接加热方式：水箱和加热系统只需要一个小功率低扬程循环泵即可，辅助能源系统本身不需要水箱，只要把两者连接起来实现同步控制；缺点是由于辅助加热装置直接给水箱中的水加热，加热装置容易结水垢，影响辅助加热装置的效率和寿命。 　　水箱内置盘管换热器需要小功率大扬程的循环泵。辅助加热装置需要补水装置和膨胀装置，由于辅助加热装置中的水基本不消耗，为提高辅助加热装置的寿命使用软化水。其优点是辅助能源和被加热水隔离，不会造成水质污染，缺点是由于盘管换热器在水箱内部，当水质硬度较大时容易在盘管外表面形成水垢，影响换热效率，且维修困难，当水垢严重时还容易造成加热装置过热，换热器效率较低。 　　外置板式换热器加热方式：水箱结构简单只需预留出水口和回水口。系统需要两个循环水泵。辅助加热装置需要补水装置和膨胀装置，由于辅助加热装置中的水基本不消耗，为提高辅助加热装置的寿命可以使用软化水。其优点是换热效率高、辅助能源和被加热水隔离，不会造成水质污染，同时由于板式换热器在水箱外部，维修更换和清除水垢都比较容易。缺点是增加水泵和外置板式换热器占用空间。 　　3辅助能源设计计算 　　3.1辅助能源加热设备功率的计算 　　设计太阳能辅助能源加热系统的原则是：在阴天、雨天、雪天，没有太阳辐照时，生产热水需要的所有能量都由辅助能源系统提供。因此辅助能源的总能量＞太阳能热水系统的总能量，辅助能源系统一天工作多少时间，怎样工作是决定太阳能热水系统辅助能源功率的关键因素，对于不同使用情况要分别设计辅助能源功率。根据能量守恒定律我们可以得到辅助能源系统加热公式： 　　1.白天定时使用热水系统辅助能源的功率计算原则对于定时用水的用户，一般考虑在其使用热水前2h～4h启动辅助能源系统，这时式（2）中的m 为全天需要热水的质量，T为实际加热时间，Δt一般取30℃。 　　2.白天连续使用热水系统辅助能源的功率计算原则 　　对于白天连续使用热水的用户，辅助加热系统基本连续工作，保证辅助加热系统的功率能满足最大用水高峰时的用水需求。在设计时应该分析用户使用情况，根据用水习惯列出每小时用水量，找出最大用水量，根据最大用水量选择辅助能源功率。 　　这时式（2）中的m为最大峰值用水量，T取1h，Δt取30℃。 　　3. 24小时连续供热水的太阳能辅助能源功率计算原则 　　24小时连续供热水也要分析最大用水量。由于太阳能热水系统有比较大的储热水箱，在设计连续供水系统时要考虑辅助能源设备的间歇时间，如果用电能，而又实行了峰谷电价的地区，应考虑适当增加辅助能源的功率，以便最大限度地利用低谷电。 　　3.2辅助加热装置的控制逻辑 为最大限度利用太阳能系统，当太阳能加热系统不能保证热水供应时才启动辅助能源，因此为水箱内的水加热时，辅助能源和向水箱加水方式的控制逻辑是影响系统效率的关键因素。正确的控制逻辑是以温度为主控参数的水量（水位）控制逻辑。其运行时序是当水箱水位低于最低水位时同时启动辅助能源和加冷水功能；当水箱温度比设定温度低5℃时暂停加冷水功能，保持辅助能源启动状态；当水箱内水温达到设定温度时再恢复加水功能，如此往复，直到水位达到预定水位后停止辅助能源和加水功能。 　　3.3辅助能源加热注意事项 　　由于个别太阳能系统使用辅助能源是电加热型或电驱动型，有些控制系统为使用低谷电可以降低成本，就在低谷供电时段启动辅助加热装置生产热水（尤其既有低谷供电时段又有空气源热泵的系统）。其实这是一种浪费现象，没有充分利用太阳能，正确的控制逻辑是：无论什么时候，只要不是纯粹由太阳能来产生热水，太阳能储热水箱内只储存可以满足最大峰值用水量的热水。（北京海林太阳能设备有限公司副总经理窦建清）