太阳能和低谷电双水箱热水系统的应用

摘要 本文介绍了一种太阳能与低谷电相结合双水箱热水系统的组成及原理，并通过具体的功能分析，介绍了该系统的节能特点。太阳能+低谷电双水箱热水系统热源来自于太阳能与谷电时段的电能，因此大大降低了热水系统的运行费用，具有良好社会效益和经济效益。 　　太阳能是绿色能源中最重要的能源，具有丰富、洁净、安全等优点。太阳能热力系统可以将太阳光转化为热能，将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水使用需求，具有安全可靠、环保节能、方便使用、经济实惠等特点。 　　但是太阳能也存在间歇性和能量密度低的缺点，因此在使用太阳能热力系统时也存在相应的缺点：一是太阳能热力系统需要具备足够的场地条件以安装足够面积的太阳能集热器才能收集所需要的热量，如果场地条件受限，集热面积匹配不足，就无法达到所需要的热量输出；二是连续阴雨（雪）天气时，太阳集聚的热量无法满足太阳能热力系统的使用需求。对于这两个问题，都需要使用常规能源对系统进行热量补充，以满足用户用热需求。 　　低谷电的使用已经越来越广泛，包括企事业单位利用谷电组织生产、谷电蓄热、谷电供暖等应用；峰谷电价的意义在于：鼓励居民、企业利用低谷电价的优惠条件大量消费低谷电力，比如电热水器、空调、其他类电器设备、工厂设备等。同时，对电力部门来说，将高峰用电转移到低谷时段，既缓解了用电高峰电力供需缺口，又促进了电力资源的优化配置，是一项“削峰填谷”的双赢政策。 　　将太阳能因其特殊性所造成的能量供给不足，通过谷电的形式进行补充，可以最大化利用太阳能，减少电费支出。 　　1太阳能+低谷电双水箱热水系统简介 　　太阳能+低谷电双水箱热水系统由太阳能集热器、触摸屏+PLC控制系统、储热水箱、循环水泵等组成。 　　太阳能+低谷电双水箱热水系统的热源来自于太阳能与电能，电能以谷电时段使用为主，非谷电时段出现意外因素导致两个水箱内的储热量不足时，也会使用电能，但是受到严格控制，避免消耗高价电能。 　　系统采用温差强制循环换热方式，使用补水法方式取水，系统具备用水增压、回水、防冻伴热、电辅助加热、缺水保护、缺水报警、耗电统计、限时停机、远程监控等常规功能，系统原理如图1所示。 图1 系统原理 　　2太阳能+低谷电系统运行原理 　　2.1系统基本运行原理 　　该系统的创新点在于，系统最少具备两个水箱。图1是最低配备两个水箱的系统原理，两个水箱按功能被分为“集热水箱”和“供热水箱”；其中供热水箱是为客户直接提供热水的水箱，而集热水箱是与太阳能集热器进行强制循环换热的水箱。在实际使用中，控制系统会根据时间、两个水箱的温度随时调整两个水箱所处的功能。 　　谷电时段（23:00~次日07:00），系统开启温度较高水箱的电加热器，对其进行低谷电蓄能.当该水箱温度达到设定温度时，停止加热，同时该水箱被选择为“供热水箱”，开启与该水箱对应的电动蝶阀（D1或D2），客户用水时，水泵(P3)运转，使用该水箱中的热水。 　　而另外一个水箱被选择为“集热水箱”，系统会对比集热温度T1和该水箱温度（T3或T2），到了白天，集热器与水箱出现温差时，系统会启动该水箱对应的循环泵（P2或P1），水箱开始集热升温。 　　到了夜间，由于经过一天的用热和集热，作为“供热水箱”功能的水箱温度会比较低；而“集热水箱”功能的水的温度则较高；当进入低谷电蓄热时段，系统会启动温度较高的水箱进行蓄热，功能上，它也被切换为“供热水箱”，而另一个水箱在功能上成为“集热水箱”。 　　2.2系统节能原理 　　系统在合理配比的情况下，两个水箱每天会交替成为功能上的“供热水箱”和“集热水箱”。由于系统在谷电时段选择温度较高的水箱开启蓄热，可以消耗更少的电能就能达到最高蓄热温度，同时使用的是价格便宜的谷电时段电能，减少了电费支出；而白天时，选择温度较低的水箱进行太阳能集热，可以提高集热效率，充分利用太阳能。 　　2.3系统实际运行控制 　　由于客户的用水量不同，系统在实际使用中，可能出现“供热水箱”温度较低，而“集热水箱”温度较高，或者两个水箱温度都较低等情况，这些情况都会影响客户对热水的使用，所以系统设计时，制定了4个涉及水箱控制的温度值（见表1），以满足系统在各种情况下客户能正常用热水。 表1  4个水箱的温度值 　　注：每个温度值均具备2~3℃的安全余量，避免实际运行中，系统在临界温度频繁启动电加热器。 　　当“供热水箱”的水温在“最高洗浴温度”之上时，系统不存在用热水不足的隐患。 　　当“供热水箱”的水温介于“最高洗浴温度”与“洗浴预警温度”之间时，系统检测“集热水箱”水温，如果该水箱温度低于“最低洗浴温度”，则开启该水箱电辅助加热，直到水温达到“最低洗浴温度”。 　　当“供热水箱”的水温介于“洗浴预警温度”与“最低洗浴温度”之间时：1.如果“集热水箱”温度低于“洗浴预警温度”，开启该水箱电加热器，直到水温达到“洗浴预警温度”，同时太阳能集热器开始与“供热水箱”进行换热，优先将收集的太阳能热量提供给热量储备不足的“供热水箱”；2.如果“集热水箱”温度高于洗浴预警温度，切换两个水箱的功能，将温度较高的水箱（即“集热水箱”）重新设定为“供热水箱”，但太阳能集热器仍然与该水箱进行强制循环换热，以供热为主要目的。 　　当“供热水箱”温度低于“最低洗浴温度”时，开启“供热水箱”电加热器，直到温度达到“最低洗浴温度”停止；同时系统切换两个水箱的功能，将“集热水箱”重新设定为“供热水箱”，但太阳能集热器仍然与该水箱进行强制循环换热，以供热为主要目的。 　　上面是一部分功能控制流程，基本目的是保证系统具备足够的热量储备，同时又避免在非谷电时段过分使用高价电能，达到满足客户用热需要且降低电费支出的目的。太阳能集热器遵循热量储备足够时用作蓄热使用、热量储备不足时用作供热使用的基本原则。 　　3结论 　　太阳能+低谷电双水箱热水系统主要热源来自于太阳能与谷电时段的电能，具体所占比重要根据太阳能集热器与所需热量之间的比值关系确定。本系统相比传统太阳能热水系统最主要的优点就是将需要辅助能源补充的热量，从正常电价的电能消耗转移到谷电时段的电能消耗，而通过两个水箱的配合，系统可以保证集热水箱的温度较低，提高太阳能集热效率。 　　太阳能+低谷电双水箱热水系统适用于安装场地有限，所能安装的太阳能集热器无法提供每日所需的热量，需要使用辅助能源的场合，如楼顶面积较小的高层建筑或者安装场地受限的用热水场所以及学校、宾馆、工厂等集中洗浴场所。同时系统也可以应用到太阳能采暖领域，基本原理不变，只需要进行相关功能扩展即可。 　　太阳能+低谷电双水箱热水系统不会产生任何污染，同时将消耗的电能利用谷电时段获得，一方面降低电费支出，一方面也顺应了国家相关政策，因此具有良好的社会效益，为环保作出贡献。