田　琦
(太原理工大學建筑與環(huán)境工程學院，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，指出了大型太陽能熱水系統(tǒng)設計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。
　　關鍵詞：太陽能熱水系統(tǒng)；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(yè)污染和毀壞樹林)、增強人類可持續(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(tǒng)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(tǒng)選擇不當造成運行效率低，寒冷地區(qū)冬季系統(tǒng)發(fā)生冰凍現象，集熱器選型不當造成系統(tǒng)冬季無法運行，集熱器連接不當造成系統(tǒng)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(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)和強制循環(huán)式，而強制循環(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?？箖鲆涸谔柲芗療崞髦斜患訜岷?，在泵作用下通過換熱器加熱循環(huán)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(tǒng)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(qū)的設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，經輔助熱源(水溫不達要求時)送往用戶。該系統(tǒng)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(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，經輔助熱源(溫度達不到要求時)送往用戶。該系統(tǒng)的特點是：水箱可置于室內，水泵連續(xù)運行，系統(tǒng)工況穩(wěn)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(tǒng)運行效率降低。因此，這種系統(tǒng)通常用于加熱游泳池用水。
　　間歇式強制循環(huán)系統(tǒng)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(tǒng)水循環(huán)；當溫度低于另一預定值時則停泵。該系統(tǒng)避免了水泵無效運行，節(jié)省了電能，提高了系統(tǒng)熱效率，但初次投資較大，同時運行管理要求也高。
　　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)先采用間歇式強制循環(huán)系統(tǒng)；使用間接系統(tǒng)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(qū)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(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，整個系統(tǒng)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(tǒng)工作可靠性強，即使有玻璃管破損，系統(tǒng)仍可繼續(xù)工作。
　　根據以上分析，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，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(yōu)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(tǒng)的防凍

　　寒冷地區(qū)大型熱水系統(tǒng)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(tǒng)，它以防凍液為工質，系統(tǒng)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(huán)方式進行探討。
　　排空防凍系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)凍壞。
　　定溫再循環(huán)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(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T1＜4℃時，進行電加熱。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。
　　根據以上分析，電熱防凍在嚴寒地區(qū)不適合使用，應優(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，系統(tǒng)的設計必須保證室外系統(tǒng)中的水能排空。

5　小結

　?、偬柲苁菬o污染能源，在環(huán)境污染日趨嚴重的今天，熱水供應系統(tǒng)應大力發(fā)展太陽能系統(tǒng)。
　?、跓崴到y(tǒng)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(yōu)先采用連續(xù)強制循環(huán)系統(tǒng)；賓館客房用水可優(yōu)先選用間歇式強制循環(huán)系統(tǒng)。
　　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(qū)使用；嚴寒地區(qū)大型熱水系統(tǒng)應優(yōu)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。
　?、莺涞貐^(qū)應采用可靠的防凍方式，如定溫循環(huán)或排空防凍。

參考文獻：

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　　收稿日期：2000-12-20