高 翔，徐毅茹

(武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430074)

隨著能源供需矛盾的日益尖銳，太陽能熱水器的用戶會大大增加[1]。與其他熱水系統(tǒng)相比具有節(jié)約能源、無污染，結構簡單，維護使用方便安全且經濟效益明顯[2]，但在使用中還存在一些局限性，主要有以下五點:

(1)在冬季或陰雨天氣，陽光不充足使太陽能熱水器的水溫偏低;

(2)國內普遍使用的真空管太陽能熱水器是用水作為循環(huán)介質，當冬季夜晚溫度較低時，存在結凍的問題;

(3)隨著生活水平的提高，在大戶型和別墅型的住宅中有多個用水點，輸送管道過長，則需先排出冷水，難以實現(xiàn)即開即熱;

(4)普通太陽能熱水器采用電輔加熱，加熱時間過長。

(5)城市中高層住宅越來越多，若使用真空管熱水器放置在屋頂，需要設置許多管道[3－5]。

目前在城市中，國內外趨向于使用平板式太陽能熱水器解決上述中(2)和(5)的問題，而回水系統(tǒng)可實現(xiàn)即開即熱。針對上述五點，本文將平板式太陽能熱水器和回水系統(tǒng)結合在一起，設計出一種新型的家用集成熱水系統(tǒng)實現(xiàn)日常使用熱水更加便利的目的。

1 方案設計

1.1 太陽能熱水器的選型

市場上的太陽能熱水器主要有真空管式和平板式兩種。與真空管式相比，平板式具有面積效率和耐用性均較高、價格低廉，可與建筑集成以及大面積使用、結構堅固等優(yōu)點，其次集熱板采用的循環(huán)介質是防凍液(冷卻液)，可解決冬天結凍的問題，因此選用平板式太陽能熱水器。

1.2 輔助熱源的選型

家用太陽能熱水器一般采用的輔助熱源——電加熱，雖然具有壽命較長、安全、環(huán)保等優(yōu)點，但其缺點是使用前需預熱和有限的連續(xù)使用熱水量。燃氣熱水器具有熱效率高、加熱速度快、可連續(xù)使用的優(yōu)點，其不足之處在于需要先排出管道里的冷水。本文設計的系統(tǒng)需在短時間內使管道中充滿熱水，然而電熱水器的加熱速度無法與燃氣熱水器相比，而且有研究表明，輔助熱源對太陽能系統(tǒng)的節(jié)能性和環(huán)境效益有較大的影響，應盡量使用燃氣[6]，因此選用燃氣熱水器。

1.3 結構設計

大戶型和別墅型的住宅有多個熱水用點。在使用時，需要先排放出熱水管道中的冷水，導致兩個缺點:(1)存在水資源浪費的問題;(2)無法即開即熱。因此需在平板式太陽能熱水器和燃氣熱水器的基礎上加入回水循環(huán)系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于，打開水龍頭就能直接使用熱水，無需排除管道里面的冷水，同時填補了燃氣熱水器的缺點，實現(xiàn)即開即熱和節(jié)約水資源。整個系統(tǒng)采用PLC智能控制，無需過多的人為操作，使用簡單方便。

2 回水加熱循環(huán)系統(tǒng)

回水加熱循環(huán)系統(tǒng)主要由燃氣熱水器、回水循環(huán)泵、水流開關、單向閥和溫度探頭。該系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 回水加熱循環(huán)系統(tǒng)原理圖

此系統(tǒng)在啟動之后，回水循環(huán)泵運轉，通過燃氣熱水器加熱冷水，讓整個回路中充滿熱水，則可直接出熱水。當溫度探頭探測到溫度達到設定值時，則回水循環(huán)泵停止工作，進入保溫狀態(tài)。反之，在保溫時間內，當溫度探頭探測的溫度低于設定值時，再次啟動回水循環(huán)泵進行加熱。

3 家用集成熱水系統(tǒng)

家用集成熱水系統(tǒng)是將平板式太陽能熱水器與回水加熱循環(huán)系統(tǒng)結合起來，其主要由板式太陽能熱水器、回水循環(huán)泵、燃氣熱水器、水流開關、2個電磁閥、單向閥、2個溫度探頭等組成，該系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 家用集成熱水系統(tǒng)原理圖

陽光充足時使用太陽能熱水器，儲熱水箱的溫度能達到設定溫度，可以直接使用。即使在陽光不足的冬季，也能將儲熱水箱的溫度提高十幾攝氏度至二十幾攝氏度。將這部分能量利用起來，可節(jié)省燃氣消耗，相對于單純的回水加熱循環(huán)系統(tǒng)更加節(jié)能。其工作原理從以下三種情形進行分析。

3.1 無電的情況下

在無電的情況下，因燃氣進水口閥設置為常閉，太陽能旁通閥設置為常開，則能正常使用平板式太陽能熱水器，回水加熱循環(huán)系統(tǒng)不工作。

3.2 儲熱水箱出水口溫度達到的情況下

當儲熱水箱出水口溫度達到設定溫度(一般設為45℃左右)，則無需經過燃氣熱水器加熱，直接可以回水循環(huán)和使用熱水，此時燃氣進水口閥和太陽能旁通閥都處于斷電狀態(tài)。此為家用集成熱水系統(tǒng)最理想的狀態(tài)。

3.3 儲熱水箱出水口溫度未達到的情況下

當儲熱水箱出水口溫度未達到設定溫度，在用水的過程中，則需要經過燃氣熱水器輔助加熱之后再進行回水循環(huán)和使用，此時需控制燃氣進水口閥和太陽能旁通閥均通電，則燃氣進水口閥打開，太陽能旁通閥關閉。當回水溫度達到設定的溫度時，停止加熱。

4 PLC集中控制系統(tǒng)

家用集成熱水系統(tǒng)采用PLC控制，選用西門子LOGO!230RC。此控制系統(tǒng)共有3個輸入信號和3個輸出信號。輸入信號分為儲熱水箱出水口溫度信號、回水溫度信號和水流開關信號。輸出信號分別為回水循環(huán)泵電機、燃氣進水口電磁閥和太陽能旁通電磁閥。整個程序可分為系統(tǒng)啟動、防止水流波動、防止頻繁啟動、自動保溫啟動和保溫控制5個部分進行分析。根據(jù)家用集成熱水系統(tǒng)的工作原理，PLC控制流程圖如圖3所示。

4.1 系統(tǒng)啟動

整個系統(tǒng)的啟動信號有水流開關信號和時段控制信號:(1)水流開關啟動是當用戶需要用水之前，先打開熱水龍頭產生水流來啟動整個回水系統(tǒng);(2)時段啟動是用戶根據(jù)自己的用水時間，設定系統(tǒng)啟動的時間。

4.2 防止水流波動

因采用水流開關作為啟動信號，為防止回路中有水流波動而產生錯誤信號，需要在水流開關信號后面加入延時控制，保證信號的準確性。

圖3 PLC控制流程圖

4.3 防止頻繁啟動

為了防止頻繁啟動，將以回水循環(huán)泵信號為輸入的關斷延時定時器與回水循環(huán)泵信號分別連接到異或門的兩個輸入，當燃燒時間達到，回水循環(huán)泵停止工作之后異或門的輸出就變?yōu)?，再將異或門的輸出與非門連接，最后將非門的輸出連接到回水循環(huán)泵工作條件的與門上。當關斷延時定時器定的時間達到后，回水循環(huán)泵才能重新工作。這樣能保護回水循環(huán)泵電機的作用，延長使用壽命。

4.4 自動保溫啟動

啟動之后，即使在一段時間內不用水，整個回水系統(tǒng)仍正常運行。在防止頻繁啟動的時間結束之后，利用與防止頻繁啟動類似的程序使其自動啟動回水循環(huán)，此時回水循環(huán)泵重新開始工作，進行回水，保證管道中仍為熱水，達到保溫的效果。

4.5 保溫控制

在啟動后，利用接通延時定時器進行控制，其作用在于如果水流開關在設置的保溫時間(約為45分鐘)內檢測不到用水，則回水系統(tǒng)自動斷電。在保溫時間內，若回水系統(tǒng)內的回水溫度低于設定的溫度值，則產生觸發(fā)信號，回水系統(tǒng)將通電運行。

5 結語

家用集成熱水系統(tǒng)充分利用太陽能，降低了人們在日常生活中的水、電、氣的消耗，符合建立“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”社會的要求。雖然初期投資較高，但是運行費用低，且可以適用于城市高層住宅。如果房屋還有供暖的需求，還可以在該系統(tǒng)中加入地暖系統(tǒng)，無需增加熱源。

[1]唐贛民，史忠科，劉勇，等.一種高效太陽能熱水器設計[J].制造業(yè)自動化，2005，27(6):18 －20.

[2]張喜明，白莉，王佩元，等.太陽能熱水系統(tǒng)的實驗研究[J].節(jié)能技術，2004，22(6):56 －57，61.

[3]劉曉琴，張吉光，杜付昌，等.分體式家用太陽熱水器[J].可再生能源，2005(6):34－35.

[4]孫明建，張永，魏群，等.即時循環(huán)熱水系統(tǒng)設計[J].給水排水，2010，36(5):81 －83.

[5]安贏，胡明輔，劉峰，等.熱水供給回水系統(tǒng)管道熱損失的分析[J].山西能源與節(jié)能，2009(6):74－76.

[6]于國清，李玉潔.家用太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)境效益分析[J].節(jié)能技術，2007，25(3):211 －212，226.