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  三、太阳能热水系统的组成及其选用原则

  1、 太阳能热水器的组成及工作原理

  太阳能热水系统是由太阳能集热器、循环系统、控制系统、辅助能源系统、储热系统、以及支撑架等六个部分组成。在阳光的照射下，系统通过不同方式的运转，使太阳的光能充分转化为热能，并提供中温水供人们使用。

  (1)集热器：太阳能集热器是把太阳辐射能转换为热能的主要部件。经多年的开发和研究，集热器的生产技术和工作性能已较为成熟，其发展主要经历了三个阶段：平板型太阳能集热器、全玻璃真空管型太阳能集热器和金属——玻璃真空管型太阳能集热器；

  (2)循环系统：循环系统的作用是连接集热器与输入装置，使它们形成一个完整的加热系统。循环管路设计施工是否正确，将直接影响整个热水系统的工作和运行；

  (3)控制系统：控制系统是指使整个热水系统正常工作并通过仪表加以显示的系统，主要包括水位显示装置、温度显示装置、循环水泵以及自动和手动控制装置等；

  (4)辅助能源系统：辅助能源系统是指为保证整个系统在阴雨天或冬季光照强度弱时能正常使用而设置的加热系统。它按照辅助能源的来源不同，可分为太阳能电辅助热源联合供热系统和全自动燃油炉联合供热系统；

  (5)储热系统：储热系统主要是指储热水箱，其作用是将能量载体载来的能量进行储存和备用，其保温效果完全取决于保温材料的种类、厚度及密度。同时水箱外壳必须选择抗腐蚀耐老化的材料制成，以对其内部结构起到一定的保护作用；

  (6)支撑架：支撑架主要由反射板、尾座及主撑架组成，是为保证集热系统的采光角度和牢固性以及整个系统的正常运而设计的辅助结构。

  其工作过程是：在太阳辐照下，集热器吸收太阳能并转换成热能传递给集热器内的传热工质，传热工质受热后通过自然循环方式将储水箱中的水加热，或者通过强迫循环(如泵循环)方式将集热器中的热能传递给储水箱中的水。

  2、 太阳能热水系统的分类其选用原则

  (1)太阳能集热器选型

  1) 平板型集热器

 

  平板型集热器的基本工作原理是：一块金属片，涂以黑色，置于阳光下以吸收太阳辐射而使其温度升高。金属片内有流道，使流体通过并带走热量，在板的背后衬垫隔热保温材料，在其阳面加设玻璃罩盖，以减少板对环境的散热。由于吸热板与盖板之间存在着空气夹层，会产生对流散热，同时金属吸热板与金属边框也存在散热问题，所以其效率受环境温度的影响较大，全年太阳能量利用率为50%左右。

  2) 全玻璃真空管集热器

 

  该集热器由内外两层玻璃管构成，内管外表面涂有高吸收率和低反射率的选择性吸收膜，夹层之间抽成高真空，水在内管内进行加热。但同时存在着不承压、易破损的缺点，如果一根管损坏就会因为漏水问题而导致整个系统无法正常运行。

  3) 金属——玻璃真空管型：其优点是真空管散热少，并提高了产品运行的可靠性。主要包括U形管真空管和热管式真空管两种类型。

 

  u形管真空管，金属翼片与U形管焊接在一起，吸热的翼片表面涂有选择性涂料，管内抽真空。u型管与保温堵盖结合并引出集热管，作为传热工质(一般为水)的出入口。

 

  热管式真空管，主要由热管、吸热板、真空玻璃管三部分组成。当阳光通过玻璃管照射到吸热板上时，吸热板所吸收的热量使得热管内的工质汽化并上升到热管冷凝端，释放热量汽化潜热后凝结成液体，同时加热水箱中的水又在重力作用下回到热管的下端，如此重复的工作，不断吸收热量使水温升高。

  其中，笔者了解到天普新能源公司研发的一种抗炸管、抗过热、抗缺水、抗断电、自防冻、能承压的带波纹管换热器全玻璃真空管集热器，该集热器是在全玻璃真空管集热器内置两根不锈钢波纹管，是全玻璃真空管集热器的改进产品。集热器吸收太阳能辐射能加热集热器中的水，然后通过波纹管换热加热波纹管中的水。波纹管和水箱通过管路形成循环系统，把波纹管中的热水循环至水箱。

  抗炸管：

  该集热器真空管中的水为“蓄热体”，起蓄存热量的作用，因此基本上不消耗，这样就保证了集热器真空管中始终未满水静置，因此避免了集热器由于上水引起的炸管问题

  抗过热：

  由于该集热器为开式真空管换热系统，因此集热器和波纹管中的水始终低于100度，不存在过热问题。

  抗缺水、抗断电：

  由于集热器真空管中始终未满水状态，即使停水或断电也不会造成真空管缺水，然后空晒后自动补水引起的炸管现象。

  自防冻：

  集热器真空管自身具有抗冻性能，集热器中的波纹管可以在系统停止循环时用机械回流防冻的方式防冻。不需要采取管路循环或伴热带防冻等耗电、耗热的主动防冻措施。

  能承压：

  由于系统通过集热器中的波纹管进行循环，波纹管优秀的承压性能保证了集热器可用于承压系统。

  经济性好：

  该集热器仅仅在普通全玻璃真空管集热器中加了2根波纹管，成本比全玻璃真空管集热器略高，但低于U形管、热管集热器。

  (2) 按集热系统运行方式分类

  目前，根据我国太阳能热水系统的具体使用情况，主要可以分为自然循环系统、强迫循环系统和直流循环系统。

  1)、自然循环系统

  原理：自来水通过上水管进入补给水箱，再经由补给水箱进入储水箱。集热器内的水被加热后通过上循环管进入储水箱的上部，储水箱下部密度较大的冷水

  自动通过下循环管进入集热器的下部形成循环，上述循环是连续进行的。一般情况下，经过一天的日照，储水箱的水能全部被加热，供给用户使用。系统中排气管的作用：有时储水箱内的温度过高而产生蒸汽，排气管及时将气体排出，防止其抑制自然循环的进行。

  技术要求：为确保一定的热虹吸压头和防止夜间反循环，储水箱底部必须高于集热器顶部，其高差一般为0.3~o.5m；连接集热器和储水箱的循环管路，应按热水上升冷水下降的方向设计流水坡度，其坡度一般为1／100，绝对禁止出现反坡；集热器的上循环管进入储水箱的入口位置应低于水箱水面3—5cm，否则无法循环；集热器面积比较大时，集热器应考虑以并联为主，尽量避免采用串联；为减少管道的流动阻力，循环管路越短越好，拐弯处越少越好。

  特点：无须水泵和控制系统，运行可靠，造价较低，但由于储水箱必须高于集热器，一般坡屋顶无法安装，因此只能适用于平面屋顶的建筑。取用热水时间应在下午四五点钟以后或晚间，不能随时供热水。若在北方冬季使用，应考虑增加辅助热源，系统管路应设置电加热带。该系统的集热器面积不宜过大，若集热器面积较大，应采用并联安装。

  2)、强迫循环系统

  原理：它是利用温差控制器来控制水泵的开关，当集热器顶部的温度和水箱下部水温之差达到预定数值时，水泵开始运行，否则水泵关闭。逆止阀的作用是防止水倒流。排气管的作用和自然循环系统的排气管作用一样。

  技术要求：储水箱安装位置无须高于集热器，可根据需要安放在任何地方；该系统的运行可靠性主要取决于控制器和水泵的可靠性，因此应选择高质量的产品；这种循环系统需要消耗少量的电能。

  特点：集热器和储水箱可以分离；适合于在各种建筑上安装；可在北方冬季使用，但须增加辅助热源，管道系统还应考虑防冻抗冻措施；集热器的采光面积不受限制。

  3)、直流循环系统

  原理：当集热器上部的电接点温度计达到预定的温度(如45℃)时，控制器

  就启动电磁阀，自来水就将集热器内的热水项入水箱。当集热器上部的温度低于预定的温度时，电磁阀关闭。通过一天的间断运行，进入水箱的水均为45℃左右的热水。

  技术要求：储水箱的位置可根据需要安放在任何地方：系统运行的可靠性主要取决于电接点温度计、控制器及电磁阀的可靠性；储水箱应有足够的富裕量，否则，当日照好的时候，因储水箱容量不够而造成热水外溢。

  特点：随时都能有热水供应，特别适合白天使用热水的用户。冬季在北方地区使用要采取防冻措施。

  一般来说，选择太阳能系统运行方式需综合考虑安装环境与使用地域、当地水质水压状况、使用期限是全年运行还是季节使用、辅助能源情况、客户要求以及资金状况等因素。

  (3) 按集热器与储热水箱的相对位置分类

  1)、闷晒式系统：闷晒式系统是指集热器与储热水箱在功能合二为一，储热水箱既是储热部件又是集热部件的系统(图2.9)。它是最简单也是最直接的太阳能热利用手段，价格低，可以在春、夏、秋三季解决基本的热水需求，适宜在农村住宅使用。但由于其工作温度低，全年太阳能量利用率仅为20%左右，结构笨重以及保温等问题不易解决，目前在城市住宅中应用较少，本文不再做详细介绍。

  2)、紧凑式(整体式)系统：整体式系统是指集热器与储热水箱虽相互独立，但储热水箱直接安装在太阳能集热器上方或相临位置上的太阳能热水系统。目前多层住宅中整体式太阳能集热器的使用比较普遍，其价格适中，但在太阳能建筑一体化方面的问题还有待解决。

  3)、分离式(分体式)系统：分体式系统指储热水箱和太阳能集热器可以分开一定距离进行安装的太阳能热水系统。采用分体式系统，储热水箱和太阳能集热器可分开布置，比较灵活，易满足建筑美观的要求，同时系统可以承压运行，易与建筑给排水系统结合，运行的安全性和稳定性较强，适用于高档住宅或高层住宅建筑。其缺点是结构复杂，造价较高，在推广方面还存在一定困难。

  在众多分体式太阳能热水器中最值得一提的就是壁挂分体式太阳能热水器，集热构件可以安装在南向墙面或阳台等任何适当位置，不受屋顶面积的限制，可以有效的解决高层、小高层建筑对太阳能热水系统的安装需求，在建筑的一体化设计方面优势也十分明显，目前已逐渐成为我国高层、小高层住宅太阳能热水利用的趋势。

  (4) 按照供水方式不同分类

  太阳能热水器系统可分为：集中供热水系统、集中——分散供热水系统和分散供热水系统等三大类。

  其中，集中供热水系统，是指采用集中的集热器和集中的贮水箱为整幢建筑中用户提供热水的系统。

  集中——分散供热水系统，是指采用集中的集热器和分户的贮水箱为建筑中用户提供热水的系统。

  分散供热水系统，是指采用分户的集热器和分户的贮水箱为建筑中用户提供热水的系统，也就是通常所说的家用太阳能热水器。

  (5) 按生活热水与集热器内传热工质的关系分类

  太阳能热水系统按生活热水与集热器内传热工质的关系可分为直接系统和间接系统两类。

  直接系统是指在太阳能集热器中直接加热水给用户的太阳能热水系统；间接系统是指在太阳能集热器中加热某种传热工质，再使该传热工质通过换热器加热

  水给用户的太阳能热水系统。其中，由于直接系统的集热部件直接与水接触，所以对水质有一定要求，才能保证系统的正常运行；间接系统由于其热交换的阻力较大，一般要采用强制循环系统。

  (6) 按辅助能源加热设备安装位置分类

  按辅助能源加热设备安装位置分类，太阳热水系统可分为内置加热系统和外置加热系统。

  内置加热系统的辅助能源加热设备安装在太阳热水系统的贮水箱内：外置加热系统的辅助能源加热设备不安装在贮水箱内，而是安装在太阳热水系统的供热水管路上。