PDF《集贮热式无动力循环太阳能热水系统》

1 集贮热式无动力循环太阳能热水系统 ――突破传统集热理念的全新系统 王耀堂 【1】 刘振印 【1】 王睿 【1】 常文哲 【1】 武程伟 【2】

1 中国建筑设计研究总院

2 河北工程大学

1 前言 太阳能是一种取之不尽,用之不竭的绿色环保能源,采用太阳能制备生活热水,是利用 太阳能最简便易行、最普及的一种方式,为此,近年来国内各主要省、市相继出台了关于太 阳能应用于生活热水热源的政策,兴建或正在兴建的太阳能集中热水系统的工程成千上万, 其中北京的奥运村、 广州的亚运城太阳能集中热水系统的集热器面积达到 5000m

2 和12000m

2 , 对促进我国太阳能的利用起到推动促进作用.

然而近年来我们通过参与奥运村太阳能集中热水系统的方案设计;

通过对亚运村太阳能 ―热泵集中热水系统的全过程设计、测试;

以及根据众多工程调查了解,现有的太阳能集中 热水系统(以下简称 传统系统 )在使用中存在系统复杂、集热效率低、实际运行节能效 果差、建设成本高;

运行中集热器爆管、失效、冻裂、集热系统阀件损坏等事故频发;

综合 运行、管理费用高.这些问题的存在已严重影响太阳能集中热水系统的发展和推广应用. 为了寻找一种较合理的解决上述问题的途径.我院从

2011 年开始,与太阳能企业合作 研发了一种不设集中的集贮热水箱(罐)、不设集热循环系统的无动力太阳能热水系统,经 一年多的反复研究、试验、测试与改进,工程使用效果良好;

在此基础上,今年初我们研发 了一种理想的太阳能热水系统, 取名为集贮热式无动力循环太阳能热水系统 (下简称 集贮 热系统 ),其核心是突破传统集热理念,在无动力循环系统的基础上用热传导为主的集贮 热方式代替对流换热为主的集贮热方式, 较彻底的解决了现有太阳能集中热水系统存在的问 题.该系统已申请发明专利(专利申请号 201410206537.3).

2 传统系统存在的问题及其分析 2.1 集热系统复杂 图1是德国太阳能专家为北京奥运村大型太阳能集中热水系统方案设计图, 它也是德国 太阳能公司推荐的一种典型的系统模式, 奥运村的太阳能集中热水系统除将图中的贮热水罐 改为贮热水箱外,其他均按其设计安装.

2 图1北京奥运村大型太阳能集中热水系统方案设计图 1―空气散热器 2―太阳能集热器组 3―一级集热循环泵 A 4―一级集热板换 5―一级集热循环泵 B 6―一集集贮热水罐(箱) 7―二级集热循环泵 C 8―二级集贮热板换 9―二级集热循环泵 D 10―二级集热水罐 11―辅热供热水加热器 12―热水用户 该系统的设计要点是,通过第一级集热循环系统换热集热,提高集热系统承压能力,借 以提高集热水温,充分集取太阳能光热.第二级集换热是为了避免一级集贮热水罐(箱)体 积太大, 其下部低温区易滋生军团菌等细菌. 冷水经二级集贮热水罐通过板换将其加热或预 热,再进入常规热源的水加热器辅热,或直接供给系统用水. 从上图示看出,图中的辅热供热水加热器之前的 1~10 共计十种设备、设施均为太阳能 集热系统的组件, 它要比常规热源的热水系统复杂得多. 当然在国内众多传统系统中绝大多 数系统的太阳能集热部分没有图

1 那么复杂,但为集热用的换热器、集热水箱(罐),循环 泵是不可缺少的组成部分,系统的复杂无疑要增加复杂的控制,并给工程建设、运行管理带 来诸多麻烦.

3 2.2 集热效率低 目前一般大型集热器面积均采用小组集热器串联成大组,大组并联成循环系统的布置 方式.循环系统很复杂,我们可以设想,一般集中生活热水系统要保证其干、立管的循环, 尚且需采取同程等许多措施,像这样大型串、并联结合的集热系统,要保证系统中每组集热 器的热量均有效集取是根本办不到的. 其理由之一是串联的集热器, 只有第一组集热器换热 充分,因为对流换热的基本因素之一是介质流速和温差,即换热两端的介质温差大,则换热 量大,换热效果好.反之亦宜.相对太阳能集热器,集热管内介质是热媒水或被加热水,集 热管外是空气或真空,当集热器串联成组时,前者进入集热管内的水温低,与管外高温介质 温差大,其换热量大,管内水温升高快,升温后的水进入下一组集热器时,与管外高温介质 温差变小,换热量亦减低,这样顺延,最后一组集热器,换热效果将很差.因此这组串联集 热器组只有第一组换热充分. 理由之二是集热系统循环集热效果差, 并联的集热器组成的循环管道布置一般为图

2 所示: 图2真空管集热器集热循环管路布置示意图 从图

2 可看出,这种系统循环管路复杂,管道长,热损失大,另外,当采用 U 型金属- 玻璃真空管或金属平板集热器时,集热管水流道直径一般只有Φ6~8mm,集热水温有时高达 100℃~200℃,管内壁极易形成结垢层;

或因为水中掺杂气体形成气堵,堵塞原本就很小的 管道断面,循环水流动时,将有相当部分的集热管没有流量或流量很少,也就是这些集热管 集取的热量没有或极小传出. 再加上每组集热器的阻力的不平衡, 即便集热循环管采用同程 布置,其循环效果仍然差.

4 因此, 目前已有的大型、 较大型太阳能集中热水系统, 其系统集热效率一般在 25~40%, 集热效率很低. 2.3 能耗大 传统系统的能耗大,主要体现在集热系统,大部分供热系统也需增大能耗. 2.3.1 集热系统的能耗 集热系统的能耗包括运行动力能耗和集热循环系统散热损失引起的能耗.如图

1 所示, 传统系统的动力能耗, 包括集热循环泵集热运行时的能耗、 防冻倒循环时的能耗和空气散热 器的能耗. 据一些工程初步估算,在系统正常运行的工况下,集热时循环泵的运行能耗约占太阳能 有效供热量的 2%~10%, (直接供水系统约 2%~5%,间接换热供水系统约 5%~10%) ,寒冷地 区需做防冻倒循环时,循环泵能耗约增加 5%,即循环泵的总能耗约占太阳能有效供热量的 2%~15%.然而对于闭式承压系统,运行中产生气堵是难以避免的,因此循环泵实际运行能 耗将比上述比例大, 如果集热系统再采用空气散热器作为防过热措施, 则系统运行能耗更大. 另外,集热循环系统包括集热水箱(罐)与集热循环管路的散热损失约占整个有效集热 量的 15~30%,当采用小区多栋楼共用太阳能集热系统时,由于集热循环管路长,其热损失 占的比例更大. 因此, 实际运行的传统系统扣除上述能耗后利用太阳能加热冷水的有效得热 系统效率按轮廓采光集热面积计算约 15~30%. 2.3.2 供热系统的能耗

5 图3供热水箱加热水供水泵太阳能热水系统 传统系统中的供热系统,为了节省一次投资及占地面积,大部分工程均采用供热水箱加 热水供水泵的方式供热水,如图

3 所示:这样带来的问题一是需增设专用热水供水泵组(变 频供水泵组)增加一次投资,二是为保证系统冷热水压力平衡增添困难,三是不能充分利用 冷水供水系统压力,从而增加能耗. 2.4 运行中事故多多 2.4.1 全玻璃真空管承压运行易爆管 全玻璃真空管构造见下图 4,采用全玻璃真空管作为集热元器件,传统系统玻璃管承压 运行,被加热水直接在内玻璃管形成的空腔内流动,容易因下列原因引起爆管事故:

6 图4全玻璃真空管构造原理图 1) 、 冷热冲击造成爆管. 太阳能系统运行过程中, 由于太阳暴晒, 内胆温度接近 200℃, 循环泵启动,冷水温度一般约 20℃,进入玻璃管,内胆内外温度差很大,容易造成爆管;

2) 、压力不稳定造成爆管.传统集热系统需要循环泵,由于水泵选择不当,扬程过高, 造成某些区域玻璃管承受压力过大,导致爆管;

另外,水泵出口单向阀密封不严,水泵停泵 时也会造成系统负压现象,导致爆管,特别是水箱低于集热器的情况更易爆管.系统参数设 定不当,温度采集误差较大,频繁启停、系统运行不稳定也会产生爆管现象. 3) 、玻璃管内壁因水温高容易结垢,当冷水进入内腔后造成玻璃管传热不均爆管.某工 程玻璃管因结垢损毁现场见图 5: 图5全玻璃真空管结垢、爆管工程案例 4) 、 玻璃管加工原因造成爆管. 玻璃管加工过程中, 玻璃管的材质、 厚度均匀性、 镀膜、 尾部封装的加工质量也会影响玻璃管的机械性能,造成爆管现象.施工安装用力过猛、野蛮

7 装卸等原因也会造成爆管现象. 2.4.2 U 型金属-玻璃管集热器运行中易产生气堵、集热管集热失效: U 型金属-玻璃管集热器构造见图 6. 单组集热器内 U 型铜管为并联布置,U 型管直径φ6~8mm,随着温度升高,水中的气 体不断析出、或发生气化,由于 U 型管进水口与出水口压差较小,容易在 U 型管内出现气 堵,见下图.多组水平串联时,U 型管的水流流程也是串联运行,总体阻力损失较大,需要 较大的水泵扬程,即热循环泵耗较大;

且气堵的 U 型管因过热出现氧化,容易出现损坏, 造成集热管集热失效. 图6U型管金属-玻璃真空管集热器构造原理图 2.4.3 热管真空管集热器运行中易产生真空破坏致集热失效 热管真空管集热器是是由带平板镀膜肋片的热管蒸发段封接在真空玻璃管内,其冷凝端 以紧密配合方式插入导热块内或插入联箱, 并将所获太阳能传递给联箱的水, 通过循环管路, 将热量送入储热水箱.构造原理见图 7. 图7热管型金属-玻璃真空管集热器构造原理图 热管【直流管】等金属-........