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文档简介
太阳能热水应用中集热器选型与设计
中国拥有丰富的太阳能资源。在大约三分之二的区域,年太阳能辐射超过5000mj。但由于家用太阳能的无序安装,严重破坏建筑瞻观,存在安全隐患,浪费利用面积,成为太阳能热水产业发展的严重障碍。无论是建设行业还是太阳能产业界,都越来越认识到:太阳能热水器与建筑一体化,促进产业技术进步和产品更新以适应建筑对太阳能热水应用的需求,已成为未来太阳能产业发展的关键。太阳能热水器与建筑结合是构架中国太阳能热水应用发展的重要举措。集热器作为太阳能热水应用的关键核心设备,在建筑一体化大型太阳能热水系统中有举足轻重的作用(占到整个系统投资的60%~80%)。科学合理的集热器选型和设计能在充分发挥设备功能的前提下,减少投资,降低维修费用并与建筑融为一体。1集热器现状目前我国常见的集热器主要有三类:平板型集热器、全玻璃真空管集热器、热管真空管集热器。1.1平板集热板上平板集热器由涂有选择吸收性涂层的平板集热板、透光材料盖板、保温层、外框和进出水管组成。当太阳光透过玻璃照在平板集热板上时,其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收,转变为热能,并传向流体通道中的工质。通过自然循环或强迫循环,而将储水箱内的水加热。因平板集热器采用金属材质、具有整体性好、集热面积连续、寿命长、故障少、无安全隐患、成本低等优点;其缺点主要是在低温环境中,透过盖板玻璃的散热损失较大,导致集热器效率降低。1.2玻璃外包涂层型真空管全玻璃真空集热管是套着的双层内外玻璃管,开口端内外管烧熔密封;不开口的一端,内外管之间用金属卡子固定;内管外壁镀上选择性吸收涂层,外管为透明玻璃。内外管之间抽成真空。由于真空保温和选择性吸收涂层,在空晒情况下,真空管内温度可达200℃以上。这种产品结构较简单,生产技术可靠,成本较低,热效率高,有一定的抗冻能力。运行时系统不能承受较高的压力,使用时不能缺水空晒,否则易爆裂玻璃管;当一根玻璃管破碎时,整个系统运行就会崩溃,存在一定的安全隐患。1.3系统使用较好热管技术来源于航天技术,在太阳能热水利用中是将一根封装约四分之一体积蒸发工质的金属管,安装在全玻璃真空管中。在金属管上有与其紧密接触的金属翅片,将玻璃管内转换的太阳能热量传导给热管蒸发段,热管再利用内部真空状态下工质的蒸发吸热和放热冷凝,将这一热量传导到被加热流体中。这种结构具有很多优点:热容小、同样条件下能提高输出能量;热二极管效应,当没有太阳辐射时可阻止热量向外散失;同时还实现了玻璃管不直接接触被加热流体,易于除垢,提高了系统运行的安全性;解决了全玻璃真空管集热器的一系列缺点,又保留了全玻璃真空管在低温环境中散热少,加热工质温度高的优点。尤其是热管工质一般凝固点低,适合在冬天气温为0℃至-40℃的地区使用。在不能进行排空防冻的自然循环系统中,热管-真空管式集热器更具明显优势。热管真空管缺点是热量转换带来一定的热效率降低,同时有双真空结构所带来的结构复杂及高成本问题。当然结构复杂本身也极易导致装置的可靠性和寿命问题。目前无论国外还是国内太阳能行业所用热管,都还有很大改进空间。以上三种集热器目前在我国的市场份额分配很不平衡,其中全玻璃真空管集热器和热管真空管占到了75%以上,而平板集热器仅占20%。这与国外的太阳能集热器应用情况正好相反。之所以存在这种现象主要有以下原因:早期平板集热器因制造工艺差和设计考虑不周在寒冷地区使用存在效率低、抗冻效果差等问题;随着采用真空保温技术的真空管和热管真空管的出现,集热器抗冻性能有较大提高,小规模家庭式应用体现出较大优势;平板集热器产品开发滞后和宣传不够以至于现在国内有这样一种错误观点:即真空管集热器必将最终替代平板集热器。笔者经过调研和分析,认为:在上冻地区家庭式的小型太阳能热水系统中,考虑到系统设计与使用方便,宜采用后两种集热器,对建筑一体化的大型太阳能热水系统而言平板集热器具有更大的优势。2该平板探测器和建筑一体化的优点2.1太阳能集热器系统的应用集热器与建筑的有机结合与融入是太阳能与建筑结合中首先遇到的难题。由于全玻璃真空管和热管真空管的形状构造及工作方式,使其与建筑的结合布置有很大难度。国内目前的大型太阳能热水应用采用以上两种集热器时,主要方法是将联集单元用屋顶钢架固定或直接设置于已建好的屋面,结合效果并不理想。平板集热器由于其平面构造特性,在太阳能的建筑一体化应用中,形状结构灵活随意,设计时不受形状或尺寸的约束,易于实现与建筑构件的结合。在德国、瑞典等国,已开发出太阳能屋面模块,该模块既是太阳能集热器,又是建筑物屋面结构,在建筑施工时一次安装到位,节约了施工费用。由于整体屋面作为集热器,消除了普通集热器阵列布置方法中因考虑集热器间阴影的影响而必须留出的间距,扩大了采光面积,提高了建筑太阳能可利用面积的效率。我国昆明新元阳光科技有限公司研制的“可作为层面板的建筑构件型太阳能集热器/系统”将太阳集热器与建筑的屋面材料进行“复合”,创造了一种具有屋面建材围护、保温、防水、隔热功能,又有太阳集热器收集、转换太阳热能特性的太阳能建材。在一定的结构形式下,如钢结构或木屋架,构件镶嵌拼接构成的阵列具有围护、保温、防水、隔热功能和较长的使用寿命,可以方便地与建筑的坡屋顶结合。构件可根据建筑设计要求适量弯曲、起翘、透光。尺寸按建筑模数生产,可方便进行拼装施工。平板集热器集热板材质为金属材料,因此集热器系统的联接可采用方便的丝结、焊接等成熟的连接方式,与目前的全玻璃真空管和热管真空管相比具有易与布置与维护、施工简单、工作可靠等优点。平板集热器能满足较高承压工作要求,易于实现水箱与集热器分离,满足强制循环加热或二次换热运行要求,方便的组合成不同的系统模式,满足不同的使用要求。这都有利于太阳能集热器与建筑的有机结合。满足建筑的功能与美学要求。2.2太阳能热水利用技术与建筑构件化的结合平板集热器构造简单,材质易得,加工方便,易于规模化生产。相同面积的平板集热器比全玻璃真空管成本更低,原因是集热器本身构造简单、集热器与建筑的构件化结合以及规模化生产。其中集热器与建筑构件化结合可降低建筑荷载、减少二次安装施工费用,对降低太阳能热水系统的初期投资贡献尤为突出。笔者曾做过真空管太阳能大型热水系统和家庭式太阳能热水器的经济分析,结果表明大型太阳能系统的单位建筑面积成本增加较家庭式的高出20%~40%。初期投资较高是真空管及热管真空管在建筑一体化大型太阳能应用的很大障碍。因此平板型集热器在建筑一体化太阳能热利用中具有明显的价格优势。2.3平板型集热器的特点太阳能热水应用中,一般只要得到低温热水(≤50℃)即可满足用户使用要求;该条件下,在我国大部分地区一年中春夏秋三季具有相同集热面积的平板型集热器效率要高于真空管和热管真空管式集热器。这是由于平板集热器集热面积连续、传热阻力较小及热损失温差较小的缘故。较高的集热效率可以更有效的利用有限的建筑集热面积,增加有效收益,提高集热器性价比。2.4全铜集热器的寿命平板集热器结构简单、可靠、机械强度高、环境耐受性能好,使用寿命较长,尤其是采用自熔焊的优质全铜集热器,其寿命甚至比建筑物本体还长。平板集热器中,水或工质在金属管道中流动,不接触玻璃,不会因冷炸、热炸引起水或工质大量泄漏,导致系统瘫痪;集热元件与走水部件之间为焊接或全金属密封,不会随时间老化,长期运行可靠性好。3应该解决的问题以上分析了平板集热器在太阳能建筑一体化中具有的优势,要进一步加强和推广平板型集热器的应用,还存在以下问题需进一步解决。3.1热损的有效防治平板集热器因单位采光面积大,难以采用真空技术保温。其对流和传导热损失较真空管和热管真空管大,这个问题在寒冷地区冬季尤其突出。如何降低平板集热器的热损失,尤其是表面对流热损是研究的热点。通常可采用双层透明盖板减少热损。国内也有厂家采用防弹玻璃制成双层真空隔热层的平板集热器,其热效率较普通平板集热器有一定提高。进一步降低热损,能够充分发挥平板集热器优势,降低投资费用。须注意的一点是要防止片面追求热效率而导致成本大幅增加。3.2平板集热器防冻措施的选择我国很多太阳能厂商认为在全年运行的太阳能热水系统设计中,平板集热器只适合最低温度不低于零摄氏度的地区,以保证系统的安全性。实际上该观点并不正确。无论是平板集热器还是真空管集热器在严寒地区使用都存在防冻问题,只是在严寒地区使用时平板集热器热损失较真空管集热器快。近年来,随着二次换热技术、排空技术的应用和精心的系统设计、科学运行方式,平板集热器已完全能够在高寒地区使用。北京木樨园网球中心的太阳能系统设计,满足了包括第22届大学生运动会比赛及训练的热水需求,得到了充分的肯定。平板集热器防冻的解决方式主要有如下三种:一是采用换热器的双循环换热系统,就是在集热器与换热器组成的第一循环系统中利用高效防冻液作为工作介质通过换热器间接加热水箱中供用户使用的热水。该方式防冻效果可靠,还能防止因加热结垢而影响换热效率。缺点是投资较大,效率有一定损失。第二种是将系统设计成在低于一定温度条件下能将集热器排空的工作运行方式。这种方法实现简单、投资少、外管路也无须保温,但对排空阀可靠度要求较高,且集热器在反复的排空充满过程中,较易腐蚀。第三种是在防冻保温的基础上通过小流量循环等方法补充少量热损失,达到防冻目的。该方法适合在零度以下天气不长的地区采用。在实际应用中可根据具体工程要求、自然环境和经济条件等选用不同的方案。良好的防冻设计措施可以很方便地解决防冻问题,让平板集热器在-40℃条件下正常使用。3.3太阳能屋面的施工方法需要成熟和完善能方便地与建筑构件结合是平板集热器在建筑一体化中的优势。但目前这种结合还处在初级简单的阶段。主要表现在结合形式单一,构件品种少,尺寸变化少,建设施工方法不成熟,密封性能不高。瑞典在上个世纪90年代中期已有整个屋面为太阳能构件构成的建筑。在欧盟已经运用的十多个大型太阳能热水利用中,涉及到建筑一体化的大多采用了建筑构件化的平板式集热器。我国应加大该领域研究开发力度,除了传统的构件研制,还可以与施工部门配合研究构建大型太阳能屋面的设计施工方法。从设计施工和厂家安装等多方面结合,形成可灵活设计与布置、品种规格较多、标准化的构件和施工方法。这对降低太阳能热水的初期投资具有非常重要的作用。4太阳能集热器在建筑一体化中的应用(1)由于目前家庭式的太阳能热水器存在安全隐患、影响建筑美观,建筑一体化大型太阳能热水系统成为下一步发展的必然趋势。(
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