三、太陽能熱水系統的組成及其選用原則

  1、 太陽能熱水器的組成及工作原理

  太陽能熱水系統是由太陽能集熱器、循環系統、控制系統、輔助能源系統、儲熱系統、以及支撐架等六個部分組成。在陽光的照射下，系統通過不同方式的運轉，使太陽的光能充分轉化為熱能，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換為熱能的主要部件。經多年的開發和研究，集熱器的生產技術和工作性能已較為成熟，其發展主要經歷了三個階段：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)循環系統：循環系統的作用是連接集熱器與輸入裝置，使它們形成一個完整的加熱系統。循環管路設計施工是否正確，將直接影響整個熱水系統的工作和運行；

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

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

  (5)儲熱系統：儲熱系統主要是指儲熱水箱，其作用是將能量載體載來的能量進行儲存和備用，其保溫效果完全取決于保溫材料的種類、厚度及密度。同時水箱外殼必須選擇抗腐蝕耐老化的材料制成，以對其內部結構起到一定的保護作用；

  (6)支撐架：支撐架主要由反射板、尾座及主撐架組成，是為保證集熱系統的采光角度和牢固性以及整個系統的正常運而設計的輔助結構。

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

  2、 太陽能熱水系統的分類其選用原則

  (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，在其陽面加設玻璃罩蓋，以減少板對環境的散熱。由于吸熱板與蓋板之間存在著空氣夾層，會產生對流散熱，同時金屬吸熱板與金屬邊框也存在散熱問題，所以其效率受環境溫度的影響較大，全年太陽能量利用率為50%左右。

  2) 全玻璃真空管集熱器

 

  該集熱器由內外兩層玻璃管構成，內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，水在內管內進行加熱。但同時存在著不承壓、易破損的缺點，如果一根管損壞就會因為漏水問題而導致整個系統無法正常運行。

  3) 金屬——玻璃真空管型：其優點是真空管散熱少，并提高了產品運行的可靠性。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，管內抽真空。u型管與保溫堵蓋結合并引出集熱管，作為傳熱工質(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。當陽光通過玻璃管照射到吸熱板上時，吸熱板所吸收的熱量使得熱管內的工質汽化并上升到熱管冷凝端，釋放熱量汽化潛熱后凝結成液體，同時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置兩根不銹鋼波紋管，是全玻璃真空管集熱器的改進產品。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系統，把波紋管中的熱水循環至水箱。

  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，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，即使停水或斷電也不會造成真空管缺水，然后空曬后自動補水引起的炸管現象。

  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停止循環時用機械回流防凍的方式防凍。不需要采取管路循環或伴熱帶防凍等耗電、耗熱的主動防凍措施。

  能承壓：

  由于系統通過集熱器中的波紋管進行循環，波紋管優秀的承壓性能保證了集熱器可用于承壓系統。

  經濟性好：

  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) 按集熱系統運行方式分類

  目前，根據我國太陽能熱水系統的具體使用情況，主要可以分為自然循環系統、強迫循環系統和直流循環系統。

  1)、自然循環系統

  原理：自來水通過上水管進入補給水箱，再經由補給水箱進入儲水箱。集熱器內的水被加熱后通過上循環管進入儲水箱的上部，儲水箱下部密度較大的冷水

  自動通過下循環管進入集熱器的下部形成循環，上述循環是連續進行的。一般情況下，經過一天的日照，儲水箱的水能全部被加熱，供給用戶使用。系統中排氣管的作用：有時儲水箱內的溫度過高而產生蒸汽，排氣管及時將氣體排出，防止其抑制自然循環的進行。

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

  特點：無須水泵和控制系統，運行可靠，造價較低，但由于儲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的建筑。取用熱水時間應在下午四五點鐘以后或晚間，不能隨時供熱水。若在北方冬季使用，應考慮增加輔助熱源，系統管路應設置電加熱帶。該系統的集熱器面積不宜過大，若集熱器面積較大，應采用并聯安裝。

  2)、強迫循環系統

  原理：它是利用溫差控制器來控制水泵的開關，當集熱器頂部的溫度和水箱下部水溫之差達到預定數值時，水泵開始運行，否則水泵關閉。逆止閥的作用是防止水倒流。排氣管的作用和自然循環系統的排氣管作用一樣。

  技術要求：儲水箱安裝位置無須高于集熱器，可根據需要安放在任何地方；該系統的運行可靠性主要取決于控制器和水泵的可靠性，因此應選擇高質量的產品；這種循環系統需要消耗少量的電能。

  特點：集熱器和儲水箱可以分離；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，管道系統還應考慮防凍抗凍措施；集熱器的采光面積不受限制。

  3)、直流循環系統

  原理：當集熱器上部的電接點溫度計達到預定的溫度(如45℃)時，控制器

  就啟動電磁閥，自來水就將集熱器內的熱水項入水箱。當集熱器上部的溫度低于預定的溫度時，電磁閥關閉。通過一天的間斷運行，進入水箱的水均為45℃左右的熱水。

  技術要求：儲水箱的位置可根據需要安放在任何地方：系統運行的可靠性主要取決于電接點溫度計、控制器及電磁閥的可靠性；儲水箱應有足夠的富裕量，否則，當日照好的時候，因儲水箱容量不夠而造成熱水外溢。

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

  一般來說，選擇太陽能系統運行方式需綜合考慮安裝環境與使用地域、當地水質水壓狀況、使用期限是全年運行還是季節使用、輔助能源情況、客戶要求以及資金狀況等因素。

  (3) 按集熱器與儲熱水箱的相對位置分類

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

  2)、緊湊式(整體式)系統：整體式系統是指集熱器與儲熱水箱雖相互獨立，但儲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。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：分體式系統指儲熱水箱和太陽能集熱器可以分開一定距離進行安裝的太陽能熱水系統。采用分體式系統，儲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，同時系統可以承壓運行，易與建筑給排水系統結合，運行的安全性和穩定性較強，適用于高檔住宅或高層住宅建筑。其缺點是結構復雜，造價較高，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，集熱構件可以安裝在南向墻面或陽臺等任何適當位置，不受屋頂面積的限制，可以有效的解決高層、小高層建筑對太陽能熱水系統的安裝需求，在建筑的一體化設計方面優勢也十分明顯，目前已逐漸成為我國高層、小高層住宅太陽能熱水利用的趨勢。

  (4) 按照供水方式不同分類

  太陽能熱水器系統可分為：集中供熱水系統、集中——分散供熱水系統和分散供熱水系統等三大類。

  其中，集中供熱水系統，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。

  集中——分散供熱水系統，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。

  分散供熱水系統，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，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傳熱工質的關系分類

  太陽能熱水系統按生活熱水與集熱器內傳熱工質的關系可分為直接系統和間接系統兩類。

  直接系統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；間接系統是指在太陽能集熱器中加熱某種傳熱工質，再使該傳熱工質通過換熱器加熱

  水給用戶的太陽能熱水系統。其中，由于直接系統的集熱部件直接與水接觸，所以對水質有一定要求，才能保證系統的正常運行；間接系統由于其熱交換的阻力較大，一般要采用強制循環系統。

  (6) 按輔助能源加熱設備安裝位置分類

  按輔助能源加熱設備安裝位置分類，太陽熱水系統可分為內置加熱系統和外置加熱系統。

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