田　琦
(太原理工大學(xué)建筑與環(huán)境工程學(xué)院，山西太原030024)

　　摘　要：分析了各種太陽能熱水系統(tǒng)和集熱器的工作原理及特點(diǎn)，指出了大型太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需注意的若干問題，給出了太陽能熱水系統(tǒng)和集熱器選擇的一般原則。
　　關(guān)鍵詞：太陽能熱水系統(tǒng)；集熱器；設(shè)計(jì)
　　中圖分類號：TU991.5；TU882
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dòng)(如工業(yè)污染和毀壞樹林)、增強(qiáng)人類可持續(xù)發(fā)展能力起著重要作用。隨著人們環(huán)境意識(shí)的提高，太陽能的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，特別是太陽能熱水器已經(jīng)進(jìn)入千家萬戶，而大型太陽能熱水系統(tǒng)也已在賓館、飯店、公共浴池、商品住宅等建筑中開始應(yīng)用。事實(shí)上，實(shí)際應(yīng)用過程中也存在不少問題，如系統(tǒng)選擇不當(dāng)造成運(yùn)行效率低，寒冷地區(qū)冬季系統(tǒng)發(fā)生冰凍現(xiàn)象，集熱器選型不當(dāng)造成系統(tǒng)冬季無法運(yùn)行，集熱器連接不當(dāng)造成系統(tǒng)運(yùn)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(tǒng)型式的選擇、集熱器的選型及連接方式、熱水系統(tǒng)的防凍等問題進(jìn)行探討。

1　系統(tǒng)型式的選擇

　　太陽能熱水系統(tǒng)有間接式(圖1)和直接式兩種，直接式太陽能熱水系統(tǒng)又可分為自然循環(huán)(圖2)和強(qiáng)制循環(huán)式，而強(qiáng)制循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)又有連續(xù)式(圖3)和間歇式(圖4)兩種。

　　　　　　

　　　　　　　

　　間接式太陽能熱水系統(tǒng)包括集熱器和用戶熱水兩個(gè)子系統(tǒng)，并通過換熱器相連。集熱器子系統(tǒng)一般采用抗凍液作為循環(huán)工質(zhì)。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(huán)水，當(dāng)水溫達(dá)不到要求時(shí)則利用輔助熱源加熱至所需溫度送往用戶。該系統(tǒng)室外部分所用工質(zhì)為防凍液，因此具有可靠的防凍能力，寒冷地區(qū)的設(shè)備及管路亦無凍裂之憂，但由于需換熱器加熱循環(huán)水，故初次投資較大，總的熱效率低。
　　自然循環(huán)式熱水系統(tǒng)的水箱位于室外，且高于集熱器。循環(huán)水在集熱器中被加熱，通過自然循環(huán)回到水箱，自來水頂出水箱中的熱水，經(jīng)輔助熱源(水溫不達(dá)要求時(shí))送往用戶。該系統(tǒng)不用水泵(不耗電)，無須專人看護(hù)，一次投資省，但水箱需高架(受安裝環(huán)境限制)，且抗凍性能差，一般適于非冰凍地區(qū)使用，且系統(tǒng)不能過大，集熱面積通常在30m²以下。
　　連續(xù)式強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)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(jīng)輔助熱源(溫度達(dá)不到要求時(shí))送往用戶。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：水箱可置于室內(nèi)，水泵連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)工況穩(wěn)定，初次投資較省。由于水泵運(yùn)行與日照、集熱器水溫?zé)o關(guān)，常常在日照較弱的情況下運(yùn)行水泵，造成無效運(yùn)行，浪費(fèi)電能，使系統(tǒng)運(yùn)行效率降低。因此，這種系統(tǒng)通常用于加熱游泳池用水。
　　間歇式強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)增設(shè)了水泵運(yùn)行控制儀，當(dāng)太陽輻照度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，光敏探頭將信號傳給控制儀，控制儀啟動(dòng)水泵，將水箱中水泵入集熱器加熱；當(dāng)太陽輻照度低于一定數(shù)值時(shí)，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(dāng)溫度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，開啟水泵，系統(tǒng)水循環(huán)；當(dāng)溫度低于另一預(yù)定值時(shí)則停泵。該系統(tǒng)避免了水泵無效運(yùn)行，節(jié)省了電能，提高了系統(tǒng)熱效率，但初次投資較大，同時(shí)運(yùn)行管理要求也高。
　　通過上面的分析可以看出：非寒冷地區(qū)的小面積系統(tǒng)可優(yōu)先采用自然循環(huán)式系統(tǒng)；加熱游泳池、魚塘用水可優(yōu)先采用連續(xù)式強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)；賓館、浴池大面積系統(tǒng)可優(yōu)先采用間歇式強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)；使用間接系統(tǒng)時(shí)應(yīng)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

2　集熱器的選型

　　目前國內(nèi)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(jì)70年代就已生產(chǎn)，具有集熱快、價(jià)格低、承壓高、耐熱沖擊性能好等特點(diǎn)，在氣溫高、日照好的地區(qū)熱效率較高，在室外氣溫較低時(shí)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(tǒng)注入冷水后有可能炸裂真空管，系統(tǒng)可靠性較差(一根管子破裂，整個(gè)系統(tǒng)需停用檢修)，玻璃管內(nèi)易結(jié)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(jià)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(nèi)不走水，即使空曬時(shí)上水也不會(huì)使玻璃管炸裂；耐冰凍，即使冬季長時(shí)間無晴天及在夜間的嚴(yán)寒條件下，真空管也不會(huì)凍裂；夜間熱損失小，熱管具有單向傳熱的特點(diǎn)，不會(huì)像前兩種集熱器一樣產(chǎn)生夜間通過集熱器散熱的熱倒流現(xiàn)象；玻璃管內(nèi)不會(huì)結(jié)垢；系統(tǒng)工作可靠性強(qiáng)，即使有玻璃管破損，系統(tǒng)仍可繼續(xù)工作。
　　根據(jù)以上分析，在非冰凍地區(qū)可優(yōu)先采用平板型集熱器；在寒冷地區(qū)的大面積熱水系統(tǒng)可優(yōu)先采用熱管真空管集熱器；在寒冷地區(qū)大面積使用全玻璃真空管集熱器時(shí)，應(yīng)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(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)等。串聯(lián)方式不存在阻力平衡問題，但串聯(lián)過多集熱器會(huì)使熱效率降低、壓力降也會(huì)增加；并聯(lián)方式壓降較小，效率較高，但并聯(lián)集熱器過多，阻力不宜平衡；串并聯(lián)方式如果應(yīng)用得當(dāng)，可以吸收前兩者之優(yōu)點(diǎn)，使效果達(dá)到最佳。
　　根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)中應(yīng)因地制宜采用串并聯(lián)方式。

4　熱水系統(tǒng)的防凍

　　寒冷地區(qū)大型熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮防凍問題。最可靠的防凍方法是采用間接式系統(tǒng)，它以防凍液為工質(zhì)，系統(tǒng)完全不會(huì)凍結(jié)，但這種方式由于初次投資大、效率低，在我國采用的不多。現(xiàn)就常用的電熱、排空、定溫再循環(huán)方式進(jìn)行探討。
　　排空防凍系統(tǒng)如圖8所示。

　　當(dāng)T1＜4℃時(shí)，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(shí)長開，以便停電時(shí)也可泄水。這種防凍系統(tǒng)不耗能，如果各個(gè)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(shí)，如果有一個(gè)部件失靈就可能導(dǎo)致防凍失敗，如某個(gè)閥門凍結(jié)、排氣口或真空開關(guān)因雪堵塞、管路彎曲都可能導(dǎo)致系統(tǒng)凍壞。
　　定溫再循環(huán)防凍如圖4所示。當(dāng)T1＜4℃時(shí)，溫控儀啟動(dòng)水泵將熱水從水箱泵入室外管路進(jìn)行防凍循環(huán)。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(tǒng)管路上纏上電熱帶，當(dāng)T1＜4℃時(shí)，進(jìn)行電加熱。這種方式在寒冷地區(qū)為了防凍所耗的電能往往超過太陽能所得到的收益。
　　根據(jù)以上分析，電熱防凍在嚴(yán)寒地區(qū)不適合使用，應(yīng)優(yōu)先采用定溫再循環(huán)或排空防凍系統(tǒng)，采用排空防凍系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須保證室外系統(tǒng)中的水能排空。

5　小結(jié)

　　①太陽能是無污染能源，在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天，熱水供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)大力發(fā)展太陽能系統(tǒng)。
　　②熱水系統(tǒng)的選擇應(yīng)綜合考慮用戶特征、氣候特征、運(yùn)行效率、造價(jià)等因素，如游泳池、魚塘用水可優(yōu)先采用連續(xù)強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)；賓館客房用水可優(yōu)先選用間歇式強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。
　　③集熱器的選用應(yīng)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(qū)使用；嚴(yán)寒地區(qū)大型熱水系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先采用熱管真空管集熱器。
　　④集熱器連接應(yīng)因地制宜地綜合應(yīng)用串并聯(lián)方式，使水流達(dá)到平衡。
　　⑤寒冷地區(qū)應(yīng)采用可靠的防凍方式，如定溫循環(huán)或排空防凍。

參考文獻(xiàn)：

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　　［3］王強(qiáng).熱管真空管太陽熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.太陽能，1999，(3)：18-21.

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　　收稿日期：2000-12-20