水垢對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)的危害及解決措施

皇明太陽能股份有限公司 ■ 梁篤榮

0 引言

隨著化石燃料不斷減少、價(jià)格不斷提升及人類生存環(huán)境不斷惡化，各國對(duì)節(jié)能、減排的指標(biāo)越發(fā)重視。我國在“十二五”期間對(duì)各級(jí)政府的考核指標(biāo)調(diào)整，將節(jié)能減排作為重要的考核目標(biāo)。太陽能作為可再生能源市場推廣最為成熟的新能源之一，越來越受到各級(jí)政府的重視和推廣。

太陽能光熱系統(tǒng)在推廣過程中，由于人們對(duì)太陽能的期望值過高，對(duì)系統(tǒng)不了解，形成太陽能不僅節(jié)能且免維護(hù)的觀念，大部分用戶在安裝太陽能熱水系統(tǒng)后，僅關(guān)心太陽能熱水系統(tǒng)的產(chǎn)熱量而不重視系統(tǒng)的維護(hù)，為此造成太陽能熱水系統(tǒng)故障多、壽命短等現(xiàn)象。在影響太陽能熱水系統(tǒng)工程運(yùn)行的因素中，水垢的危害特別嚴(yán)重，且未受到設(shè)計(jì)、安裝、設(shè)備管理人員的足夠重視。

對(duì)于太陽能光熱系統(tǒng)中水質(zhì)的要求在現(xiàn)有規(guī)范中未引起足夠重視，但在實(shí)際應(yīng)用中，水質(zhì)總硬度大小對(duì)太陽能光熱系統(tǒng)中各設(shè)備影響極大。水垢易造成集熱系統(tǒng)的效率降低、管路堵塞、閥門關(guān)閉不嚴(yán)等方面的影響。在開式系統(tǒng)中，由于集熱器絕大部分采用全玻璃真空集熱管，水垢的大量吸附會(huì)造成真空管炸裂，或連接件中的水垢堵塞造成集熱器局部產(chǎn)生高壓而發(fā)生爆炸；在閉式系統(tǒng)中，由于集熱器采用熱管或U形管集熱器，介質(zhì)具有防凍、防結(jié)垢的功能，不會(huì)對(duì)集熱系統(tǒng)造成影響，但換熱系統(tǒng)往往成為水垢的影響區(qū)。水垢直接影響換熱器的傳熱系數(shù)，對(duì)于板式換熱器極易造成流道的堵塞，熱量不能及時(shí)傳遞到水箱，導(dǎo)致集熱器高溫，集熱介質(zhì)達(dá)到沸點(diǎn)揮發(fā)，系統(tǒng)不能正常工作。

1 水垢的產(chǎn)生機(jī)理

水垢的形成是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)晶過程，水中致垢的主要物質(zhì)是由鈣和鎂結(jié)晶形成的碳酸鹽與硫酸鹽，這些物質(zhì)的溶解度與溫度系數(shù)成反比，即隨著溫度的升高其溶解度不斷降低。當(dāng)鈣和鎂的碳酸鹽與硫酸鹽含量大于其溶解度時(shí)，物質(zhì)會(huì)析出并沉淀，長期如此，管壁上逐漸沉積附著力很強(qiáng)的晶體硬垢。

水中析出的難溶物質(zhì)有可能形成水垢，也有可能形成水渣，這不僅取決于它的化學(xué)成分和結(jié)晶形態(tài)，而且還與析出時(shí)的條件有關(guān)。如在集熱器之間的連接件、循環(huán)管道中，水中析出的碳酸鈣常結(jié)成堅(jiān)硬的水垢；而在真空管內(nèi)，由于水處于劇烈的對(duì)流狀態(tài)，此時(shí)析出的碳酸鈣常形成松軟的水渣(圖1)。

圖1 真空管中的水垢

2 影響集熱介質(zhì)溫度的相關(guān)因素

太陽能熱水系統(tǒng)中影響其介質(zhì)(直接加熱系統(tǒng)為水，間接加熱系統(tǒng)為防凍液)溫度的相關(guān)因素如圖2所示。影響集熱介質(zhì)溫度的非人為因素實(shí)屬不可控因素，不能進(jìn)行人工控制和干涉。若控制集熱介質(zhì)溫度，需在人為因素中進(jìn)行合理取值。

圖2 介質(zhì)溫度的影響因素

2.1 太陽能保證率

太陽能保證率(太陽加熱系統(tǒng)中由太陽能提供的負(fù)荷與總負(fù)荷之比)與集熱系統(tǒng)的采光面積成正比，國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定保證率的取值范圍為30%～80%，保證率越高太陽能提供的熱量所占比例越大；在其他條件不變的情況下，保證率越高則越易出現(xiàn)高溫情況。

2.2 熱水用量的變化

在工程設(shè)計(jì)時(shí)，熱水用量通常根據(jù)《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中的最高日熱水用水定額進(jìn)行取值。日常用水與最高日熱水用水定額存在一定偏差[1]，酒店、旅館等尤為突出，有些項(xiàng)目中的介質(zhì)溫度持續(xù)保持在80 ℃以上，此時(shí)極易形成水垢。

2.3 太陽輻照量和季節(jié)

非可控因素中，太陽輻照量是影響太陽能熱水系統(tǒng)中介質(zhì)水溫的重要因素之一。太陽輻照量在指定地點(diǎn)的輻照量與季節(jié)相關(guān)，以濟(jì)南為例，太陽輻照量每月分布圖如圖3所示，最高月總輻射量為597.2 MJ/m2，最低月總輻射量為210.1 MJ/m2，二者相差2.8倍。在相同季節(jié)由于天氣的變化也會(huì)造成每日總輻射量的變化，如圖4所示[2]。故太陽能熱水系統(tǒng)在熱水用水量不變的情況下，在不同季節(jié)、不同日期也會(huì)造成集熱介質(zhì)高溫。

圖3 月總輻照量分布圖

圖4 太陽日總輻射年變化圖

3 系統(tǒng)中水質(zhì)硬度要求及防止水垢的解決措施

3.1 系統(tǒng)中水質(zhì)硬度要求

太陽能熱水系統(tǒng)中的集熱部分等同于傳統(tǒng)加熱設(shè)備，為此，太陽能熱水系統(tǒng)中的水質(zhì)硬度要求應(yīng)與常壓熱水鍋爐要求相同，熱水鍋爐對(duì)水質(zhì)硬度的要求為：采用鍋內(nèi)加藥處理且供水溫度≤95 ℃時(shí)，總硬度≤175 mg/L；采用鍋外化學(xué)處理且供水溫度>95 ℃時(shí)，總硬度<30 mg/L[3]。

在太陽能熱水系統(tǒng)中，開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)均應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)所能達(dá)到的水溫(包含過熱情況下的水溫)判斷水質(zhì)(硬度)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)水溫>95 ℃時(shí)，水質(zhì)的總硬度≥30 mg/L；當(dāng)水溫≤95 ℃時(shí)，水質(zhì)的總硬度≥175 mg/L。

3.2 水垢的解決措施

太陽能熱水系統(tǒng)中通常采用強(qiáng)磁水處理儀、加藥(硅磷晶)法和離子交換來去除水垢。

3.2.1 強(qiáng)磁水處理儀

利用強(qiáng)磁水處理儀除垢的原理為：利用磁場對(duì)水進(jìn)行處理，在不改變水的化學(xué)成分的前提下，改變水的物理結(jié)構(gòu)，利用釹鐵硼稀土永磁材料蘊(yùn)藏的巨大能量，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)形成多波峰垂直中心磁場，且流速不能低于1.5 m/s，流速越快，產(chǎn)生的電動(dòng)勢越大，效果也越理想，從而達(dá)到防垢、除垢的目的。

優(yōu)點(diǎn)：無需化學(xué)藥劑，無二次污染，維護(hù)方便，初期使用1～2月檢查1次，如無異常半年檢查1次；缺點(diǎn)：隨著使用時(shí)間的延長，磁場會(huì)減弱，影響使用效果，且處理過的水具有時(shí)效性，最佳使用時(shí)間在4 h內(nèi)，只能緩解不能根除。

3.2.2 加藥(硅磷晶)法

硅磷晶為玻璃狀小球，是聚磷酸鹽和聚硅酸鹽組成的微溶性聚合體。在水中聚磷酸鹽能有效防止CaCO3的晶體生長和凝聚，并對(duì)鐵離子起封閉作用，對(duì)氫氧化鐵起分散作用；硅酸鹽和磷酸鹽能使管道內(nèi)壁表面形成保護(hù)膜，隔絕氧氣，防止管道腐蝕，長期使用可去除原氧化鐵垢，而粘附在其上面的碳酸鹽脫落。

優(yōu)點(diǎn)：不需要?jiǎng)恿Γ^壓損失小，每隔3～6個(gè)月補(bǔ)充1次藥劑；缺點(diǎn)：水中的碳酸鹽硬度不宜超過350 mg/L，水溫不宜持續(xù)超過80 ℃。

圖5 強(qiáng)磁水處理儀

圖6 硅磷晶水處理設(shè)備

3.2.3 離子交換法

如圖7所示，離子交換原理為：在操作中，裝置中水的流向?yàn)閺纳系较拢b置內(nèi)的樹脂收集每個(gè)經(jīng)過的單個(gè)Ca2+，并同時(shí)釋放兩個(gè)Na+到水中，從理論上講，此過程可一直持續(xù)到樹脂中貯存的鈉已經(jīng)完全用于交換鈣，即達(dá)到了裝置的“總交換容量”。再生(圖8)：通過裝置的水流被逆轉(zhuǎn)至從下到上，將沖刷掉樹脂層頂部殘留的任何顆粒，樹脂充分被鈉離子沖刷；由于數(shù)量遠(yuǎn)勝，Na+將再次替換樹脂上的Ca2+，釋放的Ca2+和再生水流一起被排放到下水道；最后，用淡水沖洗裝置，以去除樹脂層上殘留的任何鹽水，防止鹽水進(jìn)入裝置，裝置再次為服務(wù)水流通過準(zhǔn)備完畢。

優(yōu)點(diǎn)：處理范圍廣，原水硬度≤800 mg/L，處理后硬度≤30 mg/L，不受集熱系統(tǒng)水溫的影響；缺點(diǎn)：定期置換再生鹽。

圖7 置換前樹脂結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 置換后樹脂結(jié)構(gòu)示意圖

4 工程應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)工程的應(yīng)用情況，分別對(duì)山西省太原市3類水處理設(shè)備在工程運(yùn)行半年后進(jìn)行調(diào)查：使用強(qiáng)磁水處理設(shè)備內(nèi)壁略有黃色斑點(diǎn)；使用硅磷晶處理和離子交換方式的設(shè)備未發(fā)現(xiàn)明顯斑點(diǎn)。

表1 不同類型水處理方式對(duì)比分析表

5 結(jié)論

通過以上分析可知，若要徹底解決水垢對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)的影響，應(yīng)從設(shè)計(jì)計(jì)算、設(shè)備選型及運(yùn)行管理3方面入手：

1) 在設(shè)計(jì)計(jì)算中避免水溫過高，或避免高溫持續(xù)出現(xiàn)，從而避免水垢的生成；

2) 在設(shè)備選型過程中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)厮|(zhì)的硬度，設(shè)計(jì)中是否會(huì)出現(xiàn)高溫或持續(xù)高溫，以及管理者對(duì)設(shè)備的管理情況，選擇合適的水處理設(shè)備；

3) 設(shè)備運(yùn)行管理，任何設(shè)備都需要人員維護(hù)、管理，根據(jù)選擇設(shè)備的型號(hào)特點(diǎn)結(jié)合使用單位的實(shí)際情況，加大設(shè)備的管理維護(hù)力度，將問題消滅在萌芽狀態(tài)，讓太陽能熱水系統(tǒng)的作用發(fā)揮極致功能，為節(jié)能減排多做一些貢獻(xiàn)。

參考資料

[1] GB 50015-2003, 建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2009版)[S].

[2]中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2005.

[3]暖通空調(diào)常用數(shù)據(jù)手冊 [M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2002.