田　琦
(太原理工大學建筑與環境工程學院，山西太原030024)

　　摘　要：分析了各種太陽能熱水系統和集熱器的工作原理及特點，指出了大型太陽能熱水系統設計中需注意的若干問題，給出了太陽能熱水系統和集熱器選擇的一般原則。
　　關鍵詞：太陽能熱水系統；集熱器；設計
　　中圖分類號：TU991.5；TU882
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2001)06-0033-03

　　太陽能作為一種清潔安全的可再生能源，對于減少人類有害的活動(如工業污染和毀壞樹林)、增強人類可持續發展能力起著重要作用。隨著人們環境意識的提高，太陽能的應用已經越來越廣泛，特別是太陽能熱水器已經進入千家萬戶，而大型太陽能熱水系統也已在賓館、飯店、公共浴池、商品住宅等建筑中開始應用。事實上，實際應用過程中也存在不少問題，如系統選擇不當造成運行效率低，寒冷地區冬季系統發生冰凍現象，集熱器選型不當造成系統冬季無法運行，集熱器連接不當造成系統運行不平衡、效率降低、集熱器壽命減少等。因此，有必要就大型太陽能熱水系統型式的選擇、集熱器的選型及連接方式、熱水系統的防凍等問題進行探討。

1　系統型式的選擇

　　太陽能熱水系統有間接式(圖1)和直接式兩種，直接式太陽能熱水系統又可分為自然循環(圖2)和強制循環式，而強制循環式太陽能熱水系統又有連續式(圖3)和間歇式(圖4)兩種。

　　　　　　

　　　　　　　

　　間接式太陽能熱水系統包括集熱器和用戶熱水兩個子系統，并通過換熱器相連。集熱器子系統一般采用抗凍液作為循環工質。抗凍液在太陽能集熱器中被加熱后，在泵作用下通過換熱器加熱循環水，當水溫達不到要求時則利用輔助熱源加熱至所需溫度送往用戶。該系統室外部分所用工質為防凍液，因此具有可靠的防凍能力，寒冷地區的設備及管路亦無凍裂之憂，但由于需換熱器加熱循環水，故初次投資較大，總的熱效率低。
　　自然循環式熱水系統的水箱位于室外，且高于集熱器。循環水在集熱器中被加熱，通過自然循環回到水箱，自來水頂出水箱中的熱水，經輔助熱源(水溫不達要求時)送往用戶。該系統不用水泵(不耗電)，無須專人看護，一次投資省，但水箱需高架(受安裝環境限制)，且抗凍性能差，一般適于非冰凍地區使用，且系統不能過大，集熱面積通常在30m²以下。
　　連續式強制循環系統的水箱水在水泵作用下送往集熱器中加熱，而后回到水箱。冷水將水箱中的熱水頂出，經輔助熱源(溫度達不到要求時)送往用戶。該系統的特點是：水箱可置于室內，水泵連續運行，系統工況穩定，初次投資較省。由于水泵運行與日照、集熱器水溫無關，常常在日照較弱的情況下運行水泵，造成無效運行，浪費電能，使系統運行效率降低。因此，這種系統通常用于加熱游泳池用水。
　　間歇式強制循環系統增設了水泵運行控制儀，當太陽輻照度達到一定數值時，光敏探頭將信號傳給控制儀，控制儀啟動水泵，將水箱中水泵入集熱器加熱；當太陽輻照度低于一定數值時，光敏探頭將信號傳給光控儀，通知其停泵。水泵的啟停也可以通過測量溫度來控制，當溫度達到預定值時，開啟水泵，系統水循環；當溫度低于另一預定值時則停泵。該系統避免了水泵無效運行，節省了電能，提高了系統熱效率，但初次投資較大，同時運行管理要求也高。
　　通過上面的分析可以看出：非寒冷地區的小面積系統可優先采用自然循環式系統；加熱游泳池、魚塘用水可優先采用連續式強制循環系統；賓館、浴池大面積系統可優先采用間歇式強制循環系統；使用間接系統時應經過技術經濟比較。

2　集熱器的選型

　　目前國內的太陽能集熱器主要有平板型集熱器，全玻璃真空管集熱器，熱管真空管集熱器等。
　　平板型集熱器(圖5)在20世紀70年代就已生產，具有集熱快、價格低、承壓高、耐熱沖擊性能好等特點，在氣溫高、日照好的地區熱效率較高，在室外氣溫較低時的熱損失大而熱效率低。此外，這種集熱器工作溫度低、不耐冰凍。

　　全玻璃真空管集熱器(圖6)的全年熱效率高，其成本、耐冰凍、夜間保溫性能介于熱管集熱器和平板集熱器之間，承壓能力較低，耐熱沖擊能力較差，空曬系統注入冷水后有可能炸裂真空管，系統可靠性較差(一根管子破裂，整個系統需停用檢修)，玻璃管內易結垢，難清理。

　　　　

　　熱管真空管集熱器的全年熱效率也較高，三者之中價格也最高，但其承壓能力大，一般可承壓980 kPa；耐熱沖擊性能好，因真空管內不走水，即使空曬時上水也不會使玻璃管炸裂；耐冰凍，即使冬季長時間無晴天及在夜間的嚴寒條件下，真空管也不會凍裂；夜間熱損失小，熱管具有單向傳熱的特點，不會像前兩種集熱器一樣產生夜間通過集熱器散熱的熱倒流現象；玻璃管內不會結垢；系統工作可靠性強，即使有玻璃管破損，系統仍可繼續工作。
　　根據以上分析，在非冰凍地區可優先采用平板型集熱器；在寒冷地區的大面積熱水系統可優先采用熱管真空管集熱器；在寒冷地區大面積使用全玻璃真空管集熱器時，應采取措施提高其承壓和抗熱沖擊能力。

3　集熱器連接方式的確定

　　集熱器的連接方式有串聯、并聯、串并聯等。串聯方式不存在阻力平衡問題，但串聯過多集熱器會使熱效率降低、壓力降也會增加；并聯方式壓降較小，效率較高，但并聯集熱器過多，阻力不宜平衡；串并聯方式如果應用得當，可以吸收前兩者之優點，使效果達到最佳。
　　根據以上分析，設計中應因地制宜采用串并聯方式。

4　熱水系統的防凍

　　寒冷地區大型熱水系統的設計必須考慮防凍問題。最可靠的防凍方法是采用間接式系統，它以防凍液為工質，系統完全不會凍結，但這種方式由于初次投資大、效率低，在我國采用的不多。現就常用的電熱、排空、定溫再循環方式進行探討。
　　排空防凍系統如圖8所示。

　　當T1＜4℃時，溫控儀打開閥門V1，排空室外管路中的水以防凍。閥門V1無電時長開，以便停電時也可泄水。這種防凍系統不耗能，如果各個部件保持完好，防凍也是可靠的，但要求室外管路有向下的傾斜度，安裝要求較高；同時，如果有一個部件失靈就可能導致防凍失敗，如某個閥門凍結、排氣口或真空開關因雪堵塞、管路彎曲都可能導致系統凍壞。
　　定溫再循環防凍如圖4所示。當T1＜4℃時，溫控儀啟動水泵將熱水從水箱泵入室外管路進行防凍循環。這種方式防凍可靠，但需消耗一定的能量。
　　電熱防凍是在系統管路上纏上電熱帶，當T1＜4℃時，進行電加熱。這種方式在寒冷地區為了防凍所耗的電能往往超過太陽能所得到的收益。
　　根據以上分析，電熱防凍在嚴寒地區不適合使用，應優先采用定溫再循環或排空防凍系統，采用排空防凍系統時，系統的設計必須保證室外系統中的水能排空。

5　小結

　　①太陽能是無污染能源，在環境污染日趨嚴重的今天，熱水供應系統應大力發展太陽能系統。
　　②熱水系統的選擇應綜合考慮用戶特征、氣候特征、運行效率、造價等因素，如游泳池、魚塘用水可優先采用連續強制循環系統；賓館客房用水可優先選用間歇式強制循環系統。
　　③集熱器的選用應注意抗凍性能、抗熱沖擊能力、承壓能力等因素，如平板型集熱器不宜在寒冷地區使用；嚴寒地區大型熱水系統應優先采用熱管真空管集熱器。
　　④集熱器連接應因地制宜地綜合應用串并聯方式，使水流達到平衡。
　　⑤寒冷地區應采用可靠的防凍方式，如定溫循環或排空防凍。

參考文獻：

　　［1］趙玉文.太陽能采暖和熱水系統的設計與安裝［M］.北京：新時代出版社，1990.
　　［2］王宏志.太陽能熱水供應系統在住宅小區的應用前景［J］.太陽能，1998，(4)：29-31.
　　［3］王強.熱管真空管太陽熱水系統的設計［J］.太陽能，1999，(3)：18-21.

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　　收稿日期：2000-12-20