蓄能雙核不銹鋼承壓水箱的研究及應用

　　隨著全國各地實施太陽能應用與建筑物結合步伐的加快，各種強制性適合本地區資源條件及建筑利用條件的可再生能源技術推廣。地方政府、開發商、太陽能企業積極性被極大啟動，一批批大的工程項目陸續實施，特別是房地產中高層住宅建筑采用陽臺壁掛式太陽能熱水系統，作為熱水來源主要使用形式已被廣泛采用。而一套高效、安全、可靠的熱水系統不僅需要高效太陽能集熱技術作為支撐，更需要高效換熱的蓄熱設備作為質量和品質的保證。由于陽臺壁掛式太陽能熱水系統在中高層建筑應用中太陽能集熱受到一定條件的限制，要想整體提高陽臺壁掛式太陽能熱水系統能效等級指標，這就要求陽臺壁掛式太陽能熱水系統的儲熱設備除了具有應有儲熱功能外，更應具備高效換熱功能，最大限度地快速將太陽能轉換成熱能儲存起來。經過對影響換熱效果途徑的研究分析，通過改變水箱換熱層結構設計而制作的新型蓄能雙核不銹鋼承壓水箱，換熱效率比目前市場采用的普通儲熱水箱的提高26%，并整體提升陽臺壁掛太陽能熱水系統能效指標10%，為陽臺壁掛式太陽能熱水系統在中高層建筑中應用創造巨大發展空間。
　　1、換熱效率是蓄能雙核不銹鋼承壓水箱設計的核心思想
　　目前我們研究的陽臺壁掛太陽能熱水系統儲熱設備的換熱過程，基本上都是無相變的對流換熱過程，即吸收太陽能熱量的高溫流體流過換熱固體表面時，由于兩者的溫度的不同而發生熱量的傳遞，在此過程中流體沒有發生相變（凝結和沸騰），只是單相流體。根據牛頓冷卻基本計算式φ=h×A×Δt可知：增大換熱面積A、加大流體與壁面的傳熱溫差Δt以及提高表面換熱系數h都會起到強化換熱的效果。在強化換熱的效果過程中，增大換熱面積A、加大流體與壁面的傳熱溫差Δt是比較容易確定的，而反映換熱強弱的表面換熱系數h值，因受多種因素影響則難以確定。
　　蓄能雙核不銹鋼承壓水箱核心思想便是如何能夠大幅提升換熱效率。在蓄能雙核不銹鋼承壓水箱設計過程中，始終堅持強化水箱換熱的思路，盡可能通過增大換熱面積A、加大流體與換熱面的傳熱溫差Δt、提高表面換熱系數h等強化換熱的措施，來實現水箱換熱效率的大幅提升。
　　蓄能雙核不銹鋼承壓水箱主要由蓄熱內膽（1）、環繞蓄熱內膽外壁面套焊成狹窄換熱空間的集熱內膽（2）、換熱循環管道進出接口（5）（6）、冷熱水分層進出水管道接口（8）、水箱保溫層、水箱外膽、電輔加熱及控制附件等組成。在水箱結構上采用疊層夾套雙核內膽，設計中把蓄能雙核不銹鋼承壓水箱蓄熱內膽換熱面由光滑面滾壓成螺旋上升槽型換熱面(4),不僅擴展整個水箱的換熱面積35%，同時因換熱面形狀、大小、位置的變化，換熱過程中螺旋上升槽型換熱面強迫流體在向前運動過程中會連續地改變方向,在橫截面上引起二次環流,可在較低的雷諾數下產生湍流,起到強化換熱作用。
　　同時，將蓄能雙核不銹鋼承壓水箱集熱內膽設計成狹窄換熱空間，一方面可在一定比例換熱路徑、小流量定壓條件下，可保持流體較好流速，取得較高傳熱效率；另一方面也可以使流體在換熱過程中流層變薄，傳熱系數進一步加大。
　　由于水箱蓄熱內膽內冷水加熱時液體流動方向是由下向上運動，將水箱換熱進出管道設計成180度逆流循環換熱方式，熱流體介質由換熱壁面上部流入，經過180度換熱通道，再由換熱壁面下部流出，在同樣流體進出溫度情況下，冷熱流體平均溫差是最大的，起到強化換熱的作用。
　　通過以上對水箱換熱結構設計改變的不同途徑和方法，可實現水箱整體換熱效果的大幅提升26%，凸顯蓄能雙核不銹鋼承壓水箱所具有的能效性。
　　2、蓄能雙核不銹鋼承壓水箱提升質量品質的技術創新措施
　　蓄能雙核不銹鋼承壓水箱不僅具有高效換熱的性能優勢，還具有高質量品質的技術保證。影響換熱水箱質量品質因素有很多，主要包括水箱使用一段時間后是否有漏水現象、水箱強度是否滿足高溫高壓的運行要求、水箱是否保溫節能、水箱使用是否方便等。分析影響換熱水箱質量品質好壞的因素，首先需要解決的是制作換熱水箱材料的選擇。目前市場上換熱水箱主要分為搪瓷內膽和不銹鋼內膽兩大類，搪瓷內膽主要由瓷層和碳鋼鋼板兩種膨脹系數差別很大的材料組成，瓷層主要是起防腐作用，在使用水溫75℃和較穩定的壓力狀況下，瓷層與鋼板不同膨脹作用力一般都小于瓷層與鋼板間的附著力，不會出現脫瓷和裂紋現象，因而使用溫度不超過75℃的電熱水器內膽基本都采用搪瓷內膽。但在太陽能利用系統中，由于太陽能熱量的吸收，能使換熱水箱溫度達到100℃以上，溫度和壓力呈現不規則的脈沖波動，造成瓷層與鋼板不同膨脹作用力可能大于瓷層與鋼板間的附著力，在冷熱交替過程中搪瓷表面就會出現裂紋，瓷粉就會脫落，瓷層防腐功能就會失去作用，水箱基板碳鋼就會腐蝕出現漏水現象。何況應用于陽臺壁掛熱水系統的蓄能雙核換熱承壓水箱要在5mm狹窄的空間內，使瓷粉均勻噴涂到每個部位，工藝難度可想而知，搪瓷的質量無法得到保證。因此，在高溫高壓非穩定工況的太陽能熱水系統中，換熱承壓水箱制作材料建議采用具有一定防腐功能、且易成型易焊接的食品級304不銹鋼材料制作，在水質氯離子含量較高地區，可選用316L不銹鋼材料。根據水箱的設計結構，通過選用材料的強度計算，確定水箱板材厚度，并在結構工藝上確保水箱的板材、端蓋、管件能自動焊接，排除人為因素，保證了水箱整體強度要求。由304不銹鋼材料制作的蓄能雙核不銹鋼承壓水箱，在最大工作壓力的15%到100%之間的壓力循環250000次后，水箱無滲漏、無變形。
　　其次，蓄能雙核不銹鋼承壓水箱不僅材料上選擇使用了能適應在太陽能熱水系統中應用的不銹鋼材料，同時在水箱防腐技術上也使用多重保護措施。在水箱焊接結構設計中，水箱內膽組件焊接可全部采用氬氣保護焊接，最大限度防止不銹鋼材料在焊接過程中出現材質的變化。為防止焊接可能對材質防腐功能造成的影響，在內膽組件焊接完畢后，蓄能雙核不銹鋼承壓水箱在嚴格的工藝標準指導下，必須經過配置的金屬化學液進行水箱表面鈍化處理，在水箱表面生成一種非常薄的、致密的、覆蓋性能良好的、能堅固地附在金屬表面上的富鉻鈍化膜，這種富鉻鈍化膜電位可高達+1.0V，接近貴金屬電位；并形成多層CrO3或Cr2O3結構，把金屬與腐蝕介質完全隔開的作用，防止金屬與腐蝕介質直接接觸，使金屬基本停止溶解，形成鈍態達到防止腐蝕的效果。不銹鋼水箱在金屬鈍化處理后的耐鹽霧測試比未經處理的不銹鋼水箱提高20倍，在藍點法檢測時，35秒以上未出現藍點。同時蓄能雙核不銹鋼承壓水箱還采取犧牲陽極法陰極保護措施，在水箱配置一根棒狀鎂棒作為陽極，把水箱金屬內膽當作陰極，這樣陰極與陽極之間通過導電的水介質，形成一個原電池。電池的陽極鎂棒受腐蝕而自身消耗，而陰極內膽便受到保護，起到絕緣和防腐蝕作用。
　　第三，節能、舒適、便捷、方便是蓄能雙核不銹鋼承壓水箱始終堅持的人性化設計理念。蓄能是水箱最基本的功能，如何防止水箱吸收儲存的熱量不散失，是水箱體現節能的重要環節。經過水箱節能保溫效果線性計算，80-120升水箱要達到很好節能效果，保溫層厚度應不低于50mm。蓄能雙核不銹鋼承壓水箱保溫層設計為52mm，采用環保聚氨酯發泡劑，經過恒溫恒壓整體發泡而成，致密度達到36kg/m3,經檢測水箱24小時固有損耗為1.2KWh，水箱能效等級達到A級。承壓熱水箱的用水方式一般采用邊用熱水邊進冷水，在水箱結構設計上處理不好，易出現冷熱混水現象，造成用戶用水水溫不穩，水箱出水率極低。蓄能雙核不銹鋼承壓水箱在冷水進口安裝冷水緩沖分水器，改變冷水流動路線方向，阻擋冷水與熱水的混合，在水箱內形成冷熱水分層，最大限度提高水箱熱水利用率。為方便水箱在施工中安裝，蓄能雙核不銹鋼承壓水箱配置有多功能快捷式安裝構件，與建筑材料模數比例貼合式設計，無需特殊工具，即可快捷完成與建筑物完美安裝。同時水箱配置的智能控制器，即可與水箱嵌入式結合在一起，也可根據用戶安裝位置與水箱分離式安裝，液晶顯示屏，顯示直觀，一鍵式操作，控制精確，操作簡單方便，各種保護措施有效融合，安全無憂。
　　3、蓄能雙核不銹鋼承壓水箱的應用及測試
　　蓄能雙核不銹鋼承壓水箱是針對中高層住宅建筑采用陽臺壁掛式太陽能熱水系統應用而研發的一款新型換熱水箱，采用疊層夾套雙核內膽結構，雙核夾層與太陽能集熱器直接連接，生活用水與吸熱循環介質完全隔開。太陽能集熱器與蓄熱水箱熱交換不需外加任何動力，根據循環介質不同溫度密度差熱虹吸作用自然循環，即集熱器吸收太陽能高溫介質與夾套換熱水箱內低溫循環介質自然循環流動起來，并通過夾套生活水箱內壁的傳導實現熱交換。蓄能雙核不銹鋼承壓水箱應用示意原理圖如下：
　　根據以上安裝方式，我們將蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱和市場上知名品牌搪瓷雙艙承壓水箱配置同規格型號平板集熱器進行熱水系統能效等級對比測試。
　　日有用得熱量q測試基本條件：
　　◆日太陽輻照量H≥16MJ/m2，蓄熱水箱內水溫：tb=（20.0±1.0）℃，環境溫度8℃≤tad≤35℃，環境空氣的流動速率ν≤4m/s；
　　◆水箱容量100L；配置1塊平板集熱器1.84m2；
　　在經過正午前4小時到正午后4小時共8小時測試后，太陽累計輻照量為17.89MJ（d.m2)；水箱的溫升曲線如圖（1）所示，根據日有用得熱量計算式可知：
　　q=ρw×VS×Cpw×(te-tb)/1000×AC----------⑴
　　q——日有用得熱量MJ/m2；
　　r——水的密度,1kg/L；
　　s——水箱容量L；
　　pW——水的定壓比熱容，4.186KJ/（kg.c）；
　　te——儲水箱內水的終止溫度（℃）；
　　tb——水的初始溫度(℃)；
　　Ac——采光面積m2；
　　試數據代入公式⑴計算得出圖（1）：
　　圖（1）
　　蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱熱水系統日有用得熱量q值為7.9MJ/m2；
　　搪瓷雙艙承壓水箱熱水系統日有用得熱量q值為7.3MJ/m2；
　　換算成成太陽能輻照量17MJ（d.m2)時的日有用得熱量為：
　　q17=17q/H----------⑵
　　由于在8小時測試過程中，太陽能累計輻照量17.79MJ（d.m2)，將17.79代入式（2）可得：
　　配置蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱熱水系統日有用得熱量q17值為7.51MJ/m2；
　　配置搪瓷雙艙承壓水箱熱水系統日有用得熱量q17值為6.97MJ/m2；
　　以上測試都符合家用分體雙回路太陽能熱水系統熱性能6.6MJ/m2要求。同時可以看出配置蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱熱水系統比配置搪瓷雙艙承壓水箱熱水系統的日有用得熱量明顯提高10%左右。
　　平均熱損因素USL測試基本條件：
　　◆蓄熱水箱內水溫：取tb=（55±1.0）℃，環境溫度8℃≤tad≤35℃，環境空氣的流動速率ν≤4m/s；
　　◆水箱容量100L；配置1塊平板集熱器1.84m2；
　　在經過當天晚上8點到第二天早晨6點共10小時測試后，水箱的溫降曲線，如圖（2）所示，根據平均熱損因素USL計算式可知：
　　--------------------（3）
　　USL:平均熱損因素（W/m3.K)；
　　ρw：水的密度（kg/m3)；
　　Cpw：水的比熱容4.186KJ/（kg.c）；
　　Δτ：時間間隔(S)；
　　ti:水箱內初始溫度（℃）；
　　tf:水箱內最終溫度（℃）；
　　tas(av):環境空氣溫度（℃）；
　　將測試數據代入公式⑶計算得出圖（2）：
　　圖（2）
　　配置蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱熱水系統平均熱損因素值USL為11.8（W/m3.K)；
　　配置搪瓷雙艙承壓水箱熱水系統平均熱損因素值USL為12.7（W/m3.K)；
　　家用太陽能熱水系統能效系數可按下式求得：
　　CTP=QS(e)/QS(m)-αUsl(e)/Usl(M)--------------------（4）
　　其中：QS(e)：試驗條件下測得日有用得熱量MJ/m2；
　　QS(m)：家用分體雙回路規定日有用得熱量最小值6.6MJ/m2；
　　α:權重系數取0.9；
　　Usl(e)：試驗條件下測得平均熱損因子（W/m3.K)；
　　Usl(M)：家用分體雙回路規定平均熱損因子最小值16（W/m3.K)；
　　將配置蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱熱水系統試驗值QS(e)=7.51MJ/m2和Usl(e)=11.8(W/m3.K)代入式（4）得：CTP=0.47
　　將配置搪瓷雙艙承壓水箱熱水系統試驗值QS(e)=6.97MJ/m2和Usl(e)=12.7(W/m3.K)代入式（4）得：CTP=0.34
　　通過以上試驗值計算，可以看出配置蓄熱雙核不銹鋼承壓水箱熱水系統可以達到能效等級Ⅰ標準，而配置搪瓷雙艙承壓水箱熱水系統能效等級為Ⅱ標準?？梢娦顭犭p核不銹鋼承壓水箱應用到陽臺壁掛自然循環熱水系統中可提升系統的整體能效指標。
　　當然有了好的熱性能指標，還必須要有可靠的運行保證。蓄能雙核不銹鋼承壓水箱應用太陽能陽臺壁掛間接自然熱水系統中雖然安裝、使用看似非常簡單，但在實際安裝應用中以下幾點是必須注意的：
　　◇在安裝水箱前，必須核定水箱安裝位置強度必須能夠滿足水箱總荷載承載能力（既水箱
　　注滿水后的總重量）。
　　◇水箱冷水管進水接口前，必須安裝單向閥。在進水壓力大于水箱額定壓力時，水箱進水
　　口必須安裝減壓閥。
　　◇水箱必須安裝有限定水箱壓力的安全閥?？紤]到高溫熱水的安全排放，必須確保安全閥
　　排氣口暢通，并與建筑排水系統正確的連接。
　　◇用戶使用過程中，必須每隔一個月對安全閥進行手動操作，以檢查裝置的可靠性。
　　◇水箱安裝位置應高于太陽能集熱器最高點0.5米。安裝管道距離建議不大于5米。
　　◇承壓水箱安裝位置應不高于用水點3.5米。否則嚴禁在停水狀態下，使用熱水或在熱水出口安裝吸氣閥。
　　◇若用戶長期外出或外出度假，請檢查安全閥排氣口是否暢通，切斷系統電源，關閉上水
　　控制閥。
　　◇必須定期更換電子鎂棒。
　　◇檢查電表和室內電源線，必須保證與水箱負載相匹配，嚴禁超負荷；
　　◇水箱嵌入式控制器嚴禁在潮濕或有燃料等易燃易爆氣體的地方使用，以免發生危險；
　　◇在環境溫度低于零攝氏度的地區，循環介質必須采用防凍液。
　　◇系統循環介質和使用熱水須符合國家規定標準，嚴禁使用未經處理的河水、湖水和海水。
　　因此，在太陽能陽臺壁掛間接自然熱水系統中，蓄能雙核不銹鋼承壓水箱應用只有在嚴格按照規范要求下進行安裝使用，才能體現出節能、舒適、便捷、方便的特點。
　　5、結論
　　綜上所述，蓄能雙核不銹鋼承壓水箱是為中高層住宅建筑采用陽臺壁掛間接自然循環太陽能熱水系統配套研發的，具有如下獨特的優勢特征，市場應用前景十分廣闊。
　?、俣嗤緩讲扇≡鰪姄Q熱效果的結構設計，水箱換熱效率提高26%，水箱達到A級能效等級；水箱應用到陽臺壁掛間接自然循環熱水系統中，可整體提升系統的能效指標10%。
　?、谛钅茈p核承壓水箱必須采用食品級不銹鋼材質制作，搪瓷內膽無法滿足太陽能熱水系統高溫高壓冷熱交變膨脹力的作用，夾層搪瓷工藝上也無保障措施。
　?、郫B層夾套雙核內膽獨創“白金盾”全方位不銹鋼防腐技術多重保護，耐鹽霧測試比普通不銹鋼水箱提高20倍，藍點法檢測，35秒以上未出現藍點，可保15年以上無漏水，水質潔凈而無污染。
　?、鄄牧蠌姸闰炞C計算和嚴格工藝焊接保證，水箱通過25萬次苛刻壽命疲勞脈沖試驗和2倍工作壓力靜態測試完好無損，水箱可靠耐用。
　?、墉h保無污染高致密度加厚發泡層和成熟的發泡工藝，在零下15攝氏度水箱保溫測試，24小時能量損耗到達A級標準，水箱更節能。
　?、堇錈岱謱涌臻g蓄熱結構，滿足大容量瞬時熱水需求，洗浴更舒適、更放心。
　?、薅喙δ芸旖菔桨惭b構件，與建筑材料模數比例貼合式設計，無需特殊工具，即可快捷完成與建筑物完美安裝。
　?、咚渑c智能控制人性化界面設計，操作更簡單，彰顯時尚風彩，為您安全貼心呵護。
　?、鄵Q熱膨脹空間設計預留和溫度壓力閥的設置，保證系統運行安全可靠。
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