作者：广东万和新电气股份有限公司/黄逊青

　　摘要：家用太阳能热水系统通过蓄热水箱采用温度分区措施和恒温补热的辅助加热措施，以及容量适宜的蓄热水箱，可以在稳定的热水流量下获得适宜的热水温度并保持恒定，从而显著改善了舒适性要求。同时，蓄热水箱采用温度分区的运行方式，便于测量蓄热水箱内储存的热量，为及时利用辅助热源补充热量满足热水需求创造了条件，而且也使得最大限度减少补热运行的补充加热量过剩。

　　1.概述

　　家用太阳能热水系统的舒适性日益受到消费者的关注，舒适性主要体现为适宜的温度并保持恒定，以及稳定的热水流量。高舒适性的家用太阳能热水系统的基本设计原则是利用太阳能减少能耗、降低运行费用，利用高性能的辅助热源保障舒适性。由于受建筑物结构以及经济性的制约，家用太阳能热水系统通常在配置上采用较大蓄热水箱，较小集热器面积的方案，除夏季日照条件良好的情况外，其余季节通常太阳能集热器的集热量不足以将整箱水的温度提高至设定温度，所以多数情况下，太阳能热水系统的蓄热水箱内部的温度分布，从上至下保持5~10℃的温差，因此在用水时，水箱输出的温度通常随输出水量的增加而逐渐降低，若没有适当的措施，保持用水终端的用水温度稳定难度较大。万和公司在近年的蓄热水箱研究和开发工作中，通过对水箱内温度场控制和测量措施的改进，改善了对蓄热水箱热量的调节手段，结合辅助加热装置及其运行模式的改进，作为太阳能热水系统热水输出特性的舒适性的改善措施，可以显著改善家用太阳能热水系统的舒适性和运行经济性。

　　2.蓄热水箱

　　在蓄热水箱内将不同温度的热水采用分区储存的措施，在日本的热泵热水器产品的蓄热水箱中已经应用多年，这项技术措施对改善热水输出特性和系统运行经济性具有重要的作用。

　　在热泵加热装置或燃气快速加热装置进行蓄热运行时，冷水从蓄热水箱底部进入加热装置，以大温差方式循环，一次加热水温就达到设定的加热温度，流量控制在最小值，当水箱内平均流速低于0.05m/s时，当热水从蓄热水箱顶部进入后，在水箱上部形成稳定的等温热水层。随着加热量的增加，等温热水层的厚度逐渐增大，由于水的物理特性，等温热水层与下部的冷水之间形成一层过渡层，而且该过渡层保持在较小的厚度并相对稳定，因此，在一定范围内热水的使用量和加热量表现为该过渡层位置的变化，当该过渡层的位置处于预期范围内，任何时候需要的水温都是设定温度，使用舒适性和便利性得到显著改善。

　　利用水箱中冷水和热水之间的过渡层厚度和位置相对稳定的特性，在水箱外壳设置温度传感器可以准确测量过渡层的位置，结合流量测量和热量平衡计算等方法，从而提高测量水箱中可用热水量的准确度，为优化热水系统的运行参数创造条件。若水箱内剩余热水量不足而需要利用辅助加热装置补充热水量时，辅助热源提供的热量集中在水箱顶部，最大限度避免过量加热的情况，从而有效提高辅助热源的利用效率。因而使热水系统的使用便利性和运行经济性得到显著提高。

　　对于太阳能加热循环，采用外置式换热器结构方案，热水系统配置灵活，若太阳能热水系统采用直接加热方式即可省略相应的换热器，而且该结构方案便于换热器维护，可以避免内置盘管故障率高而且无法维修的问题。不过，考虑到在高舒适性的家用太阳能热水系统中，较低的水温有利于提高太阳能集热器的集热效率，所以太阳能集热器的热水循环热水回水不适宜设置在水箱顶部，而通常不高于全水箱高度的1/3。将太阳能集热器的循环过程限制在水箱下部进行，由于冷水和热水在水箱中被过渡层隔离，保证了进入太阳能集热器的水温处于较低水平，有利于提高太阳能集热器的集热效率。在冬季进行太阳能集热器防冻循环运行时，从太阳能集热器冷却后的温度降低回水以自然对流方式进行分层，同时由于过渡层隔离作用，保证了热水使用不会受到防冻循环运行的影响。热泵水路系统的防冻循环情况与太阳能集热器的类似。

　　3.辅助热源

　　太阳能集热器的加热运行需利用白天的日照，热泵最经济运行时间在夜间电网负荷低谷时段。不同类型的能源技术经济特性存在差异，因此，虽然能源之间可以通常适当的转换相互替代，但是，两种具有相近的功能而技术经济性差异较大的能源，如果能够合理地进行集成，将获得优于两种能源独立使用的效果。例如，电热过程是将电能转换为热能的过程，从一次能源利用效率的角度衡量，能源利用效率较低。但是，电热过程易于控制、调节以及制造成本低廉是电热技术突出的优势。太阳能热利用过程受气象条件制约明显，日照条件不良会不同程度影响输出热水的温度，同时还存在冬季水温持续偏低的难题，采用集成电加热措施，利用电加热元件能够以紧凑的结构和低廉的购置费用，弥补日照条件不足以及冬季运行对太阳能热利用过程水温影响的效果，系统运行稳定、可靠。

　　太阳能集热器与燃气快速热水器组合是目前有燃气供应地区比较有竞争力的方案，因为在室外环境温度较低时，采用氟碳类制冷剂的空气源热泵机组的制热性能衰减情况明显，用燃气快速热水器与太阳能集热器结合，系统运行稳定、简单、成本较低。

　　4.运行模式

　　一般情况下，蓄热水箱始终保持一定量的恒温热水以随时满足少量的热水需求。如在早晨，水箱下部基本为低温水，白天太阳能加热时，在过渡层以下的低温区域，水温从上至下保持5~10℃的温差，随太阳能集热量增加逐渐升高，当太阳能加热量足够大时，过渡区消失，顶部原恒温热水区的水温高于设定温度。在太阳能加热结束时，控制系统通过对剩余热水量的测量，与预计当天热水需求量进行对比，确定是否需要辅助热源运行以及补充热量。

　　辅助热源补充热量的基本方式有两种：

　　一是蓄热加热方式———在不用热水时辅助热源对蓄热水箱内的热水加热；

　　二是补热加热方式———在用水过程中辅助热源对输出的热水进行加热。

　　蓄热加热方式适用于水箱中剩余热水量与预期需求相差较大的情况，或采用小功率辅助热源装置，例如小功率的空气源热泵等情况；补热加热方式适用于采用水箱中剩余热水量与预期需求相差较小，或采用大功率辅助热源装置，例如，燃气快速热水器的情况。

　　4.1蓄热加热方式

　　若采用热泵热水器为辅助热源，热泵为水箱加热时，低温水从水箱底部经循环泵进入冷凝器，加热至设定温度后进入水箱顶部；用水时，从水源补充的冷水部分与水箱出水混合，冷水通过调节阀的开度和热泵运行状态，使得水箱的出水与冷水的混合水温符合使用要求，同时从水源补充的其余冷水进入水箱底部。

　　若采用燃气快速热水器作为辅助热源，燃气快速热水器向水箱加热时，低温水从水箱底部经循环泵进入燃气快速热水器，加热至设定温度后进入水箱顶部；用水时，从水源补充的冷水部分与水箱出水混合，冷水通过调节阀和燃气快速热水器运行状态，使得水箱的出水与冷水的混合水温符合使用要求，同时从水源补充的其余冷水进入水箱底部。

　　4.2补热加热方式

　　在用热水时，蓄热水箱出水温度低于设定使用温度时，辅助加热装置启动加热冷水至高于蓄热水箱输出的热水温度，然后与蓄热水箱输出的热水混合，混水后温度达到符合用水设定温度要求。

　　在正常用水过程中，由于设定蓄热温度通常高于热水使用终端的用水设定温度，所以，用水时需要采取混水措施保证使用终端的热水输出温度。为减少热水输送过程的热量损失，以及稳定热水输送系统的运行状态，通常混水过程需要在系统的热水输出前完成。

　　5.结语

　　家用太阳能热水系统的舒适性日益受到消费者的关注，舒适性主要体现在适宜的温度并保持恒定，以及稳定的热水流量，蓄热水箱采用温度分区措施形成容量适宜的等温热水区，结合恒温补热的辅助加热措施，以及容量适宜的蓄热水箱，满足舒适性要求。同时，蓄热水箱采用温度分区运行方式，使得蓄热水箱内的储存的热量测量简便、准确，便于及时利用辅助热源补充热量以保证热水供应充足，而且补热运行最大限度减少过剩的加热量，从而降低系统的运行费用。