大型太阳能热水供应系统设计的若干问题

田　琦
(太原理工大学建筑与环境工程学院，山西太原030024)

　　摘　要：分析了各种太阳能热水系统和集热器的工作原理及特点，指出了大型太阳能热水系统设计中需注意的若干问题，给出了太阳能热水系统和集热器选择的一般原则。
　　关键词：太阳能热水系统；集热器；设计
　　中图分类号：TU991.5；TU882
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)06-0033-03

　　太阳能作为一种清洁安全的可再生能源，对于减少人类有害的活动(如工业污染和毁坏树林)、增强人类可持续发展能力起着重要作用。随着人们环境意识的提高，太阳能的应用已经越来越广泛，特别是太阳能热水器已经进入千家万户，而大型太阳能热水系统也已在宾馆、饭店、公共浴池、商品住宅等建筑中开始应用。事实上，实际应用过程中也存在不少问题，如系统选择不当造成运行效率低，寒冷地区冬季系统发生冰冻现象，集热器选型不当造成系统冬季无法运行，集热器连接不当造成系统运行不平衡、效率降低、集热器寿命减少等。因此，有必要就大型太阳能热水系统型式的选择、集热器的选型及连接方式、热水系统的防冻等问题进行探讨。

1　系统型式的选择

　　太阳能热水系统有间接式(图1)和直接式两种，直接式太阳能热水系统又可分为自然循环(图2)和强制循环式，而强制循环式太阳能热水系统又有连续式(图3)和间歇式(图4)两种。

　　　　　　

　　　　　　　

　　间接式太阳能热水系统包括集热器和用户热水两个子系统，并通过换热器相连。集热器子系统一般采用抗冻液作为循环工质。抗冻液在太阳能集热器中被加热后，在泵作用下通过换热器加热循环水，当水温达不到要求时则利用辅助热源加热至所需温度送往用户。该系统室外部分所用工质为防冻液，因此具有可靠的防冻能力，寒冷地区的设备及管路亦无冻裂之忧，但由于需换热器加热循环水，故初次投资较大，总的热效率低。
　　自然循环式热水系统的水箱位于室外，且高于集热器。循环水在集热器中被加热，通过自然循环回到水箱，自来水顶出水箱中的热水，经辅助热源(水温不达要求时)送往用户。该系统不用水泵(不耗电)，无须专人看护，一次投资省，但水箱需高架(受安装环境限制)，且抗冻性能差，一般适于非冰冻地区使用，且系统不能过大，集热面积通常在30m²以下。
　　连续式强制循环系统的水箱水在水泵作用下送往集热器中加热，而后回到水箱。冷水将水箱中的热水顶出，经辅助热源(温度达不到要求时)送往用户。该系统的特点是：水箱可置于室内，水泵连续运行，系统工况稳定，初次投资较省。由于水泵运行与日照、集热器水温无关，常常在日照较弱的情况下运行水泵，造成无效运行，浪费电能，使系统运行效率降低。因此，这种系统通常用于加热游泳池用水。
　　间歇式强制循环系统增设了水泵运行控制仪，当太阳辐照度达到一定数值时，光敏探头将信号传给控制仪，控制仪启动水泵，将水箱中水泵入集热器加热；当太阳辐照度低于一定数值时，光敏探头将信号传给光控仪，通知其停泵。水泵的启停也可以通过测量温度来控制，当温度达到预定值时，开启水泵，系统水循环；当温度低于另一预定值时则停泵。该系统避免了水泵无效运行，节省了电能，提高了系统热效率，但初次投资较大，同时运行管理要求也高。
　　通过上面的分析可以看出：非寒冷地区的小面积系统可优先采用自然循环式系统；加热游泳池、鱼塘用水可优先采用连续式强制循环系统；宾馆、浴池大面积系统可优先采用间歇式强制循环系统；使用间接系统时应经过技术经济比较。

2　集热器的选型

　　目前国内的太阳能集热器主要有平板型集热器，全玻璃真空管集热器，热管真空管集热器等。
　　平板型集热器(图5)在20世纪70年代就已生产，具有集热快、价格低、承压高、耐热冲击性能好等特点，在气温高、日照好的地区热效率较高，在室外气温较低时的热损失大而热效率低。此外，这种集热器工作温度低、不耐冰冻。

　　全玻璃真空管集热器(图6)的全年热效率高，其成本、耐冰冻、夜间保温性能介于热管集热器和平板集热器之间，承压能力较低，耐热冲击能力较差，空晒系统注入冷水后有可能炸裂真空管，系统可靠性较差(一根管子破裂，整个系统需停用检修)，玻璃管内易结垢，难清理。

　　　　

　　热管真空管集热器的全年热效率也较高，三者之中价格也最高，但其承压能力大，一般可承压980 kPa；耐热冲击性能好，因真空管内不走水，即使空晒时上水也不会使玻璃管炸裂；耐冰冻，即使冬季长时间无晴天及在夜间的严寒条件下，真空管也不会冻裂；夜间热损失小，热管具有单向传热的特点，不会像前两种集热器一样产生夜间通过集热器散热的热倒流现象；玻璃管内不会结垢；系统工作可靠性强，即使有玻璃管破损，系统仍可继续工作。
　　根据以上分析，在非冰冻地区可优先采用平板型集热器；在寒冷地区的大面积热水系统可优先采用热管真空管集热器；在寒冷地区大面积使用全玻璃真空管集热器时，应采取措施提高其承压和抗热冲击能力。

3　集热器连接方式的确定

　　集热器的连接方式有串联、并联、串并联等。串联方式不存在阻力平衡问题，但串联过多集热器会使热效率降低、压力降也会增加；并联方式压降较小，效率较高，但并联集热器过多，阻力不宜平衡；串并联方式如果应用得当，可以吸收前两者之优点，使效果达到最佳。
　　根据以上分析，设计中应因地制宜采用串并联方式。

4　热水系统的防冻

　　寒冷地区大型热水系统的设计必须考虑防冻问题。最可靠的防冻方法是采用间接式系统，它以防冻液为工质，系统完全不会冻结，但这种方式由于初次投资大、效率低，在我国采用的不多。现就常用的电热、排空、定温再循环方式进行探讨。
　　排空防冻系统如图8所示。

　　当T1＜4℃时，温控仪打开阀门V1，排空室外管路中的水以防冻。阀门V1无电时长开，以便停电时也可泄水。这种防冻系统不耗能，如果各个部件保持完好，防冻也是可靠的，但要求室外管路有向下的倾斜度，安装要求较高；同时，如果有一个部件失灵就可能导致防冻失败，如某个阀门冻结、排气口或真空开关因雪堵塞、管路弯曲都可能导致系统冻坏。
　　定温再循环防冻如图4所示。当T1＜4℃时，温控仪启动水泵将热水从水箱泵入室外管路进行防冻循环。这种方式防冻可靠，但需消耗一定的能量。
　　电热防冻是在系统管路上缠上电热带，当T1＜4℃时，进行电加热。这种方式在寒冷地区为了防冻所耗的电能往往超过太阳能所得到的收益。
　　根据以上分析，电热防冻在严寒地区不适合使用，应优先采用定温再循环或排空防冻系统，采用排空防冻系统时，系统的设计必须保证室外系统中的水能排空。

5　小结

　　①太阳能是无污染能源，在环境污染日趋严重的今天，热水供应系统应大力发展太阳能系统。
　　②热水系统的选择应综合考虑用户特征、气候特征、运行效率、造价等因素，如游泳池、鱼塘用水可优先采用连续强制循环系统；宾馆客房用水可优先选用间歇式强制循环系统。
　　③集热器的选用应注意抗冻性能、抗热冲击能力、承压能力等因素，如平板型集热器不宜在寒冷地区使用；严寒地区大型热水系统应优先采用热管真空管集热器。
　　④集热器连接应因地制宜地综合应用串并联方式，使水流达到平衡。
　　⑤寒冷地区应采用可靠的防冻方式，如定温循环或排空防冻。

参考文献：

　　［1］赵玉文.太阳能采暖和热水系统的设计与安装［M］.北京：新时代出版社，1990.
　　［2］王宏志.太阳能热水供应系统在住宅小区的应用前景［J］.太阳能，1998，(4)：29-31.
　　［3］王强.热管真空管太阳热水系统的设计［J］.太阳能，1999，(3)：18-21.

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　　收稿日期：2000-12-20