图七:“集分式”太阳能热水系统电磁阀阻断“反向换热“示意图
采用增加电磁两通阀或三通阀的做法虽然可以有效的防止“反向换热”现象的出现,但同时也要注意几个问题:
1、在每户户内换热水箱上增加电磁阀,要保证电磁阀的质量优良,目前市场上的电磁阀均存在寿命短的问题,每日的频繁开启、关闭,极易导致电磁阀损坏。
2、循环系统不能全部采用电磁两通阀,设计时应考虑电磁两通阀全部关闭而循环水泵开启时造成的系统循环不畅,损害设备、管道的问题。
3、采用电磁两通阀需要每户增加初投资,使得“集分式”系统的性价比升高,导致系统整体缺乏市场竞争力。
(2) “集分式”太阳能热水系统是否能真正的实现 “公平”?
“集分式”太阳能热水系统倡导“公平、利益共享”原则,虽然设计时采取了很多措施、手段来尽量消除因楼层的不同引起的差异,但是,绝对的“公平”还是难以实现。
(3) “集分式”太阳能热水系统是否适用于30层以上的住宅?
高层和超高层住宅项目采用太阳能热水系统一直是困扰太阳能行业的难题,在“集分式”太阳能热水系统出现以前,绝大多数的太阳能热水系统是以“集中集热、集中供水”的方式来解决的,虽然“集分式”在6~20层住宅项目上有良好的表现,但是“集分式”系统目前还是不适合30层左右或更高的住宅项目运用,其症结在于:
1) 超过30层的住宅项目屋顶太阳能集热器的安装面积无法满足整栋建筑的全部生活热水集热面积,以层高30层,户均80平米,一梯四户的常见住宅户型为例,则平屋顶的总面积约为320平米;对于南北坡的斜屋顶,可利用安装太阳能集热器的南坡面积大约只有160平米。总住户120户,大致计算120户,每户的集热器面积应该保证在1~1.5平米,总集热器面积为180平米,平屋顶大约1.7平米安装1平米的集热器,则平屋顶需要306平米,如果平屋顶有电梯机房以及预留通道等占用空间后,安装太阳能集热器的空间就明显不足了。
2) 高层安装“集分式”太阳能热水系统,管路的静压问题一定要考虑,对于30层高的住宅,层高超过100米,静压力超过1.0MPa,供热循环水泵需要克服静压力所产生的阻力,如果系统循环不均衡或水泵扬程不足以克服静压力产生的阻力就会造成建筑低区水压过高,甚至会影响整个系统的运行,同时,在住宅项目中引入高压管网,其本身就不符合规范要求。
依据《建筑给水排水设计规范》 GB50015 的有关规定:
1.3.3 建筑物内的给水系统宜按下列要求确定:
1、应利用室外给水管网的水压直接供水。当室外给水管网的水压和(或)水量不足时,应根据卫生安全、经济节能的原则选用贮水调节和加压供水方案;
2、给水系统的竖向分区应根据建筑物用途、层数、使用要求、材料设备性能、维护管理、节约供水、能耗等因素综合确定;
3、不同使用性质或计费的给水系统,应在引入管后分成各自独立的给水管网。(注意子系统界定与分解)
3.3.5 高层建筑生活给水系统应竖向分区,竖向分区压力应符合下列要求:
1、各分区最低卫生器具配水点处的静水压不宜大于 0.45MPa;
2、静水压大于 0.35MPa 的入户管(或配水横管),宜设减压或调压设施;
3、各分区最不利配水点的水压,应满足用水水压要求。
3.3.5A 居住建筑入户管给水压力不应大于0.35MPa。(静水压、动水压)。
第2.3.4条 高层建筑生活给水系统的竖向分区,应根据使用要求、材料设备性能、维修管理、建筑物层数等条件,结合利用室外给水管网的水压合理确定。分区最低卫生器具配水点处的静水压,住宅、旅馆、医院宜为300~350kPa;办公楼宜为350~450kPa。
从以上规范标准来看,高层“集分式”太阳能热水系统的压力远远超过了规范允许的入户水压,虽然“集分式”太阳能热水系统的管路属于封闭循环管路,而卫生器具配水点的静压力是属于开放式生活供水管路,两者存在本质的区别,但是,在没有明确的规范约束时,还是应该尽量考虑周全,避免不成熟的设计方案投入施工当中。
当然,不能仅仅强调太阳能热水系统的压力不是卫生器具配水点的压力就认为这个问题已经解决了,太阳能热水系统的循环管路也进入了室内,虽然并没有输出水压的问题,但是系统1.0MPa的压力仍然是一个比较危险的压力源,一旦发生管道泄漏或配件损坏,极易造成人身、财产伤害和危险事故的发生。
目前能够采用的解决办法就是循环管道采用竖向分区,控制各个分区最高静水压不大于0.45MPa,实现这个目标有两种方式:
a) 户内支管减压方式:
减压阀是通过调节,将进口压力减至某一需要的出口压力,并依靠介质本身的能量,使出口压力自动保持稳定的阀门。从流体力学的角度看,减压阀是一个局部阻力可以变化的节流元件,即通过改变节流面积,使流速及流体的动能改变,造成不同的压力损失,从而达到减压的目的。
“集分式”太阳能热水系统,设置支管减压来使得入户水压降低至安全值以下是目前较易实现的方式,但是采取这种方式有两个问题必须注意:
支管减压阀安装示意如下图。
图八:“集分式”太阳能热水系统支管减压阀安装示意图
① 支管减压的方式一般需要减压阀直立安装在水平管道上,并且必须严格保证水流流动方向和阀体上的箭头方向一致,而在“集分式”太阳能热水系统中,水流方向会随着循环水泵的启停改变,循环水泵启动时,水流向储热水箱流动;循环水泵停止时,水流会瞬时间反向流动,这时静压力依旧会恢复最大值,并且一直保持到水泵的再次启动,因此,在支管设置减压阀并不能消减管道的静压力,只能在系统循环时降低储热水箱所承受的水压冲击。
② 在热水管道上使用减压阀,一定要考虑减压阀的使用寿命,无论是比例式减压阀还是可调式减压阀,其密封部件及可调式减压阀腔中的隔膜均为橡胶制品,即使是最好的可耐温260℃的氟橡胶在高温热水环境中工作,持续一段时间后就会降低密封盒减压性能,从而造成减压阀失去减压作用,形成危险,而这一点却经常为人们所忽视。
b) 除了支管减压方式,将循环管路水分为区,也是消减静压力的方法之一。高、低分区使得各分区分别循环,高、低区各以自身的最高点产生静压,从而使各分区的压力控制在允许的范围内。通常低区以1~14层为一个循环系统,供水循环泵可以设置在1层或者地下设备间;高区循环以15~30层为一个系统,循环水泵可以设置在屋顶;而超过30层的建筑则划分为高、中、低三区。
采用分区分别循环的方式可以有效的消减入户水压的静压力,同时通过在公共管井中的竖向立管上安装减压阀组来降低低区系统的整体静压力,这样的设计依旧需要保证减压阀的质量和寿命来提高系统可靠性,一旦减压阀失效,系统依然存在管道压力超高的风险;同时,低区供水循环泵需要选用扬程较高的水泵,不仅对于水泵的出水、增压能力有要求,对水泵的质量也要有一定的要求。
划分高、低区,将高、低区的设备必须全部分开,高区循环沿用原设计的上供上回方式;低区循环改为下供下回方式,需要在首层或地下层增设一个设备间或设备机房。
在公共管井内进行压力分区,而保证入户的供回水最高压力低于0.45MPa,满足规范对于水压的要求,但是,高低区分区的设计会产生高区热、低区冷的现象,这是由于低区供水的管道长度远远大于高区的管道长度而造成低区的热损失远远高于高区,,从满足使用要求的角度考虑,需要适当增加低区使用的集热器面积,并且严把施工质量,确保保温措施的有效。
采用分区的方式带来了增加户内管道井占用面积的问题,低区循环管道需要通过管道井将热水输送至低区设备间,这样的系统相比典型的“集分式”系统增加了竖向立管的数量,造成系统初投资的增加。
高区、低区的划分,是解决系统静压力的最有效方式,也是目前设计单位所能给出的最好方案。
在“集分式”太阳能热水系统的设计时应尽量不要把系统的安全性捆绑在产品的质量上,多考虑意外的发生,通过技术手段来提高系统的安全性,“越简单的设计就越合理”,对于节能、环保的产品(系统)设计,系统设计更应该重视安全性。
(4) “集分式”太阳能热水系统中各部分管道的设计?
“集分式”太阳能热水系统的工程案例中对于竖向立管的管径设计一直都有争议,北京市太阳能研究所集团有限公司最初设计的系统均为等径立管,随着项目设计参与人员的增加,立管变径的方案逐渐多了起来。
(5) “集分式”太阳能热水系统采用何种户内换热水箱更好?
“集分式”太阳能热水系统中户内储热水箱,是一种新型的双能源水箱,虽然形式与容积式燃气壁挂炉的水箱原理相近,但是加热方式和设计参数都需要重新设计计算。
北京市太阳能研究所集团有限公司最早开始研究并生产测试这种换热水箱,通过研发、生产、安装使用了大约10万只水箱后,总结出一些具有实际指导和应用的经验。
“集分式”太阳能热水系统对户内储热水箱的换热性能、储热性能以及外形尺寸的要求较高,因此,如何选择最适宜的水箱受到设计人员高度重视。
从目前的生产加工工艺角度来看,储热水箱能实现的换热形式可以分为三大类:胆中胆储热水箱、夹套储热水箱、盘管储热水箱。
胆中胆储热水箱:
在水箱内部设置一个换热小内胆的为胆中胆搪瓷储热水箱,小内胆又分为两类:不锈钢换热内胆和搪瓷换热内胆。胆中胆储热水箱中的小胆可以承受更高的内压和负压,特别适应于静压力较高的项目,北京市太阳能研究所集团有限公司在“集分式”系统实施之初也是大量的采用胆中胆储热水箱,换热效果可以满足需要,但是胆中胆储热水箱换热面积受限,设计时应该考虑加大循环流量,用较大的循环流量弥补换热面积不足。
采用胆中胆搪瓷储热水箱还应考虑小内胆内部无法搪瓷的问题,小内胆内部没有搪瓷,会造成小内胆从内部蚀穿,造成储热水箱内外串水。
胆中胆搪瓷储热水箱因为简单易实现,成本低,耐压能力强,可以手动排出小内胆积存空气等优点,因此一直被“集分式”太阳能系统选用,甚至被用于太阳能阳台壁挂自然循环系统。
图九:胆中胆储热水箱构造示意图
夹套储热水箱
夹套储热水箱最早是阳台壁挂太阳能集热器的专用水箱,其结构特点在与搪瓷内胆的筒体外加了一层外胆,夹层与贮水胆之间就是传热工质通道。由于夹套储热水箱换热胆直径为整个水箱的最大尺寸。因此换热面积相较胆中胆大很多,因此在系统自然循环的情况下都可以得到较高的换热效率。但是夹套储热水箱的结构特点,决定了其承压能力的很弱,当系统运行压力达到一定值时,夹套层之间的压力会涨爆水箱外胆,增加夹套层的材质厚度可以增加夹套层的耐压能力,但同时也造成了加工工艺的难度和成本的增加,所以夹套储热水箱不太适合高层“集分式”系统的采用,静压力在可控范围内的还是可以使用的。
夹套储热水箱在“集分式”太阳能系统中使用的很少,除了耐压问题外,还存在夹层“窝气”的情况,在阳台壁挂式太阳能热水器使用时,循环系统一直处于闭式状态,“窝气”现象并不明显,而在“集分式”太阳能热水系统中,循环系统经常会带入空气,久而久之,造成了储热水箱夹套层循环被空气阻隔,难以实现循环。
图十:夹套储热水箱构造示意图
盘管储热水箱
盘管储热水箱是以盘管作为换热器的。水箱内置的盘管可以实现大换热面积,承压能力不亚于胆中胆储热水箱,而且换热工质在盘管内流动长度长,换热效果好,更适合“集分式”太阳能热水系统在高层建筑的使用。
图十一:盘管储热水箱构造示意图
盘管储热水箱所使用的盘管材料主要有铜盘管、碳钢搪瓷盘管和不锈钢盘管三种。不锈钢盘管加工工艺难,无法搪瓷处理,采用的较少;铜盘管的优点在于铜盘管的导热系数高,换热效果好,而搪瓷的基材是低碳钢加搪瓷层换热效果要比铜材的差。
虽然盘管储热水箱从技术成熟度和技术指标上都能满足“集分式”太阳能热水系统的使用要求,但是常用的横置盘管式储热水箱对于卧式安装的水箱还是存在一些问题的。
立式盘管水箱的换热介质的水流是自下而上流动,可以将换热介质中携带的少量空气带出循环盘管,而卧式安装时的横置盘管无法有效带出全部的空气,一旦水泵停止运转,多余的空气会积聚,直至在盘管内形成气堵,导致换热循环无法进行,这也是北京市太阳能研究所集团公司最早弃用盘管储热水箱而选择胆中胆储热水箱的主要原因。
图十二:横置盘管储热水箱气堵示意图
目前行业内有些厂家就盘管水箱的盘管的内置形式进行了优化,竖置储热水箱内的盘管,有效的杜绝气堵的产生。