分戶儲(chǔ)熱間接換熱式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

謝紅雷 劉曉霞

1 分戶儲(chǔ)熱間接換熱式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)介紹及其優(yōu)點(diǎn)

分戶儲(chǔ)熱間接換熱式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)一般應(yīng)用于住宅，是集中集熱分散供熱的熱水系統(tǒng)，一般按住宅單元把太陽(yáng)能集熱器集中布置在屋頂，儲(chǔ)熱供熱水箱分散在每戶戶內(nèi)。本熱水系統(tǒng)特點(diǎn)是太陽(yáng)能集熱器內(nèi)水和用戶使用熱水進(jìn)行間接換熱，相比其他系統(tǒng)有比較明顯的優(yōu)勢(shì):

1)戶內(nèi)冷熱水同源，冷熱水側(cè)壓差小，使用穩(wěn)定舒適。

2)使用戶內(nèi)水源和輔助熱源，熱水無(wú)需另外計(jì)量收費(fèi)，運(yùn)行工作量小。

3)不受樓層限制，各層住戶資源均好。

4)系統(tǒng)不影響建筑外立面，易于同建筑一體化。

5)主要設(shè)備集中在屋面，便于管理維護(hù)。

2 分戶儲(chǔ)熱間接換熱式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)組成及原理圖

系統(tǒng)主要由屋面上的太陽(yáng)能集熱器、集熱循環(huán)泵、緩沖水箱、換熱循環(huán)泵和戶內(nèi)的儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)管路組成。原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 分戶儲(chǔ)熱間接換熱式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)原理圖

3 集熱器、緩沖水箱、分戶儲(chǔ)熱水箱設(shè)計(jì)

集熱器設(shè)計(jì)參數(shù)和方法在設(shè)計(jì)手冊(cè)和國(guó)標(biāo)圖集《太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》中已有詳細(xì)說(shuō)明，據(jù)此設(shè)計(jì)即可。緩沖水箱沒(méi)有儲(chǔ)熱要求，在太陽(yáng)能集熱部分和戶用水箱換熱部分之間起過(guò)渡作用，一般采用1 t的不銹鋼水箱。

按《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》住宅熱水定額取低值，每人每日40 L。小戶型住宅每戶取2.5個(gè)人，儲(chǔ)熱水箱采用100 L。大戶型住宅每戶取3個(gè)人，儲(chǔ)熱水箱采用120 L。水箱內(nèi)輔助電加熱功率一般取2 kW。

4 緩沖水箱和分戶儲(chǔ)熱水箱循環(huán)系統(tǒng)流量和揚(yáng)程設(shè)計(jì)探討

集熱器加熱后的水和用戶水箱內(nèi)的水通過(guò)水箱內(nèi)的盤(pán)管換熱，屬于間壁式換熱。盤(pán)管內(nèi)流體和管壁間是強(qiáng)迫流動(dòng)交熱，為了保證換熱效率，應(yīng)使流體處于紊流，即雷諾數(shù)Re＞10 000。經(jīng)了解市場(chǎng)上100 L和120 L儲(chǔ)熱水箱內(nèi)盤(pán)管一般為管徑9.5 mm銅管，管長(zhǎng)約15 m。據(jù)此可以計(jì)算最小流量。

水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù):

緩沖水箱沒(méi)有儲(chǔ)熱功能，集熱器得到的熱量和交換給儲(chǔ)熱水箱的熱量宜基本平衡。按寧波地區(qū)小戶型計(jì)算。

換熱量:Qz=Kt×f×qrd×C×ρr×(te－tL)×1 000/(3 600×Sy)=1.8×0.5×100×4.187×(60－5)×1 000/(3 600×5.67)=1 015 W。

溫差:Δtj=Qz×Cr/F/K/ε =1 015 ×1.1/(3.141 5 ×0.009 5 ×15)/410/0.7=6.7 ℃。

流量:qrx= K1× Qz/(1.163 × Δtj× ρr)=1.1 × 1.015/(1.163 ×6.7)=0.143 m3/h=0.039 L/s。

在熱平衡算得的流量和最小流量中取大者，并由此確定循環(huán)泵流量。循環(huán)管路按推薦流速配置，即管徑15 mm～20 mm，流速不大于0.8 m/s;管徑25 mm～40 mm，流速不大于1.0 m/s;管徑不小于50 mm，流速不大于1.2 m/s。確定系統(tǒng)后計(jì)算管路水頭損失，并以此確定循環(huán)泵揚(yáng)程。

5 系統(tǒng)控制策略，防止分戶水箱熱量逆流

當(dāng)熱媒水溫低于戶內(nèi)水箱輔助熱源加熱后的水溫時(shí)，應(yīng)采取措施防止熱量逆流。一般有3種方式:

1)在水箱熱媒入口處設(shè)溫度傳感器和常開(kāi)電動(dòng)閥，控制器監(jiān)控水箱水和熱媒水溫差，當(dāng)熱媒水溫不大于水箱水溫時(shí)關(guān)閉電動(dòng)閥。

2)在水箱熱媒入口和出口間設(shè)旁通管和常閉電動(dòng)閥，控制器監(jiān)控到熱媒水溫不大于水箱水溫時(shí)打開(kāi)電動(dòng)閥。

3)控制戶用水箱輔助加熱后溫度低于熱媒最低循環(huán)溫度，比如輔助加熱最高溫度控制為50℃，換熱循環(huán)泵最低循環(huán)停止溫度設(shè)置為55℃。

上面這3種方式中第3種方式雖然在戶內(nèi)水箱輔助加熱上有一定限制，但系統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資少、運(yùn)行維護(hù)容易，因此應(yīng)用最多。

6 結(jié)語(yǔ)

本文比較全面的討論了分戶儲(chǔ)熱間接換熱式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)各個(gè)組成部分的設(shè)計(jì)，特別是戶內(nèi)儲(chǔ)熱水箱市場(chǎng)上可供設(shè)計(jì)人員選擇的類型很少，基本只能按定型產(chǎn)品(換熱盤(pán)管參數(shù)確定)設(shè)計(jì)。本文給出了一種已知盤(pán)管參數(shù)，求換熱循環(huán)泵流量的計(jì)算方法，并討論了防止水箱熱量逆流的控制方式。

［1］ 王 經(jīng).傳熱學(xué)與流體力學(xué)基礎(chǔ)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2007.

［2］ 黃儒欽.水力學(xué)教程［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1998.

［3］ 蘇亞欣.傳熱學(xué)［M］.宜昌:華中科技大學(xué)出版社，2009.

［4］ 中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝［M］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.

［5］ 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院.建筑給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.