家用集成热水系统的设计

高 翔，徐毅茹

(武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430074)

随着能源供需矛盾的日益尖锐，太阳能热水器的用户会大大增加[1]。与其他热水系统相比具有节约能源、无污染，结构简单，维护使用方便安全且经济效益明显[2]，但在使用中还存在一些局限性，主要有以下五点:

(1)在冬季或阴雨天气，阳光不充足使太阳能热水器的水温偏低;

(2)国内普遍使用的真空管太阳能热水器是用水作为循环介质，当冬季夜晚温度较低时，存在结冻的问题;

(3)随着生活水平的提高，在大户型和别墅型的住宅中有多个用水点，输送管道过长，则需先排出冷水，难以实现即开即热;

(4)普通太阳能热水器采用电辅加热，加热时间过长。

(5)城市中高层住宅越来越多，若使用真空管热水器放置在屋顶，需要设置许多管道[3－5]。

目前在城市中，国内外趋向于使用平板式太阳能热水器解决上述中(2)和(5)的问题，而回水系统可实现即开即热。针对上述五点，本文将平板式太阳能热水器和回水系统结合在一起，设计出一种新型的家用集成热水系统实现日常使用热水更加便利的目的。

1 方案设计

1.1 太阳能热水器的选型

市场上的太阳能热水器主要有真空管式和平板式两种。与真空管式相比，平板式具有面积效率和耐用性均较高、价格低廉，可与建筑集成以及大面积使用、结构坚固等优点，其次集热板采用的循环介质是防冻液(冷却液)，可解决冬天结冻的问题，因此选用平板式太阳能热水器。

1.2 辅助热源的选型

家用太阳能热水器一般采用的辅助热源——电加热，虽然具有寿命较长、安全、环保等优点，但其缺点是使用前需预热和有限的连续使用热水量。燃气热水器具有热效率高、加热速度快、可连续使用的优点，其不足之处在于需要先排出管道里的冷水。本文设计的系统需在短时间内使管道中充满热水，然而电热水器的加热速度无法与燃气热水器相比，而且有研究表明，辅助热源对太阳能系统的节能性和环境效益有较大的影响，应尽量使用燃气[6]，因此选用燃气热水器。

1.3 结构设计

大户型和别墅型的住宅有多个热水用点。在使用时，需要先排放出热水管道中的冷水，导致两个缺点:(1)存在水资源浪费的问题;(2)无法即开即热。因此需在平板式太阳能热水器和燃气热水器的基础上加入回水循环系统，其优势在于，打开水龙头就能直接使用热水，无需排除管道里面的冷水，同时填补了燃气热水器的缺点，实现即开即热和节约水资源。整个系统采用PLC智能控制，无需过多的人为操作，使用简单方便。

2 回水加热循环系统

回水加热循环系统主要由燃气热水器、回水循环泵、水流开关、单向阀和温度探头。该系统原理图如图1所示。

图1 回水加热循环系统原理图

此系统在启动之后，回水循环泵运转，通过燃气热水器加热冷水，让整个回路中充满热水，则可直接出热水。当温度探头探测到温度达到设定值时，则回水循环泵停止工作，进入保温状态。反之，在保温时间内，当温度探头探测的温度低于设定值时，再次启动回水循环泵进行加热。

3 家用集成热水系统

家用集成热水系统是将平板式太阳能热水器与回水加热循环系统结合起来，其主要由板式太阳能热水器、回水循环泵、燃气热水器、水流开关、2个电磁阀、单向阀、2个温度探头等组成，该系统原理图如图2所示。

图2 家用集成热水系统原理图

阳光充足时使用太阳能热水器，储热水箱的温度能达到设定温度，可以直接使用。即使在阳光不足的冬季，也能将储热水箱的温度提高十几摄氏度至二十几摄氏度。将这部分能量利用起来，可节省燃气消耗，相对于单纯的回水加热循环系统更加节能。其工作原理从以下三种情形进行分析。

3.1 无电的情况下

在无电的情况下，因燃气进水口阀设置为常闭，太阳能旁通阀设置为常开，则能正常使用平板式太阳能热水器，回水加热循环系统不工作。

3.2 储热水箱出水口温度达到的情况下

当储热水箱出水口温度达到设定温度(一般设为45℃左右)，则无需经过燃气热水器加热，直接可以回水循环和使用热水，此时燃气进水口阀和太阳能旁通阀都处于断电状态。此为家用集成热水系统最理想的状态。

3.3 储热水箱出水口温度未达到的情况下

当储热水箱出水口温度未达到设定温度，在用水的过程中，则需要经过燃气热水器辅助加热之后再进行回水循环和使用，此时需控制燃气进水口阀和太阳能旁通阀均通电，则燃气进水口阀打开，太阳能旁通阀关闭。当回水温度达到设定的温度时，停止加热。

4 PLC集中控制系统

家用集成热水系统采用PLC控制，选用西门子LOGO!230RC。此控制系统共有3个输入信号和3个输出信号。输入信号分为储热水箱出水口温度信号、回水温度信号和水流开关信号。输出信号分别为回水循环泵电机、燃气进水口电磁阀和太阳能旁通电磁阀。整个程序可分为系统启动、防止水流波动、防止频繁启动、自动保温启动和保温控制5个部分进行分析。根据家用集成热水系统的工作原理，PLC控制流程图如图3所示。

4.1 系统启动

整个系统的启动信号有水流开关信号和时段控制信号:(1)水流开关启动是当用户需要用水之前，先打开热水龙头产生水流来启动整个回水系统;(2)时段启动是用户根据自己的用水时间，设定系统启动的时间。

4.2 防止水流波动

因采用水流开关作为启动信号，为防止回路中有水流波动而产生错误信号，需要在水流开关信号后面加入延时控制，保证信号的准确性。

图3 PLC控制流程图

4.3 防止频繁启动

为了防止频繁启动，将以回水循环泵信号为输入的关断延时定时器与回水循环泵信号分别连接到异或门的两个输入，当燃烧时间达到，回水循环泵停止工作之后异或门的输出就变为1，再将异或门的输出与非门连接，最后将非门的输出连接到回水循环泵工作条件的与门上。当关断延时定时器定的时间达到后，回水循环泵才能重新工作。这样能保护回水循环泵电机的作用，延长使用寿命。

4.4 自动保温启动

启动之后，即使在一段时间内不用水，整个回水系统仍正常运行。在防止频繁启动的时间结束之后，利用与防止频繁启动类似的程序使其自动启动回水循环，此时回水循环泵重新开始工作，进行回水，保证管道中仍为热水，达到保温的效果。

4.5 保温控制

在启动后，利用接通延时定时器进行控制，其作用在于如果水流开关在设置的保温时间(约为45分钟)内检测不到用水，则回水系统自动断电。在保温时间内，若回水系统内的回水温度低于设定的温度值，则产生触发信号，回水系统将通电运行。

5 结语

家用集成热水系统充分利用太阳能，降低了人们在日常生活中的水、电、气的消耗，符合建立“资源节约型和环境友好型”社会的要求。虽然初期投资较高，但是运行费用低，且可以适用于城市高层住宅。如果房屋还有供暖的需求，还可以在该系统中加入地暖系统，无需增加热源。

[1]唐赣民，史忠科，刘勇，等.一种高效太阳能热水器设计[J].制造业自动化，2005，27(6):18 －20.

[2]张喜明，白莉，王佩元，等.太阳能热水系统的实验研究[J].节能技术，2004，22(6):56 －57，61.

[3]刘晓琴，张吉光，杜付昌，等.分体式家用太阳热水器[J].可再生能源，2005(6):34－35.

[4]孙明建，张永，魏群，等.即时循环热水系统设计[J].给水排水，2010，36(5):81 －83.

[5]安赢，胡明辅，刘峰，等.热水供给回水系统管道热损失的分析[J].山西能源与节能，2009(6):74－76.

[6]于国清，李玉洁.家用太阳能热水系统的节能与环境效益分析[J].节能技术，2007，25(3):211 －212，226.