太阳能热水系统防过热策略研究

赵维伟 高敏 刘淑军

摘要：太阳能集热系统不仅为冬季供暖提供充足的热源，而且全年提供充足的热水。当前，太阳能集热系统的容量利用率通常基于冬季的热负荷，这往往导致太阳能集热系统的热负荷能力大于用户在其他季节，特别是夏季的热负荷需求，从而使系统容易过热。在此基础上，下文讨论了太阳能热水系统的防过热策略，以供参考。

关键词：太阳能热水系统；防过热策略；研究

引言

中国巨大的西部和北部地区属于寒冷和严寒地区，冬季漫长，4月至6月为一般温暖期。该地区太阳能资源丰富，太阳能集热场热可在加热期间充分利用。但是，太阳辐射强度在非加热期间较好，如果没有长期蓄热的太阳远程热系统，在非加热期间很难吸收集热场的热量。如果不处理大型收集器字段，则收集器过热。导致采集器场循环介质过热和超压，导致介质损耗、采集器及其组件损坏，严重影响系统的安全性和使用寿命。采集器场的防过热处理是确保太阳能装置安全的重要问题。

1太阳能供热系统原理

采用太阳能收集器采集太阳能并结合辅助能源满足供热和热水供应需求的系统称为太阳能加热系统。一般而言，太阳能加热系统由太阳能热收集系统、蓄热系统、终端加热系统、自动控制系统等辅助加热/换热设备组成。该系统的工作原理如下:晴天，太阳收集器吸收其表面辐射的太阳能，加热蓄热水中的水，从而将热量储存在水箱的蓄热介质中。使用的热水通过独立线圈与水箱交换热量，最终导向热消耗终端，加热热水在循环水泵的作用下在换热器和末端散热装置之间循环。夜间或阴天阳光不足的时候，由于缺少太阳光线聚集热量，太阳收集器不见了。此时，系统的热量必须通过蓄热器提供。当水箱的内部温度不足时，系统会在供水管道或水箱启动辅助加热装置，在达到加热热水所需温度后，将内部水温发送到每个加热终端。对太阳能热系统进行分类的方法有很多，例如b .太阳能空气集热系统和液体工作介质太阳能集热系统按集热器类型分类。根据系统的运行方式，可分为直接和间接太阳能热系统；根据系统热量存储的形态，可分为短期蓄热和季节间蓄热太阳能装置。在设计采集系统时，主要应考虑采集系统的形状、要选择的太阳采集器、采集器的安装和定位、采集区的选择、热量的平均流动设置、采集器的连接模式等。考虑。蓄热系统的主要组成部分是太阳能集热器，集热器类型主要包括真空管集热器、平板集热器、太阳能空气集热器等。蓄热系统的设计主要用于确定蓄热形状和蓄热量。蓄热器的形状可分为线圈式加热水箱和容积式蓄热器。采用卷筒式蓄热器的生活热水加热是通过卷筒与蓄热器之间的换热实现的，而热水则存储在加热水箱的容积蓄热器中，通过小型水箱与大型水箱之间的换热实现了热水加热的目的。蓄热量通常根据蓄热面积确定。辅助热源主要包括燃料油或煤气、电加热、热泵、蒸汽或工业生产产生的热等。补充热源的形式应根据实际情况确定，并在充分考虑经济和生态保护条件后选择。考虑到太阳热增量为0时的最坏情况，设计了稳态加热能力。

2太阳能热水系统防过热策略研究

2.1集中式系统

集中式系统具有与建筑一体化程度高、设备可集中布置和便于统一管理等优点，多应用于多户住宅建筑、酒店建筑及商业建筑。与紧凑式系统和分体式系统不同的是，集中式系统的设备容量多为按照整栋建筑的热水负荷来设置，其集热器阵列的面积和水箱容积要远大于紧凑式系统和分体式系统，在过热情况下的热量富余量也会大很多，相应的过热工况导致的危害也会大得多。现有项目案例中，太阳能热水系统的过热问题已经成为住宅和商业办公建筑中集中式热水系统应用的主要问题，而导致这一问题的主要原因为入住率或使用率不高、季节性用水需求变化等因素导致的用户热水使用量大幅低于设计量而造成的热量富余;但设计时，如果减少热水系统的设备容量，又会在热水使用量恢复正常后出现系统供热不足和辅助能源过多消耗的问题。因此，有效解决集中式热水系统的过热问题也成了近年来热水系统应用的难点。

2.2防冻

当热流器不符合防冻要求时，可在管线上设置阀门进行控制，当温度低于3 ° C时，可推导出系统内的水或系统外的水。同样，在开放式储水系统中，可以将水放置在低于热流器的位置，并以恒定的坡度设置管线，以便循环水泵停止运行后，热流器和循环管线中的水可以回流。在热收集器满足防冻要求的情况下，加热元件，例如绝缘层与管线之间添加的自驱动电热带。换热可以由热源支持，热载体介质可以加热，并由换热器翻转到热流器，管道内的流体可以连续流动，防止循环水泵冻结。太阳能热水准备可以作为使用防冻剂作为防冻剂的间接系统进行。防冻剂的冰点应保持在最低环境温度下，其沸点应高于热流器的最大粘温。

2.3水箱容积对系统过热度的影响

水箱容积比是指蓄热水箱容积与蓄热面积之比。水箱容积比的选择影响水箱的蓄热能力。本文根据水量比的变化分析了水箱体积对系统过热的影响。根据推荐值，最后选择水箱体积比，变化范围为10 ~ 80l/m2，得到典型日常集热系统的瞬时过热曲线、夏季累积过热和集热器平均出口温度曲线。总体而言，随着水箱数量的增加，系统过热现象正在减少。表1中模拟工作条件3下，当水箱容积比大于或等于60 l / m2时，系统不再过热。当容积比增加10 l / m2时，系统夏季的累积过热值为1.97、0.17、0.04、0.0、28.0、0.0和0。当水箱容积比为1x 10 l/m2时，典型日的过热程度最高，最大过热温差为7.5℃，下午7时。发现在一定的蓄热面积条件下，水箱体积比的增加会增加水箱的蓄热体积，导致水箱温度下降，进而降低集热器的入口温度，最终降低集热系统的过热程度。但是水箱体积过大会降低水箱的温度，因此应合理选择水箱体积，以确保水温和提高系统过热程度。

2.4辅助热源的选择

随着饮用热水供应可靠性的提高，辅助热源成为太阳能热水系统不可或缺的组成部分。常用的辅助热源包括市电传导网、电加热、常规油锅炉、电锅炉、燃烧值气体锅炉、空气热泵、水热泵(地球源)等。辅助热源的选择应根据当地现有热源类型、价格、水质、环境影响、使用舒适性等因素进行，并通过技术经济分析合理选择。注意馀热和馀热的使用。例如，市政热传导网络应优先考虑工业废水、废水和地热。辅助热源及其加热装置必须以辅助方式运行，前提是太阳能集热系统的充分运行得到保证。应在加热水箱(水箱)附近设置额外的热源设施，操作和维护方便。南部地区气象条件良好，因此适宜使用空气热泵作为辅助热源，太阳能与热泵系统相结合，提供热水供应，可提供高热量采集效率、高热量系数、节能环保等优点。当北方气候条件不适合冬季空气热泵系统时，可以选择城市或地区供热系统的热能，例如引进热水管道进行换热或使用油(气)锅炉加热。与以前的补充热源相比，电加热相对效率较低，因此必须根据各种因素权衡是否应采用电补充加热模式。

结束语

对于集中式系统的防过热措施，对于低部分负荷工况运行时段较短的项目，可采用集热水箱外接散热器的方案;对于低部分负荷工况运行时段较长的项目，则建议通过季节性调节蓄热水箱的蓄水量、采用双水箱系统等措施增加系统的热缓冲能力，或通过优化集热器阵列的连接管路，通过部分集热器组件的短接或旁通运行并辅以排空或辐射遮挡等集热组件保护措施，使系统的集热量按比例降低。

参考文献

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