水垢對太陽能熱水系統的危害及解決措施

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、價格不斷提升及人類生存環境不斷惡化，各國對節能、減排的指標越發重視。我國在“十二五”期間對各級政府的考核指標調整，將節能減排作為重要的考核目標。太陽能作為可再生能源市場推廣最為成熟的新能源之一，越來越受到各級政府的重視和推廣。

太陽能光熱系統在推廣過程中，由于人們對太陽能的期望值過高，對系統不了解，形成太陽能不僅節能且免維護的觀念，大部分用戶在安裝太陽能熱水系統后，僅關心太陽能熱水系統的產熱量而不重視系統的維護，為此造成太陽能熱水系統故障多、壽命短等現象。在影響太陽能熱水系統工程運行的因素中，水垢的危害特別嚴重，且未受到設計、安裝、設備管理人員的足夠重視。

對于太陽能光熱系統中水質的要求在現有規范中未引起足夠重視，但在實際應用中，水質總硬度大小對太陽能光熱系統中各設備影響極大。水垢易造成集熱系統的效率降低、管路堵塞、閥門關閉不嚴等方面的影響。在開式系統中，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生高壓而發生爆炸；在閉式系統中，由于集熱器采用熱管或U形管集熱器，介質具有防凍、防結垢的功能，不會對集熱系統造成影響，但換熱系統往往成為水垢的影響區。水垢直接影響換熱器的傳熱系數，對于板式換熱器極易造成流道的堵塞，熱量不能及時傳遞到水箱，導致集熱器高溫，集熱介質達到沸點揮發，系統不能正常工作。

1 水垢的產生機理

水垢的形成是一個復雜的結晶過程，水中致垢的主要物質是由鈣和鎂結晶形成的碳酸鹽與硫酸鹽，這些物質的溶解度與溫度系數成反比，即隨著溫度的升高其溶解度不斷降低。當鈣和鎂的碳酸鹽與硫酸鹽含量大于其溶解度時，物質會析出并沉淀，長期如此，管壁上逐漸沉積附著力很強的晶體硬垢。

水中析出的難溶物質有可能形成水垢，也有可能形成水渣，這不僅取決于它的化學成分和結晶形態，而且還與析出時的條件有關。如在集熱器之間的連接件、循環管道中，水中析出的碳酸鈣常結成堅硬的水垢；而在真空管內，由于水處于劇烈的對流狀態，此時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 影響集熱介質溫度的相關因素

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

圖2 介質溫度的影響因素

2.1 太陽能保證率

太陽能保證率(太陽加熱系統中由太陽能提供的負荷與總負荷之比)與集熱系統的采光面積成正比，國家相關標準中規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高溫情況。

2.2 熱水用量的變化

在工程設計時，熱水用量通常根據《建筑給排水設計規范》中的最高日熱水用水定額進行取值。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，有些項目中的介質溫度持續保持在80 ℃以上，此時極易形成水垢。

2.3 太陽輻照量和季節

非可控因素中，太陽輻照量是影響太陽能熱水系統中介質水溫的重要因素之一。太陽輻照量在指定地點的輻照量與季節相關，以濟南為例，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。在相同季節由于天氣的變化也會造成每日總輻射量的變化，如圖4所示[2]。故太陽能熱水系統在熱水用水量不變的情況下，在不同季節、不同日期也會造成集熱介質高溫。

圖3 月總輻照量分布圖

圖4 太陽日總輻射年變化圖

3 系統中水質硬度要求及防止水垢的解決措施

3.1 系統中水質硬度要求

太陽能熱水系統中的集熱部分等同于傳統加熱設備，為此，太陽能熱水系統中的水質硬度要求應與常壓熱水鍋爐要求相同，熱水鍋爐對水質硬度的要求為：采用鍋內加藥處理且供水溫度≤95 ℃時，總硬度≤175 mg/L；采用鍋外化學處理且供水溫度>95 ℃時，總硬度<30 mg/L[3]。

在太陽能熱水系統中，開式系統和閉式系統均應根據系統所能達到的水溫(包含過熱情況下的水溫)判斷水質(硬度)標準。當水溫>95 ℃時，水質的總硬度≥30 mg/L；當水溫≤95 ℃時，水質的總硬度≥175 mg/L。

3.2 水垢的解決措施

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

3.2.1 強磁水處理儀

利用強磁水處理儀除垢的原理為：利用磁場對水進行處理，在不改變水的化學成分的前提下，改變水的物理結構，利用釹鐵硼稀土永磁材料蘊藏的巨大能量，經優化設計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，產生的電動勢越大，效果也越理想，從而達到防垢、除垢的目的。

優點：無需化學藥劑，無二次污染，維護方便，初期使用1～2月檢查1次，如無異常半年檢查1次；缺點：隨著使用時間的延長，磁場會減弱，影響使用效果，且處理過的水具有時效性，最佳使用時間在4 h內，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，并對鐵離子起封閉作用，對氫氧化鐵起分散作用；硅酸鹽和磷酸鹽能使管道內壁表面形成保護膜，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。

優點：不需要動力，水頭壓損失小，每隔3～6個月補充1次藥劑；缺點：水中的碳酸鹽硬度不宜超過350 mg/L，水溫不宜持續超過80 ℃。

圖5 強磁水處理儀

圖6 硅磷晶水處理設備

3.2.3 離子交換法

如圖7所示，離子交換原理為：在操作中，裝置中水的流向為從上到下，裝置內的樹脂收集每個經過的單個Ca2+，并同時釋放兩個Na+到水中，從理論上講，此過程可一直持續到樹脂中貯存的鈉已經完全用于交換鈣，即達到了裝置的“總交換容量”。再生(圖8)：通過裝置的水流被逆轉至從下到上，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；由于數量遠勝，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，防止鹽水進入裝置，裝置再次為服務水流通過準備完畢。

優點：處理范圍廣，原水硬度≤800 mg/L，處理后硬度≤30 mg/L，不受集熱系統水溫的影響；缺點：定期置換再生鹽。

圖7 置換前樹脂結構示意圖

圖8 置換后樹脂結構示意圖

4 工程應用實例

根據工程的應用情況，分別對山西省太原市3類水處理設備在工程運行半年后進行調查：使用強磁水處理設備內壁略有黃色斑點；使用硅磷晶處理和離子交換方式的設備未發現明顯斑點。

表1 不同類型水處理方式對比分析表

5 結論

通過以上分析可知，若要徹底解決水垢對太陽能熱水系統的影響，應從設計計算、設備選型及運行管理3方面入手：

1) 在設計計算中避免水溫過高，或避免高溫持續出現，從而避免水垢的生成；

2) 在設備選型過程中，應結合當地水質的硬度，設計中是否會出現高溫或持續高溫，以及管理者對設備的管理情況，選擇合適的水處理設備；

3) 設備運行管理，任何設備都需要人員維護、管理，根據選擇設備的型號特點結合使用單位的實際情況，加大設備的管理維護力度，將問題消滅在萌芽狀態，讓太陽能熱水系統的作用發揮極致功能，為節能減排多做一些貢獻。

參考資料

[1] GB 50015-2003, 建筑給水排水設計規范(2009版)[S].

[2]中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2005.

[3]暖通空調常用數據手冊 [M]. 北京: 中國建筑工業出版社,2002.