太阳能建筑一体化原理与应 课件 第7章太阳能集热系统

太阳能建筑一体化原理与应用第七章

太阳能热水集热系统7.1集热系统形式太阳能热水集热系统通常是由集热器、储热水箱、循环管路、水泵、阀门及其控制元件等主要设备、部件所组成。根据需要还可以加配辅助热源，以弥补太阳能集热量的不足。7.1集热系统形式1.集热系统的分类（1）直接式系统和间接式系统按太阳能集热系统与用热系统（负荷）的关系划分：①直接式系统(也称一次循环系统)是指在太阳集热环路与负荷直接连接的系统，集热环路的工作介质直接进入用热装置。图7-1直接式系统7.1集热系统形式②间接式系统(也称二次循环系统)是指在太阳集热器中加热某种传热工质，再利用该传热工质通过热交换器把热量传递给负荷系统，集热环路的工作介质与用热环路是分开的，因此可以使用不同的工质。图7-2间接式系统7.1集热系统形式（2）自然循环系统和强制循环系统按太阳能集热系统动力划分：①自然循环系统是指太阳能集热系统仅利用系统中传热工质温度差产生的作用压力进行循环的太阳能热水系统。这种系统一般规模较小或者是单个的太阳能热水器。要保证系统的正常运行，储热水箱要高于集热器的位置。图7-3自然循环系统7.1集热系统形式②强制循环系统是指利用泵、风机等外部动力迫使传热工质通过集热器进行循环的太阳能集热系统。直接式系统和间接式系统均为强制循环系统。图7-1直接式系统图7-2间接式系统7.1集热系统形式（3）排回系统在直接式、间接式系统中集热器和集热环路管道内始终充满传热工质。排回系统是传热工质在泵停止运行时由集热器回流到排回水箱，而在泵重新开启时又流入集热器的系统。需要注意的是，集热水泵的出口端不能装设止回阀。图7-4排回系统7.2辅助热源1.辅助热源位置图7-5辅助热源所在的位置A.辅助热源在水箱内B.在水箱出口管路C.在旁通管上

多数气候条件下，由于可能有持续的阴天或雨雪天，仅靠设置储热装置难以保证稳定可靠的供热，因此需要设置辅助热源来提供高可靠性和供热连续性。7.2辅助热源（1）A.辅助热源在水箱内辅助热源提供的热能可以供应到储热水箱中。辅助加热量由水箱顶部的恒温器控制，该恒温器将水箱顶部的温度保持在高于最小设定值的位置。当在太阳能系统中使用这样的水箱时，通常的做法是尽量禁用较低位置的加热器，使水箱的下三分之二基本上是储存集热器提供的热量，而水箱的上三分之一是储存辅助加热量。优点简单、便宜缺点增加水箱底部的水的温度，进而增加集热器入口温度，减少太阳能集热量7.2辅助热源（2）B.辅助热源在水箱出口管路上（串联）辅助热源加热水箱的出水，从而“补充”太阳能不足的部分。这就需要一个与太阳能储热水箱分开的加热器。该加热器可以是一个简单的管道式加热器，也可以是一个具有自身存储容量的传统水加热器。调节辅助加热量，以保持来自辅助加热器的出口温度在一个所需的水平。优点利用最大可能的太阳能，不提高集热器的温度缺点若辅助热源有存储容量，则会产生额外热损失。若辅助加热器没有储热装置，则其加热量需满足瞬时最大用热负荷，则使其额定供热功率变大7.2辅助热源（3）C.辅助热源在旁通管上（并联）优点运行控制简单缺点不能充分利用储热水箱储存的集热量绕过储热水箱直接加热进水，不利用水箱里蓄存的集热量。若要使用低温太阳能热水，辅助加热水必须显著高于设定的温度，这需要辅助热源具有很好的出水温度与流量的调节能力。7.2辅助热源2.辅助加热设备与太阳能热泵系统辅助加热设备一般应具有可靠、稳定、调节方便等特点，主要有电加热器、锅炉和太阳能热泵系统等。（1）电加热器：将电能转化为热能（2）锅炉：利用燃料（如煤、油、气等）燃烧产生的热量来加热热水或空气优点加热速度快、加热温度高、调节灵活，初投资较低缺点电加热费用比较高，长期运行下成本高优点供热的热效率较高，能够提供稳定的供热效果，调节方便缺点供热需要天然气或液化石油气，会产生污染，费用高7.2辅助热源（3）太阳能热泵系统太阳能热泵供热系统就是将太阳能集热系统和热泵组合成一个系统，进行供热。根据太阳能集热器与热泵的相对位置，太阳能热泵系统可分为：串联系统并联系统双源系统7.2辅助热源Ⅰ.串联系统由太阳能集热器、换热器、热泵和储水箱等部件组成的，以水或者防冻液作为太阳能集热器的传热介质。图7-6串联式太阳能热泵系统太阳能集热循环与热泵循环通过蒸发器串联，蒸发器热源全部来自太阳能集热循环所吸收的热量；太阳能集热器提供的热量供给热泵蒸发器，通过热泵达到所需的供热温度。7.2辅助热源直接膨胀式太阳能热泵系统：太阳能集热器与热泵蒸发器结合为集热/蒸发器，低沸点工质作为太阳能集热器的传热介质。1.

集热/蒸发器中，太阳能加热低沸点工质使其蒸发；2.

工质蒸气经压缩机升压升温，进入冷凝器放热，加热水箱中的水，使之达到供热所需要的温度；3.

工质蒸气冷凝为液体，经膨胀阀回到集热/蒸发器，完成循环。7.2辅助热源节省换热设备，结构更为紧凑，安装更为方便，适用于小型家用太阳能系统。太阳能集热器的工作温度与热泵的蒸发温度保持一致，且与室外温度的温差小，因而集热器的散热损失小。太阳辐射小，热泵蒸发器获取的热量只能来自集热器，使得热泵的供热能力受限，需另设辅助热源保证供热。由于集热/蒸发器存在热泵工质的充注量及泄漏问题，因而直接膨胀式不适用于大型的太阳能供热系统。直接膨胀式太阳能热泵系统的优点：缺点：7.2辅助热源Ⅱ.并联系统太阳能集热循环与热泵循环并联。一般太阳辐射充足时，用太阳能集热循环提供热量，而热泵循环作为太阳能集热循环不满足供热需求时的辅助热源。这时热泵一般为空气源热泵。图7-8并联式太阳能热泵系统7.2辅助热源Ⅲ.双源系统热泵采用双蒸发器，一个蒸发器由太阳能集热器提供热量，另一个从其他热源取热。可实现三种工况的切换和运行：1）集热器出水温度较高，集热器直接供热；2）集热器出水温度较低，集热器与热泵串联式运行；3）在太阳辐照不足的情况下，启用热泵从其他热源取热。图7-9双源式太阳能热泵系统7.3集热环路设计1.集热器的连接集热器连接成集热系统的方式：串联、并联、混联。图7-10（a）同程连接在实际工程中，集热器一般采用并联方式，且每组集热器集热器数目不宜超过16个或总面积不宜超过32m2。为保证各集热器组的水力平衡，各集热器组之间的连接推荐采用同程连接。7.3集热环路设计当采用异程连接时，每个集热器组的支路上应该增加平衡阀来调节流量平衡。图7-10（b）异程连接集热器组并联：各集热组含的集热器数一般应该相同串联：个数也不宜超过三个7.3集热环路设计2.集热器的布置（1）集热器安装方位角和倾角①宜朝向正南放置，但偏东或者偏西30°之内都可接受；②全年使用：安装倾角宜取与当地维度相等；偏重于冬季使用：倾角应比当地纬度大10°；偏重于夏季使用：倾角应比当地纬度小10°。7.3集热环路设计（2）集热器前后排间距①集热器顺着屋顶坡向安装或组成一排时，之间无遮挡，留出安装间距和检修空间，不需计算日照间距。②两排或两排以上集热器安装时，应尽量避免相互遮挡。7.3集热环路设计集热器前后排之间的日照间距：S——日照间距(m)；H——前排集热器的高度(m)；αs——计算时刻的太阳高度角，γ0——集热器方位角γ与太阳方位角γs之差，集热器的方位角与太阳方位角都是朝东为负数，朝西为正数，正南为0。αs的计算时刻的选取原则如下：a.全年运行系统：选春分/秋分日的9：00或15：00；b.主要在春、夏、秋三季运行的系统：选春分/秋分日的8：00或16：00；c.主要在冬季运行的系统：

选冬至日的10：00或14：00；d.集热器安装方位为南偏东时，选上午时刻；南偏西时，选下午时刻。7.3集热环路设计3.集热环路设计流量（1）设计集热环路流量时有两种方法：高流量系统低流量系统集热器环路中每m2集热器面积的流量q约为50L/(m2·h)，集热器内的温升约为5-10℃。集热器环路中每m2集热器面积的流量q约为10-15L/(m2·h)，集热器内的温升约为10-20℃。可能导致从管道中进入水箱的水和水箱内的水混合，使水箱的温度分层效果下降。增加水箱温度分层，降低集热器入口温度，使集热系统热性能的提高。减少回路中管道的尺寸和泵的电力消耗，管道初投资和运行费用降低。7.3集热环路设计（2）太阳能集热系统的流量qs集热器单位面积流量乘以太阳能集热器总面积就可以得到太阳能集热系统的流量，即：A——集热系统集热器总面积整个太阳能集热环路中，各管路的设计流量也可以根据其负责的集热器面积计算出来。7.3集热环路设计（3）集热管路的设计①循环管路应按1.0~1.2m/s的设计流速选取其管径；②为了减少系统的流动阻力，循环管路应尽量短且少弯；③集热器的循环管路应有0.3%~0.5%的坡度，以便排除系统内的空气；④

在自然循环系统中，应使循环管路朝储水箱方向有向上坡度，不允许有反坡；⑤

在循环管路中易发气塞的位置应设有排气阀。7.3集热环路设计4.集热系统运行控制太阳能集热器通常采用开关控制和比例控制。对于比例控制，通过控制泵的转速使集热器出口保持一定（1）比例控制器：将集热器出口温度或通过集热器的温升维持在或接近预定值。温度传感器控制泵的转速。可获得更高的出口温度。但如果水箱能实现温度分层，使用比例控制产生的流量减少可能会改善温度分层和系统热性能。开关控制器根据集热器是否获得有用的热输出来决定循环泵的开停比例控制器通过控制泵的转速使集热器出口保持一定的温度水平7.3集热环路设计4.集热系统运行控制太阳能集热器通常采用开关控制和比例控制。开关控制器比例控制器根据集热器是否获得有用的热输出来决定循环泵的开停通过控制泵的转速使集热器出口保持一定的温度水平7.3集热环路设计（1）开关控制方案（温差循环控制）需要两个温度传感器：S2布置在储热装置的底部，测得温度为Ti；S1在集热器出口处的吸热板（或集热器出口附近的管道），测得温度为Tp。图7-13温差循环控制7.3集热环路设计当集热泵关闭时，集热器输出为零，吸热板达到一个平衡温度：当Tp等于Ti+∆Ton时，S的值为：当泵开启的时候，有用得热量为：当式中的Son被式(7-4)替代时，变为：（7-3）（7-4）（7-5）（7-5）7.3集热环路设计出口温度可按照下式计算获得(To−Ti)即为当流体流动时控制器测得的温度差。为了保证系统的稳定运行，停止运行的标准必须满足下列不等式：等号表示系统刚启动就满足停止的条件，此时泵频繁开启和关闭，因此只有在式（7-8）的左边明显小于右边时，系统才能稳定运行一段时间。（7-7）（7-8）7.3集热环路设计打开标准远大于关闭标准，即比值远大于1。仅当有用得热量的价值超过泵送成本时，泵才启动运行。工程中，∆Ton一般设置为8-10℃，而∆Toff一般为2-4℃。即使满足式(7-8)的标准，也可能发生启停震荡。清晨，储热装置与集热器间管道内流体温度低于储热装置底部。泵初次启动时，冷流体进入集热器，致出口传感器检测温度偏低，控制器会关闭泵；待集热器内流体升温至适宜温度，泵将再次开启。尽管这会造成泵和电机的磨损，但这是将集热器和入口管道中的流体加热至适当温度的有效方法。7.4防冻、防过热问题1.防冻问题以水为介质的太阳能集热系统，其室外集热器与管道在寒冬易因积水结冰膨胀而损坏，高寒地区尤甚，需针对性设置防冻措施以保障系统越冬。常用的防冻措施：（1）通过蓄热水箱的水循环来防冻（2）使用防冻液（3）排回防冻保护（4）防冻集热器+室外管路上敷设自限式电热带7.4防冻、防过热问题（1）通过蓄热水箱的水循环来防冻在强制循环的直接式系统中，在集热器吸热体的下部或室外环境温度最低处的管路上埋置温度传感器，接至控制器。当集热器内或室外管路中的水温接近冻结温度(比如3℃~4℃)时，控制器打开电源启动循环水泵，将储水箱内的热水送往集热器，使集热器和管路中的水温升高。当集热器或管路中的水温升高到某设定值(或当水泵运转某设定时段)时，控制器关断电源，循环水泵停止工作。优点循环防冻措施投资较小缺点停电将无法使用，造成结冰冻坏；寒冷地区仍可能结冰；防冻循环时集热器成了散热器，会将大量热量散失掉7.4防冻、防过热问题（2）使用防冻液在集热环路采用防冻液，通过换热器把集热环路与用热环路分开。管路系统中常用的防冻剂主要为乙二醇或者丙二醇和水组成的防冻液。这种防冻方法只能用于间接系统。优点具有较高的可靠性，适用于寒冷和严寒气候区缺点防冻液存在挥发等损耗情况，在冬季需对回路内的防冻液含量进行定期检查，以防止防冻液耗尽造成结冰等事故7.4防冻、防过热问题（3）排回防冻保护水作为传热工质。将水排至非冻结环境的回水箱，可防止循环泵停机或停电时系统冻结。集热环路工质量大的排水系统，能在夜间回收工质储存热能，减少管路与集热器的夜间热损失，显著提升系统效率。图7-14排回系统中集热器安装优点简单可靠，不需增设其他设备缺点系统中的循环水泵要有较高的扬程7.4防冻、防过热问题关于排回系统需要注意以下几个方面：可采用闭式系统（管内液体与大气不相通）或开式系统（设通气管使管内液体与大气相通）。闭式无需补水，且能避免空气进入集热回路腐蚀管道设备。水箱容积要略大于集热回路的容水量。集热器及连接管道需特殊设计，回水箱需低于室外集热器与管路，确保停机时水可排空。附近必须有供暖空间来放置泵和排回水箱。设计需兼顾动压损失（管道摩擦所致）与静压损失（回水箱液面至集热器顶部高度差所致）。7.4防冻、防过热问题（4）防冻集热器+室外管路上敷设自限式电热带①

防冻集热器集热器需置于室外，选用防冻型集热器可避免严冬冻损。热管式真空管集热器、内插热管的全玻璃真空管集热器均属此类，因其热水不直接进入真空管，玻璃罩管不接触水，且热管工质容量小，即便在零下几十摄氏度环境中也不易冻坏。7.4防冻、防过热问题②

室外管路上敷设自限式电热带自然/强制循环直接系统中，可在室外易结冰管路敷设自限式电热带防冻。其原理为：电热带附近设热敏电阻并接入电路，通电后加热管路水的同时使热敏电阻升温、电阻增大，电阻达阈值时电路中断，电热带停转降温；该过程反复循环，既防管路水结冰，又避免电热带过热风险。此方法需消耗电能，但在严寒地区行之有效。7.4防冻、防过热问题2.防过热问题夏季太阳辐射强且无/低用热负荷时，集热量远超用热量，系统水温持续升高，若时长过久，工质温度、压力易超允许值，导致系统损坏或安全事故。具体危害如下：A.高温加速非金属材料（橡胶垫圈、密封材料）老化，引发管道密封不严、漏水；还可能损伤集热器（如真空管选择性涂层脱落），缩短使用寿命、降低性能；B.工质汽化产生蒸汽，可能阻塞液流致系统停运；压力过高还会造成管道/设备爆裂，引发安全事故；C.若工质为乙二醇等防冻液，温度超115℃时会分解，产生强腐蚀性物质。7.4防冻、防过热问题几种常用的防止过热的措施：（1）遮阳在太阳能集热器上方加装遮阳板或覆盖遮阳布，可减少阳光直射，直接有效避免集热器过热。目前主流为电动控制遮阳：当系统温度达设定限值时，通过网布、卷帘等隔绝太阳辐射；但该方式依赖电力（停电失效）、成本高、机械故障多、售后繁琐，且遮盖物需具备抗风、耐候性，实际应用较少。7.4防冻、防过热问题（2）在集热环路中设置散热装置在水箱内置换热盘管或外置板式换热器，并连接冷却装置。当系统温度超设定上限时，水泵启动，热水进入闭式冷却装置（以室外空气为介质）散热，降温后回流至集热系统循环，实现控温。图7-15集热环路中设置散热装置7.4防冻、防过热问题（3）排回系统排回系统在贮水箱水温超过设定的最高温度时关闭水泵，传热工质排回，使集热器进入空晒状态。集热系统不再加热水箱，从而避免水箱温度升高或沸腾造成系统部件的损坏。缺点是集热器处于空晒状态，集热器内的吸热体温度很高，尤其是真空管集热器，温度有时能超过200℃，这可能导致选择性吸收涂层脱落，对集热器造成损伤。（4）欧洲新型过热保护方案7.5部件对热性能的影响1.集热器管道损失影响分析太阳能系统中，进出集热器的管道造成的损失比较大。用修正的集热器UL值和（τα）值,来体现管道热损失的影响。①流体以温度Ti进入管道；②因环境温度Ta<Ti，发生热损失，进入集热器前温度下降ΔTi；③流体经集热器加热后达到出口温度；④流经出口管道时与环境发生热损失，温度又降低到To图7-16通过管道集热系统的流体温度变化7.5部件对热性能的影响从能量平衡知道，这种管道-集热器系统获得的有用得热量可以用下式表示：获得能量也可以表示成集热器获取的能量减去管段热损失：管段热损失就等于从入口到出口管段的全部损失，并用下列式子表示：式中Ud是管段的热损失系数。式中Ai和Ao分别是入口和出口管段的损失面积。（7-9）（7-10）（7-11）7.5部件对热性能的影响对于一个设计非常好的系统，管段损失应该是非常小的，因此积分解可以近似用进出口的温度表示：式中Ai和Ao分别是入口和出口管段的损失面积。联立方程(7-10)和方程(7-12)，热损失就可以用有用得热量和进口流体温度来表示：（7-12）（7-13）7.5部件对热性能的影响由于集热器入口侧热损失造成的温度减少量∆Ti，可以近似的表示成下式：将方程(7-13)、(7-14)代入到方程(7-10)，管道-集热器系统的有用得热量可以表示成下式：（7-14）（7-15）7.5部件对热性能的影响通过定义（τα）和UL的修正值，方程(7-15)可以写成普通的集热器方程：上式中有：和（7-16）（7-17）（7-18）7.5部件对热性能的影响2.串联集热器的分析集热器阵列的模块可采用串联、并联或混联方式连接，其整体性能取决于排列形式、流体流量及各模块入口温度。对于串联的集热器模块，

提出了有用得热量的计算方法。分析中两个集热器的性能参数可以不同，但每个集热器的两个特征参数都要给定。图7-17串联和并联的集热器模块示意图7.5部件对热性能的影响串联后有用得热量为：其中Ti是这对集热器的入口温度；To,1是第二个集热器的入口温度，即第一个集热器的出口温度。联立上面两方程消掉其中的To,1，相串联的两个集热器的有效集热量即为：K的值为：（7-19）（7-20）（7-21）（7-22）7.5部件对热性能的影响分析方程（7-21）后，发现可以把两个串联的集热器看作单个集热器，这个集热器有下列特征：若串联3个及以上集热器，可将前两个整合为一个等效集热器，第三个即作为新的“第二个集热器”，此方法适用于多台集热器串联的计算场景。实际应用中，集热器串联数量通常不超过3台。（7-23）（7-24）（7-25）7.5部件对热性能的影响如果这两个集热器是完全一样的，方程（7-24）和（7-25）可以简化成下列式子：对于N个相同的集热器串联的情况，Onketal.（1979）已经表明方程（7-24）和（7-25）可以重复应用，结果如下所示：（7-26）（7-27）（7-28）（7-29）7.5部件对热性能的影响3.换热器的影响分析如图7-18所示的间接式系统，集热器与储热装置之间设有热交换器，要分析换热器对系统性能的影响。1975年，deWinter采用修正的FR值，使得集热器和热交换器结合后的有用得热量的表达形式如同仅仅使用集热器一样。图7-18集热器与储热装置之间有热交换器的液体系统示意图7.5部件对热性能的影响用效能系数ε表达热交换性能：式中(mCP