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即使是一个功能齐全的太阳能水力加热系统也可能过热,这是最有可能发生的,当有充足的阳光,但热量不能使用。这可能有几个原因,但最常见的是:
1)满足所有热负荷而不需要供热时
2)由于集热、蓄热或配热系统中的电源故障、泵故障或控制故障。
当热量没有被带到一个有用的加热工作时,它就开始在太阳能集热器回路中积累,如果不加以阻止,就会达到循环流体的沸点。过热往往伴随着太阳能集热器内的蒸汽锤击声;丙二醇可能会开始烹饪,并可能开始变成棕色,然后变得越来越酸。在任何打开的浮子通风口上都可能出现蒸汽羽流,当储热水箱上的压力和温度(P&T)安全阀开始释放热水时,减压阀可能开始滴下或喷出液体。
引发过热的情况可能一年只发生一次,甚至更少,但当它发生时,结果可能从最坏的情况下恼人的不便,到最坏的情况下主要的加热系统故障。一个设计合理的系统必须始终采用能够安全可靠地散发多余热量的控制和策略,并在晴天停电时提供温度保护。
四大“防故障”太阳能过热策略
目前,我们设计的几乎每一个太阳能加热系统都包含过热预防,并且通常包括被动和主动的多种策略,以提供“皮带和吊带”的方法。我们今天使用的四种最可靠和最安全的方法如下:
1.热虹吸自冷(TSC)翅片系统。只要集热器内部的管道满足一些简单的要求,TSC翅片管可以添加到任何一组平板太阳能集热器上。也就是说,集热器必须是“竖琴”配置,内部集管(顶部和底部)水平运行,直立平行立管垂直运行。
图98 - 1图为被动式自冷翅片管系统,安装在八个太阳能集热器的背面。
热虹吸可以定义为流体在管道回路周围的运动,仅由环路上的温差驱动(流体仅由热量“泵送”)。热流体比冷流体密度小,所以当它被包含在一个回路中时,冷流体倾向于往下坠,而热流体倾向于上浮。这一原理可用于通过在回路中加入冷却鳍片来消散太阳热量。
图98 - 2显示了当将TSC回路连接到一组平板收集器时,管道细节是多么简单。正常的面板倾斜允许热流体通过自然对流上升到顶部,而背面翅片管的斜度允许冷流体向下排放并重新进入收集器的底部。在阳光明媚的日子里,如果太阳能循环泵停止,底部的旋启式止回阀很容易打开,以响应热流和自然对流发生冷却。当循环泵打开时,冷却回路自动关闭,使用被动旋启式止回阀,该止回阀根据循环泵提供的相对高的流量和压力关闭。这样,只要太阳提供热量,热虹吸冷却流就会继续,当循环泵重新打开时,冷却流就会停止。
2.光伏自冷(PVSC)翅片系统。一些太阳能集热器不能通过热虹吸流适当地冷却。例如,使用蛇形流道或其他“非竖琴”内部管道布置的平板集热器不能与上述TSC系统一起使用。在集热器阵列中仍然可以增加一个冷却翅片回路,但必须用太阳能循环器泵送,以产生适当的冷却流量。在这种情况下,我们使用PV太阳能循环器和一个小型太阳能电池板,这样即使在电网停电时,冷却系统也能继续运行太阳能。
图98 - 3图为阿尔伯克基一所小学的光伏自冷系统,该系统使用了卡莱菲太阳能泵模块,并安装了光伏泵选项。
3.漏回式太阳能集热器配置。排水式太阳能加热系统也能很好地应对过热和电源故障,因为当太阳能泵失去电力时,集热器会自动清空。水通常被用作收集流体,在系统关闭时,水通过重力沿着供应管道排入室内的排水回贮箱。来自排水回水箱的空气代替了水,水可以保护室外的面板和管道不被冻结或沸腾。面板和供水管的尺寸和倾斜必须适当,以迅速和完全排水,以防止冻结破裂。蛇形收集器和一些其他类型的平板和真空管收集器可能不能用于排水回排配置,因此请遵循制造商的建议。
4.反蒸汽收集器过热配置。在闭环乙二醇系统中使用的另一种常见的被动策略是“反蒸汽”膨胀罐方法。在电源故障期间,这并不能防止太阳能集热器中的高温蒸汽,而是允许蒸汽充满面板,而不会损失任何集热器流体。当蒸汽在热集热器内积聚时,被蒸汽取代的液态乙二醇的体积将试图在乙二醇膨胀罐中寻求庇护。如果膨胀罐足够大,且安装气压合适,可以防止乙二醇从减压阀泄漏。日落后,当蒸汽在集热器内冷凝,膨胀罐内的气压迫使乙二醇返回太阳能回路时,只要电力、水泵、阀门和控制器不损坏,乙二醇压力没有降得太低,系统将继续正常运行。
当安装收集器和连接管道以向下排水到膨胀罐时,蒸汽回排系统工作得最好,就像排水回排管道的工作方式一样。膨胀罐内的液体接受容积应至少等于太阳能集热器本身的液体容积。
其他常见的太阳能过热策略(不太安全)
目前用于控制太阳能过热的一些最常用的方法并不是完全安全的。这是因为它们通常依赖于主动电气控制或循环泵来为太阳能集热器提供冷却。在我们的安装中,我们将上述故障安全方法与下面列出的许多常见控制相结合,以提供最全面和冗余的过热控制。例如,在我们最近的大多数安装中,我们通常将上面的数字1和4与下面的A、B、C和E组合在一起。
A.收集器的倾斜或固定遮阳。在任何太阳能组合系统上,必须仔细考虑集热器倾斜,以便在需要时季节性地最大限度地收集热量,而在不需要时将其最小化。例如,在美国大多数地区,65度的垂直倾斜将有利于冬季收集,并阻挡仲夏的大部分热量。陡峭的倾斜也可以通过精心设计的固定屋顶悬垂来增加夏季遮阳,(通常是在墙上安装的面板上),如果需要,进一步阻止夏季的热量增加。
B.夜间循环水箱-通过集热器冷却。平板面板可以在夜间用于冷却。这被称为夜空辐射冷却(NSRC)。NSRC冷却可以使用玻璃平板太阳能热板来完成,或者更好地使用无玻璃平板(通常用于加热游泳池)。在最近的许多安装中,我们都包含了控制设置,允许在夏天晚上通过运行太阳能集热器来冷却温暖的地板。类似的控制功能可以被编程为在夜间从过热的水箱中散热,当储存的热量不被消耗时。
C.主动散热(对地、风机盘管或区域)。通常的做法是对控制系统进行编程,利用现有热水箱、车库地板、融冰人行道(或其他正常的砖石供暖区)的蓄热能力来散热,以受控的方式冷却集热器。在某些情况下,这可以用作热银行预热车库地板为冬天或完成一些其他有用的热量积累策略。
现有的翅片管对流器或风扇盘管有时也用于间歇性冷却。当控制得当时,人类的舒适度不会受到损害,蒸汽在收集器中被阻止,使用现有的地板内或地面区域循环。使用现有的热分配设备进行过热控制可以消除对更复杂的冷却系统附加组件的需要。这种方法可以延长太阳能加热设备的寿命,使其在正常运行时保持在一个更适中的温度范围内。但是,除非包括自动应急电源,否则在晴天停电时,它不会提供任何温度保护。
D. OEM热断开,排气或耗散。询问您首选的原始设备制造商(OEM)太阳能设备供应商在冷却方面有什么新进展。太阳能制造商考虑这个问题已经有一段时间了,除了新的控制装置,一些制造商还提出了其他有趣的产品。例如,杏和巴特勒太阳解决方案各自提供散热设备,通过热膨胀流体转移到冷却系统。
此外,集热器制造商也在冷却方面投入了一些精力。一些真空管收集器(例如,Thermomax)在每个管中内置了一个高极限温度关闭,EnerWorks提供了一个平板收集器模型,其中包括一个内置在框架中的热激活通风系统。这些OEM冷却策略彼此非常不同,并且是为他们自己的封装系统设计的,最常见的是小型家用热水设计。
E.热水P&T吹出。由于管道规范要求的安全原因,每个加压热水箱必须有一个P&T阀。当太阳能加热水箱变得太热时,当过热的水被吹走时,P&T吹灭将用补充水冷却它。P&T阀门不是用来控制操作的,所以当这种情况发生时,交叉你的手指,希望P&T阀门在事情冷却后停止泄漏。这是最后的冷却系统,不建议正常运行。
免责声明:这些文章针对的是小于一万平方英尺的住宅和小型商业建筑。重点是加压乙二醇/水力系统,因为这些系统可以应用于各种建筑几何形状和方向,几乎没有限制。这些文章中提到的品牌名称、组织、供应商和制造商仅为说明和讨论提供示例,不构成任何推荐或认可。在TMB Publishing和SolarLogic LLC网站的存档中可以找到本专栏的过期问题。
布里斯托尔斯蒂克尼已经设计,制造,维修和安装太阳能水力加热系统超过30年。他拥有机械工程学士学位,是新墨西哥州的许可机械承包商。他是新墨西哥州圣达菲SolarLogic LLC的首席技术官,在那里他参与了太阳能加热控制系统的开发和太阳能加热专业人员的设计工具。访问www.solarlogicllc.com了解更多信息。