太陽(yáng)能建筑一體化原理與應(yīng)用第六章太陽(yáng)能的熱儲(chǔ)存一、儲(chǔ)熱技術(shù)概述1、儲(chǔ)熱材料的性能要求儲(chǔ)熱材料（也稱蓄熱材料）是儲(chǔ)熱系統(tǒng)中儲(chǔ)存和釋放熱能的介質(zhì)，是儲(chǔ)熱系統(tǒng)的核心。儲(chǔ)熱材料必須能完成兩個(gè)基本功能：一是充熱，也稱蓄熱、儲(chǔ)熱，就是把熱源（如太陽(yáng)能集熱器）產(chǎn)生的熱量?jī)?chǔ)存到儲(chǔ)熱材料內(nèi)；二是放熱，也稱釋熱，就是把儲(chǔ)熱材料內(nèi)儲(chǔ)存的熱量釋放出來(lái)，供給熱用戶。儲(chǔ)熱材料的重要性能參數(shù)：a、儲(chǔ)熱密度b、導(dǎo)熱系數(shù)c、儲(chǔ)熱溫度d、穩(wěn)定性e、可靠性f、成本一、儲(chǔ)熱技術(shù)概述2、儲(chǔ)熱材料分類(lèi)儲(chǔ)熱材料具有多種分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)：a、按儲(chǔ)熱機(jī)理分類(lèi)：分為顯熱儲(chǔ)熱材料、相變儲(chǔ)熱（又稱潛熱儲(chǔ)熱）材料與熱化學(xué)儲(chǔ)熱材料；b、按儲(chǔ)熱時(shí)間分類(lèi)：分為短期儲(chǔ)熱材料與長(zhǎng)期儲(chǔ)熱材料；c、按儲(chǔ)熱溫度范圍分類(lèi)：分為高溫儲(chǔ)熱材料、中溫儲(chǔ)熱材料與低溫儲(chǔ)熱材料。一、儲(chǔ)熱技術(shù)概述3、儲(chǔ)熱設(shè)備作為儲(chǔ)熱設(shè)備，除了需要儲(chǔ)熱材料來(lái)儲(chǔ)熱，還需要傳熱介質(zhì)把熱量?jī)?chǔ)存到儲(chǔ)熱材料內(nèi)和從儲(chǔ)熱材料中取出來(lái)。儲(chǔ)熱材料通常是固體或者液體，傳熱材料通常為流體，最常見(jiàn)的是水和空氣。根據(jù)儲(chǔ)熱材料和傳熱介質(zhì)的接觸方式，可以分成兩大類(lèi)：直接接觸式和間接式。a、直接接觸式在直接接觸式中，儲(chǔ)熱材料和傳熱介質(zhì)可以長(zhǎng)期直接接觸，而不發(fā)生物性或者化學(xué)性質(zhì)的變化，而且儲(chǔ)熱材料與傳熱介質(zhì)的換熱可以順利進(jìn)行。直接接觸式還分成兩種情況：1）當(dāng)儲(chǔ)熱介質(zhì)與傳熱介質(zhì)完全相同時(shí)2）儲(chǔ)熱介質(zhì)與傳熱介質(zhì)不同一、儲(chǔ)熱技術(shù)概述儲(chǔ)熱材料與傳熱介質(zhì)不同，但可以直接接觸。這種情況的典型案例是采用卵石（或者礫石）作為儲(chǔ)熱材料，而采用空氣作為傳熱介質(zhì)。這時(shí)可以把卵石放置在某一殼體內(nèi)，空氣在卵石的縫隙間流動(dòng)，與卵石進(jìn)行換熱。如圖所示。一、儲(chǔ)熱技術(shù)概述b、間接式如果儲(chǔ)熱材料與傳熱介質(zhì)不能或者不便于直接接觸，這時(shí)就要把儲(chǔ)熱材料與傳熱介質(zhì)分隔開(kāi)，通過(guò)間接換熱進(jìn)行儲(chǔ)熱與放熱。這時(shí)可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)分隔：1）把儲(chǔ)熱材料進(jìn)行封裝2）埋管式一、儲(chǔ)熱技術(shù)概述4、儲(chǔ)熱系統(tǒng)的運(yùn)行模式儲(chǔ)熱系統(tǒng)要完成儲(chǔ)熱和放熱等不同的工作任務(wù)，就有多種不同的運(yùn)行模式。將以集熱器作為熱源，介紹儲(chǔ)熱系統(tǒng)的運(yùn)行模式。如圖所示。1）單純儲(chǔ)熱2）儲(chǔ)熱并供熱3）放熱供熱4）聯(lián)合供熱5）熱源供熱二、顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)1、顯熱儲(chǔ)熱原理顯熱儲(chǔ)熱的原理是利用材料自身的熱容來(lái)存儲(chǔ)熱量，隨著儲(chǔ)熱材料溫度的升高，熱量存儲(chǔ)在材料內(nèi)，而溫度的降低則讓熱量從材料中釋放。單位質(zhì)量顯熱材料在溫度T0和T之間的儲(chǔ)熱-放熱過(guò)程的熱量變化可由下式表示:

式中Q——儲(chǔ)熱量，J/kg；T——溫度，K；cp——比熱容，J/(kg·K)。一般情況下，材料的比熱容受溫度影響較小，可近似視為恒定不變，因此顯熱儲(chǔ)熱過(guò)程中，顯熱儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱量可以看作隨儲(chǔ)熱溫差線性變化。二、顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)2、顯熱儲(chǔ)熱材料及其應(yīng)用顯熱儲(chǔ)熱材料可以根據(jù)材料的相態(tài)分為液態(tài)顯熱儲(chǔ)熱材料和固態(tài)顯熱儲(chǔ)熱材料。1)液態(tài)顯熱儲(chǔ)熱材料液態(tài)顯熱儲(chǔ)熱材料中應(yīng)用最為廣泛的是水。水是生活中最為常見(jiàn)的物質(zhì)之一。液態(tài)顯熱儲(chǔ)熱材料還包括熔鹽，如二元硝酸鹽(KNO3-NaNO3，共晶鹽)、三元硝酸鹽(KNO3-NaNO3-NaNO2)等。除熔鹽之外，硅油、植物油、礦物油、合成油等導(dǎo)熱油也是中溫段(100~400℃)熱利用常用的傳熱流體，因此也可用作中溫段的顯熱儲(chǔ)熱介質(zhì)。下表列舉了一些常見(jiàn)的液態(tài)顯熱儲(chǔ)熱材料及其物性。二、顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)材料熔點(diǎn)（℃）熔化熱kJ/kg分解溫度（℃）密度(kg/m3)比熱容kJ/（kg·K）導(dǎo)熱系數(shù)W/（m·K）水0334.9-0.9884.1870.6NaNO3307181.936501.82018190.518KNO333799.66001.82713400.48太陽(yáng)鹽（Solarsalt）NaNO3/KNO3(質(zhì)量配比60%/40%）220161600~1.8(400℃)1.5(400℃)0.519希特斯鹽（Hitec）

NaNO3/KNO3/NaNO2

（質(zhì)量配比7%/53%/40%）14280535~1.8(400℃)1.56(400℃)0.387低熔點(diǎn)希特斯鹽（HitecXL）

NaNO3/KNO3/NaNO2

（質(zhì)量配比7%/45%/48%）120

500~1.9(400℃)1.45(400℃)

優(yōu)選鹽（北工大開(kāi)發(fā)）8471.75682.21.91.5170.655二、顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)2)固態(tài)顯熱儲(chǔ)熱材料固態(tài)顯熱儲(chǔ)熱材料有巖石、混凝土、磚等材料，此外，一些鋼渣固廢和煤基固廢也可以作為儲(chǔ)熱材料使用，實(shí)現(xiàn)資源的再利用。還有氧化鎂也是目前應(yīng)用廣泛的固態(tài)顯熱儲(chǔ)熱材料。固態(tài)顯熱儲(chǔ)熱材料價(jià)格普遍較低，應(yīng)用十分廣泛，適合工業(yè)上大規(guī)模中高溫儲(chǔ)熱，例如石英石等可用于太陽(yáng)能聚光電站中收集太陽(yáng)能。下表列出了部分常見(jiàn)的固態(tài)儲(chǔ)熱材料及其熱物性。材料密度(kg/m3)比熱容kJ/（kg·K）導(dǎo)熱系數(shù)W/（m·K）巖土26000.851.0氧化鎂30001.04.5某固廢23401.01.8三、儲(chǔ)熱水箱1、完全混合（不分層）的水箱儲(chǔ)熱模型如圖所示，表示了一個(gè)強(qiáng)制循環(huán)（泵作為循環(huán)動(dòng)力）的太陽(yáng)能水箱儲(chǔ)熱系統(tǒng)。太陽(yáng)能集熱器通過(guò)循環(huán)管路向水箱內(nèi)水輸入熱量，而水箱把熱量提供給負(fù)荷。如果假定水箱的水完全混合，而不考慮水箱內(nèi)各點(diǎn)的溫度差異，每個(gè)特定時(shí)刻整個(gè)水箱內(nèi)水溫只有一個(gè)，這樣會(huì)大大簡(jiǎn)化儲(chǔ)熱系統(tǒng)的分析，這時(shí)水箱的儲(chǔ)熱量可以表示為三、儲(chǔ)熱水箱2、分層水箱模型目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)有多種分層水箱模型，其中較為常用的是多節(jié)點(diǎn)模型，一個(gè)水箱沿著數(shù)值方向分為N個(gè)節(jié)點(diǎn)（部分，或稱段），每個(gè)節(jié)點(diǎn)用一個(gè)溫度代表這部分水的溫度，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度作為時(shí)間的函數(shù)，為水箱的每個(gè)節(jié)點(diǎn)列出能量平衡方程，結(jié)果是N個(gè)微分方程，求解微分方程得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度。例如，對(duì)于右圖所示的五節(jié)點(diǎn)水箱，從集熱器進(jìn)入的水的溫度為T(mén)c，o，溫度介于Ts，2和Ts，3之間。假設(shè)它們都能找到路徑到達(dá)節(jié)點(diǎn)3，在那里它們的密度幾乎與槽內(nèi)的水的密度最為匹配。三、儲(chǔ)熱水箱下面以三節(jié)點(diǎn)水箱模型為例進(jìn)行分析，如下圖所示，流向集熱器的流量始終從底部（節(jié)點(diǎn)3）流出，流向負(fù)荷的流量始終從頂部（節(jié)點(diǎn)1）流出。從集熱器返回的流量將返回最接近但小于集熱器出口溫度的節(jié)點(diǎn)。假設(shè)三個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度分別為45、35和25℃，當(dāng)然，頂部最熱。集熱器的回水溫度如果低于35℃，將流向節(jié)點(diǎn)3；如果回水溫度在35℃

到45℃

之間，將流向節(jié)點(diǎn)2。三、儲(chǔ)熱水箱下圖所示為某儲(chǔ)熱水箱采用5節(jié)點(diǎn)的分層模型計(jì)算的結(jié)果。圖中曲線1和2分別代表水箱最高層和最低層的溫度分布?？梢钥闯?，水箱內(nèi)最高溫度與最低溫度之差可達(dá)5℃以上，顯然采用充分混合的不分層模型準(zhǔn)確性較差，其溫度分布曲線應(yīng)在曲線1，2之間。實(shí)際上，許多水箱都會(huì)出現(xiàn)一定程度的分層現(xiàn)象，因此建議在保守設(shè)計(jì)（以單節(jié)點(diǎn)水箱系統(tǒng)為代表）和精心保持高度分層的情況之間，以三個(gè)或四個(gè)節(jié)點(diǎn)作為合理的折中方案。四、跨季節(jié)顯熱儲(chǔ)熱1.跨季節(jié)土壤埋管儲(chǔ)熱跨季節(jié)土壤埋管儲(chǔ)熱系統(tǒng)由熱源端集熱模塊、中間換熱模塊和地下儲(chǔ)熱體模塊三部分組成。熱源端的能源可以是太陽(yáng)能集熱、工業(yè)余熱、火電余熱、核電余熱、大型數(shù)據(jù)中心廢熱、垃圾焚燒余熱等熱資源；中間換熱模塊主要是地下儲(chǔ)熱體的換熱器；地下儲(chǔ)熱體主要由閉環(huán)埋管換熱器管路、埋管內(nèi)的循環(huán)流體、鉆孔填料和鉆孔周?chē)鷰r土（土壤、巖石等地下材料）四部分組成，如下圖所示。四、跨季節(jié)顯熱儲(chǔ)熱2、大型水體跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)大型水體跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)一般在地下或者露天設(shè)置不銹鋼或鋼筋泥凝土制成的水窖或者水池，并在水池周?chē)晚敳吭O(shè)置保溫層以減少系統(tǒng)的熱損失。一種典型大型跨季節(jié)儲(chǔ)熱水窖的結(jié)構(gòu)如下圖所示。另外一種跨季節(jié)儲(chǔ)熱水體類(lèi)似人工挖掘的水庫(kù)，而在水庫(kù)的上方采用浮動(dòng)的保溫層，這種形式的儲(chǔ)熱水體建造更為簡(jiǎn)單，我國(guó)目前已有多個(gè)工程實(shí)例，也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。五、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)熱建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般具有較大的熱容量。建筑熱容量是指內(nèi)部溫度單位變化時(shí)建筑的有效熱容。在經(jīng)歷顯著溫度變化的建筑中，建筑的熱容量不容忽視。建筑熱容量在被動(dòng)式供暖或由建筑本身作為儲(chǔ)熱裝置時(shí)具有特別重要的意義。計(jì)算建筑有效熱容的方法是將建筑物所有元件的質(zhì)量、熱容和溫度變化的乘積相加：其中?Ti′是內(nèi)部溫度每變化1℃的第i個(gè)元件的預(yù)期溫度變化。六、相變儲(chǔ)熱概述1、相變儲(chǔ)熱原理相變儲(chǔ)熱又稱潛熱儲(chǔ)熱、相變蓄熱，

是利用相變材料(PhaseChangeMaterial，PCM)在相態(tài)變化過(guò)程中熱量的吸收和釋放來(lái)儲(chǔ)存熱量。根據(jù)相態(tài)變化的種類(lèi)不同，相變儲(chǔ)熱可分為固固、固液、固氣和液氣相變儲(chǔ)熱。但是除了固液相變材料，其余幾種相變過(guò)程在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的問(wèn)題：①

固固相變過(guò)程相態(tài)變化小，儲(chǔ)熱密度較低；②

固氣和液氣相變過(guò)程中體積變化巨大，產(chǎn)生的氣體難以存儲(chǔ)。因此，一般情況下相變材料是指固液相變材料。固-液相變材料分為三大類(lèi)：無(wú)機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和共晶相變材料。六、相變儲(chǔ)熱概述儲(chǔ)熱過(guò)程中相變材料的焓值隨溫度的變化如圖所示，在溫度上升至相變溫度Tp之前，材料以顯熱的形式儲(chǔ)存熱量，其溫度快速升高，總焓值為材料的顯熱儲(chǔ)熱量h，即比熱容對(duì)溫度的積分。當(dāng)溫度上升至相變溫度Tp時(shí)，此時(shí)相變材料開(kāi)始熔化，材料開(kāi)始以潛熱的形式存儲(chǔ)熱量，其總焓值等于T0到Tp之間的顯熱值h與已熔化相變材料的潛熱值?H之和。六、相變儲(chǔ)熱概述2、相變材料的關(guān)鍵物性參數(shù)1）相變溫度

是指固-液相變過(guò)程發(fā)生的溫度，每一種相變材料都有自己特定的相變溫度，例如冰在0℃融化成水，0℃就是水的相變溫度。2）相變焓

是指單位質(zhì)量的相變材料完全發(fā)生相變需要吸收或釋放的熱量，相變焓越大，相變材料的儲(chǔ)熱密度越高。3）比熱容

則是衡量相變材料顯熱儲(chǔ)熱密度的一個(gè)指標(biāo)。4）導(dǎo)熱系數(shù)

是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的量度，決定了相變材料熱量傳遞的速率。六、相變儲(chǔ)熱概述3、相變材料的過(guò)冷過(guò)冷是物質(zhì)在溫度降至凝固溫度時(shí)因結(jié)晶困難導(dǎo)致無(wú)法凝固，而需要在更低溫度下才能發(fā)生相變的一種現(xiàn)象。如圖所示，相變材料在儲(chǔ)熱過(guò)程中當(dāng)溫度為T(mén)p

時(shí)熔化，而在放熱過(guò)程中由于存在過(guò)冷，材料只能當(dāng)溫度降至Ts時(shí)才有足夠的動(dòng)力激發(fā)凝固，Ts

與Tp

之間的溫度差稱之為過(guò)冷度。過(guò)冷的程度與材料性質(zhì)、冷卻速率及雜質(zhì)的種類(lèi)和含量有關(guān)。通常雜質(zhì)含量越多則過(guò)冷程度越大。防止過(guò)冷的方法是：用過(guò)冷傾向小的相變材料；加入結(jié)晶催化劑；使用超聲成核法。七、無(wú)機(jī)相變材料1、水合鹽儲(chǔ)熱結(jié)晶水合鹽類(lèi)相變材料是應(yīng)用最廣泛的無(wú)機(jī)相變材料，水合鹽的化學(xué)式可以表示為AB·n(H2O)，其中n代表結(jié)晶水的數(shù)量，AB代表金屬鹽，例如碳酸鹽、亞硫酸鹽、磷酸鹽、亞硝酸鹽、醋酸鹽或氯化物等。在熔化過(guò)程中，無(wú)機(jī)水合鹽失去部分或者全部水分子，金屬鹽溶解在水分子中，反之在凝固過(guò)程中，這種水分子與金屬鹽結(jié)合，達(dá)到固液或者液固的轉(zhuǎn)換。無(wú)機(jī)水合鹽的相變機(jī)理可以表示為：無(wú)機(jī)水合鹽作為相變材料顯著的優(yōu)點(diǎn)是熔點(diǎn)低，熔化潛熱大，價(jià)格便宜，其體積儲(chǔ)熱密度較高。七、無(wú)機(jī)相變材料2、熔鹽儲(chǔ)熱無(wú)機(jī)熔鹽與無(wú)機(jī)水合鹽基本組分相近，只是結(jié)構(gòu)中去掉了結(jié)晶水，是成本較低的一種儲(chǔ)熱材料。熔鹽是鹽類(lèi)熔化后形成的熔融體，例如堿金屬、堿土金屬的鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽的熔融體。熔鹽是一種較為理想的儲(chǔ)熱介質(zhì)，具有黏度低、蒸汽壓低、熱穩(wěn)定性高、儲(chǔ)熱密度高等優(yōu)點(diǎn)，因此熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能光熱發(fā)電、火力發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰調(diào)頻、供暖與余熱回收等領(lǐng)域。此外，熔鹽也存在過(guò)冷的問(wèn)題，對(duì)金屬存在嚴(yán)重的腐蝕，在使用過(guò)程中需要采取相應(yīng)措施。八、有機(jī)相變材料有機(jī)相變材料主要包括石蠟、脂肪酸類(lèi)、酯類(lèi)等，其中對(duì)于石蠟類(lèi)及高級(jí)脂肪酸類(lèi)相變材料的相關(guān)研究最為深入。此外，有機(jī)類(lèi)相變材料還包括糖醇類(lèi)、芳香烴類(lèi)、芳香酮類(lèi)、酰胺類(lèi)等化合物。1、石蠟石蠟是具有直鏈結(jié)構(gòu)的正構(gòu)烷烴混合物，其分子通式為CnH(2n+2)，其性質(zhì)與飽和碳?xì)浠衔锓浅＝咏?。石蠟在結(jié)晶時(shí)會(huì)釋放大量的熱，相變溫度隨著碳鏈的增長(zhǎng)而變大。石蠟族相變材料化學(xué)性質(zhì)不活潑、相變溫度范圍大、無(wú)腐蝕性、熔融蒸氣壓低，因此可作為儲(chǔ)熱材料在儲(chǔ)熱系統(tǒng)中長(zhǎng)期反復(fù)利用。2、脂肪酸脂肪酸的通式為CH3(CH2)n-2COOH，脂肪酸是性能優(yōu)良的相變儲(chǔ)熱材料，它的缺點(diǎn)主要是成本較高，其價(jià)格通常是分析純石蠟的2～2.5倍，同時(shí)脂肪酸也具有一定的腐蝕性。八、有機(jī)相變材料3、酯類(lèi)脂肪酸還可以與醇類(lèi)通過(guò)酯化反應(yīng)合成酯類(lèi)化合物，也可作為相變材料。此類(lèi)相變材料的相變溫度較相應(yīng)的脂肪酸和有機(jī)糖醇低，相變焓一般也低于對(duì)應(yīng)的酸和醇。有機(jī)相變材料普遍存在以下缺點(diǎn)：（1）價(jià)格高，大規(guī)模商用成本難以負(fù)擔(dān)；（2）密度小，體積儲(chǔ)熱密度較低；（3）導(dǎo)熱系數(shù)低，普遍小于0.5W/（m·K），嚴(yán)重影響儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱、放熱速率；（4）具有可燃性，遇明火或高溫時(shí)存在安全隱患。因此，目前有機(jī)相變材料仍處于研究、開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)研究階段，還沒(méi)有進(jìn)入大規(guī)模工程實(shí)際應(yīng)用階段。九、相變儲(chǔ)熱技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用領(lǐng)域相變儲(chǔ)熱技術(shù)與顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)相比，最大的優(yōu)勢(shì)在于其儲(chǔ)熱密度大。大部分顯熱儲(chǔ)熱材料在50℃的溫升情況下的儲(chǔ)熱密度小于100kJ/kg。相變儲(chǔ)熱材料在相變溫度這一個(gè)溫度段，儲(chǔ)熱密度就可以達(dá)到100～350kJ/kg。如果同樣考慮50℃的溫升的話，相變材料也有接近50～100kJ/kg的顯熱儲(chǔ)熱量。因此，相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱密度顯著大于大部分顯熱儲(chǔ)熱材料。十、吸收吸附儲(chǔ)熱1、吸收的原理在吸收過(guò)程中，工質(zhì)是由兩種及以上單純物質(zhì)組成的溶液，其中至少有一種物質(zhì)作為吸收質(zhì)，沸點(diǎn)較低的物質(zhì)作為吸收質(zhì)。利用吸收過(guò)程的特點(diǎn)可以進(jìn)行制冷、除濕及儲(chǔ)能。2、吸附的原理吸附現(xiàn)象是固體與流體之間基于物理或化學(xué)反應(yīng)相互作用的結(jié)果。利用吸附過(guò)程的特點(diǎn)可以進(jìn)行制冷、除濕及儲(chǔ)能。3、吸收吸附儲(chǔ)熱原理吸收吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)是一個(gè)由工作流體（也稱為吸收質(zhì)，主要是水蒸氣）和吸附材料（通常稱為吸收劑）組成的系統(tǒng)。十、吸收吸附儲(chǔ)熱下面以硅膠吸附為例，介紹其儲(chǔ)熱和放熱的過(guò)程1）儲(chǔ)熱過(guò)程（解吸）來(lái)自高溫源的熱量被輸入該裝置，加熱硅膠并從硅膠中釋放出蒸汽，蒸汽在較低溫度下冷凝，然后從容器中抽出。冷凝產(chǎn)生的熱量必須排出到環(huán)境中（或者加以利用）。2）存儲(chǔ)期吸附劑與工作流體分離后成為干吸附劑。如果不考慮顯熱，只要干吸附劑與蒸汽保持分離，就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗的長(zhǎng)期儲(chǔ)熱。3）放熱過(guò)程（吸附）水在蒸發(fā)器中低溫蒸發(fā)吸熱。水蒸氣被硅膠吸附，并在較高溫度下釋放吸附熱，這就是有用熱量。十一、化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱1、化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱原理化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱是利用物質(zhì)之間在化學(xué)反應(yīng)中的熱量變化實(shí)現(xiàn)熱量的存儲(chǔ)與釋放。例如在物質(zhì)A與B形成AB的反應(yīng)中，有?Hr的熱量釋放，而AB則可以通過(guò)吸收?Hr的熱量，經(jīng)由逆反應(yīng)分解成為物質(zhì)A和B，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱過(guò)程。十一、化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱2、化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱材料固氣反應(yīng)儲(chǔ)熱材料是最為常見(jiàn)的化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱材料，其反應(yīng)物和產(chǎn)物主要以固體和氣體的形式存在。根據(jù)固體材料的類(lèi)型分為碳酸鹽、金屬氫氧化物、金屬氧化物、金屬氫化物、水合鹽系列。(1)水合鹽

無(wú)機(jī)水合鹽儲(chǔ)熱材料在上一節(jié)中作為相變材料進(jìn)行了介紹，其熔化過(guò)程中無(wú)機(jī)鹽溶解在水中，從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)。如果進(jìn)一步對(duì)水合鹽加熱，則水合鹽會(huì)發(fā)生脫水反應(yīng)，而且這一脫水過(guò)程是可逆的。因此，無(wú)機(jī)水合鹽也可以作為化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱材料。（2）金屬氫氧化物

金屬氫氧化物化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱材料是將金屬氫氧化物分解成氧化物與水蒸氣來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量存儲(chǔ)的材料。（3）碳酸鹽

碳酸鹽系列化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱材料是通過(guò)碳酸鹽吸熱分解得到金屬氧化物與CO2來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)熱的材料。太陽(yáng)能建筑一體化原理與應(yīng)用第七章

太陽(yáng)能熱水集熱系統(tǒng)7.1集熱系統(tǒng)形式太陽(yáng)能熱水集熱系統(tǒng)通常是由集熱器、儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)管路、水泵、閥門(mén)及其控制元件等主要設(shè)備、部件所組成。根據(jù)需要還可以加配輔助熱源，以彌補(bǔ)太陽(yáng)能集熱量的不足。7.1集熱系統(tǒng)形式1.集熱系統(tǒng)的分類(lèi)（1）直接式系統(tǒng)和間接式系統(tǒng)按太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與用熱系統(tǒng)（負(fù)荷）的關(guān)系劃分：①直接式系統(tǒng)(也稱一次循環(huán)系統(tǒng))是指在太陽(yáng)集熱環(huán)路與負(fù)荷直接連接的系統(tǒng)，集熱環(huán)路的工作介質(zhì)直接進(jìn)入用熱裝置。圖7-1直接式系統(tǒng)7.1集熱系統(tǒng)形式②間接式系統(tǒng)(也稱二次循環(huán)系統(tǒng))是指在太陽(yáng)集熱器中加熱某種傳熱工質(zhì)，再利用該傳熱工質(zhì)通過(guò)熱交換器把熱量傳遞給負(fù)荷系統(tǒng)，集熱環(huán)路的工作介質(zhì)與用熱環(huán)路是分開(kāi)的，因此可以使用不同的工質(zhì)。圖7-2間接式系統(tǒng)7.1集熱系統(tǒng)形式（2）自然循環(huán)系統(tǒng)和強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)按太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)動(dòng)力劃分：①自然循環(huán)系統(tǒng)是指太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)僅利用系統(tǒng)中傳熱工質(zhì)溫度差產(chǎn)生的作用壓力進(jìn)行循環(huán)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一般規(guī)模較小或者是單個(gè)的太陽(yáng)能熱水器。要保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，儲(chǔ)熱水箱要高于集熱器的位置。圖7-3自然循環(huán)系統(tǒng)7.1集熱系統(tǒng)形式②強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)是指利用泵、風(fēng)機(jī)等外部動(dòng)力迫使傳熱工質(zhì)通過(guò)集熱器進(jìn)行循環(huán)的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。直接式系統(tǒng)和間接式系統(tǒng)均為強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。圖7-1直接式系統(tǒng)圖7-2間接式系統(tǒng)7.1集熱系統(tǒng)形式（3）排回系統(tǒng)在直接式、間接式系統(tǒng)中集熱器和集熱環(huán)路管道內(nèi)始終充滿傳熱工質(zhì)。排回系統(tǒng)是傳熱工質(zhì)在泵停止運(yùn)行時(shí)由集熱器回流到排回水箱，而在泵重新開(kāi)啟時(shí)又流入集熱器的系統(tǒng)。需要注意的是，集熱水泵的出口端不能裝設(shè)止回閥。圖7-4排回系統(tǒng)7.2輔助熱源1.輔助熱源位置圖7-5輔助熱源所在的位置A.輔助熱源在水箱內(nèi)B.在水箱出口管路C.在旁通管上

多數(shù)氣候條件下，由于可能有持續(xù)的陰天或雨雪天，僅靠設(shè)置儲(chǔ)熱裝置難以保證穩(wěn)定可靠的供熱，因此需要設(shè)置輔助熱源來(lái)提供高可靠性和供熱連續(xù)性。7.2輔助熱源（1）A.輔助熱源在水箱內(nèi)輔助熱源提供的熱能可以供應(yīng)到儲(chǔ)熱水箱中。輔助加熱量由水箱頂部的恒溫器控制，該恒溫器將水箱頂部的溫度保持在高于最小設(shè)定值的位置。當(dāng)在太陽(yáng)能系統(tǒng)中使用這樣的水箱時(shí)，通常的做法是盡量禁用較低位置的加熱器，使水箱的下三分之二基本上是儲(chǔ)存集熱器提供的熱量，而水箱的上三分之一是儲(chǔ)存輔助加熱量。優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單、便宜缺點(diǎn)增加水箱底部的水的溫度，進(jìn)而增加集熱器入口溫度，減少太陽(yáng)能集熱量7.2輔助熱源（2）B.輔助熱源在水箱出口管路上（串聯(lián)）輔助熱源加熱水箱的出水，從而“補(bǔ)充”太陽(yáng)能不足的部分。這就需要一個(gè)與太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱分開(kāi)的加熱器。該加熱器可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的管道式加熱器，也可以是一個(gè)具有自身存儲(chǔ)容量的傳統(tǒng)水加熱器。調(diào)節(jié)輔助加熱量，以保持來(lái)自輔助加熱器的出口溫度在一個(gè)所需的水平。優(yōu)點(diǎn)利用最大可能的太陽(yáng)能，不提高集熱器的溫度缺點(diǎn)若輔助熱源有存儲(chǔ)容量，則會(huì)產(chǎn)生額外熱損失。若輔助加熱器沒(méi)有儲(chǔ)熱裝置，則其加熱量需滿足瞬時(shí)最大用熱負(fù)荷，則使其額定供熱功率變大7.2輔助熱源（3）C.輔助熱源在旁通管上（并聯(lián)）優(yōu)點(diǎn)運(yùn)行控制簡(jiǎn)單缺點(diǎn)不能充分利用儲(chǔ)熱水箱儲(chǔ)存的集熱量繞過(guò)儲(chǔ)熱水箱直接加熱進(jìn)水，不利用水箱里蓄存的集熱量。若要使用低溫太陽(yáng)能熱水，輔助加熱水必須顯著高于設(shè)定的溫度，這需要輔助熱源具有很好的出水溫度與流量的調(diào)節(jié)能力。7.2輔助熱源2.輔助加熱設(shè)備與太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)輔助加熱設(shè)備一般應(yīng)具有可靠、穩(wěn)定、調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)，主要有電加熱器、鍋爐和太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)等。（1）電加熱器：將電能轉(zhuǎn)化為熱能（2）鍋爐：利用燃料（如煤、油、氣等）燃燒產(chǎn)生的熱量來(lái)加熱熱水或空氣優(yōu)點(diǎn)加熱速度快、加熱溫度高、調(diào)節(jié)靈活，初投資較低缺點(diǎn)電加熱費(fèi)用比較高，長(zhǎng)期運(yùn)行下成本高優(yōu)點(diǎn)供熱的熱效率較高，能夠提供穩(wěn)定的供熱效果，調(diào)節(jié)方便缺點(diǎn)供熱需要天然氣或液化石油氣，會(huì)產(chǎn)生污染，費(fèi)用高7.2輔助熱源（3）太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)就是將太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和熱泵組合成一個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)行供熱。根據(jù)太陽(yáng)能集熱器與熱泵的相對(duì)位置，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)可分為：串聯(lián)系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)雙源系統(tǒng)7.2輔助熱源Ⅰ.串聯(lián)系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、換熱器、熱泵和儲(chǔ)水箱等部件組成的，以水或者防凍液作為太陽(yáng)能集熱器的傳熱介質(zhì)。圖7-6串聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱循環(huán)與熱泵循環(huán)通過(guò)蒸發(fā)器串聯(lián)，蒸發(fā)器熱源全部來(lái)自太陽(yáng)能集熱循環(huán)所吸收的熱量；太陽(yáng)能集熱器提供的熱量供給熱泵蒸發(fā)器，通過(guò)熱泵達(dá)到所需的供熱溫度。7.2輔助熱源直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)：太陽(yáng)能集熱器與熱泵蒸發(fā)器結(jié)合為集熱/蒸發(fā)器，低沸點(diǎn)工質(zhì)作為太陽(yáng)能集熱器的傳熱介質(zhì)。1.

集熱/蒸發(fā)器中，太陽(yáng)能加熱低沸點(diǎn)工質(zhì)使其蒸發(fā)；2.

工質(zhì)蒸氣經(jīng)壓縮機(jī)升壓升溫，進(jìn)入冷凝器放熱，加熱水箱中的水，使之達(dá)到供熱所需要的溫度；3.

工質(zhì)蒸氣冷凝為液體，經(jīng)膨脹閥回到集熱/蒸發(fā)器，完成循環(huán)。7.2輔助熱源節(jié)省換熱設(shè)備，結(jié)構(gòu)更為緊湊，安裝更為方便，適用于小型家用太陽(yáng)能系統(tǒng)。太陽(yáng)能集熱器的工作溫度與熱泵的蒸發(fā)溫度保持一致，且與室外溫度的溫差小，因而集熱器的散熱損失小。太陽(yáng)輻射小，熱泵蒸發(fā)器獲取的熱量只能來(lái)自集熱器，使得熱泵的供熱能力受限，需另設(shè)輔助熱源保證供熱。由于集熱/蒸發(fā)器存在熱泵工質(zhì)的充注量及泄漏問(wèn)題，因而直接膨脹式不適用于大型的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)。直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：7.2輔助熱源Ⅱ.并聯(lián)系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱循環(huán)與熱泵循環(huán)并聯(lián)。一般太陽(yáng)輻射充足時(shí)，用太陽(yáng)能集熱循環(huán)提供熱量，而熱泵循環(huán)作為太陽(yáng)能集熱循環(huán)不滿足供熱需求時(shí)的輔助熱源。這時(shí)熱泵一般為空氣源熱泵。圖7-8并聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)7.2輔助熱源Ⅲ.雙源系統(tǒng)熱泵采用雙蒸發(fā)器，一個(gè)蒸發(fā)器由太陽(yáng)能集熱器提供熱量，另一個(gè)從其他熱源取熱?？蓪?shí)現(xiàn)三種工況的切換和運(yùn)行：1）集熱器出水溫度較高，集熱器直接供熱；2）集熱器出水溫度較低，集熱器與熱泵串聯(lián)式運(yùn)行；3）在太陽(yáng)輻照不足的情況下，啟用熱泵從其他熱源取熱。圖7-9雙源式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)1.集熱器的連接集熱器連接成集熱系統(tǒng)的方式：串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)。圖7-10（a）同程連接在實(shí)際工程中，集熱器一般采用并聯(lián)方式，且每組集熱器集熱器數(shù)目不宜超過(guò)16個(gè)或總面積不宜超過(guò)32m2。為保證各集熱器組的水力平衡，各集熱器組之間的連接推薦采用同程連接。7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)當(dāng)采用異程連接時(shí)，每個(gè)集熱器組的支路上應(yīng)該增加平衡閥來(lái)調(diào)節(jié)流量平衡。圖7-10（b）異程連接集熱器組并聯(lián)：各集熱組含的集熱器數(shù)一般應(yīng)該相同串聯(lián)：個(gè)數(shù)也不宜超過(guò)三個(gè)7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)2.集熱器的布置（1）集熱器安裝方位角和傾角①宜朝向正南放置，但偏東或者偏西30°之內(nèi)都可接受；②全年使用：安裝傾角宜取與當(dāng)?shù)鼐S度相等；偏重于冬季使用：傾角應(yīng)比當(dāng)?shù)鼐暥却?0°；偏重于夏季使用：傾角應(yīng)比當(dāng)?shù)鼐暥刃?0°。7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)（2）集熱器前后排間距①集熱器順著屋頂坡向安裝或組成一排時(shí)，之間無(wú)遮擋，留出安裝間距和檢修空間，不需計(jì)算日照間距。②兩排或兩排以上集熱器安裝時(shí)，應(yīng)盡量避免相互遮擋。7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)集熱器前后排之間的日照間距：S——日照間距(m)；H——前排集熱器的高度(m)；αs——計(jì)算時(shí)刻的太陽(yáng)高度角，γ0——集熱器方位角γ與太陽(yáng)方位角γs之差，集熱器的方位角與太陽(yáng)方位角都是朝東為負(fù)數(shù)，朝西為正數(shù)，正南為0。αs的計(jì)算時(shí)刻的選取原則如下：a.全年運(yùn)行系統(tǒng)：選春分/秋分日的9：00或15：00；b.主要在春、夏、秋三季運(yùn)行的系統(tǒng)：選春分/秋分日的8：00或16：00；c.主要在冬季運(yùn)行的系統(tǒng)：

選冬至日的10：00或14：00；d.集熱器安裝方位為南偏東時(shí)，選上午時(shí)刻；南偏西時(shí)，選下午時(shí)刻。7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)3.集熱環(huán)路設(shè)計(jì)流量（1）設(shè)計(jì)集熱環(huán)路流量時(shí)有兩種方法：高流量系統(tǒng)低流量系統(tǒng)集熱器環(huán)路中每m2集熱器面積的流量q約為50L/(m2·h)，集熱器內(nèi)的溫升約為5-10℃。集熱器環(huán)路中每m2集熱器面積的流量q約為10-15L/(m2·h)，集熱器內(nèi)的溫升約為10-20℃。可能導(dǎo)致從管道中進(jìn)入水箱的水和水箱內(nèi)的水混合，使水箱的溫度分層效果下降。增加水箱溫度分層，降低集熱器入口溫度，使集熱系統(tǒng)熱性能的提高。減少回路中管道的尺寸和泵的電力消耗，管道初投資和運(yùn)行費(fèi)用降低。7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)（2）太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的流量qs集熱器單位面積流量乘以太陽(yáng)能集熱器總面積就可以得到太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的流量，即：A——集熱系統(tǒng)集熱器總面積整個(gè)太陽(yáng)能集熱環(huán)路中，各管路的設(shè)計(jì)流量也可以根據(jù)其負(fù)責(zé)的集熱器面積計(jì)算出來(lái)。7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)（3）集熱管路的設(shè)計(jì)①循環(huán)管路應(yīng)按1.0~1.2m/s的設(shè)計(jì)流速選取其管徑；②為了減少系統(tǒng)的流動(dòng)阻力，循環(huán)管路應(yīng)盡量短且少?gòu)?；③集熱器的循環(huán)管路應(yīng)有0.3%~0.5%的坡度，以便排除系統(tǒng)內(nèi)的空氣；④

在自然循環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)使循環(huán)管路朝儲(chǔ)水箱方向有向上坡度，不允許有反坡；⑤

在循環(huán)管路中易發(fā)氣塞的位置應(yīng)設(shè)有排氣閥。7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)4.集熱系統(tǒng)運(yùn)行控制太陽(yáng)能集熱器通常采用開(kāi)關(guān)控制和比例控制。對(duì)于比例控制，通過(guò)控制泵的轉(zhuǎn)速使集熱器出口保持一定（1）比例控制器：將集熱器出口溫度或通過(guò)集熱器的溫升維持在或接近預(yù)定值。溫度傳感器控制泵的轉(zhuǎn)速?？色@得更高的出口溫度。但如果水箱能實(shí)現(xiàn)溫度分層，使用比例控制產(chǎn)生的流量減少可能會(huì)改善溫度分層和系統(tǒng)熱性能。開(kāi)關(guān)控制器根據(jù)集熱器是否獲得有用的熱輸出來(lái)決定循環(huán)泵的開(kāi)停比例控制器通過(guò)控制泵的轉(zhuǎn)速使集熱器出口保持一定的溫度水平7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)4.集熱系統(tǒng)運(yùn)行控制太陽(yáng)能集熱器通常采用開(kāi)關(guān)控制和比例控制。開(kāi)關(guān)控制器比例控制器根據(jù)集熱器是否獲得有用的熱輸出來(lái)決定循環(huán)泵的開(kāi)停通過(guò)控制泵的轉(zhuǎn)速使集熱器出口保持一定的溫度水平7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)（1）開(kāi)關(guān)控制方案（溫差循環(huán)控制）需要兩個(gè)溫度傳感器：S2布置在儲(chǔ)熱裝置的底部，測(cè)得溫度為T(mén)i；S1在集熱器出口處的吸熱板（或集熱器出口附近的管道），測(cè)得溫度為T(mén)p。圖7-13溫差循環(huán)控制7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)當(dāng)集熱泵關(guān)閉時(shí)，集熱器輸出為零，吸熱板達(dá)到一個(gè)平衡溫度：當(dāng)Tp等于Ti+?Ton時(shí)，S的值為：當(dāng)泵開(kāi)啟的時(shí)候，有用得熱量為：當(dāng)式中的Son被式(7-4)替代時(shí)，變?yōu)椋海?-3）（7-4）（7-5）（7-5）7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)出口溫度可按照下式計(jì)算獲得(To?Ti)即為當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)控制器測(cè)得的溫度差。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，停止運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)必須滿足下列不等式：等號(hào)表示系統(tǒng)剛啟動(dòng)就滿足停止的條件，此時(shí)泵頻繁開(kāi)啟和關(guān)閉，因此只有在式（7-8）的左邊明顯小于右邊時(shí)，系統(tǒng)才能穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間。（7-7）（7-8）7.3集熱環(huán)路設(shè)計(jì)打開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)大于關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)，即比值遠(yuǎn)大于1。僅當(dāng)有用得熱量的價(jià)值超過(guò)泵送成本時(shí)，泵才啟動(dòng)運(yùn)行。工程中，?Ton一般設(shè)置為8-10℃，而?Toff一般為2-4℃。即使?jié)M足式(7-8)的標(biāo)準(zhǔn)，也可能發(fā)生啟停震蕩。清晨，儲(chǔ)熱裝置與集熱器間管道內(nèi)流體溫度低于儲(chǔ)熱裝置底部。泵初次啟動(dòng)時(shí)，冷流體進(jìn)入集熱器，致出口傳感器檢測(cè)溫度偏低，控制器會(huì)關(guān)閉泵；待集熱器內(nèi)流體升溫至適宜溫度，泵將再次開(kāi)啟。盡管這會(huì)造成泵和電機(jī)的磨損，但這是將集熱器和入口管道中的流體加熱至適當(dāng)溫度的有效方法。7.4防凍、防過(guò)熱問(wèn)題1.防凍問(wèn)題以水為介質(zhì)的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，其室外集熱器與管道在寒冬易因積水結(jié)冰膨脹而損壞，高寒地區(qū)尤甚，需針對(duì)性設(shè)置防凍措施以保障系統(tǒng)越冬。常用的防凍措施：（1）通過(guò)蓄熱水箱的水循環(huán)來(lái)防凍（2）使用防凍液（3）排回防凍保護(hù)（4）防凍集熱器+室外管路上敷設(shè)自限式電熱帶7.4防凍、防過(guò)熱問(wèn)題（1）通過(guò)蓄熱水箱的水循環(huán)來(lái)防凍在強(qiáng)制循環(huán)的直接式系統(tǒng)中，在集熱器吸熱體的下部或室外環(huán)境溫度最低處的管路上埋置溫度傳感器，接至控制器。當(dāng)集熱器內(nèi)或室外管路中的水溫接近凍結(jié)溫度(比如3℃~4℃)時(shí)，控制器打開(kāi)電源啟動(dòng)循環(huán)水泵，將儲(chǔ)水箱內(nèi)的熱水送往集熱器，使集熱器和管路中的水溫升高。當(dāng)集熱器或管路中的水溫升高到某設(shè)定值(或當(dāng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)某設(shè)定時(shí)段)時(shí)，控制器關(guān)斷電源，循環(huán)水泵停止工作。優(yōu)點(diǎn)循環(huán)防凍措施投資較小缺點(diǎn)停電將無(wú)法使用，造成結(jié)冰凍壞；寒冷地區(qū)仍可能結(jié)冰；防凍循環(huán)時(shí)集熱器成了散熱器，會(huì)將大量熱量散失掉7.4防凍、防過(guò)熱問(wèn)題（2）使用防凍液在集熱環(huán)路采用防凍液，通過(guò)換熱器把集熱環(huán)路與用熱環(huán)路分開(kāi)。管路系統(tǒng)中常用的防凍劑主要為乙二醇或者丙二醇和水組成的防凍液。這種防凍方法只能用于間接系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)具有較高的可靠性，適用于寒冷和嚴(yán)寒氣候區(qū)缺點(diǎn)防凍液存在揮發(fā)等損耗情況，在冬季需對(duì)回路內(nèi)的防凍液含量進(jìn)行定期檢查，以防止防凍液耗盡造成結(jié)冰等事故7.4防凍、防過(guò)熱問(wèn)題（3）排回防凍保護(hù)水作為傳熱工質(zhì)。將水排至非凍結(jié)環(huán)境的回水箱，可防止循環(huán)泵停機(jī)或停電時(shí)系統(tǒng)凍結(jié)。集熱環(huán)路工質(zhì)量大的排水系統(tǒng)，能在夜間回收工質(zhì)儲(chǔ)存熱能，減少管路與集熱器的夜間熱損失，顯著提升系統(tǒng)效率。圖7-14排回系統(tǒng)中集熱器安裝優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單可靠，不需增設(shè)其他設(shè)備缺點(diǎn)系統(tǒng)中的循環(huán)水泵要有較高的揚(yáng)程7.4防凍、防過(guò)熱問(wèn)題關(guān)于排回系統(tǒng)需要注意以下幾個(gè)方面：可采用閉式系統(tǒng)（管內(nèi)液體與大氣不相通）或開(kāi)式系統(tǒng)（設(shè)通氣管使管內(nèi)液體與大氣相通）。閉式無(wú)需補(bǔ)水，且能避免空氣進(jìn)入集熱回路腐蝕管道設(shè)備。水箱容積要略大于集熱回路的容水量。集熱器及連接管道需特殊設(shè)計(jì)，回水箱需低于室外集熱器與管路，確保停機(jī)時(shí)水可排空。附近必須有供暖空間來(lái)放置泵和排回水箱。設(shè)計(jì)需兼顧動(dòng)壓損失（管道摩擦所致）與靜壓損失（回水箱液面至集熱器頂部高度差所致）。7.4防凍、防過(guò)熱問(wèn)題（4）防凍集熱器+室外管路上敷設(shè)自限式電熱帶①

防凍集熱器集熱器需置于室外，選用防凍型集熱器可避免嚴(yán)冬凍損。熱管式真空管集熱器、內(nèi)插熱管的全玻璃真空管集熱器均屬此類(lèi)，因其熱水不直接進(jìn)入真空管，玻璃罩管不接觸水，且熱管工質(zhì)容量小，即便在零下幾十?dāng)z氏度環(huán)境中也不易凍壞。7.4防凍、防過(guò)熱問(wèn)題②

室外管路上敷設(shè)自限式電熱帶自然/強(qiáng)制循環(huán)直接系統(tǒng)中，可在室外易結(jié)冰管路敷設(shè)自限式電熱帶防凍。其原理為：電熱帶附近設(shè)熱敏電阻并接入電路，通電后加熱管路水的同時(shí)使熱敏電阻升溫、電阻增大，電阻達(dá)閾值時(shí)電路中斷，電熱帶停轉(zhuǎn)降溫；該過(guò)程反復(fù)循環(huán)，既防管路水結(jié)冰，又避免電熱帶過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)。此方法需消耗電能，但在嚴(yán)寒地區(qū)行之有效。7.4防凍、防過(guò)熱問(wèn)題2.防過(guò)熱問(wèn)題夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)且無(wú)/低用熱負(fù)荷時(shí)，集熱量遠(yuǎn)超用熱量，系統(tǒng)水溫持續(xù)升高，若時(shí)長(zhǎng)過(guò)久，工質(zhì)溫度、壓力易超允許值，導(dǎo)致系統(tǒng)損壞或安全事故。具體危害如下：A.高溫加速非金屬材料（橡膠墊圈、密封材料）老化，引發(fā)管道密封不嚴(yán)、漏水；還可能損傷集熱器（如真空管選擇性涂層脫落），縮短使用壽命、降低性能；B.工質(zhì)汽化產(chǎn)生蒸汽，可能阻塞液流致系統(tǒng)停運(yùn)；壓力過(guò)高還會(huì)造成管道/設(shè)備爆裂，引發(fā)安全事故；C.若工質(zhì)為乙二醇等防凍液，溫度超115℃時(shí)會(huì)分解，產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)。7.4防凍、防過(guò)熱問(wèn)題幾種常用的防止過(guò)熱的措施：（1）遮陽(yáng)在太陽(yáng)能集熱器上方加裝遮陽(yáng)板或覆蓋遮陽(yáng)布，可減少陽(yáng)光直射，直接有效避免集熱器過(guò)熱。目前主流為電動(dòng)控制遮陽(yáng)：當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)設(shè)定限值時(shí)，通過(guò)網(wǎng)布、卷簾等隔絕太陽(yáng)輻射；但該方式依賴電力（停電失效）、成本高、機(jī)械故障多、售后繁瑣，且遮蓋物需具備抗風(fēng)、耐候性，實(shí)際應(yīng)用較少。7.4防凍、防過(guò)熱問(wèn)題（2）在集熱環(huán)路中設(shè)置散熱裝置在水箱內(nèi)置換熱盤(pán)管或外置板式換熱器，并連接冷卻裝置。當(dāng)系統(tǒng)溫度超設(shè)定上限時(shí)，水泵啟動(dòng)，熱水進(jìn)入閉式冷卻裝置（以室外空氣為介質(zhì)）散熱，降溫后回流至集熱系統(tǒng)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)控溫。圖7-15集熱環(huán)路中設(shè)置散熱裝置7.4防凍、防過(guò)熱問(wèn)題（3）排回系統(tǒng)排回系統(tǒng)在貯水箱水溫超過(guò)設(shè)定的最高溫度時(shí)關(guān)閉水泵，傳熱工質(zhì)排回，使集熱器進(jìn)入空曬狀態(tài)。集熱系統(tǒng)不再加熱水箱，從而避免水箱溫度升高或沸騰造成系統(tǒng)部件的損壞。缺點(diǎn)是集熱器處于空曬狀態(tài)，集熱器內(nèi)的吸熱體溫度很高，尤其是真空管集熱器，溫度有時(shí)能超過(guò)200℃，這可能導(dǎo)致選擇性吸收涂層脫落，對(duì)集熱器造成損傷。（4）歐洲新型過(guò)熱保護(hù)方案7.5部件對(duì)熱性能的影響1.集熱器管道損失影響分析太陽(yáng)能系統(tǒng)中，進(jìn)出集熱器的管道造成的損失比較大。用修正的集熱器UL值和（τα）值,來(lái)體現(xiàn)管道熱損失的影響。①流體以溫度Ti進(jìn)入管道；②因環(huán)境溫度Ta<Ti，發(fā)生熱損失，進(jìn)入集熱器前溫度下降ΔTi；③流體經(jīng)集熱器加熱后達(dá)到出口溫度；④流經(jīng)出口管道時(shí)與環(huán)境發(fā)生熱損失，溫度又降低到To圖7-16通過(guò)管道集熱系統(tǒng)的流體溫度變化7.5部件對(duì)熱性能的影響從能量平衡知道，這種管道-集熱器系統(tǒng)獲得的有用得熱量可以用下式表示：獲得能量也可以表示成集熱器獲取的能量減去管段熱損失：管段熱損失就等于從入口到出口管段的全部損失，并用下列式子表示：式中Ud是管段的熱損失系數(shù)。式中Ai和Ao分別是入口和出口管段的損失面積。（7-9）（7-10）（7-11）7.5部件對(duì)熱性能的影響對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)非常好的系統(tǒng)，管段損失應(yīng)該是非常小的，因此積分解可以近似用進(jìn)出口的溫度表示：式中Ai和Ao分別是入口和出口管段的損失面積。聯(lián)立方程(7-10)和方程(7-12)，熱損失就可以用有用得熱量和進(jìn)口流體溫度來(lái)表示：（7-12）（7-13）7.5部件對(duì)熱性能的影響由于集熱器入口側(cè)熱損失造成的溫度減少量?Ti，可以近似的表示成下式：將方程(7-13)、(7-14)代入到方程(7-10)，管道-集熱器系統(tǒng)的有用得熱量可以表示成下式：（7-14）（7-15）7.5部件對(duì)熱性能的影響通過(guò)定義（τα）和UL的修正值，方程(7-15)可以寫(xiě)成普通的集熱器方程：上式中有：和（7-16）（7-17）（7-18）7.5部件對(duì)熱性能的影響2.串聯(lián)集熱器的分析集熱器陣列的模塊可采用串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)方式連接，其整體性能取決于排列形式、流體流量及各模塊入口溫度。對(duì)于串聯(lián)的集熱器模塊，

提出了有用得熱量的計(jì)算方法。分析中兩個(gè)集熱器的性能參數(shù)可以不同，但每個(gè)集熱器的兩個(gè)特征參數(shù)都要給定。圖7-17串聯(lián)和并聯(lián)的集熱器模塊示意圖7.5部件對(duì)熱性能的影響串