Collettore solare a tubi sottovuoto a U: una soluzione efficiente per l'acqua calda a pressione

Nel campo dell'utilizzo del calore solare, la tecnologia dei tubi sottovuoto è apprezzata per le sue eccellenti prestazioni termiche e la sua ampia applicazione. Tra questi, il collettore solare a tubi sottovuoto a U, prodotto di fascia alta della famiglia dei tubi sottovuoto, combina perfettamente i vantaggi dell'efficiente raccolta del calore dei tubi sottovuoto con il funzionamento in pressione dei sistemi a piastra piana, diventando una scelta importante per progetti solari di grandi e medie dimensioni per la produzione di acqua calda. Questo articolo approfondirà il principio, le caratteristiche e il valore applicativo ingegneristico di questa tecnologia.

 

I. Principio di funzionamento e struttura del sistema

Il collettore a tubi sottovuoto a U adotta un esclusivo design a tubo metallico a forma di "U". La sua struttura centrale comprende:

 

Assemblaggio del tubo a vuoto 

1. Tubo esterno: tubo in vetro borosilicato ad alta densità, che garantisce un'elevata trasmissione della luce (≥91%) 

2. Camera d'aria: anch'essa in vetro, con rivestimento di assorbimento selettivo (α≥0,93) applicato sulla superficie 

3. Strato di vuoto: il grado di vuoto tra i tubi interno ed esterno raggiunge 10⁻³Pa, sopprimendo efficacemente la perdita di calore convettiva e conduttiva 

Tubi di scambio termico metallici a forma di U 

1. Un tubo di rame viola viene piegato a forma di U e fatto passare attraverso l'interno del tubo a vuoto 

2. La superficie è stata sottoposta a trattamento antiossidante per garantire stabilità termica a lungo termine 

3. Mezzo di lavoro antigelo a circolazione interna (soluzione di glicole propilenico, ecc.) 

Sistema di raccolta 

1. Più tubi a vuoto a U sono collegati in parallelo per formare un array di collettori 

2. Collegare ciascun tubo a forma di U attraverso il collettore per formare un circuito di circolazione completo 

3. Dotato di staffe in profilo di alluminio per garantire la stabilità strutturale

 

Processo di lavoro:Luce solare → penetra nel tubo di vetro esterno → viene catturata dal rivestimento assorbente → energia termica → viene trasferita alle alette del tubo a U tramite radiazione → viene condotta al mezzo di lavoro all'interno del tubo a U → il mezzo di lavoro riscaldato viene convogliato allo scambiatore di calore del serbatoio dell'acqua tramite la pompa di circolazione.

 

Ii. Cinque vantaggi fondamentali

1. Capacità operativa di carico sotto pressione 

Il design del canale di flusso interamente in metallo consente alla pressione di esercizio di raggiungere 0,6-1,0 MPa 

Può essere collegato direttamente alla rete idrica dell'edificio e la pressione di uscita dell'acqua è stabile 

Supporta l'approvvigionamento idrico simultaneo in più punti per soddisfare i requisiti delle applicazioni ingegneristiche 

2. Prestazioni di raccolta del calore ad alta efficienza

L'isolamento sottovuoto garantisce una minima perdita di calore e una curva di efficienza di raccolta del calore piatta 

Può comunque mantenere buone prestazioni anche in ambienti con poca luce solare e basse temperature 

L'efficienza in inverno è significativamente più elevata rispetto a quella dei collettori piani

3. Eccellente capacità antigelo 

Il tubo a vuoto stesso non trattiene l'acqua, eliminando completamente il rischio di congelamento

Il punto di congelamento del mezzo di lavoro antigelo può essere basso fino a -35℃

È particolarmente adatto all'uso nelle regioni fredde

4. Design modulare

Ogni tubo funziona in modo indipendente e i guasti locali non influiscono sul funzionamento del sistema

Supporta la sostituzione hot-swap, rendendo la manutenzione semplice e comoda

L'area di raccolta del calore può essere ampliata in modo flessibile in base alla domanda

5. Resistenza alla luce solare diretta

I tubi a vuoto hanno un'eccellente resistenza alle alte temperature e possono sopportare l'esposizione alla luce solare superiore a 400℃

Non vi è alcun rischio di rottura del tubo ed è altamente sicuro e affidabile

Iii. Parametri tecnici e indicatori di prestazione

Parametri di prestazione tipici (tubo singolo ∅58×1800mm):

Area di ricezione della luce: 0,12 m² per pezzo

Capacità del mezzo di lavoro: 0,15-0,2 l per tubo

Temperatura di esercizio: da -30℃ a 150℃

Efficienza istantanea: η=0,75-0,05×(Δt/G) (Δt è la differenza di temperatura, G è l'irradianza)

Coefficiente di dispersione termica: ≤1,5W/m²K

Suggerimenti per la configurazione del sistema

La capacità del serbatoio dell'acqua dovrebbe essere compresa tra 60 e 80 litri per metro quadrato di area di raccolta del calore

La concentrazione del mezzo di lavoro antigelo viene determinata in base alla temperatura ambiente minima locale

La prevalenza della pompa di circolazione deve tenere conto della resistenza del sistema e della differenza di elevazione

 

Iv. Soluzioni applicative di ingegneria

1. Progetti di acqua calda di grandi e medie dimensioni

Sistema alberghiero e alberghiero: area di raccolta del calore da 200 a 500 metri quadrati, dotata di serbatoi d'acqua isolati da 30 a 100 tonnellate

Sistema ospedaliero scolastico: adotta una strategia di fornitura idrica temporizzata e di controllo costante della temperatura

Sistema per piscina: mantiene la temperatura dell'acqua a 26-28°C, riducendo significativamente i costi operativi

2. Sistema di integrazione del riscaldamento

In abbinamento al sistema di riscaldamento a pavimento, fornisce il riscaldamento di base in inverno

È dotato di una fonte di calore ausiliaria per garantire un riscaldamento stabile in condizioni meteorologiche estreme

Dare priorità alla fornitura di acqua calda sanitaria e utilizzare il calore di scarto per il riscaldamento

3. Applicazioni di preriscaldamento industriale

Fornire preriscaldamento per le industrie che richiedono calore di processo a 40-80℃

Galvanotecnica, lavorazione alimentare, stampa e tintura tessile e altri settori

Il periodo di ammortamento dell'investimento è solitamente compreso tra 2 e 4 anni

4. Sistema di essiccazione agricola

Essiccazione delle colture, essiccazione di materiale medicinale cinese, ecc.

Fornire aria calda stabile per migliorare la qualità dell'asciugatura

Ridurre il consumo di combustibili tradizionali e abbassare i costi di produzione

V. Punti chiave della progettazione del sistema

1. Ottimizzare la progettazione dell'angolo di inclinazione

Apportare modifiche in base alla latitudine locale

Enfasi sull'uso invernale: Latitudine +10°-15°

Utilizzo annuale: uguale alla latitudine locale

Enfasi sull'uso estivo: latitudine -10°-15°

2. Protezione dal surriscaldamento

Imposta il limite superiore del ciclo di differenza di temperatura (solitamente ≤90℃)

Adottare misure di emergenza come radiatori o raffreddamento ad acqua sotterranea

Considerare schemi di occlusione stagionale

3. Design anti-cavitazione

Assicurarsi che un dispositivo di scarico sia installato nel punto più alto del sistema

La progettazione della tubazione evita la formazione di sacche d'aria

Viene adottata una valvola di scarico automatica

4. Misure anti-incrostazione

Preparare il mezzo di lavoro con acqua addolcita

Monitorare regolarmente le variazioni del valore del pH

Valutare l'aggiunta di inibitori di corrosione

Vi. Guida all'installazione e alla manutenzione

Specifiche di installazione

La spaziatura dei tubi non deve essere inferiore a 0,8 metri per garantire che i sedili posteriori non siano bloccati dai sedili anteriori

La capacità portante della fondazione è ≥30 kg/m²

Evitare l'installazione nella zona di uscita dell'aria

Requisiti di manutenzione

Controllare ogni anno la concentrazione del mezzo di lavoro e il valore del pH

Pulire la superficie del tubo a vuoto ogni trimestre

Controllare ogni mese lo stato di funzionamento della pompa di circolazione

Gestione dei guasti comuni

Calo di efficienza: controllare il grado di vuoto del tubo a vuoto e sostituire il tubo guasto

Perdita: individuare la parte invecchiata dell'anello di tenuta e sostituire il componente di tenuta

Cattiva circolazione: espellere il gas e controllare il funzionamento della pompa

 

Vii. Analisi economica

Composizione dell'investimento (prendendo come esempio un progetto di 1000 m²):

Sistema di raccolta: 45%-50%

Sistema di accumulo di calore: 25%-30%

Sistema di controllo: 10%-15%

Progetto di installazione: 10%-15%

Analisi dei guadagni

Risparmio energetico annuo per metro quadro di collettore: 350-550kWh

 Periodo di ammortamento: da 3 a 6 anni (a seconda dei prezzi locali dell'energia)

Ritorno sull'investimento: da 3 a 8 volte l'investimento iniziale

Viii. Confronto con i tradizionali collettori a tubi sottovuoto

Il collettore a tubi a U è dotato di tradizionali tubi a vuoto interamente in vetro 

Capacità di sopportare la pressione: funzionamento con pressione (0,6-1,0 MPa), non con pressione 

Ottime prestazioni antigelo (circolazione del mezzo di lavoro) e buone (l'acqua nel tubo può congelare) 

Il tubo di diramazione singolo di manutenzione può essere sostituito se è necessario il drenaggio 

È altamente efficiente e stabile, ma è influenzato dalla qualità dell'acqua 

Il costo è relativamente alto o basso 

È adatto sia per progetti domestici di medie e grandi dimensioni che per progetti di piccola scala

 

Conclusione 

Il collettore solare a tubi sottovuoto con tubo a U, grazie all'innovativa progettazione strutturale, ha superato con successo i limiti dei collettori solari tradizionali in termini di funzionamento in pressione, manutenzione del sistema e applicabilità ingegneristica, diventando la soluzione preferita per progetti di produzione di acqua calda solare di grandi e medie dimensioni. Le sue eccezionali prestazioni termiche, l'affidabilità operativa e l'ottima scalabilità ne fanno un sistema che dimostra notevoli vantaggi in luoghi con elevato fabbisogno di acqua calda come hotel, scuole e fabbriche.

Grazie alla continua evoluzione della tecnologia di utilizzo del solare termico e all'accumulo di esperienza ingegneristica, i collettori solari a tubi sottovuoto con tubi a U continueranno a svolgere un ruolo significativo nella transizione energetica, offrendo un percorso tecnico affidabile per ridurre il consumo di energia fossile e le emissioni di carbonio. Scegliere un sistema con tubi a U non significa solo scegliere un dispositivo per la produzione di acqua calda sanitaria, ma anche investire in un futuro energetico affidabile, efficiente e sostenibile.