如何防止集热器冻结损坏

集热器中的水冻结可能会导致需要更换集热器，并且内部节点处可能突然爆裂而对建筑造成严重的水渍损害。这些都会增加成本，并且对经济可行性和消费者信心产生不利影响。在全球范围内，太阳能热水器主要是采用真空管集热器（Rabl，1985），因为它们在中国非常普遍。结合真空外管、具有低长波透射率的太阳能选择性吸收表面和热管固有的对玻璃冻坏压力的耐久性，可以防止集热器中的水结冻。多层玻璃（Duffie和Beckman，1991）和透明隔热材料可以为集热器提供防冻保护。尽管使用过多层玻璃（例如一个6层盖板的超隔热系统）会由于光学损失而降低集热器的性能（Bishop，1983），但其仍然可以应用到一体被动式太阳能热水器中。蓄热体为一体承压式太阳能热水器提供了重要的防冻保护作用（Smyth等，2001a，b）。在冬季，所有类型系统中的水也都要尽可能被排空（Duffie和Beckman，1991；Deutsche Gesellschaft für Sonnenen-ergie，2005）。

为了避免集热器内的水在寒冷气候条件下冻结而给管网造成潜在危害，最常见的内在保护措施是在由集热器、换热器及连接管路组成的封闭环路中加入乙二醇水溶液。该系统的优点是不需要自动或人工地调控排水阀。一些非常寒冷的地区在多云的寒冷天气过后，会立即出现可利用的太阳辐射。在这种条件下，与排空式系统不同，由乙二醇填充的间接系统可以产生温水。与直接式系统相比，间接式系统在温暖条件下热效率较低，从而抵消了上述优势。对于热虹吸式太阳能热水器，间接式系统的效率相对较低（Norton和Edmonds，1991）。由于乙二醇水溶液黏度较高（与水相比），会降低自然循环的流速，另外（与直接式系统相比）换热器会产生附加的流动阻力和传热阻力，传热流体的比热容也比水低。

使用采光口防冻液会造成集热器性能的下降，但可能会因系统全年运行时间的延长而得到补偿。在气候、太阳能热水器和取水方式的特定组合下，存在一个最佳的采光口防冻液浓度。

在商业应用的、浓度50%以内的乙二醇水溶液凝固点和英国伦敦每月环境温度分布（其中记录了冰冻时期）条件下，系统安全运行的临界浓度如图8.18所示。在特定的系统和条件下（Norton和Edmonds，1991），最佳丙二醇水溶液浓度如图8.19所示，全年运行的临界浓度为25%。与仅在3～10月份使用而在冬季将水排空的直接式系统相比，具有最佳丙二醇水溶液浓度的间接式系统全年运行的输出要高出约12%。

图8.18 间接式热虹吸型太阳能热水器的临界乙二醇浓度(www.xing528.com)

另一种防止冻结损坏的方法是在排水系统中使用间接式防冻输送的集热储热回路。可以通过以下两种不同的方式实现：

1）排空式：在冬季将直接式系统中的水全部排空，直到不可能再出现结冻的天气条件。

2）回灌式：当泵运行时，水只在集热器中流动。当位置低于集热器的泵停止工作时，水就会回落到建筑管道预设的水位。与防冻间接式系统相比，这种直接式回灌系统的优势在于不需要增加换热器便可高效得热。与排空式系统相比，其优势在于可以延长运行时间。其缺点在于需要更大功率的泵并产生额外的泵运行能耗。这类系统在法国和美国有特定用途（Siré，2011）。在美国的一个例子是，将这种系统与光伏动力泵结合使用（Dontje，2007）。

图8.19 不同浓度丙二醇水溶液的热水产量