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分析新型微热管平板防冻性能
2016-7-7

  1太阳能热水系统常用防冻方法

  1.1管路排空防冻

  管路排空防冻是当集热器管路可能会有冻结发生时,通过控制装置将太阳能集热系统中的水排空。但目前应用的集热器大都无法做到全排空,以平板太阳能集热器为例,其结构为集排管形式(如图1所示),排管管径较小(一般为8mm左右),集管管径较大(一般为22mm左右),集热器内管道粗细变化多,不可能形成真正的同平面,所以无法做到全排空,系统内存水是必然的。

  且铜管管壁很薄(一般在0.4mm-0.6mm之间),当室外温度低于0℃时,一但存水结冰,管子很容易冻裂,造成整块集热器损坏,进而影响整个热水系统的运行。有些玻璃真空管系统也采用全力排空,即是牺牲集热性能的无奈之举。因为玻璃管是通过水的对流集热的,必须有一定倾斜度才有效。为了能排空水,玻璃管要么横置,要么反向斜置,这都会大大降低其集热效率。

  1.2防冻液二次换热防冻

  太阳能热水系统防冻的主流是防冻液二次换热、防冻法。该方法是将循环管路内的介质替换为防冻液,与储热保温水箱进行二次换热。由于防冻液通常带有腐蚀性,因此系统采用的热交换器一般需用双层结构以免污染生活热水或防止生活热水进入防冻液对防冻液的供能产生影响,并且防冻液需根据生产商要求定期更换。因此,系统的成本及维护费用大大增加。另外,二次换热系统将导致系统热效率降低。而白天集热系统启动时防冻液预热同样需要消耗太阳能,进一步降低了系统的集热效率。

  1.3管路循环防冻

  管路循环防冻是在管道内水温低于一定数值时,自动开启循环泵,将太阳能保温水箱内水温较高的热水换入管道内,以保障管道内的水温不低于冰点。

  该方法用于防冻的额外电能损耗较大,经济性较低的地区。在寒冷地区,出现控制故障或断电情况下,防冻系统自动瘫痪,整个太阳能管道将面临冻裂的巨大风险。

  1.4伴热带防冻

  电伴热采用电加热的形式保持管道温度,主要用于玻璃管系统的防冻。但该方法耗电,因而很不经济,且存在安全隐患,电接头老化易引起火灾。

  综上所述,针对目前太阳能热水系统冬季结冻问题,尽管已有多种解决方法,但都存在缺点,不能从根本上解决。

  2基于微热管阵列新型平板太阳能集热系统防冻方法及其分析

  微热管阵列平板太阳能集热器系统,因微热管阵列可耐-100℃以下低温,板芯有好的抗冻能力。同时,独特的干式接触式换热水管(唯一一根承压主管)既能抗冻(满水状态可抗-15℃低温),更容易做到全排空防冻,无需使用防冻液,将其应用于太阳能热水系统中,可克服目前广泛应用的太阳能集热器系统中相应的抗冻能力差、效率低、维护成本高等缺点和问题。

  图2为基于微热管技术的新型平板太阳能集热器系统某日的热性能测试结果,该系统由2m2集热器与160L保温水箱组成。由图a可知,水箱内水温持续升高,15:30时达到最大值50.5℃。即使在太阳辐射强度与环境温度较低(08:00-09:00)的情况下,水温仍升高较快,说明微热管阵列在较低温度下仍能启动,集热器运行良好。

  由图b可知,热水系统的有效得热量与逐时效率均有先增大再减小的趋势,在12:00左右,有效得热量达到最大值2.2MJ,而在10:30左右,逐时效率达到最大值74.9%。经计算,测试热水系统的日有效得热量为11.3MJ/m2,优于国家标准要求值61.4%。当日日平均效率为66.1%。

  可见,基于微热管阵列的平板太阳能热水器系统性能优异。目前,该系统已在内蒙古、青海、新疆、黑龙江等极端寒冷地域、海南等高温气候地域以及全国各地得到了广泛的应用(最长已有缘年以上)。在北京工业大学的长时间连续实验跟踪检测(2008年3月开始至今)及实际应用结果表明,集热器性能稳定可靠。

  3结论

  本文在分析现有太阳能热水系统优缺点的基础上,介绍了基于微热管阵列的太阳能集热器的热水系统与性能,实践表明:基于微热管阵列技术的平板太阳能热水系统具有抗冻性能好、承压能力强、无炸裂、质轻、易与建筑相结合等特点。具有国际领先的抗冻性能,该系统可克服目前太阳能热水系统抗冻能力差、效率低、维护成本高等问题,是真正具有免维护或很少维护的太阳能集热系统。


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