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太阳能热利用系统防过热设计分析

上海太阳能工程-上海湘宸节能公司135-6460-1168是一家以太阳能热水器生产为主的太阳能工程厂家,公司在太阳能行业有做过的工程案例有:平板太阳能热水器,阳台壁挂式太阳能热水器,分体太阳能,平板分体太阳能热水器工程,等,公司承接太阳能热水器工程,

上海太阳能工程-上海湘宸节能公司135-6460-1168是一家以太阳能热水器生产为主的太阳能工程厂家,公司在太阳能行业有做过的工程案例有:平板太阳能热水器,阳台壁挂式太阳能热水器,分体太阳能,平板分体太阳能热水器工程,等,公司承接太阳能热水器工程,太阳能采暖,太阳能发电,太阳能空调等。
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0 引言
在太阳能热利用系统的实际应用中,为满足系统全年使用,系统的参数选择一般是根据冬季的参数确定的,由于太阳能冬、夏季节的不平衡,导致夏季产热量大于需求量,产生过剩的热量,给太阳能热利用系统带来一些问题,尤其是太阳能采暖系统,过热问题尤为突出。如何避免系统过热,是太阳能热利用系统设计中不可忽视的问题,也是困扰太阳能热利用系统大范围推广的重要因素。
1过热对太阳能热利用系统的危害
太阳能集热器吸收太阳辐射能转化为热量,通过温差循环传至储热水箱,水箱内温度不断上升。在太阳能辐照量较好的夏季,当用水量持续偏小或不用水时,或者系统断电时,储水箱不再吸收热量,导致系统内温度过高,系统压力增加。集热系统在高温状态下运行,将会导致一系列的系统问题,如高温将会造成传热介质的气化损失、变质,太阳能集热器上非金属材料的老化和破坏,降低太阳能集热器的使用寿命等,对整个系统的运行造成不利的影响。特别是太阳能分体承压热水系统,由于采用间接换热强制循环的运行方式,传热介质容积较小,过热问题更为突出。
2 太阳能热利用系统的防过热方案
《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》规定太阳能热水系统应安全可靠,内置加热系统必须带有保证使用安全的装置,并根据不同地区应采取防冻、防结露、防过热、防雷、抗雹、抗风、抗震等技术措施。其中太阳能热水系统防过热措施有:
1.具有防过热功能的太阳能承压水箱
2.设置储热水箱和热平衡水箱
3.用遮荫网盖住一部分真空管
[1] 为降低太阳能热利用系统的运行温度,减小过热造成的危害,保证系统的安全稳定运行,目前已开发出许多不同的系统过热保护装置。常用的防过热方法有:加装T/P阀的防过热水箱,加大系统膨胀罐的容积,设置储热水箱和热平衡水箱,电控遮阳,电控散热器,防过热功能太阳能集热器等。
2.1 加装T/P阀的防过热水箱
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T/P阀(Temperature&PressureReliefValve)是一个安全装置,它通过排水、降温、减压来保护热水系统。当水箱内热水的温度因加热膨胀产生的压力达到设定值时,T/P阀自动开启泄水,使压力或温度恢复到设定值以下然后自动关闭。这种方案通常用于储水式的生活热水水箱上,在解决系统过热问题的同时排掉了大量热水,造成了水资源与热量的双重浪费;且T/P阀对于断电导致的集热系统其他部分的过热问题作用不大。图1为T/P阀。
2.2 加大系统膨胀罐的容积
在采用防冻液作为传热介质的集热系统中,为减少防冻液通过安全泄压阀排出,一般采用膨胀罐吸收膨胀后的介质:当系统中介质升温膨胀时,系统压力增大,膨胀罐中气体被压缩,介质进入膨胀罐中;当介质温度降低

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时,介质体积缩小,系统压力变小,膨胀罐中的气体压力大于系统压力,于是进入膨胀罐中的介质被压回系统中,从而始终保持系统中介质体积的恒定。平板太阳能集热器用于太阳能采暖系统时能较方便解决非采暖季节的系统过热问题。因为平板集热器温度升高后不可避免地要通过传导、对流和辐射等方式向四周散热,温度越高,其热损就越大,从而达到缓解高温工况的目的。但是对于真空管型太阳集热器来说,由于真空管具有保温性能好、热损小等特点,因此太阳能集热器本身高温过热问题依然存在。在此防过热措施中,由于高温工况,系统对于膨胀罐等部件的耐温性能有较高的要求。
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2.5电控遮阳
[4] 电控遮阳技术是在设定温度下将太阳能集热器遮盖,隔绝太阳能辐射来解决过热问题的技术。电控遮阳技术机械控制开关、设置在机械控制开关上的拨动杆、电机、绕线棍、牵引绳、上档滑动环、固定环、下档滑动环、多个滑轮及卷帘等多个环节,机械控制开关设有启动档及返回档。此种方式仅在系统过热及系统过热解除的瞬间接通电源,当太阳能防过热遮阳系统动作完成后系统自动地、机械地切断电源。防过热效果好,但其运行采用电力控制,在断电情况下将无法实现遮阳以隔绝集热系统吸收太阳能;同时,对于机械控制系统,也要考虑系统故障发的情况,尤其是太阳能集热器倾角较小时卷帘更易发生故障,此种情况下将无法保证系统的防过热功能。

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2.6 电控散热
[5]电控散热器主要是通过电子仪表控制三通电动阀和散器(风机、冷却器、空调室外机等)来达到防过热目的,在达到设定温度时三通电动阀控制散热器开启进行强制散热将集热系统的温度降下来,达到保护集热系统的目的。散热器的功率是根据集热系统过热量和系统所在地室外温度来确定的,因而其散热效果很好,能够确保系统的过热保护。但此技术同样是建立在用电的基础上,一旦发生断电情况,将无法解决集热系统闷晒过热问题,且设备成本过高。图7为采用电控散热器防止系统过热的太阳能采暖系统
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2.7 配置并联散热管路的太阳能承压集热器
[6] 在太阳能集热器主管路上并联一段管路,在并联管路上设置金属换热装置,且与主管路连接处设有温控阀,当温控阀打开时,与主管路形成回路进行散热。该装置理念是在电控散热器基础上开发自动运行的散热器,温控开关自动运行,不受断电限制,但其结构设计存在缺陷,造成防过热效果没有发挥出来。太阳能集热器主管路上并联的一段管路高于集热器的主管路,集热器充注流体时,未达到温控阀的开启温度,造成集热器并联管路中全部是空气,形成气阻,即使温控阀达到开启温度打开,集热器中热流体仍无法到达并联管路散热器处,造成散热器失效。
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在太阳能集热器主管路上并联一段管路,在并联管路上设置金属换热装置,且与主管路连接处设有温控阀,当集热器内部温度达到设定温度时,温控阀自动开启、关闭,控制系统开启自然散热循环,不受断电制约。系统加装排气装置,解决集热器气阻失效问题,斜坡结构保证运行良好。这样的防过热集热器,无论是冬夏太阳能不平衡造成的过热问题,还是断电造成的过热问题都可以避免,无论是整个系统还是太阳能集热器个体都可以得到保护,自然循环散热,无需消耗能源,是一种应用范围比较广、效果比较突出的防过热解决方案。开发具有防过热功能的太阳能集热器,通过集热器的过热保护来防止系统过热问题,
将对市场产生深远的意义:第一,市场上需要能够用于太阳能采暖的集热器,要解决冬天好用,从目前的技术讲真空管型太阳能集热器比较适合,但是首先要解决夏季集热器过热问题;第二,对于大型低温太阳能集热工程,系统设计的不平衡会导致集热系统局部过热,因此需要集热器单元具有自保护功能;第三,降低太阳能集热器的运行温度,可以使集热器的选材更加宽泛,增大了降低的成本空间,从而扩大太阳能集热器的应用市场空间。
3 结束语
从根本上说,解决太阳能热利用系统过热问题的途径有两种:遮挡集热部件减少集热量和增加系统用热量或散热量。所以,在实际应用中,不能只片面的选择一种方案,需综合考经济因素和建筑物实际情况,因地制宜,探索出最适合、可靠、经济、方便、高效的防过热方法。(责任编辑:郭娜娜)
参考文献
1、GB50364-2005,《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》
2、孔德骞,金玮涛.太阳能热水供应系统设计与防过热的探讨,低温建筑技术
3、张昕宇,何涛,郑瑞澄,路宾,李忠,冯健,范强.太阳能供热空调系统防过热问题探讨
4、中国专利201010127733,一种太阳能防过热遮阳系统控制方法
5、中国专利200520008998,新型太阳能过热保护器
6、中国专利201020001062,一种太阳能承压集热器
7、中国专利201110376970,太阳能集热器防过热装置
(作者:李桂荣。1970 年 4 月 出生 人,大学本科,中级工程师)
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