三、太陽能熱水系統(tǒng)的組成及其選用原則

  1、 太陽能熱水器的組成及工作原理

  太陽能熱水系統(tǒng)是由太陽能集熱器、循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助能源系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、以及支撐架等六個(gè)部分組成。在陽光的照射下，系統(tǒng)通過不同方式的運(yùn)轉(zhuǎn)，使太陽的光能充分轉(zhuǎn)化為熱能，并提供中溫水供人們使用。

  (1)集熱器：太陽能集熱器是把太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能的主要部件。經(jīng)多年的開發(fā)和研究，集熱器的生產(chǎn)技術(shù)和工作性能已較為成熟，其發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：平板型太陽能集熱器、全玻璃真空管型太陽能集熱器和金屬——玻璃真空管型太陽能集熱器；

  (2)循環(huán)系統(tǒng)：循環(huán)系統(tǒng)的作用是連接集熱器與輸入裝置，使它們形成一個(gè)完整的加熱系統(tǒng)。循環(huán)管路設(shè)計(jì)施工是否正確，將直接影響整個(gè)熱水系統(tǒng)的工作和運(yùn)行；

  (3)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)是指使整個(gè)熱水系統(tǒng)正常工作并通過儀表加以顯示的系統(tǒng)，主要包括水位顯示裝置、溫度顯示裝置、循環(huán)水泵以及自動(dòng)和手動(dòng)控制裝置等；

  (4)輔助能源系統(tǒng)：輔助能源系統(tǒng)是指為保證整個(gè)系統(tǒng)在陰雨天或冬季光照強(qiáng)度弱時(shí)能正常使用而設(shè)置的加熱系統(tǒng)。它按照輔助能源的來源不同，可分為太陽能電輔助熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)和全自動(dòng)燃油爐聯(lián)合供熱系統(tǒng)；

  (5)儲(chǔ)熱系統(tǒng)：儲(chǔ)熱系統(tǒng)主要是指儲(chǔ)熱水箱，其作用是將能量載體載來的能量進(jìn)行儲(chǔ)存和備用，其保溫效果完全取決于保溫材料的種類、厚度及密度。同時(shí)水箱外殼必須選擇抗腐蝕耐老化的材料制成，以對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到一定的保護(hù)作用；

  (6)支撐架：支撐架主要由反射板、尾座及主撐架組成，是為保證集熱系統(tǒng)的采光角度和牢固性以及整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)而設(shè)計(jì)的輔助結(jié)構(gòu)。

  其工作過程是：在太陽輻照下，集熱器吸收太陽能并轉(zhuǎn)換成熱能傳遞給集熱器內(nèi)的傳熱工質(zhì)，傳熱工質(zhì)受熱后通過自然循環(huán)方式將儲(chǔ)水箱中的水加熱，或者通過強(qiáng)迫循環(huán)(如泵循環(huán))方式將集熱器中的熱能傳遞給儲(chǔ)水箱中的水。

  2、 太陽能熱水系統(tǒng)的分類其選用原則

  (1)太陽能集熱器選型

  1) 平板型集熱器

 

  平板型集熱器的基本工作原理是：一塊金屬片，涂以黑色，置于陽光下以吸收太陽輻射而使其溫度升高。金屬片內(nèi)有流道，使流體通過并帶走熱量，在板的背后襯墊隔熱保溫材料，在其陽面加設(shè)玻璃罩蓋，以減少板對(duì)環(huán)境的散熱。由于吸熱板與蓋板之間存在著空氣夾層，會(huì)產(chǎn)生對(duì)流散熱，同時(shí)金屬吸熱板與金屬邊框也存在散熱問題，所以其效率受環(huán)境溫度的影響較大，全年太陽能量利用率為50%左右。

  2) 全玻璃真空管集熱器

 

  該集熱器由內(nèi)外兩層玻璃管構(gòu)成，內(nèi)管外表面涂有高吸收率和低反射率的選擇性吸收膜，夾層之間抽成高真空，水在內(nèi)管內(nèi)進(jìn)行加熱。但同時(shí)存在著不承壓、易破損的缺點(diǎn)，如果一根管損壞就會(huì)因?yàn)槁┧畣栴}而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

  3) 金屬——玻璃真空管型：其優(yōu)點(diǎn)是真空管散熱少，并提高了產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性。主要包括U形管真空管和熱管式真空管兩種類型。

 

  u形管真空管，金屬翼片與U形管焊接在一起，吸熱的翼片表面涂有選擇性涂料，管內(nèi)抽真空。u型管與保溫堵蓋結(jié)合并引出集熱管，作為傳熱工質(zhì)(一般為水)的出入口。

 

  熱管式真空管，主要由熱管、吸熱板、真空玻璃管三部分組成。當(dāng)陽光通過玻璃管照射到吸熱板上時(shí)，吸熱板所吸收的熱量使得熱管內(nèi)的工質(zhì)汽化并上升到熱管冷凝端，釋放熱量汽化潛熱后凝結(jié)成液體，同時(shí)加熱水箱中的水又在重力作用下回到熱管的下端，如此重復(fù)的工作，不斷吸收熱量使水溫升高。

  其中，筆者了解到天普新能源公司研發(fā)的一種抗炸管、抗過熱、抗缺水、抗斷電、自防凍、能承壓的帶波紋管換熱器全玻璃真空管集熱器，該集熱器是在全玻璃真空管集熱器內(nèi)置兩根不銹鋼波紋管，是全玻璃真空管集熱器的改進(jìn)產(chǎn)品。集熱器吸收太陽能輻射能加熱集熱器中的水，然后通過波紋管換熱加熱波紋管中的水。波紋管和水箱通過管路形成循環(huán)系統(tǒng)，把波紋管中的熱水循環(huán)至水箱。

  抗炸管：

  該集熱器真空管中的水為“蓄熱體”，起蓄存熱量的作用，因此基本上不消耗，這樣就保證了集熱器真空管中始終未滿水靜置，因此避免了集熱器由于上水引起的炸管問題

  抗過熱：

  由于該集熱器為開式真空管換熱系統(tǒng)，因此集熱器和波紋管中的水始終低于100度，不存在過熱問題。

  抗缺水、抗斷電：

  由于集熱器真空管中始終未滿水狀態(tài)，即使停水或斷電也不會(huì)造成真空管缺水，然后空曬后自動(dòng)補(bǔ)水引起的炸管現(xiàn)象。

  自防凍：

  集熱器真空管自身具有抗凍性能，集熱器中的波紋管可以在系統(tǒng)停止循環(huán)時(shí)用機(jī)械回流防凍的方式防凍。不需要采取管路循環(huán)或伴熱帶防凍等耗電、耗熱的主動(dòng)防凍措施。

  能承壓：

  由于系統(tǒng)通過集熱器中的波紋管進(jìn)行循環(huán)，波紋管優(yōu)秀的承壓性能保證了集熱器可用于承壓系統(tǒng)。

  經(jīng)濟(jì)性好：

  該集熱器僅僅在普通全玻璃真空管集熱器中加了2根波紋管，成本比全玻璃真空管集熱器略高，但低于U形管、熱管集熱器。

  (2) 按集熱系統(tǒng)運(yùn)行方式分類

  目前，根據(jù)我國(guó)太陽能熱水系統(tǒng)的具體使用情況，主要可以分為自然循環(huán)系統(tǒng)、強(qiáng)迫循環(huán)系統(tǒng)和直流循環(huán)系統(tǒng)。

  1)、自然循環(huán)系統(tǒng)

  原理：自來水通過上水管進(jìn)入補(bǔ)給水箱，再經(jīng)由補(bǔ)給水箱進(jìn)入儲(chǔ)水箱。集熱器內(nèi)的水被加熱后通過上循環(huán)管進(jìn)入儲(chǔ)水箱的上部，儲(chǔ)水箱下部密度較大的冷水

  自動(dòng)通過下循環(huán)管進(jìn)入集熱器的下部形成循環(huán)，上述循環(huán)是連續(xù)進(jìn)行的。一般情況下，經(jīng)過一天的日照，儲(chǔ)水箱的水能全部被加熱，供給用戶使用。系統(tǒng)中排氣管的作用：有時(shí)儲(chǔ)水箱內(nèi)的溫度過高而產(chǎn)生蒸汽，排氣管及時(shí)將氣體排出，防止其抑制自然循環(huán)的進(jìn)行。

  技術(shù)要求：為確保一定的熱虹吸壓頭和防止夜間反循環(huán)，儲(chǔ)水箱底部必須高于集熱器頂部，其高差一般為0.3~o.5m；連接集熱器和儲(chǔ)水箱的循環(huán)管路，應(yīng)按熱水上升冷水下降的方向設(shè)計(jì)流水坡度，其坡度一般為1／100，絕對(duì)禁止出現(xiàn)反坡；集熱器的上循環(huán)管進(jìn)入儲(chǔ)水箱的入口位置應(yīng)低于水箱水面3—5cm，否則無法循環(huán)；集熱器面積比較大時(shí)，集熱器應(yīng)考慮以并聯(lián)為主，盡量避免采用串聯(lián)；為減少管道的流動(dòng)阻力，循環(huán)管路越短越好，拐彎處越少越好。

  特點(diǎn)：無須水泵和控制系統(tǒng)，運(yùn)行可靠，造價(jià)較低，但由于儲(chǔ)水箱必須高于集熱器，一般坡屋頂無法安裝，因此只能適用于平面屋頂?shù)慕ㄖ?。取用熱水時(shí)間應(yīng)在下午四五點(diǎn)鐘以后或晚間，不能隨時(shí)供熱水。若在北方冬季使用，應(yīng)考慮增加輔助熱源，系統(tǒng)管路應(yīng)設(shè)置電加熱帶。該系統(tǒng)的集熱器面積不宜過大，若集熱器面積較大，應(yīng)采用并聯(lián)安裝。

  2)、強(qiáng)迫循環(huán)系統(tǒng)

  原理：它是利用溫差控制器來控制水泵的開關(guān)，當(dāng)集熱器頂部的溫度和水箱下部水溫之差達(dá)到預(yù)定數(shù)值時(shí)，水泵開始運(yùn)行，否則水泵關(guān)閉。逆止閥的作用是防止水倒流。排氣管的作用和自然循環(huán)系統(tǒng)的排氣管作用一樣。

  技術(shù)要求：儲(chǔ)水箱安裝位置無須高于集熱器，可根據(jù)需要安放在任何地方；該系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性主要取決于控制器和水泵的可靠性，因此應(yīng)選擇高質(zhì)量的產(chǎn)品；這種循環(huán)系統(tǒng)需要消耗少量的電能。

  特點(diǎn)：集熱器和儲(chǔ)水箱可以分離；適合于在各種建筑上安裝；可在北方冬季使用，但須增加輔助熱源，管道系統(tǒng)還應(yīng)考慮防凍抗凍措施；集熱器的采光面積不受限制。

  3)、直流循環(huán)系統(tǒng)

  原理：當(dāng)集熱器上部的電接點(diǎn)溫度計(jì)達(dá)到預(yù)定的溫度(如45℃)時(shí)，控制器

  就啟動(dòng)電磁閥，自來水就將集熱器內(nèi)的熱水項(xiàng)入水箱。當(dāng)集熱器上部的溫度低于預(yù)定的溫度時(shí)，電磁閥關(guān)閉。通過一天的間斷運(yùn)行，進(jìn)入水箱的水均為45℃左右的熱水。

  技術(shù)要求：儲(chǔ)水箱的位置可根據(jù)需要安放在任何地方：系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性主要取決于電接點(diǎn)溫度計(jì)、控制器及電磁閥的可靠性；儲(chǔ)水箱應(yīng)有足夠的富裕量，否則，當(dāng)日照好的時(shí)候，因儲(chǔ)水箱容量不夠而造成熱水外溢。

  特點(diǎn)：隨時(shí)都能有熱水供應(yīng)，特別適合白天使用熱水的用戶。冬季在北方地區(qū)使用要采取防凍措施。

  一般來說，選擇太陽能系統(tǒng)運(yùn)行方式需綜合考慮安裝環(huán)境與使用地域、當(dāng)?shù)厮|(zhì)水壓狀況、使用期限是全年運(yùn)行還是季節(jié)使用、輔助能源情況、客戶要求以及資金狀況等因素。

  (3) 按集熱器與儲(chǔ)熱水箱的相對(duì)位置分類

  1)、悶曬式系統(tǒng)：悶曬式系統(tǒng)是指集熱器與儲(chǔ)熱水箱在功能合二為一，儲(chǔ)熱水箱既是儲(chǔ)熱部件又是集熱部件的系統(tǒng)(圖2.9)。它是最簡(jiǎn)單也是最直接的太陽能熱利用手段，價(jià)格低，可以在春、夏、秋三季解決基本的熱水需求，適宜在農(nóng)村住宅使用。但由于其工作溫度低，全年太陽能量利用率僅為20%左右，結(jié)構(gòu)笨重以及保溫等問題不易解決，目前在城市住宅中應(yīng)用較少，本文不再做詳細(xì)介紹。

  2)、緊湊式(整體式)系統(tǒng)：整體式系統(tǒng)是指集熱器與儲(chǔ)熱水箱雖相互獨(dú)立，但儲(chǔ)熱水箱直接安裝在太陽能集熱器上方或相臨位置上的太陽能熱水系統(tǒng)。目前多層住宅中整體式太陽能集熱器的使用比較普遍，其價(jià)格適中，但在太陽能建筑一體化方面的問題還有待解決。

  3)、分離式(分體式)系統(tǒng)：分體式系統(tǒng)指儲(chǔ)熱水箱和太陽能集熱器可以分開一定距離進(jìn)行安裝的太陽能熱水系統(tǒng)。采用分體式系統(tǒng)，儲(chǔ)熱水箱和太陽能集熱器可分開布置，比較靈活，易滿足建筑美觀的要求，同時(shí)系統(tǒng)可以承壓運(yùn)行，易與建筑給排水系統(tǒng)結(jié)合，運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性較強(qiáng)，適用于高檔住宅或高層住宅建筑。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高，在推廣方面還存在一定困難。

  在眾多分體式太陽能熱水器中最值得一提的就是壁掛分體式太陽能熱水器，集熱構(gòu)件可以安裝在南向墻面或陽臺(tái)等任何適當(dāng)位置，不受屋頂面積的限制，可以有效的解決高層、小高層建筑對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)的安裝需求，在建筑的一體化設(shè)計(jì)方面優(yōu)勢(shì)也十分明顯，目前已逐漸成為我國(guó)高層、小高層住宅太陽能熱水利用的趨勢(shì)。

  (4) 按照供水方式不同分類

  太陽能熱水器系統(tǒng)可分為：集中供熱水系統(tǒng)、集中——分散供熱水系統(tǒng)和分散供熱水系統(tǒng)等三大類。

  其中，集中供熱水系統(tǒng)，是指采用集中的集熱器和集中的貯水箱為整幢建筑中用戶提供熱水的系統(tǒng)。

  集中——分散供熱水系統(tǒng)，是指采用集中的集熱器和分戶的貯水箱為建筑中用戶提供熱水的系統(tǒng)。

  分散供熱水系統(tǒng)，是指采用分戶的集熱器和分戶的貯水箱為建筑中用戶提供熱水的系統(tǒng)，也就是通常所說的家用太陽能熱水器。

  (5) 按生活熱水與集熱器內(nèi)傳熱工質(zhì)的關(guān)系分類

  太陽能熱水系統(tǒng)按生活熱水與集熱器內(nèi)傳熱工質(zhì)的關(guān)系可分為直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)兩類。

  直接系統(tǒng)是指在太陽能集熱器中直接加熱水給用戶的太陽能熱水系統(tǒng)；間接系統(tǒng)是指在太陽能集熱器中加熱某種傳熱工質(zhì)，再使該傳熱工質(zhì)通過換熱器加熱

  水給用戶的太陽能熱水系統(tǒng)。其中，由于直接系統(tǒng)的集熱部件直接與水接觸，所以對(duì)水質(zhì)有一定要求，才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行；間接系統(tǒng)由于其熱交換的阻力較大，一般要采用強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。

  (6) 按輔助能源加熱設(shè)備安裝位置分類

  按輔助能源加熱設(shè)備安裝位置分類，太陽熱水系統(tǒng)可分為內(nèi)置加熱系統(tǒng)和外置加熱系統(tǒng)。

  內(nèi)置加熱系統(tǒng)的輔助能源加熱設(shè)備安裝在太陽熱水系統(tǒng)的貯水箱內(nèi)：外置加熱系統(tǒng)的輔助能源加熱設(shè)備不安裝在貯水箱內(nèi)，而是安裝在太陽熱水系統(tǒng)的供熱水管路上。