太阳能集热器的分类

2020-08-08

太阳能集热器的分类

     太阳热能利用的关键技术是集热器技术。据有关资料介绍:太阳能集热器从构造上可以分为两类:①平板型太阳能集热器;②真空管型太阳能集热器。从材质上区分亦可分两类:①光滑材质集热器;②非光滑材质集热器。本手册按第二种分类方法进行叙述。

      1.光滑材质集热器:光滑材质集热器是指以全玻璃、真空管、平板及金属一玻璃热管等表面光滑类型的集热器。目前我国以生产此类材质的集热器为主。该类集热器的特点是集热温度高,一般可达50℃以上,且温差较大,适用于作为热源利用。在国内的产品有平板型太阳能集热器、玻璃真空管型太阳能集热器、金属一玻璃结构真空管型太阳能集热器、高效真空管太阳能集热器、热管真空管太阳能集热器及闷晒型太阳能集热器等。此种类型的太阳能集热器的特点:①单位面积流量较小,一般约为0.02L/(m2・s);②温差较大,一般可达5~10℃:③集热温度较高,一般在50℃以上。因其对水质要求较高,故设计时宜采用间接式加热系统。在原水硬度较高地区,补水管道应有除水硬度装置或阻垢装置;④材质较重,运输安装较复杂;⑤对结构要求较高。太阳能集热器的具体参数应以生产厂家提供的产品测试参数为依据。

     2.非光滑材质集热器:非光滑材质集热器是指以高密度耐候性高的聚丙烯、橡胶等表面较粗糙的材质制造的集热器。其特点是:①低温差,一般为2~5℃:②过流量较大:一般为1~2L/(m2・s);③水头损失小:一般约为0.5m;④集热器集热效率高:一般达60%以上;⑤可靠性高,耐压性能高:耐腐蚀性好;能抗紫外线照射;⑥安装运输方便材质轻,充水后重量仅为5.7kg/m2;の可沿屋面安装并可以利用屋面辐射热;③卫生性能好,不污染水质和不产生光污染。

      非光滑材质太阳能集热器,在我国目前尚无生产厂家生产此产品。国内工程中采用的塑料集热器为美国产品。橡胶集热器为澳大利亚产品。

      太阳能集热系统设计要点

      1.仔细评估当地太阳能的经济价值:太阳能虽然是取之不尽、用之不竭的可再生的绿色能源,但它又是自然资源,不是随时能取得和贮存的能源,而是受晴天、阴天、雨天及雪天等气象变化的影响而变化,因此供热不稳定。这就要求设计必须根据当地的日照天数、日照时数、平均气温、太阳能辐照量等因素进行综合评估,衡量太阳能利用的经济价值。评估要达到:①满足建筑设计、系统设计、施工安装、标准接口等技术条件的要求②满足全年安全、稳定使用热能要求;③方便调试、维修和更换要求;④节约投资及运行费用;⑤最低限度利用辅助热源。

      为了提高太阳能的利用率、综合经济效益、《游泳池给水排水工程技术规程》C122-2008中对太阳能的应用条件作了如下规定:①太阳年日照时数应大于1200h;②太阳年辐射量应大于4200M/m2;③年极端最低温度不得低于-45℃。为此,掌握和了解我国太阳能资源的分区很重要。据有关资料介绍,我国太阳能资源的区划如表11-11所示。

 

 

    2.太阳能保证率的选用

      太阳能保证率就是指太阳能供热系统中,由太阳能提供的能量占系统总热负荷的百分数。太阳能保证率是确定太阳能集热器面积的一个关键因素,也是影响太阳能供热系统经济性能的重要参数。它与使用期内太阳辐照、气候条件、系统热性能、用热负荷、用热规律和特点、系统成本和工程投资等因素有关。故要进行热平衡计算,使在选定的太阳能保证率的集热器面积的情况下,估算年节能费用和相应的投资年限,获得投资最佳效益比。为此,本手册根据有关资料,提供了不同地区太阳能保证率的选用范围,详见表11-12。

      为了最大限度地发挥太阳能供热系统所能起到的节能作用,一般太阳辐照条件好的地区取上限,太阳辐照条件差的地区取下限值。计算的太阳能的保证率不得低于表11-11的数值,否则应仔细进行技术经济分析后方可确定能否采用太阳能供热系统。

     3.气象参数的选用

     由于在一年当中,每月、每日、每时的日照、气温等条件不同,其太阳能的丰富程度是在不断变化的,所以集热器所获得热量也不同。为了找到最佳数值,必须充分了解和掌握当地的气象参数和地理参数,做到以较小的投资取得最大经济效果。

     据有关资料介绍:全年使用的太阳能供热系统,在设计计算时,宜采用全年平均气象参数,如侧重于春季、夏季和秋季使用的太阳能供热系统,设计计算时,宜采用春分或秋分节气所在月份的平均气象参数;如侧重于冬季使用的太阳能供热系统,在设计计算时宜采用12月的月平均气象参数。

      我国一些主要城市各月设计用气象参数和地理参数,可参见《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》及给水排水国家标准图图集《太阳能集中热水系统选用与安装(06SS128)》。为方便设计使用,本手册将其摘录于附录E。

      4.集热器的选用

     1)热性能要好:集热器的形式要与当地的太阳能资源、气候条件相适应,并符合用户使用特点。在保证系统安全、稳定运行的前提下,应选性能价格比最优的集热器。集热器的集热效率应根据集热器类型,依据相关国家标准进行实际測试确定。也可由生产厂商提供该检测数据。一般不宜选用集热效率小于50%的集热器。

      (1)平板型集热器有效采光面积大、集热效率高、价格低、维修简便,但它受使用环境温度影响较大,适合用于无冰冻、日平均最低气温在10℃以上的地区;

      (2)管式型集热器的价格较高,运输过程易破坏,但它的集热效率高,受环境温度影响小,但也存在无效采光面积的不足,适合太阳能辐射较高的广大地区

     (3)集热系统的冷水进水与热水流出的流程配水要均匀、无死水区、无气阻区,并宜有足够容积的贮热水池,使太阳能得到最大的吸收利用。

      2)抗压及安全性能好:集热器应有足够的承压能力,满足系统最高工作压力的要求般不宜小于0.6MPa,并应有国家质量监督部门的检测报告。设计人员要根据系统设计提出集热器的具体工作压力要求:如强度、刚度好,不变形耐冲击,耐热不爆裂、不泄漏等。

      3)水垢影响小:由于水中的钙、镁离子,有机物或胶体,在水温升高时则会形成水垢。不同形式的加热器因其运行温度不同,产生的结垢后果不完全相同。据资料介绍:

      (1)平板集热器因集热管管径较小,如被水垢堵住,会妨碍水流动,从而降低集热效果;

      (2)全玻璃管集热器的水垢是堆积在玻璃内胆下部,虽然对热量的传递影响较小,但对产水量则影响较大

      (3)热管真空管集热器由于热管内是集热工质,所以不会产生水垢,但在它的冷凝端因其工作原理,该位置处温度高于65℃,与水接触的地方就会产生水垢,而且水垢的厚度增加很快,这就极大地降低了集热效率。

      4)防冻性能好:如环境温度低于0℃以下时,平板型集热器吸热排管内的水因结冰膨胀会发生冻裂现象,在北方地区要慎重选用。全玻璃真空管型集热器在环境温度低于-15℃的地区也存在冻裂的问题。据资料介绍,目前国内已经开发出抗冻型集热器及解决防冻的措施。

      5)使用寿命长:据资料和工程实践表明,平板型集热器的使用寿命可以达到20年全玻璃真空管型集热器和玻璃金属真空管型集热器的使用寿命不少于15年。这就要求涂层附着力、盐雾、耐热性能和抗老化性能等指标均应达到相应国家标准的规定。

     6)性能价格比最优。

     5.系统参数选用

      1)间接式太阳能供热系统:将太阳能集热器获得的热水作为一次热源通过换热器对游泳池池水进行加热的系统。该系统应设置贮热水箱。贮热水箱与集热器面积有关,并对太阳能集热系统的效率及整个热水系统的性能有重要影响。据资料介绍,贮热水箱的容积按每1m2太阳能集热器面积所需容积40~100L计。推荐采用的比例关系常为每1m2太阳能集热器对应75L贮热水箱容积。贮热水箱的热水温度不宜低于50℃。

     2)直接式太阳能供热系统:太阳能集热器直接对游泳池池水进行加热的系统。这种系统不设置贮热水箱,是一种游冰池专用太阳能供热系统,可按池水设计水温要求进行设计。

     3)太阳能供热系统的热损失・即管道和贮水箱的热损失。它与管道、贮水箱中的水温、保温条件、周围环境气温等因素有关。如精确计算困难时,一般可取总热量的20%-30%,这是经验数值,并不是实际理论计算值。如周围环境温度较低,热水温度较高,保温材料性能较差可取上限值,反之则取下限值。

     6.供热系统的选择

      游泳池池水加热由于水量较大、温差小,一般采用强制循环系统。其加热方式可分为如下两种方式:

      1)直接式换热:这种换热方式就是游泳池水经过净化处理后,经过太阳能集热器对池水进行加热后再送入游泳池。单纯从集热效率考虑,它优于间接式换热方式。选用这种换热方式要满足如下要求:①水质洁净卫生:②水的硬度不宜高于150mg/L(以CaCO计):③水中的化学成分应符合太阳能产品要求,这样可以防止长期运行产生水垢降低换热效果的弊病。这种方式一般适用于低温升大流量非光滑材质的塑料及橡胶材质的太阳能集热器。系统组成形式如图11-3所示。

      2)间接式换热:这种换热方式就是将太阳能集热器制备的热水作为热源高温水,再利用该高温水通过热交换器对游泳池水进行交换加热,以防止含有氯消毒剂残留物对金属产生腐蚀。这种方式适用小流量高温升的平板式集热器、真空管(全玻璃、玻璃金属、热管)式集热器、闷晒式集热器等光滑材质的集热器。系统组成形式如图11-2所示。贮热水箱的位置根据具体工程实际情况确定其采用高置式或低置式均可。对游泳池供热来讲般采用温差式循环供热系统。

     7.热平衡计算

     太阳能供热系统初期投资比较大,但它能节约能源,在当今一次性能源日趋業张的情况下,两者相比较,太阳能还是具有特别的优越性。但这种优越性应从经济性能和技术因素两个方面进行综合评价。也就是对采用太阳能供热系统所需要的投资与采用常规热源供热系统的投资和使用年限运行费用进行比较,在一定的年限内将太阳能供热系统增加的初次投资全部回收,才能充分显示出太阳能供热的优越性。因此进行热平衡计算是太阳能供热系统设计不可缺少的步骤。一般按如下计算程序进行:

      1)计算游泳池保持池水“恒温”情况下,每天的总需热量。按本手册本章第11.2节所述的方法计算。

      2)计算所需太阳能集热器的总面积。根据当地太阳能资源和地理参数确定,如全年日照小时数、全年太阳辐射总量等选定太阳能保证率,拟选用的太阳能集热器集热效率及当地春季、秋季晴天平均太阳能辐照量,可按下面方法进行估算,以便与建筑专业配合屋面面积可否满足要求和向结构专业提供初步荷载资料。

 

                                                                                                   (11-14)

              式中A一所需太阳能集热器总面积(m2);

                    Q一游泳池池水维持“恒温”所需要的热量(kJ/h),由本手册公式11-6计算;

                     J一当地计算气候季节太阳能集热器安装方向条件的太阳能辐照射量[MJ/(m2・d]

                          根据当地气象资料选定。如缺乏资料时,可参照本手册表11-11确定;

                    一太阳能集热系统的集热效率(无量纲)一般可取=0.5~0.6

      3)待太阳能产品供货商确定之后,由该供货商按建设业主确定的产品型号、性能参数进行详细的热力计算,并取得业主及设计的认可。

      4)按照最终所计算的太阳能集热器总面积,根据建筑屋面的形状、面积、日照条件和安装检修要求等因素,对太阳能集热器、集热水箱等设备设施进行布置。

        5)太阳能集热器的布置,一般宜遵守以下原则:①集热器安装方向按集热器采光面法线,按朝正南或南偏东30°或南偏西30°的范围内进行布置;②集热器不应布置在受建筑自身及周围设施或建筑,或绿化树木遮挡的部位,并满足每天日照时间不少于4h的要求;③集热器不得跨越建筑物变形缝(如沉降缝、伸缩缝等)布置;①集热器可多排布置、叠合式布置,但与遮挡物或前后排的间距应经计算确定。

       6)根据实际布置的太阳能集热器的总面积,按当地每日有效的太阳光照射的小时数,计算每日实际能获得的太阳能热量。

      7)将最后计算所得的每日实际产热量与本手册公式11-14计算所需太阳能总面积所能获得的热量进行比较,前者等于及略大于后者,即可被确认满足热量平衡计算。

     8.游泳池一般夜间都是停止开放的,其空调系统及池水浄化处理系统也有可能停止运行。为了减少池水的热损失和方便次日上午开放场次池水温度能满足最低水温要求,设计宜向业主推荐夜间采用覆盖保温膜减少热量损失的措施,以实现次日能尽早开放游泳池供游冰爱好者使用。

      9.管材选用:间接式加热方式的系统应采用金属管材和管件、附件,并应有可靠防腐措施;直接加热方式的系统,应采用与非光滑材质相配套的防紫外线的非金属管材和管件。

      10.进行供热系统设计。计算全年节约的能源费用和相应的投资回收年限,并获得业主(用户)认可。否则,应调整太阳能保证率等参数,重新进行系统计算、设计,以满足业主所期盼的最佳投资收益比。

      1)太阳能供热系统的投资回收年限目前国家尚无明确规定,据有关资料介绍,可根据太阳能资源丰富程度按下列原则确定:太阳能资源丰富区的回收年限不宜超过5年;太阳能资源较高区的回收年限不宜超过8年;太阳能资源一般区回收年限不宜超过10年太阳能资源贫乏区回收年限不宜超过15年,设计时应与业主协商确定

     2)节约能量应根据所选用的集热器面积、集热器性能参数、集热器设计倾角、系统热损失和当地气象条件,按下式计算

                                                 (11-15)

                   式中一太阳能供热系统的年节能量(MJ);

                            A一太阳能集热器面积(m2);

                            TTー太阳能集热器采光面上的年太阳辐照量(MJ/m2)

                            一管道和集热水箱的热损失率(%)

                          一太阳能集热器的年平均集热效率(%)

         3)太阳能供热系统年节能费用

                                                              (11-16)

                     式中W一太阳能年节能费用(元);

                            Cc一设计系统年常规能源价(元/MJ),可按下式计算

                                                                                        (11-17)

                             一常规能源价格(元/kg);

                             q一常规能源的热值(MJ/kg)。

     11.与淋浴热水系统的综合利用

      太阳能供热如采用光滑材质集热器,且为间接式加热方式时,一般宜将池水加热与淋浴用热水加热一并考虑。

     太阳能供热系统采用非光滑材质集热器,且为直接式加热方式,宜对淋浴用热水另设光滑材质集热器的独立的浴用太阳能热水系统。

     12.辅助热源的选型及配置

      由于太阳能供热系统受气候条件影响较大,在阴天、雨天及夜间就无条件连续获得太阳能,这就会造成供热量不能满足游泳池的供热需要。为了克服太阳能这种供热的不稳定性、间断性和不断变化的现象,太阳能供热系统应配置辅助热源予以补充

      1)辅助热源的选用应符合本手册本章第11.1节所建议的原则。

      2)辅助热源的容量应按游泳池维持“恒温”100%的需热量配置

      3)辅助加热设备宜按2台配置,每台供热能力不小于系统需热量的60%。以适应套检修时能不间断供热的需要。辅助加热设备产热量宜为可调性产品,以适应太阳能不稳定的特点。

     4)游泳池池水初次加热宜按太阳能供热与辅助供热两个系统同时运行进行计算。此情况时,可以将贮热水箱的运行温度调至比正常运行时所设定的温度较高的温度值上,待池水达到规定水温后,再调回正常运行的设定温度。

     13.太阳能供热系统的控制

      1)太阳能供热系统应设置控制系统。该系统应满足太阳能供热系统能安全、可靠灵活而长久的运行,以达到最大限度利用太阳能资源的节能效果。

     2)控制系统应将集热循环、池水加热循环、辅助加热的工作、池水初次加热以及防冻和防过热控制等一并综合考虑。

     3)控制方式应该简单、可靠,方便运行操作。一般采用温差循环控制,并设置可以数字化显示的控制仪表盘。

      4)控制内容:

      (1)集热系统应有每日获得的太阳能热量、贮热水箱温度、集热循环管网温度、集热器出口温度、集热循环系统水泵的工作状况及阀门的自动开启和关闭等内容;

      (2)池水加热系统应有热源(贮热水)温度、池水回水温度、换热设备被加热水出水温度,以及该系统循环水泵的工作状况及相关阀门的开启和关闭等内容;

      (3)辅助热源系统应有辅助热源的用量、辅助热源的工作状况及相关附件的开启和关闭等内容。

      5)为了保证系统的使用功能和安全运行,应按控制的内容设置相应的电磁阀、温度控制阀、温度传感器、压力控制阀、自动排气阀、安全阀、止回阀等控制元件。其产品应性能优良、质量可靠,抗腐蚀、抗高温、抗老化及电气安全,并能在环境条件较恶劣的情况下均能正常工作。

     6)温度传感器的精度为±1.0℃。

      14.集热器的平面布置和连接

      1)集热器的方位在我国应尽量朝南并在背风处布置。为能获取最大的太阳热能,则太阳光的照射要满足以下要求:光滑材质的集热器应有一定的安装倾角。安装倾角宜按下列原则确定:①如为全年使用时应与当地的纬度相一致;②如偏重于夏季使用时,倾角应为当地纬度减去10°;③如在冬天使用时,倾角应为当地纬度加10

      2)光滑材质的集热器多排布置时,集热器之间的间距应大于日照的间距,以避免相互遮挡,并有足够的安装及维护的操作距离。每排集热器应由相同的规格、型号、尺寸及同一生产厂的产品组合,而且排列需整齐有序。

     3)非光滑材质的集热器是沿屋面布置,虽然它不存在安装倾角的限制,但它的上空应无遮挡,保证能被太阳光照射。

      4)游泳池太阳能供热采用集中供热系统,所需集热面积大,为使其集热器与集热水箱形成完整的循环系统,则应以管道连接它们。但是为了适应不同季节气候条件,一般宜采用并联与串联相组合的连接方式。也可以采用单独分组并联或分组串联的连接方式。为保证集热器进水、出水均衡流动、无死水区、无气阻区、阻力损失基本相等,故集热器的布置和连接应满足如下要求

     (1)每组并联或串联的集热器不宜超过16个单元;

     (2)如集热器单元超过16个时,则通过串联并联组合连接方式实现

     (3)各集热器组之间的连接应采用水流等行程连接方式:如采用水流不等行程连接时,每个集热器的支管上应装设流量平衡阀以调节流量的平衡;

     (4)并联集热器组,各组并联的集热器单元数应相同;

      (5)管道应尽量缩短,不应有死弯,并应在有滞水的部位以0.이1的坡度坡向排出方向,且不得出现反坡情况。管道排列应整齐,但同时还应方便施工安装、保养维护和检修更换;情况;

     (6)多排布置集热器时每排集热器的出口均应装置自动排气阀,以防止出现高温

      (7)集热器之间的连接应采取能够吸纳管道和设备因膨胀或收缩所带来的变形的措施,如装设柔性橡胶接头、波纹管等;

      (8)集热系统管道和相关设备均应进行保温,保温做法可参见给水排水国家标准图图集03S401《管道和设备保温、防结露及电伴热》。

      15.与其他专业的配合与协作

       游泳池太阳能供热系统涉及的专业较多,如太阳能集热器生产专业公司、建筑、结构、电气及供热空调专业等。设计时应统一协调共同进行。

      1)与太阳能专业公司的配合内容:

      (1)索要国家认可的太阳能集热器检测单位出具的产品性能检测报告,其内容为:①太阳能集热器瞬时效率曲线;②单位面积集热器的流量和阻力损失等。

       (2)共同确定集热器面积、集热器布置方式、贮热水箱设置位置、管道井位置、设备安装方式。

       (3)共同确定集热系统形式、运行方式、控制内容及方式等。

       2)与建筑专业的配合的主要内容:

      (1)太阳能供热系统方案应与建筑方案设计同时进行;

      (2)根据当地气候、纬度、日照、场地等条件,提出游泳馆朝向及建筑形式建议;使之不受周围建筑、高大録化树木遮挡;不受油烟、沙尘、落叶污染及覆盖;不对周围环境造成影响的要求建议。使建筑专业设计的建筑物风格组合、外观风格、屋面面积和周围环境和谐统一、新颖别致,又能满足常年运行为主的太阳能供热系统,在春分和秋分的太阳照射时间不少于6h;以春、夏、秋三个季节运行为主的太阳能供热系统,在春分秋分日的太阳照射时间不少于8h;以冬季运行为主的太阳能供热系统,在冬至日的太阳照射时间不少于4h。为此集热器位置应保证日照无遮挡,屋面应无其他设备设施

      (3)共同确认或调整本专业与太阳能设备专业公司关于集热器的布置方式、多排集热器、相互间距、安装方向、安装倾角及最终容许设置的集热器总面积

      (4)共同确认或调整贮热水箱、集热循环水泵、管道井及管道穿屋面位置;

      (5)向建筑专业提出集热器及配套设备施工安装、日常维护检修通道、安全保护护栏等设置要求及建议。

      3)与结构专业的配合内容:

      (1)共同确认与建筑专业商定的各项内容

      (2)本专业应向结构专业提供太阳能设备及配套设备的空载重量、运行重量和位置由结构专业进行屋面荷载的安全验算及计算;

      (3)协同太阳能专业公司向结构专业提供太阳能设备及配套设备安装支撑结构做法建议,以及抗风、抗雪、抗震要求,由结构专业进行强度和刚度的验算,且支撑结构和使用材料的寿命宜与本工程结构使用年限相一致

      (4)本专业根据供货商产品向结构专业提供预埋件、预埋套管、管道支座等位置、规格尺寸和标高

       4)与电气专业的配合内容:

      (1)本专业应向电气专业提供太阳能供热系统用电设备的位置及用电量

       (2)本专业应向电气专业提供太阳能供热系统的具体控制要求

      (3)本专业应要求电气专业对太阳能供热系统的供电设备、设施应设剩余电流保护短路、过载、断电、接地等安全保护措施

      (4)本专业应要求电气专业对屋面较高的部件应做防雷保护5)与采暖空调专业配合的内容:

      (1)太阳能供热系统辅助热源,如蒸汽、高温热水、燃气等的需用量

     (2)要求采暖空调专业将辅助热源引至需要的位置。

 

 

 

 

 

 

 

上一篇

下一篇