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一个简单的家用太阳能热水器可以很容易地切换到太阳能模式,只需关闭传统的(备用)热源。然后,太阳热能提供太阳允许的尽可能多的热水;在阴天,水温可能会低于正常设置。在低占用率,低热水使用量或当业主想要消除备用燃料的消耗一段时间,这可能是可以接受的。
类似地,我们可以将太阳能加热的建筑物转换为仅太阳能运行,但典型的水力太阳能组合系统比简单的热水器更复杂,因此控制系统必须具有相当多的智能。不仅是热水器,厨房、浴室和其他太阳能加热的空间本身也必须防冻。
当太阳热量过剩时,它必须安全消散。必须对传统的热(锅炉)和循环泵进行适当的控制,使它们不会过度运行或与仅限太阳能的控制要求相反。
当处于仅太阳能模式时,现代太阳能热控制器已经变得更加安全,通常提供防止太阳能过热的能力,并提供某种形式的冷冻保护。当系统无人使用且在无人监督的情况下运行时,这一点尤为重要。
如果控制得当,纯太阳能的操作为太阳能加热建筑应用开辟了诱人的新可能性。仅使用太阳能按需加热建筑物的想法对间歇性占用模式的建筑物所有者特别有吸引力。这包括第二套住宅、度假住宅、主要每周或每月使用的会议空间,以及主要季节性使用的建筑。
近年来,我们参与了几座太阳能供暖建筑的设计,这些建筑旨在根据需求和远程控制提供仅太阳能控制。让我们来看一个现实生活中的例子:位于滑雪胜地科罗拉多州的一所住宅大部分时间都在周末被占用。
这是一栋3780平方英尺的房子,完全采用供暖系统,用辐射系统为砖石地板供暖。作为一个最近的建筑,它是相对较好的绝缘,使用太阳能水循环热丙烷备用燃料。自第一个冬季滑雪季节到来以来,业主开始定期使用仅太阳能控制设置。
当周末有人使用时,建筑使用太阳能和备用热来提供平均舒适的温度,但当一周内无人使用时,温度允许漂移,仅由可用的太阳能热驱动。该系统已连续运行了五年多一点。控制系统提供的连续数据记录功能使我们能够通过互联网远程查看结果。
主循环太阳能加热系统
这所房子的供暖系统是太阳能水循环组合系统。它的安装使用主回路将所有热源连接到房屋中的所有加热负荷。这使得太阳能热量和锅炉热量在中央控制下为整个家庭提供生活热水和空间热量。该加热系统的设计遵循本专栏中经常描述的原则和标准。(详情请参阅之前的专栏文章。)
该加热系统包括以下常见的主要标准功能:
太阳能集热器。单个组(银行)的八个平板面板提供了总共256平方英尺的标称集热器面积。乙二醇/水混合物由单个循环泵泵送通过它们。白天,它通过连接在室内主回路上的钎焊板热交换器向建筑物输送太阳能热量。
国防部/ con锅炉。带调节燃烧器的冷凝热水锅炉提供高效的常规备用热量来补充太阳能热量。
DHW间接罐。家用热水箱是间接型(120加仑),使用浸入饮用水的内部热交换器,允许主回路(来自太阳能或锅炉)的热量提供DHW。
砖石辐射地板。房子里的加热空间被分为10个流体热分配区,每个区域都有独立的恒温器。其中9个区域由隔热良好的砖石辐射地板组成,由单独的区域阀控制。这些大质量地板的储热能力直接用作太阳能集热器的太阳能储热。除了地板的热质量和DHW水箱外,没有其他太阳能储热系统。
集成智能控制。太阳能逻辑集成控制(SLIC Gen II)已安装在该加热系统上,以在中央控制单元中提供所有所需的操作功能。这包括砌体地板逐区蓄热、冻结和过热保护、热负荷优先管理、太阳能优先、数据记录、数据显示、网络连接、系统调整和远程控制。
太阳能的设置
SLIC控制系统中内置的用户调整之一是仅限太阳能设置。连接到SLIC的每个房间恒温器都可以使用“太阳能”开关手动设置在这种模式下,以每个房间为基础提供节能。第二种选择是通过计算机界面使用“全屋模式”,只需点击一下,所有房间的恒温器就可以同时切换到太阳能模式。
在这个案例研究中,房主将整个房屋模式在房屋无人居住的一周内设置为仅太阳能模式。这种操作模式内置冷冻保护。所以,锅炉会燃烧来加热任何温度降至45华氏度的房间,以防止它结冰。
此外,为了节省一周的DHW热量,他们把热水器上的恒温器调回去了,当没有太阳能时,它可以降到70华氏度。图66-1显示了在11月一个星期的寒冷天气中,当只使用太阳能设置时,系统是如何响应的。
在入住期间的周末,恒温器会由业主通过远程网络控制提前一天左右打开。房间设置为68华氏度,热水器设置为125华氏度。锅炉保持这些最低设置,太阳热量在合理的舒适范围内尽可能地提高温度。
在无人居住的一周内,仅太阳能模式被激活,温度下降,但每天的温度上升仅由可用的太阳能热量驱动。
节约能源
图66-1中的曲线图显示了3天的正常占用温度,随后是4天的仅使用太阳能的闲置设置。然后,控制组恢复正常运行三天,第一天的大部分时间是热恢复期,接下来是两天的正常活动。然后,太阳模式又开始了。在这10天的时间里,室外温度(未显示)每晚都降至冰点以下。
地板上的太阳能储热可以被看作是每个晴天室温的“起伏”,白天上升,晚上下降。这个温度波动的大小可以使用控制系统来调节,以满足居住者的舒适度要求。室温的轻微升高可以(并且确实)阻止锅炉运行,有时整个24小时。
这就是砖石地板的直接太阳能加热的目的——减少锅炉在24小时周期内的运行时间。
从图66-1可以看出,在4天的纯太阳能运行期间,锅炉的运行时间几乎为零。我们对天气数据进行了快速检查,发现在每年的这个时候,在正常运行的情况下,锅炉通常每“加热度日”运行一刻钟。
这意味着在这四天中节省了约39小时的锅炉运行时间。这种调节锅炉每小时能够消耗大约1/2到2加仑的丙烷,所以在寒冷的天气里,节省的燃料很快就会增加。
在这个例子中,热恢复时间很有趣。热水器在短短几个小时内就恢复了正常的工作温度。然而,砖石地板需要大约半天的时间才能恢复正常。这种热回收循环需要的热量大约相当于房子在一天半内使用的热量。
因此,对于这所房子来说,一个好的经验法则是在延长的两天或更长时间内激活仅太阳能模式(如这些数据记录所示)。否则,节省下来的热量可能会被热回收预热循环消耗。
特别感谢Fred Milder博士提供了上面图表中的数据和分析。
这些文章针对的是小于10,000平方英尺的住宅和小型商业建筑。重点是加压乙二醇/水力系统,因为这些系统可以应用于各种建筑几何形状和方向,几乎没有限制。这些文章中提到的品牌名称、组织、供应商和制造商仅为说明和讨论提供示例,不构成任何推荐或认可。