浅谈太阳能和壁挂炉组合系统的应用

摘要：本文针对如何有效开发既节能又舒适的太阳能组合产品,列举分析了一体式太阳能热水器壁挂炉和分体式太阳能壁挂炉两种组合系统在实际生活中如何有效应用太阳能，提出了部分应用问题解决方案，确保用户在应用中的安全、节能和舒适性。
关键词：太阳能和壁挂炉组合系统 一体式太阳能热水器 分体式太阳能热水器 恒温混水阀
随着社会的进步和生活水平的提高，人们对环境的关注程度也与日俱增。各国政府，特别是发达国家政府在制定政策时，越来越多地考虑环保方面的因素，以保证社会的可持续发展。开发利用可再生能源和太阳能成为全球关注的焦点，我国政府也在大力支持和鼓励开发和使用新能源和可再生能源。太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程中释放出的能量，辐射到地球，人们通过光电、光热、光化学的方式使之转化利用以服务人类。其特点是取之不尽、用之不竭，一次投入终身使用，没有任何污染。太阳能是绿色环保的、廉价的能源。但是在阴雨连绵或气温低的日子，独立太阳能产品就会表现出它的劣势，不能满足用户既节能又舒适的要求，因此开发既节能又舒适的太阳能组合产品就显得尤其重要。下面将介绍两种太阳能和壁挂炉组合系统。
1 一体式太阳能热水器与模拟调整式壁挂炉结合的独立生活热水系统
其特点:

(1)太阳能储热水箱与集热板之间采用自然循环方式，不需要任何其它的调节设备。
(2)通过安装在壁挂炉下端的调节组件来实现太阳能热水与壁挂炉的结合使用，温控器安装在三通分流阀的进水端，温控点用户可根据需要调节,当太阳能出水温度低于温控器设定温度时(如40℃)，三通分流阀将太阳能中的低温水送入壁挂炉加热；当太阳能出水温度高于温控器设定温度(如40℃)时，三通分流阀将太阳能中的热水直接送入恒温混水阀热水端。恒温阀出水温度用户也根据需要调节,一旦调好出水温度将保持恒定;这样无论是太阳能热水或壁挂炉加热热水均有恒温混合阀来恒定出水温度。
(3)调节组件体积小，不占用空间；操作简单，不需要太多技术维护；能完全利用太阳能储水箱的中低温水。
(4)卫生水状态的热效率将大大提高。我们以热水产率为13kg/min热效率为90%基准气为G20的单壁挂炉和组合产品为例作对比计算：假定冷水温度是20℃，太阳能热水温度为35℃，而我们需要42℃热水
根据公式

式中：
u是单机有效效率，%；
m是修正后水的质量，kg；
Vr(10)是将试验期间测得的燃气用量针对15℃、1013.25毫巴正后的值
Hi是所使用的燃气在15℃、1013.25毫巴和干燥条件下的净热值，MJ/m3；
Dp是对应于平均水流温度试验装置的热损失，包括循环泵的热损失，KJ，(DP根据实际计算，在这里我们可认为两种测试状态相同)。
单机壁挂炉每分钟燃气用量
Vr=4.186*m*(t2-t1)/1000*u*Hi)=4.186*13(42-20)/(1000*90%*37.78)=0.0352m3
太阳能壁挂炉组合系统每分钟燃气用量
Vr=4.186*m*(t2-t1)/1000*u*Hi)=4.186*13(42-35)/(1000*90%*37.78)=0.0112m3
这样比较太阳能壁挂炉组合系统热水状态的热效率比单机壁挂炉高很多；同时在混合水系统配置了恒温混水阀,恒温混水阀的混合出水口处，装有一个热敏元件，利用感温元件的特性推动阀体内阀芯移动，封堵或者开启冷、热水的进水口。在封堵冷水的同时开启热水，当温度调节旋钮设定某一温度后，不论冷、热水进水温度、压力如何变化，进入出水口的冷、热水比例也随之变化，从而使出水温度始终保持恒定，调温旋钮可在产品规定温度范围内任意设定，恒温混水阀将自动维持出水温度。解决洗浴中心水温忽冷忽热的问题，当冷水中断时，混水阀可以在几秒钟之内自动关闭热水，起到安全保护作用，防止烫伤，确保用户热水的恒温舒适性。
一体式的太阳能储热水箱与集热板之间采用自然循环方式换热,集热效率低,需较长的日照时间,且在特别寒冷的冬天要通过排空等措施防冻。
2 分体式太阳能热水器与单供暖壁挂炉结合的独立供暖及生活热水系统
其特点:

(1)太阳能储热水箱与集热板之间通过流出和流回板块控制系统循环换热，太阳能利用效率高，换热快。
(2)太阳能储水箱的底部为集热换热盘管，上部为壁挂炉换热盘管。温控器安装在水箱上部，当水温低于设定温度时，温控器给予壁挂炉内部的三通切换阀信号，将供暖环路切换到换热盘管，优先提供生活热水。储水箱的热水经过恒温混合阀混合后输送到用户端。实现了壁挂炉供暖及生活热水辅助加热，适合中小住宅中，有空间安装太阳能储水箱的用户。不过储水箱的上部通过温控器随时保持设定的热水温度，壁挂炉的热量通过上部的换热盘管会使整个水箱的温度升高，这样就会降低太阳能的热效率，造成一定的能源浪费。
用户首先根据自己所处的地理位置对太阳能热水器组合系统进行选型和计算:
(1)太阳能热水器选型:以兰州某3口之家为例,兰州冬季采暖室外设计温度为-11℃,因此要采用防冻工质二次换热分离式强制循环太阳能热水器,集热器选用金属热管型玻璃真空管集热器,安装于屋顶,安装角度与当地纬度相同,辅助热源为燃气壁挂炉。
(2)户日用热水量计算：根据兰州当地实际情况，设定qd=40L/人*日，水温60℃
Q=m*qd=3*40L=120(L/d)
(3)集热器面积计算：Ac=Q*c*ρ(te-tL)*f/[Jt*η(1-ηL)]
Ac—集热器面积(m2)；
te—储水罐内水的设定温度(℃)
tL—储水罐内水的初始温度(℃)
f—太阳能保证率(%)：即对应必要的生活热水负荷量，由太阳能供给的比率；应根据系统使用期内的日照条件、系统经济性及用户要求等要素综合考虑后确定；一般30-80%为宜；
Jt—当地集热器采光面上的平均日太阳辐射量（KJ/m2）；根据年总太阳能辐射量（由普通住宅太阳能集热器面积选配速查表查得，然后除以365天而得）；
η—集热器平均集热效率，无量纲，根据经验取值，一般0.45-0.50为宜；具体取值应根据集热器产品的实际测试结果而定；
ηL—集热系统热损失率。依系统保温措施定,经验值为ηL=0.1-0.2,分离式取上限值；
c—水的比热,c=4.187(kj/kg•℃）；
ρ—热水密度(kg/L)。
按照: Q=120(L/d)；te=60℃；tL=10℃；f=60%；Jt=16319(KJ/m2)(兰州)；η=0.55；ηL=0.2；c=4.187(kj/kg•℃）；ρ=1(kg/L)计算。Ac=2.1m2；即选用2.1m2集热器。
(4)储水罐容积
V设计=1.3V有效=1.3×120=156L。即选用156L储水罐。
(5)壁挂炉计算Qm=1.1Σqs(tr-tL)×60/25
Qm—水温升为25℃时，壁挂炉每分钟产热水量(L/min)；
qs—器具的额定秒流量（L/s）；
tr—使用时的热水温度（℃）；
tL—冷水温度（℃）；
25—产品额定产热水量所对应的水温升规定值（25℃）。
按照tr=60℃；tL=10℃；qs=0.1×0.7=0.07 L/s(按只使用一个节水淋浴器计算)
Qm=1.1×0.07(60-10)×60/25=9.24(L/min)。即选用热水产率为10L/min的壁挂炉,此壁挂炉其允许的进水温应能满足集热系统出水温度的要求,且具有根据水温度自动调节燃气量,保证恒温供暖功能。
(6)根据集热系统供水和回水的温度差,确定循环水泵的大小,通常温差为10℃。
(7)换热盘管设计:通常内置式换热盘管设计根据换热盘管面积等于集热器面积的35%-40%计算。
(8)膨胀罐的选型
在集热循环系统内,为了避免液体加热膨胀从安全阀泄漏或损坏系统,膨胀罐是必不可少的元件,按照下面公式计算选型:
Vu=(Vc×e+Vp)×k
Vu=膨胀罐的有效容积 (L)
Vc=集热循环系统液体量(L)
e=液体膨胀系数:水0.045;水/乙二醇溶液0.07
K=安全系数:通常取1.1
Vn=Vu×(Pf+1)/(Pf-Pi)
Vn=膨胀罐的额定容积 (L)
Vu=膨胀罐的有效容积 (L)
Pf=最高压力。(bar)通常安全阀的开启压力为0.5bar
Pf=起始压力。(bar)又称预冲压力
(9)安全阀、排气阀的选配
通常选为开启压力为0.5bar安全阀；排气阀应安装在系统的顶端，耐高温，及时排出集热系统中存在的空气。
接着按照相关标准、安装说明进行安装调试。分体式的太阳能储热水箱与集热板之间通过循环泵强制循环换热，集热效率高，在特别寒冷的冬天因系统循环液为水/乙二醇溶液防冻液，可以有效防冻；在温度较高，日照较长的夏天，只要集热器和储水罐匹配合理，膨胀罐和安全阀选型正确，预冲压力得当，集热系统的过热问题也较容易控制。
3 结论
太阳能组合系统受地理位置等环境因素影响很大，在选配组合时要因地制宜，且一次投资大，如果没有政府相应的鼓励政策，用户很难接受。但是随着经济水平的不断发展，政府和人民节能意识的逐步提高和技术的不断成熟，太阳能和壁挂炉等组合系统必将得到广泛应用。
当然，太阳能热水器和壁挂炉组合方式很多，如何有效利用需要我们不断研究！