住宅太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱損耗分析及優(yōu)化

高瑞霞 羅清海 李思燕 涂敏 謝勇

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

當(dāng)前城鎮(zhèn)民用衛(wèi)生熱水能耗約占城市民用建筑總能耗的20%～30%[1]。經(jīng)過(guò)三十余年的規(guī)?；l(fā)展，我國(guó)太陽(yáng)能太陽(yáng)熱水系統(tǒng)的類(lèi)型日益豐富，規(guī)模、性能、效率持續(xù)提高，在集熱效率和氣候適應(yīng)性等方面均有長(zhǎng)足進(jìn)步。節(jié)能減排是熱水器發(fā)展的永恒主題，太陽(yáng)能熱水器、熱泵熱水器則是其主要發(fā)展方向[2]。

隨著城鎮(zhèn)多高層住宅建筑越來(lái)越多，太陽(yáng)能熱利用建筑一體化進(jìn)展不足，太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的制約因素也日益突出。相關(guān)研究主要集中于集熱效率等方面，但在系統(tǒng)熱利用效率、熱供需平衡等方面的研究相對(duì)不足。太陽(yáng)能熱水器大多安裝于屋頂，對(duì)于多層及高層住宅，現(xiàn)有太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的管路熱損失成了系統(tǒng)綜合效率和用戶(hù)認(rèn)可度的關(guān)鍵制約因素。當(dāng)前在使用熱水器的居民家庭中，家用太陽(yáng)能熱水器僅占9.5%，而電熱水器占到了52.9%，燃?xì)鉄崴髡嫉搅?5.1%，空氣源熱水器占2.2%，其他的占0.2%[3]。

1 太陽(yáng)能熱水器管路熱損耗分析

熱水自室外水箱至室內(nèi)使用點(diǎn)，太陽(yáng)能熱水器管道熱損失包括輸送熱損失和殘留熱損失兩部分。殘留熱損失是指每次使用熱水后，殘留管道中的熱水熱損失[4]。殘留熱損失可用下式表示：

式中：Qr為管道殘留熱損失，J；c 為水的比熱容，4.2×103J/(kg·℃)；ρ 為水的密度，kg/m3；r 為管道內(nèi)半徑，m；l 為管道長(zhǎng)度，m；tw為管內(nèi)熱水溫度，為水箱出水口熱水溫度℃；tc為自來(lái)水初始溫度，℃。

輸送熱損失是指熱水輸送過(guò)程中，由于管內(nèi)外溫差傳熱產(chǎn)生的熱損失。熱水在管路輸送過(guò)程中管內(nèi)水溫是連續(xù)變化的，管路輸送熱損失的分析過(guò)程如下：

圖1 為管道微元熱損耗示意圖，i 代表第i 段微元，ti代表在第i 段微元的供水溫度。

圖1 管道微元熱損耗示意圖

第i 段微元的熱損失量dQt1為：

圖1 中第i 段到第i+1 段的熱損失dQt2，即第i 段與管外空氣換熱損失的熱量，其計(jì)算如下：

由于dQt1=dQt2，因此第i+1 段的供水溫度為：

管路總輸送熱損失為：

式中：Qt為管道輸送熱損失，W；d1、d2分別為管道內(nèi)、外徑，m；d3為保溫材料外徑，m；l 為管道長(zhǎng)度，m；λ1為管材導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；λ2為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；hw為管內(nèi)熱水對(duì)流換熱系數(shù)，W/ (m2·K)；ha為管外空氣流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；ta為管外空氣溫度，℃；m 為水的質(zhì)量流量，kg/s。

綜上，家用太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)總的供熱損失為：

管路熱損率是指用戶(hù)用水過(guò)程中管路熱損失占總供熱量的比值。其計(jì)算公式為：

式中：qv為熱水管內(nèi)的熱水流量，m3/s；T 為用水的時(shí)長(zhǎng)，s。

2 管路熱損耗工程計(jì)算程序

為方便工程設(shè)計(jì)計(jì)算，減輕計(jì)算工作量，利用VB語(yǔ)言編寫(xiě)管路熱損耗計(jì)算程序，軟件界面如圖2 所示。軟件輸入分為2 個(gè)部分，上部為殘留熱損失計(jì)算參數(shù)，下部為輸送熱損失計(jì)算參數(shù)，輸入相應(yīng)參數(shù)后，可直接獲得管路的殘留熱損失量和輸送熱損失量，該計(jì)算程序適用不同的氣候條件，也適用于其他類(lèi)型熱水管路熱損耗分析，對(duì)優(yōu)化熱水系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)具有重要意義和推廣價(jià)值。

圖2 軟件界面

以用戶(hù)的一次淋浴為例，計(jì)算管徑，安裝高度和供水溫度對(duì)管路熱損耗的影響。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，家用太陽(yáng)能熱水器供水管路一般采用管徑25 mm、壁厚為3 mm 的PPR 管，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.24 W/(m·K)。熱水器管路長(zhǎng)度取決于安裝層高和路徑，對(duì)于安裝高度為一層的太陽(yáng)能熱水器，室外供水管平均路管長(zhǎng)約為8.3 m。室外供水管路通常采用9 mm 厚的橡塑保溫材料進(jìn)行保溫，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.34 W/(m·K)。室內(nèi)熱水管路管長(zhǎng)約為9.43 m，且不做保溫處理。用戶(hù)淋浴時(shí)噴頭出口溫度取42.5 ℃，流量為6.6 L/min，平均淋浴時(shí)間為12 min[5]。計(jì)算時(shí)自來(lái)水溫度取15 ℃，考慮冷熱水混合，計(jì)算在不同供水溫度下的熱水管流量。室外環(huán)境溫度取長(zhǎng)沙年平均環(huán)境溫度17.2 ℃，室內(nèi)環(huán)境溫度取13 ℃，利用迪圖斯-貝爾特關(guān)聯(lián)式[6]，計(jì)算得到管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)和管外空氣對(duì)流換熱系數(shù)，計(jì)算出安裝高度為一層的管內(nèi)殘留熱損失、輸送熱損失和熱損失率分別是：9.61×105J，1.92×105J 和11.46%，說(shuō)明熱損失量相當(dāng)可觀。

3 管路熱損耗影響因素分析

3.1 管徑對(duì)管路熱損耗的影響

設(shè)定家用太陽(yáng)能熱水器安裝高度為一層，供水溫度在60 ℃的情況下，計(jì)算出不同管徑對(duì)應(yīng)下的管路熱損失，如圖3 所示。由圖3 可看出，隨著管徑的增大，管路殘留熱損失和輸送熱損失均增大，且殘留熱損失增幅較大，呈冪指數(shù)型增長(zhǎng)。DN15 管的殘留熱損失為3.72×105J，輸送熱損失為1.50×105J，總熱損失為5.22×105J；DN30 管的殘留熱損失為1.89×106J，約為DN15管殘留熱損失的5 倍；輸送熱損失為2.86 ×105J，是DN15 管輸送熱損失的2 倍；總熱損為2.17×106J，是DN15 管的總熱損失的4 倍。因此，在滿(mǎn)足規(guī)定的流速范圍內(nèi)優(yōu)先選用小管徑的管道，可有效降低管路熱損失。在不同管徑下，用戶(hù)一次淋浴的管路熱損失率見(jiàn)圖4，采用DN15 管的管道熱損失率為5.50%，采用DN30 管的管路熱損失率為19.73%，熱損失率增加14.23%。

圖3 不同管徑下的熱損失變化

圖4 不同管徑下的管路熱損失率

3.2 供水溫度對(duì)管路熱損耗的影響

在上述工況條件下，管徑為25 mm 的情況下，計(jì)算出不同供水溫度下的管路熱損失和熱損失率，如圖5、圖6 所示。由圖5 可看出，隨著供水溫度的增大，管路輸送熱損失和殘留熱損失同時(shí)呈線性增長(zhǎng)，但殘留熱損失增長(zhǎng)的速度要遠(yuǎn)大于輸送熱損失的增長(zhǎng)速度。供水溫度每增高10 ℃，殘留熱損失增加1.5×105J，輸送熱損失增加0.5×105J，總熱損失增加2.0×105J，管路熱損失率約增大2%。

圖5 不同供水溫度下的熱損失變化

圖6 不同供水溫度下的管路熱損失率

3.3 安裝高度對(duì)管路熱損耗的影響

由式（1）、（5）可知，管道越長(zhǎng)散熱量越大。設(shè)住宅層高為3 m，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，考慮實(shí)際管道路徑的差異，安裝層高為一層時(shí)，管道平均長(zhǎng)度為8.3 m。對(duì)于一般住宅太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，管徑不隨安裝層數(shù)變化。在上述工況條件下，管路熱損失隨安裝層高的變化見(jiàn)圖7，太陽(yáng)能熱水器在不同安裝層高下的管路熱損失率見(jiàn)圖8。由圖7 可以看出，隨著安裝高度樓層差的增加其系統(tǒng)管路熱損失量大幅增加。供水溫度為設(shè)計(jì)溫度60 ℃，管路采用DN25 的情況下，安裝高度為一層時(shí)，用戶(hù)一次淋浴的殘留熱損失為4.41×106J，輸送熱損失為3.02×105J，總熱損失量為1.71×106J，管路熱損率為19.57%。安裝層高每增加一層，管路總熱損失增加4.0×104J，管路熱損失率增大3%。安裝高度為五層時(shí)，殘留熱損失量為2.10×106J，輸送熱損失量為4.12×105J，總熱損失量高達(dá)2.52×106J。

圖7 不同安裝高度下的熱損失變化

圖8 不同安裝層高下的管路熱損失率

4 家用太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)優(yōu)化

針對(duì)目前家用太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)在高層建筑應(yīng)用的不足，本文提出一種家用太陽(yáng)能雙水箱熱水系統(tǒng)方案，其工作原理如圖9 所示。系統(tǒng)采用溫度控制和水位控制，當(dāng)屋頂集熱水箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度60 ℃時(shí)，控制器控制電磁閥1 打開(kāi)，集熱水箱中的水流入室內(nèi)水箱，當(dāng)集熱水箱水位低至最低水位時(shí)，電磁閥1 關(guān)閉，管路中殘留的熱水依靠重力流入室內(nèi)水箱。同時(shí)電磁閥2 開(kāi)啟，系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)水至滿(mǎn)液位，再次集熱。當(dāng)室內(nèi)水箱處于最高水位時(shí)，電磁閥1 關(guān)閉，集熱水箱中的水停止流向室內(nèi)水箱。室內(nèi)水箱內(nèi)置電輔助加熱，當(dāng)室內(nèi)熱水箱中的水低于40 ℃時(shí)，電加熱器自動(dòng)啟動(dòng)，水箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度45 ℃時(shí)，電加熱器則自動(dòng)關(guān)閉。

圖9 系統(tǒng)原理圖

以某型號(hào)140 L 緊湊式全玻璃真空管太陽(yáng)能熱水器為測(cè)試對(duì)象，在9 月份進(jìn)行一周的集熱實(shí)驗(yàn)，其集熱器輪廓采光面積為2.0 m2，水箱標(biāo)稱(chēng)容量為134.5 L，水箱初始溫度在35-36 ℃的情況下，經(jīng)過(guò)一天的集熱，水箱溫度可以達(dá)到78～86 ℃，平均82.5 ℃。根據(jù)衛(wèi)生熱水的溫度要求，如果設(shè)定蓄水溫度為60 ℃，則需要的總?cè)莘e為258.24 L，考慮到太陽(yáng)輻射條件的差異，總?cè)萘吭O(shè)定為200 L。

王崇槐[7]等人研究表明，當(dāng)集熱器面積與集熱水箱容積之比為1/10 時(shí)，系統(tǒng)的集熱效率最高，因此可將集熱水箱容積設(shè)為20 L，室內(nèi)水箱容積設(shè)為180 L?？紤]到真空管集熱器與集熱水箱的安裝長(zhǎng)度匹配問(wèn)題，集熱水箱的長(zhǎng)設(shè)為1400 mm，直徑為134 mm。根據(jù)日熱損失量最小原則[8]，室內(nèi)水箱選用圓柱形水箱，水箱的長(zhǎng)徑比設(shè)為4:3，水箱長(zhǎng)為741 mm，直徑為556 mm。圓柱形水箱的熱損失計(jì)算公式如下：

式中：λ 為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；h 為水箱箱體高度，m；d1為箱內(nèi)膽直徑，m；d2為水箱外膽直徑，m；δ 為保溫層厚度，m；Z 為傳熱時(shí)間，h；Δt 為熱水與環(huán)境間的傳熱溫差，℃。

對(duì)比兩種系統(tǒng)在相同環(huán)境溫度下1 h 的散熱量，常規(guī)太陽(yáng)能熱水器水箱在儲(chǔ)水溫度82.5 ℃的情況下，1 h 的散熱量為1.84×105J，而雙水箱系統(tǒng)在儲(chǔ)水溫度60 ℃的情況，1 h 的熱損失量為1.63×105J。研究表明，盡管雙水箱系統(tǒng)由于增設(shè)了一個(gè)水箱，使得水箱的總表面積增大，但水箱中儲(chǔ)水溫度的降低，使得水箱熱損失并沒(méi)有增加反而有所降低。

以用戶(hù)的一次淋浴為例，在不同的安裝層高下，常規(guī)家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和雙水箱系統(tǒng)的管路熱損失見(jiàn)圖10。管路熱損失率如圖11 所示。由圖10 可看出，雙水箱系統(tǒng)的管路殘留熱損失非常小，且是個(gè)常數(shù)。輸送熱損失隨著安裝層高的增加線性增長(zhǎng)?？傮w上，雙水箱系統(tǒng)的管路熱損失遠(yuǎn)小于常規(guī)系統(tǒng)的熱損失。在安裝高度為五層的情況下，雙水箱系統(tǒng)集熱水箱到室內(nèi)水箱的室外管長(zhǎng)為22.3 m，室內(nèi)管長(zhǎng)為6.43 m，室內(nèi)水箱到噴頭的管長(zhǎng)為3 m。用戶(hù)一次淋浴的殘留熱損失為2.12×105J，輸送熱損失為1.69×105J，總熱損失為3.81×105J，系統(tǒng)熱損失率為4.15%。在相同情況下，常規(guī)家用太陽(yáng)能熱水器的殘留熱損失為3.32×106J，輸送熱損失為4.79×105J，總熱損失為3.80×106J，系統(tǒng)熱損失率為30.21%。與常規(guī)家用太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)熱損耗相比，管路總熱損降低了3.40×106J，系統(tǒng)熱損失率降低了31.04%。

圖10 不同安裝層高下的管路熱損失對(duì)比

圖11 不同安裝層高下的管路熱損失率對(duì)比

假設(shè)系統(tǒng)白天集熱，晚上連續(xù)集中用水，將白天制備的熱水全部用盡，對(duì)于安裝高度為五層的常規(guī)太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)，其殘留熱損失為3.32×106J，輸送熱損失為1.99×106J，總的熱損失為5.31×106J，熱損失率為43.40%。對(duì)于雙水箱系統(tǒng)，其殘留熱損失為2.12×105J，輸送熱損失為7.01×105J，總的熱損失為9.13×105J，熱損失率為9.95%。雙水箱系統(tǒng)極大的降低了系統(tǒng)使用過(guò)程的管路熱損失，為家用一體式太陽(yáng)能熱水器在高層住宅建筑的使用提供了解決方案。除此之外，雙水箱系統(tǒng)由于間歇的排放熱水和補(bǔ)入冷水降低了集熱器的進(jìn)口溫度，提高了集熱器的集熱效率。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)VB 語(yǔ)言編程管路熱損耗計(jì)算程序，可以方便快捷計(jì)算不同工況和安裝情形下熱水系統(tǒng)管路熱損失，簡(jiǎn)化計(jì)算工作量，提高計(jì)算準(zhǔn)確度和效率，對(duì)優(yōu)化熱水管路設(shè)計(jì)和安裝具有實(shí)際意義。

2）家用太陽(yáng)能熱水器在多高層住宅建筑的使用中，管路熱損失成了系統(tǒng)綜合效率和用戶(hù)認(rèn)可度的關(guān)鍵制約因素。管徑、供水溫度、安裝層高的增大都會(huì)導(dǎo)致管路熱損失增長(zhǎng)，造成水資源和熱量極大浪費(fèi)。優(yōu)化管路設(shè)計(jì)和安裝，選用小管徑供水管、降低熱水輸送溫度、縮短熱水流程，是降低管路熱損失有效途徑。

3）家用太陽(yáng)能熱水器雙水箱系統(tǒng)提高了集熱效率和太陽(yáng)輻射利用率，有效減小管路熱損失，安裝層高為五層的情況下，雙水箱系統(tǒng)一次淋浴的管路熱損失比常規(guī)系統(tǒng)降低3.40×106J，系統(tǒng)熱損失率降低了31.04%。