無動力太陽能系統的工程應用研究

【摘要】如今隨著社會的發展，太陽能已經成功走進千家萬戶，成為居民日常生活的必需品。但是隨著一系列產品的更新換代，現有的太陽能系統在使用中出現了越來越多的問題。諸如系統復雜導致的集熱效率低、實際運行中節能效果不明顯、建設的成本高等。另外，在太陽能系統運行中，也會時常發生集熱器爆管、失效或凍裂的情況，造成事故頻發。因此，本文擬從該角度出發，提出無動力太陽能系統的應用研究，意在改變傳統的太陽能集熱理念，并在文中介紹了無動力太陽能系統的操作原理、特征以及此項工程的具體應用，將其和傳統的太陽能系統在系統功效上做了對比，進一步發現此款新興的太陽能系統更為簡化，集熱效率也得到了明顯提高，且不會產生運行能耗，也可以進一步降低建筑運營成本，減少設備機房的面積，有效彌補了部分工程中傳統太陽能系統在運行中存在的難題。

【關鍵詞】無動力太陽能系統；傳統太陽能系統；集熱效率；比較研究

太陽能作為一種綠色環保能源有著取之不盡用之不竭的特點。目前對太陽能的利用主要體現在制備生活熱水。同時，近年來，我國已經出臺了相關政策助力太陽能應用于生活熱水熱源，大量太陽能集中熱水系統的新建改擴建工程也正在進行。但是經過對現有太陽能系統的設計和后期運行情況進行多方位測試后發現，現有的太陽能系統比較復雜，集熱效率低、建設成本持續高漲但是實際運行效率很差。如此種種的問題已經嚴重影響了太陽能系統在工程中的實際發展和進一步推廣應用。因此，無動力太陽能系統的應用研究將可以從更為完善的角度彌補太陽能系統存在的問題。

1、傳統的太陽能系統存在的問題探析

1.1集熱效率低

由小組集熱器先串聯成大組，再由大組并聯成集熱循環系統，這是目前一般的大型集熱器面積所采用的布置方式。傳統太陽能的循環系統復雜。目前形勢來看，即使是采用了同程等許多措施來保證它的干管和立管能夠循環，但是復雜過長的管道會導致氣堵現象的增加，這就減少了管路內的循環流量，循環的效果還是會差。而串聯系統在運行中一般最前端集熱器的換熱會比較充分，由于是對流換熱，隨著串聯集熱器的增多，集熱器的換熱效果越來越差，最末端的一組集熱器的換熱效果最差。要保證系統中的每一組集熱器所存的熱量均能有效集取，這種說法事實上是達不到的。

1.2能耗大

這方面主要體現在集熱系統的能耗上。其中，運行動力能耗和集熱循環系統因為散熱導致損失所引起的能耗更為突出，最高可達有效集熱量的25%左右，由于循環泵和防凍倒循環運行的能耗也可達到有效供熱量的5%左右。

1.3運行中易發生事故

安裝的太陽能難以避免被暴曬，如果在運行過程中被暴曬，內膽的溫度一下子接近200攝氏度，循環泵就會啟動，一般溫度約20攝氏度的冷水流進玻璃管，這樣容易造成內膽的內外溫差加大，很容易發生爆管。另外，傳統的集熱系統是需要循環泵的，如果水泵在選擇上出現失誤或選擇不當，其揚程過高，就會給某些區域的玻璃管帶來很大的壓力，也會發生爆管；而且，如果位于水泵出口的單向閥沒有密封嚴實的話，當水泵停泵時也會導致危險的發生，因為停泵會使系統負壓，尤其是水箱的位置低于集熱器時，事故發生幾率將更大。現實生活中，如果水溫過高，玻璃管內壁會容易結垢，加之冷水會進入內腔，這樣玻璃管就會受熱不均，進而發生爆炸。此外，玻璃管的加工材質、厚度的均勻性以及尾部的封裝等工序的加工質量也會對系統的運行產生影響，嚴重時就會因為玻璃管質量問題而爆管。

另一方面，在寒冷地區，需要注意的一個問題就是太陽能系統的凍裂問題，在夏季，太陽輻射強的時間段，也要格外注意集熱系統過熱的問題。因為在高溫狀態下，如果太陽能系統持續運行，室外的高溫會造成傳熱介質的氣化損失、變質，也會導致太陽能集熱器上安裝系統或零件的非金屬材料逐漸老化繼而破壞，從而使太陽能集熱器的使用壽命降低。

2、無動力太陽能系統應用研究

2.1系統原理

無動力太陽能熱水裝置的操作原理就是，把貯熱的箱體和集熱元器件通過緊湊地連接，使其依靠自然性的循環來收集熱量，這樣，這種無動力循環系統就能將集熱、貯熱、換熱集為一體。它可以將全天收集的熱量進行最大化的貯存，并且借助于其自身的優勢，比如配備的玻璃真空管和平板集熱元器件就可以充分利用水有溫差的特點來爭取實現自然性的循環，而不需要再使用集熱循環泵，因為元器件就已經足夠可靠。玻璃真空管和平板集熱器的使用是有適宜性的，北方地區適合用前者，而南方地區適合用后者。另外，實現被加熱水及時能及時換熱的方法則是強化傳熱，具體需要利用波紋管束紊流振動。這種系統中的生活熱水是封閉系統，水質一般不會受到污染。無動力太陽能系統可以最大化保證建筑的一體化，因為不需要集中于水箱與水箱之間，能夠較大幅度地減少對建筑和結構產生的影響。最后，該系統的集熱體系沒有超過100攝氏度，因此不需要采取專門的過熱保護措施。

2.2與傳統系統比較分析

2.2.1 系統更為簡化，使用更為合理

在太陽能使用及推廣過程中，最有成效的莫過于住宅類建筑，這一領域是目前太陽能熱水系統應用最為普及的。與傳統住宅區集中集熱、分散鋪熱供熱的太陽能熱水系統相比較，住宅區使用集貯熱系統有明顯的優點，首先是這類集熱系統去除了水箱、集熱循環泵、而且供熱系統中也將循環管和循環泵加以去除，這樣，系統就變得更為簡化。集貯熱系統盡管沒有了供熱回水管和循環泵，但是用戶終端還有自備的熱水器，這就使得供熱管中先期的冷水在流經用戶自備的熱水器時會被加熱，用戶打開淋浴器后便是熱水，當停留在其中的冷水流完后，這個太陽能熱水器就可以開始使用了，不僅經濟節約，還能滿足客戶使用要求，也能使太陽能得到充分的利用。集貯熱系統中的冷水是通過同一區的給水系統來保證供給的，又加上流經集熱器的水流受到的阻力很小，就可以充分地利用給水系統的壓力，也能使得冷熱水系統在壓力上得到一定平衡，使用起來更為舒適。另外，這種無動力太陽能系統還在供熱系統中設置了保持恒溫的混水閥，如果太陽能熱水的水溫過高，則可以利用混水閥將其調至合適水溫，如50攝氏度左右，這樣還能防止水溫過高而被燙傷。

公共建筑中多為集中式太陽能系統，相對于傳統的太陽能系統中的集中貯熱水箱和多臺循環泵組，無動力太陽能系統簡化效果更為明顯。

2.2.2 集熱效率提高，運行中減少能耗

無動力太陽能系統是一個集熱、貯熱連為一體的系統，每個集熱器在一天內所集取到的熱量都會分別儲存在內外兩個水箱之內，與傳統方式相比，循環系統被省去了，循環管路的熱損失也會進一步減少。每一個集熱器都是一個獨立的個體，都能夠獨立集熱和貯熱，不會因為管路發生短路或氣堵現象而影響效率。而且每個熱水器所集取到的熱量會有小部分的損失以外，還能將冷水進行預熱或者給供給用水加熱，而傳統的太陽能系統無法將低溫熱量進行充分利用。

無動力太陽能系統節省了換熱集熱循環系統，這樣也就相當于省去了集熱水箱還有循環泵以及儲存裝置的設備機房，減少了運行能耗的同時也不會受到復雜控制系統的影響。相比于傳統系統，集熱系統屬于開式系統，不會出現爆管和集熱管失效的問題，因為這種開式結構能夠使運行中集熱的溫度始終保持在100攝氏度以下。另外，它也緩解了寒冷地區的凍裂以及炎熱夏季的系統過熱問題。其次，鑒于無動力太陽能系統是個冷水的預熱系統，無需任何附加的能耗，可在預熱輔熱后直接供水，就避免了運營商將運行能耗所需的費用分攤到剛入住的住戶上，從而減少了熱水價格的大幅提升情況，極大地降低了高昂的運行管理費，這算得上是一個真正的節能系統。

結語：

本文通過對太陽能熱水器存在的問題進行集中分析了，探討了無動力太陽能系統在實際應用中所能帶來的功效，無論是從能耗，還是從集熱效率上都是值得推薦的。

參考文獻：

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