射流混水太阳能热水系统技术分析摘要 本文首先分析了太阳能热水系统的发展方向，提出了非承压太阳能热水器无动力承压供水的概念。并对射流混水太阳能热水系统运行原理、实验情况进行了简要分析。 关键词 非承压太阳能热水器 射流混水 0前言 太阳能热水系统按照运行原理可分为承压式（顶水式）太阳能热水系统和非承压(落水式)太阳能热水系统。 承压式太阳能热水系统虽然出水效果好，洗浴舒适度高，但因其成本高，工艺复杂，目前只在高端市场销售。 非承压太阳能热水系统因其结构简单、成本低廉而得到市场的广泛认可。因非承压太阳能热水系统的热水供应主要依赖于储热水箱与用水点之间的落差。当非承压太阳能热水系统储热水箱和用水点之间落差较小时，由于热水压力小，而自来水压力大，造成两股混水水流压差较大，导致太阳能热水系统混水时，混水效果差，出水温度不稳定，出水流量小，严重影响洗浴舒适度。尤其是当储热水箱中热水温度较高时，上述问题更为明显。 另一个问题是，现有的太阳能热水系统所采用的包括混水阀门、出水喷头、管件等系统所需要的零部件，绝大多数都是针对承压运行的燃气热水器或电热水器设计。而混水阀门、花洒、管件的不当选择也会影响系统的混水、出水，进而影响洗浴舒适度。 为了提高非承压太阳能热水系统的出水效果和洗浴舒适度，部分厂家或代理商在系统中采用热水增压泵。虽然可以解决出水问题，但增加了系统的复杂程度，降低了可靠性，同时也大幅度增加了系统的成本，增加了系统耗电量，因而未能广泛推广。 鉴于上述原因，基于文丘里结构原理，提出了射流混水太阳能热水系统，在不增加系统控制和额外动力条件下，解决上述问题，实现非承压太阳能热水系统承压供水。 1文丘里结构原理 当气体或液体在文丘里管里面流动，在管道的最窄处，动态压力(速度头)达到最大值，静态压力(静息压力)达到最小值，气体（液体）的速度因为涌流横截面积变化的关系而上升。整个涌流都要在同一时间经历管道缩小过程，因而压力也在同一时间减小。进而产生压力差，这个压力差用于测量或者给流体提供一个外在吸力。 对于理想流体（气体或者液体，不可压缩和不具有摩擦），其压力差通过伯努利方程获得。当涌流达到了声速，文丘里管将被称为拉法尔喷嘴（渐缩阔喷嘴）。 如图1所示，为典型的文丘里使用案例。在太阳能热水系统中，高压冷水经过管道最窄处后，形成高速射流，射流周围的空气会被吸走，从而形成负压。利用负压，将热水吸过来。并在出口处混水，向用水点供水。 图1 文丘里射流混水原理图 2射流混水太阳能热水系统原理 射流增速太阳能热水系统是完全针对非承压太阳能热水系统进行设计的，适用于各种落水式运行的直插式或分离式太阳能热水系统，尤其在小落差条件下使用，其使用效果更加明显。 如图2所示，为射流混水太阳能热水系统。与常规非承压太阳能热水系统不同之处是，在非承压太阳能热水系统基础上，在系统中设置了双联动阀和射流混水器，替换了普通的混水阀门。当系统用水时，打开双联动阀门，利用射流混水器的独特设计结构，将自来水形成高速射流，使射流周围形成负压，在负压和微小落差作用下，水箱中的热水被“吸到”负压区，与高速射流的自来水混合，经过花洒直接喷出，形成温度适宜、压力适度、速度适中的淋浴用水。 图2 射流混水太阳能热水系统运行原理 在非承压热水系统储热水箱、自来水与射流混水喷头之间设置能够独立调整冷水和热水流量阀门的双联动阀门，该阀门仅对自来水和热水起到同时打开和关断，分别调整冷热水流量，不具有混水功能。该阀门前端（或后端）设置了冷水阀和热水阀，便于随时开启和关闭冷热水和调整射流喷头出水温度、速度和流量。 3射流混水太阳能热水系统实验 如图3所示，为同一台非承压太阳能热水器分别采用射流混水系统和普通混水系统时，在落差相同、冷热水温度相同、环境温度相同条件下，进行的实验系统图a和实验数据b。由图b可以看出，在不同落差下，射流混水系统出水量均达到12L/min以上，具有良好的洗浴舒适度。而普通混水系统出水量最佳时仅为4.5L/min。仅能满足基本的洗浴要求。在相同落差条件下，射流混水系统出水量远远大于普通混水系统出水量。 a实验系统图 b实验数据表 图3 不同落差条件下非承压热水器射流混水和普通混水实验对比 由此可见。在落差大于1.5m（一般平房或楼房顶层用户）条件下，非承压太阳能热水系统采用射流混水系统，能够实现承压用水的效果，达到良好的洗浴舒适度，能够满足用户的洗浴要求。 4射流增速太阳能热水系统的两项创新技术 与普通混水系统相比较，射流混水系统之所以具有明显的出水效果，其主要原因是：射流混水太阳能热水系统的是以非承压太阳能热水系统为基础，提出了射流增速混水原理，设计、开发了针对非承压太阳能热水系统使用的射流混水装置和冷热水流量独立可调的双联动阀门两项创新技术。 4.1射流混水装置 目前，非承压太阳能热水系统的供水系统依然是沿用承压运行的电热水器或燃气热水器用水模式。即冷、热水由混水阀混水，混水后的热水经过软管或固定金属直管输送到淋浴喷头。而淋浴喷头的设计也是基于承压运行的电热水器或燃气热水器进行的。这种设计对冷热水压差接近或基本相等的承压太阳能热水系统而言，混水用水效果很好。但如果完全照搬的应用在冷、热水压差较大的非承压太阳能热水系统上，则会出现“水土不服”的问题，导致出水不稳、出水流量小。尤其是淋浴喷头、连接软管和冷热水混水阀选用不当时，管阻过大，会造成用水品质大幅度下降，甚至无法用水。 射流增速原理的提出，完全脱离承压式混水、供水原理。该系统，将热水和冷水分别引导到射流混水喷头上，解决了混水阀结构不合理，连接管管径小、管阻大，以及因原有淋浴喷头结构等造成的混水困难问题。 射流混水喷头采用独特的射流结构，使冷水形成 高速冷水射流，并在射流周围形成负压，使储热水箱和用水点之间的落差明显增大，将储热水箱中的热水通过热水管路“吸到”负压区。热水在负压区直接与高速射流冷水混水后，温度适宜、压力适度、速度适中，然后经花洒直接喷出，消除了普通喷头结构上对热水的形成管阻问题。 由于非承压太阳能热水系统的中的热水是直接通过形成高速射流的冷水进行混水，并直接喷出淋浴喷头。因此，热水出水不存在管阻问题，也就不会出现因冷热水压差大，出水管阻大造成的储热水箱热水倒灌的问题。出水流量、速度、温度则主要依赖于自来水冷水的压力和储热水箱内水的温度。 4.2双联动阀门 双联动阀门是为射流混水装置配套设计的。常规非承压太阳能热水系统冷热水阀门是将冷、热水进行混水，并通过调整冷热水的混水比例调节水温。联动阀门则是对冷、热水管路起到同时打开和关闭的作用，保证冷、热水管路畅通。冷、热水管路经过双联动阀门后仍然保持独立的输送管路，分别连接到射流混水喷头。该阀门的最大特点是可以实现冷热水管路的同时开启和关断，确保射流混水喷头能够实现良好的混水。同时也防止冷水倒灌太阳能热水系统储热水箱的问题出现。双联动阀门的冷、热水管路上分别设置了流量阀门，可以方便地调整冷热水流量，实现出水温度、压力和流量的可调，达到出水温度适宜、压力适度、速度适中的目的。 5实际应用 a射流混水系统 b普通非承压热水系统 c 射流混水沐浴柱 d壁挂式非承压热水系统 图4 射流混水系统应用实例 如上图4所示，为非承压射流混水太阳能热水系统实际使用案例。其中图a、b为农村平房顶层用户使用实验系统。图c、图d为模拟阳台壁挂错层用水非承压太阳能热水系统。两套太阳能热水器均为非承压热水系统，落差均为1.5m左右。混水则采用射流混水系统，实验地点在北京。经过半年以上的连续适应性测试，测试结果显示射流混水系统最低出水量均可以达到8.5L/min以上，出水量大，温度和水量调节方便、可靠，具有良好的操控性和洗浴舒适度，完全满足实际用户的使用需求。 6 发展分析 依据运行原理和实际测试、使用效果，射流混水系统能够与现有的非承压太阳能热水器实现完美的结合，出水效果明显优于普通混水阀门。能够使低落差条件下的非承压太阳能热水系统出水效果接近，甚至达到承压太阳能热水器的效果，且不需要外加动力即可实现。同时，在安装和使用中，完全可以替换普通混水系统使用，且安装、操作与普通混水系统无明显差异，系统简单、安全、可靠，性价比高。 目前，太阳能热水系统市场主要以非承压太阳能热水系统为主。据统计2011年，太阳能热水系统安装面积达到5760万，按每台太阳能热水器集热面积为2计算，安装太阳能热水器（工程面积折算为单台热水器）台数为2880万台。基于上述数据分析，射流混水系统潜在安装量可以达到2000万套以上，且该数据不包括未来每年太阳能热水系统的增长量。由此可见，射流混水系统具有巨大的市场空间。 随着技术进步和市场需求的不断扩大，射流混水系统将向恒温出水模式的高品质、低成本、大众化方向发展，满足不同用户群体的使用要求。 7 结论 射流增速太阳能热水系统是在非承压太阳能热水系统基础上，应用了双联动阀门和射流混水技术，实现低落差冷热水压差大，达到出水温度适宜、压力适度、速度适中的目的。 双联动阀门和射流混水阀门的提出，开创了针对非承压太阳能热水系统供水管路新型运行模式，提出了应针对非承压太阳能热水系统特征，设计、开发适用于非承压太阳能热水系统的阀门、管路、淋浴喷头等非承压太阳能热水系统专用管路配件的产品开发方向。 基于非承压太阳能热水系统的市场发展，射流混水系统具有巨大的市场发展潜力和空间，通过技术进步，满足不同用户群体的需求。