1、家庭光电智能互补热水站的设计探讨摘要：家庭光电智能互补热水站不受自然条件的约束和地域的差异影响，在冬季或日照较弱的天气，太阳能电加热互补热水站能够解决居民家庭各方面的用热水需求，结构采用模组化创新设计，任意组合，可满足大用水量家庭需求。而且对节约能源、环境保护、提高居民生活质量等方面都将产生巨大的影响。 关键词：太阳能；电加热；热水站；智能互补 中图分类号： S214.2 文献标识码： A 文章编号： Designing of Solar Energy & Electric Heating Water-Station Xu Jian?Gao ( Jiangsu Vocational and T
2、echnical College of Finance & Economics,Huaian, 223003, Jiangsu Province, China) Abstract: Family solar Energy & Electric Heating Water-Station from natural conditions and geographical differences in the constraint effect is weak in winter weather or sunlight, solar hot water heating complementary s
3、tation can solve all aspects of household hot water needs, structure use of model group of innovative design, any combination of a large amount of water to meet domestic demand. But also for sustainable economic development, the residents quality of life, environmental protection will have enormous
4、impact. Key words: solar energy, electric heating, hot water stations, intelligent complementary. 1 前言 太阳能作为一种可再生的能源，具有清洁、环保、可持续的优势，成为人们应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一，越来越受到强烈关注。目前太阳能的开发与利用已成为新的产业，主要集中在太阳能热利用与太阳能发电等领域。在太阳能热利用方面，太阳能热水器及热水系统得到了较为普遍的应用，太阳能热水器主要供应生活和洗浴热水。 在国外尤其是欧洲、澳大利亚等国家，太阳能热水系统主要是作为辅助热源与常规能源系
5、统联合运行，尤其是阳光充足的地区，既能供应生活和洗浴热水，还能为建筑供暖，太阳能热水器的发展潜力是巨大的。我国太阳能热利用主要包括太阳能热水和太阳能发电等领域。其中太阳能热水器在我国得到了快速发展和推广应用，是世界最大的太阳能热水器生产和使用国。 随着环境保护和节能减排意识的普遍提高，科技含量高、使用方便的新型太阳能热水器必将得到越来越多的应用。但由于受自然条件的约束和地域的差异影响，在冬季或日照较弱的天气下，普通真空管和平板式太阳能热水器水温较低，不能提供用来洗浴等，而且目前太阳能热水器集热器面积较小、水箱较小、水温较低仅仅能够满足洗浴用水，为此研制新型家庭太阳能电加热互补热水站，能够更好地
6、解决居民家庭各方面的用热水需求，已经成为太阳能热水器开发与利用作为技术创新研究方向之一。 2 现有产品的分析 2.1 太阳能热水器目前使用情况 目前的能源环境下，发展新兴能源是大势所趋。当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约经济发展的瓶颈时，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。中国幅员辽阔具有充裕的日照时间和强度，太阳热能利用前景广阔，中国太阳能利用进入大规模实用阶段的条件已经成熟。中国已经成为世界上产量最大的太阳能消费品生产国，形成了广阔的农村太阳能产品消费市场。但是我国太阳能热水器产品的质量总体水平不高，特别是中小企业的产品质量不够稳定，在技术创新性、质量可靠性、
7、寿命耐久性和使用实用性等方面还有明显的不足和发展的空间。 2.2 现有产品存在的问题 我国太阳能热水器产品的质量总体水平不高，产品质量不够稳定、质量可靠性、寿命耐久性和使用实用性等方面还有明显的不足，主要有以下几个方面： （1）密封可靠性、耐久性问题真空玻璃管与金属容器的密封只能靠硅胶圈，其寿命及密封可靠性不高； （2）质量安全问题真空玻璃管直接与被加热水接触，而玻璃易碎易裂，所以如果有冰雹或其他碰撞造成一支真空管破裂，则整箱水均会泄露； （3）结垢清理问题由于真空玻璃管是盲管形式，玻璃管内极易造成水垢的沉积，而自然循环式的加热方式使水垢沉积清理问题很难解决； （4）承压运行问题硅胶密封及玻璃
8、的脆性都决定了系统不能承受较高压力，限制了承压式热水器及大型系统的应用： （5）维修保养不方便住宅只能通过屋面上人孔才能上至坡屋项，而热水器又常常安装在屋脊处，所以维修较为困难。 3 设计理念与技术创新点 3.1 设计理念 家庭太阳能电加热互补热水站，不受自然条件的约束和地域的差异影响。在冬季或日照较弱的天气，普通真空管和平板式太阳能热水器水温较低情况下，使用家庭太阳能电加热互补热水站不仅能够满足洗浴用水，还能够解决居民家庭各方面的用热水需求。采用模组化设计，任意组合，可满足不同用水量，尤其大用水量家庭需求。家庭太阳能电加热互补热水站的研制及推广使用将对居民生活质量、环境保护等方面都将产生巨大
9、的影响，从而满足市场的需求，具有较好的市场前景。 2.2 创新之处 （1）热水站的水箱为分体式承压水箱，出热水快，出水量大，冷热水压平衡，调温方便； （2）模组化设计，任意组合，满足大用水量家庭需求； （3）热水站集热器采用平板式集热器，采用回流排空技术，防冻技术，可方便地解决集热器过冬防冻问题； （4）换热管采用新型螺旋翅片管，传热面积为真空管的几倍至几十倍，能强化传热，降低流动阻力； (5)控制系统采用互补式智能控制，LED 动态显示，实现水温水位显控、热辅系统全天候控制，实现了智能化和人性化全方位控制； (6)太阳能、电加热联合一体，满足各种恶劣天气的热水需求，真正实现“太阳能+电加热”
10、一体化。 4.关键技术的解决方案 4.1 太阳能热水器的安装 根据光电互补智能太阳能热水器的采用平板式集热器的特点，可以采用以下安装形式： (1)外墙悬挂式：悬挂式指集热器安装后和墙面平行，和地面垂直的一种方式。贮水箱在室内，管线通过在墙上预留套管和集热器连接，集热器和墙面通过预埋件及挂件相连；建筑的外墙上可以安装成集热器阵列，这样管道基本不在室外，冬季不怕冻，管道和水箱的距离比较短，热损失少。悬挂式的优点是，安装位置灵活，大小尺寸可根据工程的实际情况调整；它的缺点就是由于角度的原因，集热效率会有一定程度的降低，另外低层用户可能因为遮挡的原因而无法使用。 (2) 阳台斜挂式：住宅阳台所占的面宽
11、一般较大，分体式强制循环系统的热水器，可以利用阳台宽面安装集热器，水箱安装在阳台上或室内。根据安装位置的不同，太阳能集热器可以放置在阳台栏板上或直接构成阳台栏板，或者作为封闭阳台的构架。对于普通高度的实体阳台栏板，可以采用和外墙一样的悬挂式处理。但是受到实体栏板高度的限制，无法在竖向上形成一个整体，为了满足集热要求，可能需要两台热水器水平串联设置。热水站安装结构如图 1 所示。 1.平板集热器 2.组合水箱 3.循环水管组件 图 1 热水站安装结构示意图 Fig.2Schematic of hot water installation structural 4.2 集热器性能比较及换热管的结构
12、创新设计 现有技术的真空管式太阳能集热器最根本的问题是其不能做为建筑板块整体结构与建筑相结合，真空玻璃管玻璃易碎易裂，如果有冰雹或其他碰撞造成一支真空管破裂，则整箱水均会泄露；而平板太阳能集热器克服了以上缺点，已被广泛应用于生活用太阳能热水器的水加热、游泳池加热、建筑物采暖等诸多领域。 平板太阳能集热器的结构一般由透光板、保温层、换热管组件、外壳、循环管五部分组成，其基本结构如图 2 所示。换热管组件采用纯铜的材质；结构采用螺旋翼片管式，其特点在于在通过旋压工艺，增加换热器的换热面积，提高换热效率。通过换热管组件上下两端的横向汇集管连接若干根排管构成流体换热通道。四周采用咬缝工艺连接在一起，制
13、成平板金属吸热体，底部用铝塑板和保温棉垫底，上部用透光板盖住，四周用密封条密封。 1透光板 2.保温层 3.换热管组件 4.外壳 5.循环管 图 2 平板式集热器结构图 Fig.2 Schematic of plate solar collector 4.3 电加热安全智能控制系统设计 在设计太阳能热水器控制系统时，为了确保太阳能热水器功能实用、智能化强、操作简单方便等特点，采取以下工艺措施： （1）太阳能热水器水位的准确测定：通过霍尔双向流量计可较精确的测定太阳能热水器的实时水量和水位，并在控制面板的液晶屏上通过图案和数值来显示，直观、简洁。解决了长期困扰太阳能控制器可靠性低的难点。 （2）
14、太阳能热水器水温测定与控制：通过温度传感器来检测太阳能热水器的温度，并通过控制器在液晶屏上以数字形式显示其实时摄氏温度；根据需要，可以手动或自动选用辅助电加热器。 （3）补水方式选择：用户可以根据需要选择自动补水，系统一旦检测到水位低于一定值就自动打开电磁阀补水直到满水位。也可以选择手动补水，控制系统根据用户设定的补水时间来进行补水。同时，也加设了实时补水键，用户按下紧急补水键就开始补水，系统就会补水到满水位，若补水当中，第二次按下此键，则停止补水。 （4）补水时间选择和设定：用户可以根据自己的需要设定补水时间和频率。 （5）系统时间显示与调整：在液晶屏上显示时间，并可以手动对时间设定和进行调
15、整。 （6）断电保护：当由于非正常原因断电时，控制系统可以利用本身电源，使控制系统信息不会丢失。 （7）控制面板及液晶显示：监测结果以及相应的用户操作，都在液晶屏上以图形或数字的方式来显示，直观、明了，用户用起来很方便。 （8）其他控制与保护措施:控制系统还对多种意外情况做了相应的保护措施。如当电加热启动着时，用户如果正在用水，则自动切断电加热，直到用水完毕，再重新开启电加热，防止带电用水造成危险等等。 5 结 论 在对现有太阳能热水器目前使用情况及产品存在的问题，提出的创新设计的方法，能够不受自然条件的约束和地域的差异影响，在冬季或日照较弱的天气，太阳能电加热互补热水站能够解决居民家庭各方面
16、的用热水需求，结构采用模组化创新设计，任意组合，可满足大用水量家庭需求。而且对节约能源、环境保护、提高居民生活质量等方面都将产生巨大的影响。 参考文献: 1袁磊,高辉.住宅中太阳能热水器的应用及一体化设计J.建筑新技术，2003(2): 109-110. 2赵玉文.21 世纪我国太阳能利用发展趋势J.中国电力，2000(9)：75-77. 3张虎.太阳能热利用技术在我国建筑节能中的应用探讨J.住宅科技，2004(10)：32-35. 4王崇杰等.欧美建筑设计中太阳墙的应用J.建筑学报，2004(8)45-46. 5王崇杰，赵学义.太阳能建筑一体化设计J.建筑学报，2002(7)：28-29. 6何梓年.太阳热水系统J.可再生能源，2005(2)：70-73. 7袁莹,肖玺.太阳能技术与建筑整合一体化设计的思考J.太阳能,2002(2):16-18. 8高辉，何泉.太阳能利用与建筑的一体化设计J.华中建筑,2004(1)：70-72.
