分體承壓型太陽能熱水系統(tǒng)的過熱保護(hù)

皇明太陽能股份有限公司 ■ 劉洪緒 宋義靜 劉忠梅

一 引言

隨著消費(fèi)者生活水平的提高，分體承壓熱水器逐漸在高端客戶中普及。分體式太陽能熱水系統(tǒng)以供水量大、可提供多路供水、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)更加能夠滿足用戶的需求。如果不能及時使用水箱的熱水，就會造成太陽能熱水系統(tǒng)的閑置。分體式太陽能熱水系統(tǒng)的集熱器主要是玻璃真空集熱管，它集熱效率高，保溫效果好，熱量損失小。熱水系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，如果長時間停止使用熱水，就會導(dǎo)致儲水箱內(nèi)水溫過高，出現(xiàn)過熱問題。如果儲水箱為封閉式承壓水箱，由于水受熱膨脹的物理性質(zhì)，高溫引起水箱壓力迅速增大，存在水箱爆炸的危險。如果熱水系統(tǒng)為間接換熱的方式，使集熱器也處在高溫運(yùn)行狀態(tài)。溫度過高會引起傳熱介質(zhì)的大量氣化損耗或把循環(huán)管路中一些配件燙壞，在集熱管里面的銅管在高溫時更是氧化腐蝕嚴(yán)重，時間一長就會漏水。同時，水的溫度高易形成水垢，對整個系統(tǒng)的運(yùn)行也會造成不利的影響，最終導(dǎo)致熱水系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。本文針對分體承壓太陽能熱水系統(tǒng)的過熱問題提出幾種解決方案，以供參考。

二 強(qiáng)制散熱法

強(qiáng)制散熱法就是在系統(tǒng)的集熱管路中并聯(lián)一個散熱裝置—散熱器（外形類似于空調(diào)室外機(jī)），散熱器不啟動時，管路里的循環(huán)介質(zhì)不經(jīng)過散熱器，當(dāng)集熱器的溫度到達(dá)控制系統(tǒng)設(shè)定的保護(hù)溫度時散熱啟動，循環(huán)介質(zhì)通過散熱器把多余熱量散發(fā)掉。

原理：如圖1所示，在從集熱器到水箱的溫差循環(huán)管道上，安裝一個散熱器(具體結(jié)構(gòu)見圖2)，它由三通換向閥、風(fēng)機(jī)、散熱翅片組成，其安裝位置在集熱器的出口處，散熱器是通過控制儀自動控制，當(dāng)集熱器的溫度(TC)超過T℃(T值由控制儀任意設(shè)置)時 ，管路循環(huán)泵、散熱器里的風(fēng)機(jī)和三通換向閥同時啟動，從集熱器里出來的高溫循環(huán)介質(zhì)通過三通換向閥A口進(jìn)入C口，通過散熱器里的散熱翅片,然后由B口流出最后回流到水箱里的換熱器,循環(huán)介質(zhì)的熱量通過散熱翅片散發(fā)到大氣中去；當(dāng)集熱器的溫度(TC)低于T-△T℃(△T可自由設(shè)定，一般取5～10℃范圍之內(nèi))時，風(fēng)機(jī)和三通換向閥關(guān)閉，即C口關(guān)閉，從集熱器出來的循環(huán)介質(zhì)將不通過散熱翅片由三通換向閥A口直接到B口，然后回流到水箱里的換熱器，給水箱里的水加熱。此種過熱保護(hù)法較為安全，但是成本增加較大，散熱器成本約800～1000元。

三 自然散熱法

自然散熱法區(qū)別于強(qiáng)制散熱法，它不用控制儀及循環(huán)泵，不使用常規(guī)能源，機(jī)械式自然散熱。在水箱的頂部或在循環(huán)管道上安裝一個散熱器，此散熱器可以是散熱盤管也可以是翅片管或金屬容器。水箱自然散熱方案結(jié)構(gòu)如圖3所示，散熱器的進(jìn)水口與水箱連接處安裝一個常閉型溫控直通閥，在水箱達(dá)到設(shè)定的散熱溫度時此閥打開，熱水自然從此管道進(jìn)入散熱器，在散熱器內(nèi)冷卻后從另一管道回流到水箱，當(dāng)水箱溫度低于溫控閥關(guān)閉溫度時，閥門關(guān)閉，從而完成散熱過程。在散熱器與水箱連接的另一條管道上安裝一個S型回水管，防止在非散熱時間內(nèi)熱水從回水管流道散熱器。集熱器散熱方案如圖4所示，散熱器在集熱循環(huán)管道上安裝一個散熱器，類型可以是翅片管、盤管、散熱片等，原理同在水箱上一樣，利用常閉型溫控閥的開啟與關(guān)閉來完成集熱循環(huán)的散熱，達(dá)到散熱的目的。

四 防過熱水箱法

防過熱水箱法就是在水箱保溫層內(nèi)加入防過熱模塊，模塊分別與內(nèi)膽與外皮接觸，在低溫段模塊呈固體狀態(tài)，相當(dāng)于內(nèi)膽保溫層。該模塊利用低溫相變材料的相變來完成散熱，相變材料的相變溫度點(diǎn)在水箱的過熱保護(hù)溫度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)水箱的高溫散熱和低溫保溫功能(保溫和散熱)。

原理：如圖5所示，家用熱水器熱水溫度一般不超過75℃，當(dāng)水箱的溫度超過80℃(假設(shè)相變材料相變點(diǎn)是80℃)時，內(nèi)膽的熱量傳遞給防過熱模塊，模塊內(nèi)部的相變材料開始相變成液態(tài)，使水箱內(nèi)的水與外界空氣進(jìn)行對流散熱，水箱在高溫下的散熱速度取決于你設(shè)計模塊的面積大小，確保水箱溫度不高于80℃；當(dāng)水箱內(nèi)的溫度小于80℃時，防過熱塊內(nèi)部相變材料轉(zhuǎn)化為固態(tài)，又具有了良好的保溫性能。 此種方法是對集熱器溫度不加控制，集熱器溫度升高后，就把熱量輸送給水箱，水箱溫度過高后，就通過防過熱塊把熱量散失掉，水箱在外觀上與普通水箱沒有差異，從外觀上看不出帶有散熱功能，有較大的隱蔽性。防過熱塊同時還有蓄熱的作用，在高溫時，吸收大量熱量，在水箱溫度降下來后，又把蓄熱的熱量傳送給水箱。

五 防過熱集熱管法

常規(guī)真空集熱管由于吸收比高、熱損小，如果空曬或悶曬時溫度過高，會造成系統(tǒng)損壞。防過熱真空管法就是在不改變集熱管的真空度、真空品質(zhì)與吸收比的情況下改變集熱管在高溫狀態(tài)下的發(fā)射比與熱損，即集熱管在高溫設(shè)定值時吸熱與放熱平衡，使集熱管溫度不過熱，從而解決系統(tǒng)過熱的問題。防過熱集熱器在不同的應(yīng)用場合和不同的設(shè)計要求，可調(diào)節(jié)出不同的吸熱與放熱的平衡點(diǎn)，這種方法不需增加多余設(shè)備或配件，也不需增加成本的投入，通過調(diào)整集熱管膜層的材料、厚度等，使膜層的電阻率發(fā)生變化，達(dá)到所需膜層發(fā)射比，實(shí)現(xiàn)防止集熱器過熱的目的，可見這是解決過熱問題最直接有效、最經(jīng)濟(jì)的方法。防過熱集熱管在應(yīng)用中效果顯著，但是本身的性能參數(shù)與國標(biāo)GB/T 17049《全玻璃真空太陽集熱管》中對發(fā)射比、熱損的要求是有差異的，在參照標(biāo)準(zhǔn)上需要注明與國標(biāo)的相符性，或在國家質(zhì)監(jiān)局做標(biāo)準(zhǔn)備案。

六 綜合法

實(shí)際應(yīng)用中一般采用雙保險的綜合法式即散熱器和T/P閥(T/P閥即溫度壓力安全閥，安裝在水箱的上部保護(hù)水箱，在額定的溫度和壓力下工作)雙重保護(hù)，以防散熱器或T/P閥單一失靈。過熱保護(hù)啟動順序一般是散熱器首先啟動，在散熱器不能把集熱器收集的熱量散發(fā)出去時，水箱溫度繼續(xù)升高，達(dá)到T/P閥的設(shè)定溫度時，T/P閥開啟，將多余的熱量排放掉，從而達(dá)到保護(hù)的目的。綜合法是一種安全的過熱保護(hù)方法，受到人們的青睞。