浅谈太阳能热水系统性能及集热器应用设计

浅谈太阳能热水系统性能及集热器应用设计摘要:太阳能开发利用的课题日益受到人们的重视,平板型自然循环热水系统由于构造简单、造价低廉,并且具有很好的适用性而受到广泛的青睐。

论文首先阐述了平板型太阳能集热器的工作原理及分类,分析了自然循环热水系统性能,最后对于太阳能集热器的对太阳能热水系统各个组成部分与建筑的融合进行探讨。

关键词: 平板型太阳能集热器热性能太阳能是一种清洁无污染的可再生能源,它分布广泛,资源丰富,每秒钟辐射到地球的能量相当于500万吨标准煤燃烧时放出的热量。

我国太阳年辐射总量大约在3300~8300MJ/㎡,全国2/3以上面积地区年日照小时数大于2000h,属于太阳能资源丰富的国家之一。

因此在我国大力推行太阳能利用技术是可行的,也是必然的趋势。

太阳能在建筑领域中的推广应用必将大大减少建筑能耗中一次能源的消耗,将对缓解能源紧张和改善环境起到巨大的作用。

一.太阳能集热器的相关概述太阳能集热器以其简单、价廉和安装方便的优点,在全世界都获得了广泛的应用。

普通平板型太阳能集热器由吸热体、壳体、透明盖板和隔热材料等组成。

当太阳照射到集热器时,集热器板上水道中的水被加热而发生膨胀、变轻、产生“水往高处流”的现象,就像热烟气从烟囱中冒出一样,这就是所谓的“热虹吸”现象。

系统中水流的循环运动完全依靠自身各部位温度不同而形成自然循环,即只要有太阳照射,就能实现这种循环。

水在集热器中受热变轻,由集热器底部上升至顶部。

再经上循环管流入保温水箱,水箱下部的冷水由下循环管流入集热器底部。

如此循环,使整个水箱中的水温升高。

为了提高效率,降低成本,或者为了满足特定的使用要求,开发研制了许多种平板集热器:按工质划分有空气集热器和液体集热器,目前大量使用的是液体集热器;按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等;按结构划分有管板式、扁盒式、管翅式、热管翅片式、蛇形管式集热器.带平面反射镜的集热器等:按盖板划分有单层或多层玻璃、玻璃钢或高分子透明材料、透明隔热材料集热器等。

目前中国市场上普及的是全玻璃太阳能集热真空管。

而国外成熟的集热器都是平板集热器,平板集热器具有寿命长、稳定性高、可回收的优点,但由于较真空管集热器成本稍高,国内生产的很多价格低廉的平板集热器性能确实不好,因此被国内主流太阳能厂家歪曲了平板集热器的性能。

水箱内胆是储存热水的重要部分,其用材料强度和耐腐蚀性至关重要。

市场上有不锈钢、搪瓷等材质。

太阳能热水器的优点是安全、节能、环保、经济,尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器,它以太阳能为主、电能为辅的能源利用方式,可全年全天候使用。

普通式太阳能热水器:就是将真空玻璃管直接插入水箱中,利用加热水的循环,使得水箱中的水温升高,这是目前厂家都采用的。

也是一只流行到现在的最常规的热水器。

分体式热水器:分体式热水器是为了解决不是顶层用户也能使用太阳能热水器而诞生的。

分体式的循环有2种,一种是靠水的自然循环,这种热水器热交换效率很低,远远不能满足用水要求;另一种是靠泵循环热交换,这也是为了解决自然循环效率低的问题,使用泵循环,可以明显改善水的热交换。

二.热管平板式太阳能热水器热性能研究当前,水位传染器多数采用金属部件,而金属部件的重要特征是热胀冷缩,热胀冷缩是物质的宏观变化,体积变大,而它的微观变化是:分子在获得热能的同时,增大了分子动能,同时增大了分子的势能。

由于分子增加了势能,两分子间就会发生位移,当两分子间的距离大于水垢离子(钙、镁离子)的直径时,水垢离子就会乘虚而入,这样多个水垢离子分别至于多组分子之间,从而形成了水垢晶核,当水垢晶核形成之后,水垢离子就会聚合到水垢晶核上,水垢急速形成。

在宏观上,水温在63℃以上可达到水垢为晶核[fu2]的培养基。

由此可见,金属、塑料、玻璃、石头等均不能成为理想的水位传感器材料。

辅助加热器的功率是否够大?原则上在阴雨天启动电辅助加热应在3—5小时内就完全满足用水要求,启动热泵辅助加热应在8—16小时内就完全满足用水要求;胶类材料由于分子之间与上述物质是截然不同的排列顺序,收购晶核很难形成,因此就不容易结水垢,可以成为较理想的水位传感器。

如果胶类材料再添加防垢高微分子材料,即可达到理想的防结垢目的。

整个传感器采用实心硅胶加高微分子,一次成型而不含金属件(众所周知,金属件易结水垢),从而使传感器达到了长寿命的目的。

工业热水用量大,需要很大面积的太阳能集热器,要求集热器不易损坏、易维护、可承压,平板集热器在此方面具有显著的优越性。

真空管、热管、U型管集热器都不能用于大工程,例如,真空管集热器平均每年有8‰的破损率,而一根管的破裂将导致整个系统瘫痪。

在电磁水阀的进、出水口端加滤水网,过滤水中泥、沙、铁屑等杂质,另外还改善了胶垫材料;电器性能也大大提高,寿命可以达到10万次(即10年以上)。

由此提高了自动上水器的执行元件的可靠性和安全性。

在各种天气状况下,在各种用水时间、用水量变化的情况下,该系统是否达到了最大限度地利用了太阳能、最少地消耗常规能源,即是否最大程度地节能?自动上水器能使人们的生活方便、节水、节能、省心,意义是很大的。

而自动上水器的使用寿命一般由传感器的寿命决定。

传感器一般采用接触式和非接触式,接触式通用性好,容易与热水器配套,价格适合普及推广。

由于太阳热水器的水温很高,水中的钙、镁离子很容易达到水垢晶核形成的条件,这样,接触式金属传感器极易结垢,传感器失灵,上水器失去自动化的意义。

有的太阳能经销商为此曾付出过代价,尽管用户要求配自动上水器,经销商也不愿意给用户安装自动上水器。

如果能解决水中传感器结水垢及腐蚀的问题,自动上水器的正常使用寿命会几十倍的增加,经销商就可大胆地满足用户的要求,既节水又方便。

因此,普及是迟早的事。

太阳热水器智能化是与时俱进的要求,在势所趋。

有效措施是:不使用易结垢的金属和塑料传感器,而使用难结垢的胶类传感器,采用对称交流信号的防电腐蚀控制电器。

三.太阳能热水集热器应用设计太阳能热水系统与常规热水供应系统的最大不同在于集热系统的设计,除利用常规热源做辅助外主要热源为间歇性的太阳能资源,大面积的集热器是太阳能热水系统的核心部件,是保证整个太阳能热水系统性能的关键,而成功的太阳能热水系统与建筑一体化设计不仅要体现热水系统性能的稳定,更要进一步保证与建筑本体的整体协调。

3.1太阳能热水系统与别墅结合别墅在造型上为突出建筑风格和美学原则,多采用坡屋顶,房间布局凹凸叠错,多形成露台或阳台。

介于别墅建筑特点,可采用集热板与坡屋顶整合安装,或采用标准化的集热板屋顶构件替代常规屋顶,也可将集热板与阳台栏板集成安装。

对于别墅,就自然循环系统而言,相对于容积率较大的多层和高层建筑太阳能热水集热系统循环管道规模不大可采用,如图4将水箱置于高于集热器位置的阁楼或内嵌入屋脊内,靠工质的密度差循环;对于水箱不宜在高处布置时,可利用房间内部诸如楼梯间或地下室等。

3.2太阳能热水系统与多层结合对于多层住宅,结合建筑特点选择不同形式的太阳能热水系统。

若建筑为平屋顶,屋顶集热面积较为充分,集热板根据当地最佳倾角和朝向将集热器整齐阵列在屋顶,采用集中集热和集中供热系统,贮热水箱可集中放置在屋顶或地下室,集热系统一般规模较大均采用强制循环,若系统为承压式,供水系统可利用城市自来水供水压力足够满足末端出水要求,若系统为非承压式需要加设供水水泵。

集中供水和集中辅助加热系统的缺点是用户末端的供水温度不均衡,易出现长时间放出冷水的问题,增大了管理和收费难度。

若建筑为坡屋顶,同别墅安装方式相同,集热器与屋顶集成安装,大体积的贮热水箱已不能在屋顶放置,可采用集中集热分户供热系统,各住户有独立的保温水箱和辅助加热装置,通过集中的集热器加热,充分调配热量,提高系统的使用效率,且计量简单,但保温水箱需占用住所内的部分空间,对于平屋顶亦可采用集中集热和分户供热的系统。

系统还可选用半集中式即在分户水箱中设置换热盘管,集热系统采用闭式循环,避免因水质引起的管路和集热器结垢。

3.3太阳能热水系统与高层结合高层建筑通常有高耸的塔楼和狭长的板楼两种形式。

集热器在建筑立面上连续对称布置,可以突出塔楼的垂直构思,丰富板楼的平面变化,增强建筑形式的韵律感。

同时集热器本身的吸收性涂层呈现的特殊色泽丰富了建筑立面色彩,凸现建筑的科技内容。

除集热器的安装布置外,系统形式的选择是保证系统性能的关键。

高层住宅可采用分户式系统,集热器在每户阳台安装,贮热水箱置于阳台顶部或室内不影响建筑立面效果,利用水箱和集热器的高度差进行自然循环,靠自来水管网压力给水箱补水同时将热水顶出;集热器墙面安装同样可采用该系统形式,每户的集热器安装在自家外墙,水箱置于上一层用户的卫生间,保证水箱和集热器的高差以便实现自然循环。

局部集中式系统,将建筑垂直分区,集热器墙面布置,水箱可放置在楼梯间,为下面几层用户提供热水,如图5,集热系统为自然循环,供热系统采用落水法供水。

结语对太阳能热水系统热性能分析,设计了两套太阳能热水系统,包括一套自然循环系统和一套强制循环系统,通过对两套系统的模拟找出集热面积、水箱容积和系统流量对系统性能的影响,并对系统做了分析,为设计更好的集热器的性能提供依据。

重点是针对建筑特点对太阳能热水集热器在建筑中的安装位置进行探讨,综合经济性原则和模拟分析对深圳市太阳能热水系统设计方案进行优化。

此外,根据不同建筑形式结合太阳能热水系统设计实例分析太阳能热水系统各组成部分与建筑集成设计的方法。

最后对太阳能热水系统的经济和环保收益及其对建筑围护结构热工性能的影响进行分析评价。

相关研究成果对太阳能热水系统与建筑的集成设计具有指导意义和应用价值。

参考文献:[1]董伟玉.住宅太阳能热水系统的节能与经济性分析.建筑施工.2005(3)24～26[2]王瑞平.平板型太阳能集热器效率分析.西安科技学院学报.2002,9(3)63～65[3]宋爱国,栗加顺。

平板式与真空管式太阳能热水器性能分析比较.太阳能.2000(5)。