家用分體式自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

0 引言

隨著人民生活水平的提高，人們對建筑的美觀度要求越來越高。集熱器和貯熱水箱分離的家用分體式太陽能熱水系統(tǒng)中，集熱器可以在陽臺、屋面等處靈活布置，且能實(shí)現(xiàn)與建筑一體化，美觀程度較高，越來越受到市場的青睞。

家用分體式太陽能熱水系統(tǒng)傳熱介質(zhì)循環(huán)流動有強(qiáng)制循環(huán)和自然循環(huán)2個方案。強(qiáng)制循環(huán)設(shè)計(jì)簡單，循環(huán)可靠性高；但需要在系統(tǒng)中加裝循環(huán)水泵和控制系統(tǒng)，使其成本較高且易損壞。自然循環(huán)系統(tǒng)依靠冷熱水的密度差和集熱器與貯熱水箱的高度差產(chǎn)生循環(huán)動力，造價較低，使用方便；但若設(shè)計(jì)不當(dāng)則不能形成有效循環(huán)，會影響使用效果。

1 家用分體式自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)校核

1.1 系統(tǒng)原理

家用分體式自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)集熱器和貯熱水箱分開設(shè)置，貯熱水箱隱藏在室內(nèi)，坡屋面上僅保留集熱器，原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)無需循環(huán)水泵，造價低，基本免維修，使用習(xí)慣與緊湊式太陽能熱水系統(tǒng)完全一樣，且該形式美觀度較好，非常適合新農(nóng)村建設(shè)太陽能建筑一體化的應(yīng)用要求。

圖1 家用分體式自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)中，集熱器和貯熱水箱之間傳熱介質(zhì)的循環(huán)動力來源于循環(huán)管中冷熱水的密度差和集熱器與貯熱水箱的高度差。系統(tǒng)運(yùn)行初期，在貯熱水箱溫度較低、集熱器進(jìn)出水溫差較小時，系統(tǒng)提供的循環(huán)動力不足，并不能形成有效的自然循環(huán)，集熱器中的水處于“悶曬”狀態(tài)；而當(dāng)集熱器吸收足夠的太陽能、進(jìn)出水溫差足夠大時，系統(tǒng)產(chǎn)生的循環(huán)動力克服了系統(tǒng)阻力，形成了有效的自然循環(huán)；在系統(tǒng)運(yùn)行中期，隨著集熱器進(jìn)水溫度的升高，系統(tǒng)提供的循環(huán)動力更大，循環(huán)流量加大，自然循環(huán)更加順暢。在系統(tǒng)運(yùn)行后期，隨著集熱器得熱量的減少，進(jìn)出水溫差變小，循環(huán)動力減弱；當(dāng)循環(huán)動力不足以克服系統(tǒng)阻力時，循環(huán)終止。

與強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)不同的是，自然循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的循環(huán)動力較小，設(shè)計(jì)時需對集熱器與貯熱水箱高差、集熱器進(jìn)出水溫差和管路阻力等進(jìn)行細(xì)致地校核計(jì)算，以保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，并盡量縮短系統(tǒng)運(yùn)行初期和后期兩個階段的運(yùn)行時間，提高系統(tǒng)效率。

1.2 集熱器與貯熱水箱的高差校核

為保證自然循環(huán)效果，在使用平板型集熱器的自然循環(huán)系統(tǒng)中，貯熱水箱的下循環(huán)管應(yīng)比集熱器的上循環(huán)管高0.3 m 以上[1]。經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)常用平板型太陽能集熱器的寬度一般為1 m，貯熱水箱直徑一般為0.5 m。在集熱器安裝于坡屋面外側(cè)下沿、貯熱水箱臥式安裝于坡屋面內(nèi)側(cè)上沿的極限情況時，符合規(guī)定高差的坡屋面高度至少應(yīng)為1.3 m，此時集熱器中心與貯熱水箱中心的高差Δh為0.76 m。

常見的居住建筑坡屋面單坡進(jìn)深為3.5 m，坡度為25°。經(jīng)計(jì)算，屋面高度為1.6 m，一般可滿足貯熱水箱臥式安裝時的高差要求，但冗余量不大，需謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)；若集熱器和貯熱水箱采用立式安裝則不能滿足規(guī)范中的高差要求。

1.3 設(shè)計(jì)流量和集熱器進(jìn)出水溫差的確定

自然循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行初期流量較小，集熱器進(jìn)出水溫差由小變大；運(yùn)行中期流量較大，集熱器進(jìn)出水溫差較小。這2個參數(shù)始終處于變化狀態(tài)，如何合理地選取系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量和集熱器進(jìn)出水溫差是設(shè)計(jì)時需要首先解決的問題，也是判定和校核系統(tǒng)是否進(jìn)入正常循環(huán)狀態(tài)的依據(jù)。

一般情況下，1 m2集熱器的流量范圍為0.005～0.04 kg/s?m2[2]，強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)選取較大的流量，而自然循環(huán)系統(tǒng)對應(yīng)較小的流量。有研究認(rèn)為，運(yùn)行良好的自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)集熱器中的水流量應(yīng)為0.02 kg/s?m2，且最小值不應(yīng)小于0.005 kg/s?m2[3]，對于1 m2集熱器面積搭配水箱容積為50 L/m2的自然循環(huán)系統(tǒng)，對應(yīng)的系統(tǒng)熱水循環(huán)次數(shù)為0.36～1.44次/h。筆者認(rèn)為，可以系統(tǒng)流量為0.01 kg/s?m2、集熱器進(jìn)出水溫差為20 ℃作為設(shè)計(jì)條件，用于計(jì)算循環(huán)動力和系統(tǒng)阻力；此時對應(yīng)的系統(tǒng)熱水循環(huán)次數(shù)為0.72次/h，若年均日照時間為4 h，則全天可使系統(tǒng)水循環(huán)2.88次，相應(yīng)水溫提升57.6 ℃，基本滿足使用要求，下文也驗(yàn)證了此結(jié)論。

1.4 系統(tǒng)水阻力計(jì)算

系統(tǒng)的水阻力包括沿程阻力、局部阻力、設(shè)備阻力，校核計(jì)算首先需要判斷管中水的流態(tài)。集熱器面積為2 m2，采用直徑d為DN25的連接管、介質(zhì)的平均循環(huán)流量為0.01 kg/s?m2、介質(zhì)水的平均溫度為40 ℃時，其密度ρ=992 kg/m3，動力粘度μ=6.56×10-4kg/(m?s)，循環(huán)流速υ=0.041 m/s。用于判斷流態(tài)的雷諾數(shù)可由式(1)求得：

將值代入式(1)可得，Re=1550，該值小于2300，判斷為層流[4]。由此可見，家用自然循環(huán)系統(tǒng)大部分時間因水流速較慢，管路中基本處于層流狀態(tài)。

沿程阻力ΔPm的計(jì)算式為：

式中，λ為沿程阻力系數(shù)；l為總管長。

由式(2)可知，當(dāng)系統(tǒng)作用半徑為5 m、總管長l為10 m時，計(jì)算得到的沿程阻力ΔPm=13.8 Pa。

對于一般家用太陽能熱水系統(tǒng)，局部阻力至少包括集熱器和貯熱水箱上的90°彎頭各2個，進(jìn)出水管接頭各2個，可查得局部阻力系數(shù)[4]ξ=4×2+4×0.75=11。局部阻力計(jì)算式為：

由式(3)可得，ΔPj=9.17 Pa。

集熱器在自然循環(huán)低流量情況下的阻力特性一般缺乏樣本數(shù)據(jù)和實(shí)測報(bào)告，可按集熱管和連管的等效長度估算其阻力值。由于平板型太陽能集熱器U型集熱管和連管長度都約為2 m，則其等效長度為4 m，由式(2)可計(jì)算出其沿程阻力，即其等效設(shè)備阻力約為5.52 Pa。貯熱水箱的循環(huán)水因流速接近零，阻力可忽略不計(jì)。

綜上所述，本例中沿程阻力、局部阻力、設(shè)備阻力之和約為28.5 Pa。

1.5 自然循環(huán)動力校核計(jì)算

自然循環(huán)管路中循環(huán)動力的來源是上下循環(huán)管中水的溫差和上下循環(huán)管的高差，自然循環(huán)動力ΔP的計(jì)算公式為[4]：

式中，ρ1為進(jìn)水管中冷水的平均密度；ρ2為出水管中熱水的平均密度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

工程中，Δh受建筑條件所限，變化幅度不大。當(dāng)Δh為760 mm時，可得自然循環(huán)動力隨水溫差變化的曲線如圖2所示。

圖2 自然循環(huán)動力隨水溫差變化曲線

由圖2可知，集熱器進(jìn)水溫度越高、集熱器進(jìn)出水溫差越大，系統(tǒng)提供的循環(huán)動力越大。在集熱器進(jìn)水溫度為10 ℃、集熱器進(jìn)出水溫差為20 ℃的情況下，可提供30.6 Pa的循環(huán)動力，比值略大于算例中的系統(tǒng)阻力，一般循環(huán)動力比系統(tǒng)阻力大10%都可認(rèn)為設(shè)計(jì)合理。

2 建筑一體化施工方案

室外集熱器與屋面的一體化設(shè)計(jì)施工是分體式自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)的一個難點(diǎn)。在浙江某村鎮(zhèn)新農(nóng)居建設(shè)項(xiàng)目中安裝了該系統(tǒng)60余套，采用了圖3所示的施工方案。

圖3 斜屋面太陽能集熱器安裝示意圖

方案中，屋面結(jié)構(gòu)層預(yù)留了預(yù)埋連接件和預(yù)埋套管，預(yù)埋連接件和預(yù)埋套管穿越保溫層、防水層時另做保溫防水處理。本方案的特點(diǎn)是屋面施工與太陽能安裝界面清晰，屋面施工完成后進(jìn)行集熱器安裝，集熱器通過連接支架與預(yù)埋連接件牢固連接，熱水循環(huán)管穿過預(yù)埋套管與集熱器和貯熱水箱連接，避免對屋面結(jié)構(gòu)的破壞。需注意的是，預(yù)埋連接件和預(yù)埋套管的定位應(yīng)與凸面瓦位置一致，盡可能減少對凹面瓦形成的雨水排水流道的破壞，如圖4所示。

圖4 預(yù)埋連接件與屋面瓦的相對位置示意圖

為保證美觀，集熱器的色彩選擇應(yīng)盡可能與屋面瓦色彩協(xié)調(diào)一致。實(shí)際安裝效果如圖5所示。

圖5 實(shí)際安裝效果圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該系統(tǒng)自然循環(huán)的實(shí)際效果，筆者于2017年10月21-22日6:00～18:00進(jìn)行了測試，在集熱器進(jìn)出水管路上安裝溫度探頭，分別測試集熱器進(jìn)、出水溫度，并計(jì)算出溫差，每隔5 min記錄1次數(shù)據(jù)；測試的2天為晴間多云的天氣，室外溫度為18～22 ℃，太陽輻照度良好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 集熱器進(jìn)出水溫度測試結(jié)果

測試2天得出相似的結(jié)果，6:00～9:00屬于“悶曬”階段，管內(nèi)水不流動，進(jìn)、出口水溫?zé)o變化；9:00～10:00時，集熱器內(nèi)水溫悶曬至75℃左右，進(jìn)出水溫差最高達(dá)到55 ℃左右，在大溫差作用下，管內(nèi)水克服管路阻力，產(chǎn)生緩慢流動，當(dāng)集熱器中高溫存水流過出水管傳感器后，溫度迅速回落，溫差也迅速回落至15～25 ℃，進(jìn)入正常循環(huán)狀態(tài)，此時循環(huán)溫差為20 ℃左右；10:00～14:00時，循環(huán)穩(wěn)定，水箱溫度逐步升高，隨著流動速度加快，進(jìn)出水溫差逐漸降低；14:00以后，進(jìn)出水溫差低至10℃以下，循環(huán)動力不足以克服管路阻力，循環(huán)停止，傳感器部位水處于自然冷卻狀態(tài)，進(jìn)、出水溫度先后下降至環(huán)境溫度。在有效加熱的若干小時內(nèi)，水箱溫度達(dá)到60℃以上，可滿足使用要求。

4 結(jié)論

1)分體式自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)因其布置靈活、美觀度好、價格適中、基本免維護(hù)等優(yōu)良特性，值得在新農(nóng)村建設(shè)的坡屋面建筑中推廣使用。

2)工程常見的坡屋面尺寸、構(gòu)造一般具備安裝分體式自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)的條件，但具體工程還需經(jīng)過校核計(jì)算。

3)以單位集熱器面積流量0.01 kg/s?m2、集熱器進(jìn)出水溫差20 ℃作為設(shè)計(jì)條件，較為符合家用系統(tǒng)的特點(diǎn)，以此進(jìn)行自然循環(huán)動力和系統(tǒng)阻力的校核計(jì)算可得出較為可靠的結(jié)論。

4)自然循環(huán)系統(tǒng)全天工作按循環(huán)水的流動狀態(tài)大致可分為運(yùn)行初期、運(yùn)行中期及運(yùn)行后期3個階段，設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)應(yīng)盡量使第2個階段的運(yùn)行時間最大化。

5)集熱器安裝時需注重建筑一體化設(shè)計(jì)，必須做到牢固、防水、色彩與建筑相協(xié)調(diào)。