分体承压型太阳能热水系统的过热保护

皇明太阳能股份有限公司 ■ 刘洪绪 宋义静 刘忠梅

一 引言

随着消费者生活水平的提高，分体承压热水器逐渐在高端客户中普及。分体式太阳能热水系统以供水量大、可提供多路供水、安装灵活等优点更加能够满足用户的需求。如果不能及时使用水箱的热水，就会造成太阳能热水系统的闲置。分体式太阳能热水系统的集热器主要是玻璃真空集热管，它集热效率高，保温效果好，热量损失小。热水系统在运行过程中，如果长时间停止使用热水，就会导致储水箱内水温过高，出现过热问题。如果储水箱为封闭式承压水箱，由于水受热膨胀的物理性质，高温引起水箱压力迅速增大，存在水箱爆炸的危险。如果热水系统为间接换热的方式，使集热器也处在高温运行状态。温度过高会引起传热介质的大量气化损耗或把循环管路中一些配件烫坏，在集热管里面的铜管在高温时更是氧化腐蚀严重，时间一长就会漏水。同时，水的温度高易形成水垢，对整个系统的运行也会造成不利的影响，最终导致热水系统无法正常运行。本文针对分体承压太阳能热水系统的过热问题提出几种解决方案，以供参考。

二 强制散热法

强制散热法就是在系统的集热管路中并联一个散热装置—散热器（外形类似于空调室外机），散热器不启动时，管路里的循环介质不经过散热器，当集热器的温度到达控制系统设定的保护温度时散热启动，循环介质通过散热器把多余热量散发掉。

原理：如图1所示，在从集热器到水箱的温差循环管道上，安装一个散热器(具体结构见图2)，它由三通换向阀、风机、散热翅片组成，其安装位置在集热器的出口处，散热器是通过控制仪自动控制，当集热器的温度(TC)超过T℃(T值由控制仪任意设置)时 ，管路循环泵、散热器里的风机和三通换向阀同时启动，从集热器里出来的高温循环介质通过三通换向阀A口进入C口，通过散热器里的散热翅片,然后由B口流出最后回流到水箱里的换热器,循环介质的热量通过散热翅片散发到大气中去；当集热器的温度(TC)低于T-△T℃(△T可自由设定，一般取5～10℃范围之内)时，风机和三通换向阀关闭，即C口关闭，从集热器出来的循环介质将不通过散热翅片由三通换向阀A口直接到B口，然后回流到水箱里的换热器，给水箱里的水加热。此种过热保护法较为安全，但是成本增加较大，散热器成本约800～1000元。

三 自然散热法

自然散热法区别于强制散热法，它不用控制仪及循环泵，不使用常规能源，机械式自然散热。在水箱的顶部或在循环管道上安装一个散热器，此散热器可以是散热盘管也可以是翅片管或金属容器。水箱自然散热方案结构如图3所示，散热器的进水口与水箱连接处安装一个常闭型温控直通阀，在水箱达到设定的散热温度时此阀打开，热水自然从此管道进入散热器，在散热器内冷却后从另一管道回流到水箱，当水箱温度低于温控阀关闭温度时，阀门关闭，从而完成散热过程。在散热器与水箱连接的另一条管道上安装一个S型回水管，防止在非散热时间内热水从回水管流道散热器。集热器散热方案如图4所示，散热器在集热循环管道上安装一个散热器，类型可以是翅片管、盘管、散热片等，原理同在水箱上一样，利用常闭型温控阀的开启与关闭来完成集热循环的散热，达到散热的目的。

四 防过热水箱法

防过热水箱法就是在水箱保温层内加入防过热模块，模块分别与内胆与外皮接触，在低温段模块呈固体状态，相当于内胆保温层。该模块利用低温相变材料的相变来完成散热，相变材料的相变温度点在水箱的过热保护温度范围内，实现水箱的高温散热和低温保温功能(保温和散热)。

原理：如图5所示，家用热水器热水温度一般不超过75℃，当水箱的温度超过80℃(假设相变材料相变点是80℃)时，内胆的热量传递给防过热模块，模块内部的相变材料开始相变成液态，使水箱内的水与外界空气进行对流散热，水箱在高温下的散热速度取决于你设计模块的面积大小，确保水箱温度不高于80℃；当水箱内的温度小于80℃时，防过热块内部相变材料转化为固态，又具有了良好的保温性能。 此种方法是对集热器温度不加控制，集热器温度升高后，就把热量输送给水箱，水箱温度过高后，就通过防过热块把热量散失掉，水箱在外观上与普通水箱没有差异，从外观上看不出带有散热功能，有较大的隐蔽性。防过热块同时还有蓄热的作用，在高温时，吸收大量热量，在水箱温度降下来后，又把蓄热的热量传送给水箱。

五 防过热集热管法

常规真空集热管由于吸收比高、热损小，如果空晒或闷晒时温度过高，会造成系统损坏。防过热真空管法就是在不改变集热管的真空度、真空品质与吸收比的情况下改变集热管在高温状态下的发射比与热损，即集热管在高温设定值时吸热与放热平衡，使集热管温度不过热，从而解决系统过热的问题。防过热集热器在不同的应用场合和不同的设计要求，可调节出不同的吸热与放热的平衡点，这种方法不需增加多余设备或配件，也不需增加成本的投入，通过调整集热管膜层的材料、厚度等，使膜层的电阻率发生变化，达到所需膜层发射比，实现防止集热器过热的目的，可见这是解决过热问题最直接有效、最经济的方法。防过热集热管在应用中效果显著，但是本身的性能参数与国标GB/T 17049《全玻璃真空太阳集热管》中对发射比、热损的要求是有差异的，在参照标准上需要注明与国标的相符性，或在国家质监局做标准备案。

六 综合法

实际应用中一般采用双保险的综合法式即散热器和T/P阀(T/P阀即温度压力安全阀，安装在水箱的上部保护水箱，在额定的温度和压力下工作)双重保护，以防散热器或T/P阀单一失灵。过热保护启动顺序一般是散热器首先启动，在散热器不能把集热器收集的热量散发出去时，水箱温度继续升高，达到T/P阀的设定温度时，T/P阀开启，将多余的热量排放掉，从而达到保护的目的。综合法是一种安全的过热保护方法，受到人们的青睐。