太陽能熱水系統中U型管集熱器與平板集熱器對比分析

一、太陽能熱水器過熱、過壓保護

傳統的分體式太陽能熱水器多采用U形管集熱器或熱管型集熱器,以上兩種集熱器由於採用玻璃外管(如下圖),內部呈真空狀態,所以極易產生過熱現象。

太陽能熱水系統中U型管集熱器與平板集熱器對比分析

U型管集熱器結構

過熱造成的危害一般是兩方面:一是由於新房交工、裝修期間或用戶不使用期間極易造成集熱器空曬,致使集熱器吸熱翅片溫度超過160℃時產生氧化,因而損壞集熱器或大大縮短其使用壽命和集熱效率;二是水箱溫度過熱易造成燙傷、過壓或水箱內膽搪瓷層脫落或開裂,因為造成水箱內膽損壞。目前,電熱水器的國家標準中規定,最高溫度不允許超過75℃的原因也是基於以上原因。

綜合上述因素,我公司推薦本項目使用平板分體式太陽能熱水器。平板集熱器是一項很成熟的技術,在國外的市場佔有率高達75%以上,在國內由於其價格較高,所以佔有率較低。平板集熱器的優點一是在低溫熱水(60℃)應用中效率最高,平均熱性能高於其它類型集熱器10%以上;二是不會產生高溫,因平板集熱器不能採用真空工藝,所以在高溫狀態下其熱損較大,故系統不會有高溫、超壓現象;三是安全,相比真空管型集熱器,無炸管、漏水等安全隱患。

二、市場情況

目前我國太陽能集熱器產品中,佔絕對主導地位的全玻璃真空管集熱器,其在與建築物的結合方面卻存在一系列問題:

1、運行安全問題:玻璃管直接與被加熱的流體接觸,由於玻璃管易破碎,極易造成系統癱瘓。

2、密封可靠性問題:玻璃管與金屬水箱密封只能靠硅膠圈,對硅膠耐溫、耐老化的要求極高,稍有不慎會漏水;玻璃管中也易形成水垢,很難清除;室外管道在北方也存在凍裂的隱患,等等。都影響系統的可靠性。

3、承壓運行問題:由於真空管本身的耐壓能力限制,以及真空管與水箱之間的軟連接結構,使得系統不能承壓運行,無法提供高品質的熱水,限制了該類熱水器的進一步推廣和大面積系統的應用。

4、與建築結合問題:現在的太陽能熱水器在建築上安裝極為混亂,排列無序,給建築景觀、建築安全性都帶來了不利影響。

5、集熱器壽命問題——玻璃管的絕熱性能依賴真空夾層,真空度的保持年限無法達到建築行業要求。

基於以上原因我們認為在七層以上的住宅和別墅複式建築,可採用分體承壓式太陽能熱水器,分體承壓式太陽熱水器是一種間接式熱交換的分離式承壓熱水系統。分體承壓式太陽能熱水器基本可與建築進行結合,分體承壓式太陽熱水器與建築的結合主要是集熱器與建築的結合,主要採取牆壁、陽臺、窗間牆、南坡屋面等安裝等幾種情況。

目前市場上生產及銷售的“分體式太陽熱水器”很多,選型、材質、效果差別很大,比較集中的有以下分類:

按集熱器分類有:平板型、全玻璃管-U型管型、全玻璃管-熱管。

按運行介質分類有:水、普通防凍液、太陽能專用導熱液。

三、各類分體式太陽能熱水器分析

1、平板式。平板式分體熱水器採用平板型集熱器,該集熱器一般採用磷脫氧銅管制成全銅金屬流道。平板集熱器承壓性能好,可使系統運行穩定,在平板集熱器中,工質(即太陽能專用導熱液)在金屬流道內流動,不接觸玻璃蓋板,不會出現因驟冷、驟熱引起暴管導致系統癱瘓。平板集熱器可以實現緊湊式或無間隙安裝,在生產熱水的同時,還具有保溫、隔熱、遮光、防水的傳統屋面、立面的功能,這就為取代部分或全部屋面、立面建築構件提供了基礎,並且集熱器形狀結構可靈活設計,尺寸可與建築材料的模式和建築結構達到較好的相容性。

平板集熱器可以比真空管集熱器的日有用得熱量高,究其原因主要由兩個:

第一,在相同的集熱器總面積情況下,平板集熱器的吸熱體面積要比真空管集熱器的吸熱體面積大,而對於安裝在民用建築上的太陽能熱水系統,集熱器總面積決定了集熱器在建築圍護結構中佔據的實際空間大小,因而是建築師們最關心的參數;平板集熱器每平方米有效採光面積為0.92平方米,而真空管集熱器每平方米有效採光面積為0.55平方米。平板集熱器一般採用先進的鍍黑鉻塗層,其吸收比為93%-95%,發射比為9%-10%。真空管集熱器中主要品牌的真空管質量可靠,其吸收比大於90%,發射比大於6%。

第二,在太陽熱水器的運行溫度內,平板集熱器的瞬時效率可以比真空管集熱器高,因為平板集熱器效率曲線的截距高、斜率大,真空管集熱器效率曲線的截距低、斜率小。這樣兩條斜率曲線必有一個交點,而在生活熱水溫度條件下,集熱器往往是在這個交點的左邊區域內運行,此時平板集熱器的效率高於真空管集熱器的效率。正因為這些原因,國外90%以上的太陽能熱水系統都採用平板太陽能集熱器,即使在冬季十分寒冷的丹麥、瑞典等北歐國家也不例外。

太陽能熱水系統中U型管集熱器與平板集熱器對比分析

平板集熱器

2、全玻璃管-U型管,全玻璃真空管-U型管集熱器是在全玻璃真空管中插入彎成U型的金屬管,在U型金屬管和全玻璃真空管之間,有與二者均緊密接觸的金屬翅片,擔負二者之間的熱傳導工作,被加熱流體在金屬管中流過,吸收全玻璃真空管收集的太陽能熱量而被加熱,從而構成U型管-真空管太陽能集熱器。價格相對便宜、安裝強度低,但由於自身結構的問題,換熱阻力大,效率低。並由於外層全玻璃管的可靠性差,有安全隱患,尤其是放在陽臺上,一旦炸管或遭到樓上墜物破損,對下面的行人容易造成人身傷害。

太陽能熱水系統中U型管集熱器與平板集熱器對比分析

全玻璃U型管集熱器

3、全玻璃管-熱管,熱管是一種高效導熱元件,安裝在全玻璃真空管中。熱管和玻璃真空管之間有與二者緊密接觸的金屬翅片,將玻璃管轉換的太陽能熱量傳導給熱管蒸發段,熱管再利用內部真空狀態下工質的蒸發吸熱和放熱冷凝,將這一熱量傳導到被加熱流體中。具有在低溫環境中散熱少,加熱工質溫度高的優點,但同時熱管-真空管集熱器的缺點是熱量轉換帶來一定的熱效率降低,同時有雙真空結構所帶來的結構複雜及造價高問題。另外,其外層還是全玻璃管,強度低,同樣存在很大的安全隱患,利用率比較低。

太陽能熱水系統中U型管集熱器與平板集熱器對比分析

熱管內部結構

4、水直接循環比防凍液循環效率要高,但是結垢的問題無法避免。所以,即使用防凍液二次循環效率低一些,卻換來了永不結垢,但目前市面上普通防凍液帶有腐蝕性,其壽命受限。因此我們推薦採用太陽能專用導熱液,熱效率明顯提高。


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