山東格瑞德集團(tuán)有限公司 ■ 梁宏偉孔德林 劉麗麗 馬雪坤

幾種家用分離式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的過熱保護(hù)形式

山東格瑞德集團(tuán)有限公司 ■ 梁宏偉*孔德林 劉麗麗 馬雪坤

根據(jù)歐標(biāo)EN12976-1: 2006工廠預(yù)制的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和部件中的一般要求，規(guī)定太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)（閉式循環(huán)系統(tǒng)）要有過熱保護(hù)措施。本文針對(duì)這一要求，給出了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的過熱保護(hù)方法并分析了各種方法的機(jī)理，探究國(guó)外的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)過熱保護(hù)采取的一般措施。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)；閉式循環(huán)；過熱保護(hù)；滯流溫度

0　引言

目前，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的推廣，用太陽(yáng)能制備熱水是最經(jīng)濟(jì)和實(shí)惠的應(yīng)用。但是由于太陽(yáng)能能量的不均衡性，同時(shí)熱水的應(yīng)用也隨著季節(jié)的變化用量也在變化，與太陽(yáng)能能量的獲取形成了反差。北半球，在夏季時(shí)太陽(yáng)輻照強(qiáng)烈，但人們?nèi)粘Ｉ钚枨蟮臒崴邢?，而冬季太?yáng)輻照變低，人們反而需求更多的熱量。在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常要考慮冬夏的均衡性，盡可能地滿足冬季大部分時(shí)間的應(yīng)用，這樣會(huì)導(dǎo)致夏季熱水用不了，使儲(chǔ)水箱中水溫度過高，出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。在最炎熱的夏季有些家庭會(huì)到外地旅游或度假，長(zhǎng)時(shí)間不使用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，或由于連續(xù)的集熱升溫，會(huì)造成集熱系統(tǒng)過熱而損壞系統(tǒng)的部件。這些問題尤其在歐洲地區(qū)比較嚴(yán)重，因?yàn)闅W洲地區(qū)使用的幾乎都是閉式的強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能系統(tǒng)。沒有過熱保護(hù)措施，可能會(huì)造成人員的傷害或系統(tǒng)的崩潰。因此，EN12976-1:2006要求工廠預(yù)制的太陽(yáng)能系統(tǒng)和部件必須有過熱保護(hù)措施，其中包括兩個(gè)方面：其一是飲用水使用的過熱保護(hù)；其二是太陽(yáng)能系統(tǒng)材料的過熱保護(hù)。本文主要針對(duì)現(xiàn)有的一些國(guó)外家用分離式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用的幾種太陽(yáng)能系統(tǒng)過熱的保護(hù)措施進(jìn)行探討和分析，為設(shè)計(jì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的過熱保護(hù)措施提供參考。

1　系統(tǒng)冷卻保護(hù)

這種過熱保護(hù)方法是通過控制器的功能，判斷儲(chǔ)水箱中水的溫度和集熱器的溫度，使系統(tǒng)的整體溫度不出現(xiàn)超過局部過高溫度而保護(hù)系統(tǒng)。通常的做法是：設(shè)定儲(chǔ)水箱的初次上限溫度，當(dāng)水溫達(dá)到這個(gè)上限值時(shí)，就會(huì)停止泵循環(huán)，使系統(tǒng)暫時(shí)停止，同時(shí)控制器會(huì)一直檢測(cè)太陽(yáng)能集熱器的溫度情況，如果達(dá)不到集熱器的上限溫度，且水箱中的水溫沒有下降條件下，系統(tǒng)會(huì)始終保持泵循環(huán)停止的狀態(tài)，依靠集熱器的自身散熱維持吸熱和散熱的平衡。

如果集熱器仍能繼續(xù)升溫，則設(shè)定儲(chǔ)水箱的初次上限溫度被打破，系統(tǒng)循環(huán)泵會(huì)重新啟動(dòng)。通過儲(chǔ)水箱中的水來冷卻集熱器，在儲(chǔ)水箱中水溫未達(dá)到極限溫度或設(shè)定不損壞系統(tǒng)部件的極限溫度的條件，系統(tǒng)會(huì)重復(fù)該冷卻循環(huán)，來保護(hù)系統(tǒng)的安全。如果集熱器仍繼續(xù)升溫，儲(chǔ)水箱中水溫達(dá)到極限溫度或達(dá)到設(shè)定的部件耐溫極限溫度的條件，則系統(tǒng)的循環(huán)泵會(huì)徹底停止循環(huán)，集熱器處于滯流狀態(tài)。此段時(shí)間集熱器中的介質(zhì)可能會(huì)汽化，從而將集熱器中的傳熱介質(zhì)壓入系統(tǒng)的膨脹罐中，可防止傳熱介質(zhì)由于高溫而碳化變質(zhì)。當(dāng)集熱器的溫度下降后，蒸汽會(huì)冷凝體積回縮，使集熱器出口的壓力變小，膨脹罐中的傳熱介質(zhì)會(huì)回流至集熱器中。因此，計(jì)算系統(tǒng)膨脹罐時(shí)除系統(tǒng)所有傳熱介質(zhì)的膨脹體積外還要加上集熱器的容積。這樣只是集熱器部件局部高溫，而不會(huì)影響到其他部件，當(dāng)達(dá)到滯流溫度的最大值時(shí)，集熱器達(dá)到熱容平衡。

這種方法是采取犧牲集熱器保護(hù)系統(tǒng)的方法，同時(shí)如果集熱器滯流的時(shí)間過長(zhǎng)可能會(huì)造成傳熱介質(zhì)的碳化沉淀或顯酸性，因此要定期進(jìn)行傳熱介質(zhì)的酸堿度、冰點(diǎn)和碳化變質(zhì)的檢查。一般平板集熱器由于滯流的最大溫度不超過150 ℃，因此采用這種防過熱的保護(hù)方法是極其經(jīng)濟(jì)和簡(jiǎn)單的。在歐洲，采用這種方法比較普遍，而且?guī)资甑膶?shí)踐證明是非?？煽康摹５钦婵展芗療崞骶哂辛己玫谋匦阅?，從而使集熱器的滯流溫度的最大值可達(dá)到180 ℃，系統(tǒng)中的傳熱介質(zhì)可能會(huì)變質(zhì)，因此，要求每年都要檢查導(dǎo)熱介質(zhì)性能，防止變成酸性或碳化沉淀?yè)p壞系統(tǒng)。

2　再次冷卻保護(hù)

在沒有熱水使用的情況下，系統(tǒng)會(huì)在晴好的天氣下造成連續(xù)的滯流狀態(tài)，這對(duì)系統(tǒng)的壽命會(huì)造成不可預(yù)測(cè)的影響，尤其對(duì)傳熱介質(zhì)的破壞性極強(qiáng)。因此該種保護(hù)措施是通過夜間啟動(dòng)循環(huán)泵，利用集熱器和管路散熱，消耗儲(chǔ)水箱中的熱量達(dá)到降溫的目的，從而降低第二天系統(tǒng)達(dá)到滯流狀態(tài)的概率。一般把這種保護(hù)功能稱之為“假日模式”，例如在夏天全家出去度假時(shí)，系統(tǒng)沒有熱水消耗，很容易使系統(tǒng)過熱。

這個(gè)功能被激活后，系統(tǒng)的儲(chǔ)水箱達(dá)到最大設(shè)定溫度后，會(huì)繼續(xù)升溫，為防止集熱器過熱，循環(huán)泵會(huì)繼續(xù)保持啟動(dòng)狀態(tài)，直到儲(chǔ)水箱達(dá)到極限溫度，循環(huán)泵停止使系統(tǒng)處于滯流狀態(tài)。當(dāng)太陽(yáng)輻照減少至日落，集熱器開始向夜空散熱，太陽(yáng)能集熱器逐漸冷卻，溫度低于儲(chǔ)水箱的水溫，通過循環(huán)把水箱冷卻下來。當(dāng)水箱冷卻到最大溫度設(shè)置時(shí)，循環(huán)泵停止。

為了更大限度地減少集熱器過熱，尤其是較長(zhǎng)假期時(shí)，可把水箱的最大溫度調(diào)低，從而使水箱在夜間可放出更多熱量，白天儲(chǔ)水箱就可吸收更多熱量，這就起到冷卻系統(tǒng)的作用。

3　熱虹吸保護(hù)

該方法是提供傳熱介質(zhì)過熱保護(hù)相當(dāng)直接的方法。該方法只用于在非常好的日照天氣時(shí)，使系統(tǒng)斷電無法工作，其防范方法是：可將太陽(yáng)能集熱器管路上的止回閥打開（即管路是完全暢通無阻的），熱虹吸現(xiàn)象就會(huì)自然發(fā)生。由于傳熱介質(zhì)在太陽(yáng)能集熱器中被加熱，使傳熱介質(zhì)在系統(tǒng)中緩慢循環(huán)。傳熱介質(zhì)通過水箱盤管后被冷卻。而到晚上時(shí)，只要集熱器溫度比水箱低，水箱中的熱量就要通過集熱器散失掉。這種方法比較適合于平板太陽(yáng)能集熱器。需注意的是，在正常使用系統(tǒng)時(shí)，一定要將集熱器管路上的止回閥調(diào)回正常工作的方向，這樣可防止夜間的水箱中的熱量損失。

另一種方法是在集熱器的上方加裝散熱裝置，如圖1所示。

圖1　集熱器限溫裝置

4　熱量轉(zhuǎn)移

上述3種方法提供高效的防止傳熱介質(zhì)達(dá)到滯流溫度的目的，但要依靠安裝條件來實(shí)現(xiàn)，用水和地理?xiàng)l件不能提供保障性保護(hù)。因此更好的辦法是將熱量轉(zhuǎn)移來防止過熱。

附加儲(chǔ)熱水箱保存熱量。當(dāng)太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱被加熱到設(shè)定溫度時(shí)，控制激活三通電動(dòng)閥，將多余熱量轉(zhuǎn)移到附加儲(chǔ)熱水箱中實(shí)現(xiàn)集熱器的過熱保護(hù)。如圖2中采暖水箱在夏季將多余熱量?jī)?chǔ)存起來， 以達(dá)到保護(hù)集熱器的作用。

圖2　太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)

圖3　泳池的輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

泳池的輔助加熱。如果家有泳池那么就可將過多的熱量轉(zhuǎn)移給泳池加熱，如圖3所示的太陽(yáng)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)在夏季達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度后會(huì)自動(dòng)切換到泳池加熱模式，從而把熱量轉(zhuǎn)移到泳池中，來避免集熱器的過度高溫。這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用在供熱采暖的聯(lián)合式系統(tǒng)中，為了滿足采暖需求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，集熱器器面積相對(duì)儲(chǔ)熱水箱的容積配比偏高，因此在非采暖期，只是洗浴等生活熱水消耗不了集熱器陣列所收集的熱量，在系統(tǒng)中加入泳池的太陽(yáng)能輔助加熱，就可很好地解決夏季太陽(yáng)能系統(tǒng)的過熱問題。

集熱器遮陽(yáng)可防止太陽(yáng)能光線照射在太陽(yáng)能集熱器上。如圖4所示，帶有遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器采用不透光的遮陽(yáng)簾子把集熱器采光面罩住，防止集熱器接收太陽(yáng)能輻射，這是一個(gè)最簡(jiǎn)單又實(shí)用的防過熱方案，但在實(shí)際實(shí)施中，一般是人工操作遮陽(yáng)簾子的圈起和打開，很不方便；另一種實(shí)施措施是采用電機(jī)來自動(dòng)控制遮陽(yáng)簾子的工作，但是在系統(tǒng)沒有電力供應(yīng)時(shí)，遮陽(yáng)簾子就無法動(dòng)作，因而實(shí)現(xiàn)不了集熱器的遮蓋操作。需要注意的是風(fēng)載問題，在多風(fēng)或大風(fēng)地區(qū)可能會(huì)造成集熱器抗風(fēng)載能力下降。圖4a是遮陽(yáng)簾子設(shè)置在玻璃蓋板下面，圖4b是遮陽(yáng)簾子直接罩在集熱器采光面上。

圖4　帶有遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器

5　結(jié)論

1）系統(tǒng)冷卻保護(hù)和再次冷卻保護(hù)兩種保護(hù)可以短期實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過熱保護(hù)效果，但不能根本解決系統(tǒng)的過熱問題。

2）熱虹吸保護(hù)的方法比較可取，根據(jù)溫度開啟對(duì)集熱器進(jìn)行散熱，可及時(shí)保護(hù)集熱器避免其處在高溫下，但是要注意散熱裝置與集熱器的面積配比問題，同時(shí)由于散熱裝置必須裝在集熱器上部，對(duì)產(chǎn)品的放水造成一定的影響，相對(duì)而言成本較高。

3）熱量轉(zhuǎn)移法是最好的太陽(yáng)能利用方式，最大程度的利用太陽(yáng)能，且實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的綜合利用，因此，在太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能考慮太陽(yáng)能的綜合利用來避免太陽(yáng)能集熱器過熱問題。

4）集熱器遮陽(yáng)的方案是最佳的解決方案，但需要考慮成本問題和遮陽(yáng)裝置的可靠性問題，同時(shí)要保證集熱器的集熱效率不受影響。

2013-05-30

梁宏偉（1979—），男，本科、高級(jí)工程師，主要從事太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)研發(fā)、歐洲太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)及聯(lián)合采暖系統(tǒng)的研究。himin2007@live.cn