水垢对太阳能热水系统的危害及解决措施

皇明太阳能股份有限公司 ■ 梁笃荣

0 引言

随着化石燃料不断减少、价格不断提升及人类生存环境不断恶化，各国对节能、减排的指标越发重视。我国在“十二五”期间对各级政府的考核指标调整，将节能减排作为重要的考核目标。太阳能作为可再生能源市场推广最为成熟的新能源之一，越来越受到各级政府的重视和推广。

太阳能光热系统在推广过程中，由于人们对太阳能的期望值过高，对系统不了解，形成太阳能不仅节能且免维护的观念，大部分用户在安装太阳能热水系统后，仅关心太阳能热水系统的产热量而不重视系统的维护，为此造成太阳能热水系统故障多、寿命短等现象。在影响太阳能热水系统工程运行的因素中，水垢的危害特别严重，且未受到设计、安装、设备管理人员的足够重视。

对于太阳能光热系统中水质的要求在现有规范中未引起足够重视，但在实际应用中，水质总硬度大小对太阳能光热系统中各设备影响极大。水垢易造成集热系统的效率降低、管路堵塞、阀门关闭不严等方面的影响。在开式系统中，由于集热器绝大部分采用全玻璃真空集热管，水垢的大量吸附会造成真空管炸裂，或连接件中的水垢堵塞造成集热器局部产生高压而发生爆炸；在闭式系统中，由于集热器采用热管或U形管集热器，介质具有防冻、防结垢的功能，不会对集热系统造成影响，但换热系统往往成为水垢的影响区。水垢直接影响换热器的传热系数，对于板式换热器极易造成流道的堵塞，热量不能及时传递到水箱，导致集热器高温，集热介质达到沸点挥发，系统不能正常工作。

1 水垢的产生机理

水垢的形成是一个复杂的结晶过程，水中致垢的主要物质是由钙和镁结晶形成的碳酸盐与硫酸盐，这些物质的溶解度与温度系数成反比，即随着温度的升高其溶解度不断降低。当钙和镁的碳酸盐与硫酸盐含量大于其溶解度时，物质会析出并沉淀，长期如此，管壁上逐渐沉积附着力很强的晶体硬垢。

水中析出的难溶物质有可能形成水垢，也有可能形成水渣，这不仅取决于它的化学成分和结晶形态，而且还与析出时的条件有关。如在集热器之间的连接件、循环管道中，水中析出的碳酸钙常结成坚硬的水垢；而在真空管内，由于水处于剧烈的对流状态，此时析出的碳酸钙常形成松软的水渣(图1)。

图1 真空管中的水垢

2 影响集热介质温度的相关因素

太阳能热水系统中影响其介质(直接加热系统为水，间接加热系统为防冻液)温度的相关因素如图2所示。影响集热介质温度的非人为因素实属不可控因素，不能进行人工控制和干涉。若控制集热介质温度，需在人为因素中进行合理取值。

图2 介质温度的影响因素

2.1 太阳能保证率

太阳能保证率(太阳加热系统中由太阳能提供的负荷与总负荷之比)与集热系统的采光面积成正比，国家相关标准中规定保证率的取值范围为30%～80%，保证率越高太阳能提供的热量所占比例越大；在其他条件不变的情况下，保证率越高则越易出现高温情况。

2.2 热水用量的变化

在工程设计时，热水用量通常根据《建筑给排水设计规范》中的最高日热水用水定额进行取值。日常用水与最高日热水用水定额存在一定偏差[1]，酒店、旅馆等尤为突出，有些项目中的介质温度持续保持在80 ℃以上，此时极易形成水垢。

2.3 太阳辐照量和季节

非可控因素中，太阳辐照量是影响太阳能热水系统中介质水温的重要因素之一。太阳辐照量在指定地点的辐照量与季节相关，以济南为例，太阳辐照量每月分布图如图3所示，最高月总辐射量为597.2 MJ/m2，最低月总辐射量为210.1 MJ/m2，二者相差2.8倍。在相同季节由于天气的变化也会造成每日总辐射量的变化，如图4所示[2]。故太阳能热水系统在热水用水量不变的情况下，在不同季节、不同日期也会造成集热介质高温。

图3 月总辐照量分布图

图4 太阳日总辐射年变化图

3 系统中水质硬度要求及防止水垢的解决措施

3.1 系统中水质硬度要求

太阳能热水系统中的集热部分等同于传统加热设备，为此，太阳能热水系统中的水质硬度要求应与常压热水锅炉要求相同，热水锅炉对水质硬度的要求为：采用锅内加药处理且供水温度≤95 ℃时，总硬度≤175 mg/L；采用锅外化学处理且供水温度>95 ℃时，总硬度<30 mg/L[3]。

在太阳能热水系统中，开式系统和闭式系统均应根据系统所能达到的水温(包含过热情况下的水温)判断水质(硬度)标准。当水温>95 ℃时，水质的总硬度≥30 mg/L；当水温≤95 ℃时，水质的总硬度≥175 mg/L。

3.2 水垢的解决措施

太阳能热水系统中通常采用强磁水处理仪、加药(硅磷晶)法和离子交换来去除水垢。

3.2.1 强磁水处理仪

利用强磁水处理仪除垢的原理为：利用磁场对水进行处理，在不改变水的化学成分的前提下，改变水的物理结构，利用钕铁硼稀土永磁材料蕴藏的巨大能量，经优化设计形成多波峰垂直中心磁场，且流速不能低于1.5 m/s，流速越快，产生的电动势越大，效果也越理想，从而达到防垢、除垢的目的。

优点：无需化学药剂，无二次污染，维护方便，初期使用1～2月检查1次，如无异常半年检查1次；缺点：随着使用时间的延长，磁场会减弱，影响使用效果，且处理过的水具有时效性，最佳使用时间在4 h内，只能缓解不能根除。

3.2.2 加药(硅磷晶)法

硅磷晶为玻璃状小球，是聚磷酸盐和聚硅酸盐组成的微溶性聚合体。在水中聚磷酸盐能有效防止CaCO3的晶体生长和凝聚，并对铁离子起封闭作用，对氢氧化铁起分散作用；硅酸盐和磷酸盐能使管道内壁表面形成保护膜，隔绝氧气，防止管道腐蚀，长期使用可去除原氧化铁垢，而粘附在其上面的碳酸盐脱落。

优点：不需要动力，水头压损失小，每隔3～6个月补充1次药剂；缺点：水中的碳酸盐硬度不宜超过350 mg/L，水温不宜持续超过80 ℃。

图5 强磁水处理仪

图6 硅磷晶水处理设备

3.2.3 离子交换法

如图7所示，离子交换原理为：在操作中，装置中水的流向为从上到下，装置内的树脂收集每个经过的单个Ca2+，并同时释放两个Na+到水中，从理论上讲，此过程可一直持续到树脂中贮存的钠已经完全用于交换钙，即达到了装置的“总交换容量”。再生(图8)：通过装置的水流被逆转至从下到上，将冲刷掉树脂层顶部残留的任何颗粒，树脂充分被钠离子冲刷；由于数量远胜，Na+将再次替换树脂上的Ca2+，释放的Ca2+和再生水流一起被排放到下水道；最后，用淡水冲洗装置，以去除树脂层上残留的任何盐水，防止盐水进入装置，装置再次为服务水流通过准备完毕。

优点：处理范围广，原水硬度≤800 mg/L，处理后硬度≤30 mg/L，不受集热系统水温的影响；缺点：定期置换再生盐。

图7 置换前树脂结构示意图

图8 置换后树脂结构示意图

4 工程应用实例

根据工程的应用情况，分别对山西省太原市3类水处理设备在工程运行半年后进行调查：使用强磁水处理设备内壁略有黄色斑点；使用硅磷晶处理和离子交换方式的设备未发现明显斑点。

表1 不同类型水处理方式对比分析表

5 结论

通过以上分析可知，若要彻底解决水垢对太阳能热水系统的影响，应从设计计算、设备选型及运行管理3方面入手：

1) 在设计计算中避免水温过高，或避免高温持续出现，从而避免水垢的生成；

2) 在设备选型过程中，应结合当地水质的硬度，设计中是否会出现高温或持续高温，以及管理者对设备的管理情况，选择合适的水处理设备；

3) 设备运行管理，任何设备都需要人员维护、管理，根据选择设备的型号特点结合使用单位的实际情况，加大设备的管理维护力度，将问题消灭在萌芽状态，让太阳能热水系统的作用发挥极致功能，为节能减排多做一些贡献。

参考资料

[1] GB 50015-2003, 建筑给水排水设计规范(2009版)[S].

[2]中国建筑热环境分析专用气象数据集[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005.

[3]暖通空调常用数据手册 [M]. 北京: 中国建筑工业出版社,2002.