[科普中国]-被动式太阳能热水器

简介

太阳能热水器热交换器使用从太阳吸收的能量加热水，他们是一个非常有效的方式来加热水，因为它们不使用不可再生资源，而阳光不费分文，太阳能热水器热交换器分为主动和被动式两种类型。

主动式与被动式****优缺点

被动式太阳能热水器的热交换器一般不是很高效，但它们的价格比主动式热水器的交换器积极。被动式太阳能热水器实际上并不需要热交换器，这是一部份的原因，他们是效率较低。他们的工作，然后利用来自太阳的能量，迫使热水上升，进入一个坦克的底部抽冷水，从收集罐的顶部区域，然后热水抽进了屋子。

主动式太阳能热水器依靠水泵实现循环，最常见的主动式系统是采用间接循环，热介质将集热器收集的太阳能转移到水罐中，主动式系统的优点是出热水稳定，抗冻耐候性能好，不利之处是系统较复杂，成本相对高。

被动式循环依靠重力运行，无需循环水泵，由于没有电子控制设备，被动式太阳能热水器更加可靠，成本也相对低廉。被动式系统的缺陷是反应迟缓，此外，水箱还必须安装在集热器上方。

一般来说，城市地区多采用主动式间接循环太阳能热水器，而偏远地区，如果供电不够稳定，或缺乏售后服务，则可优先考虑稳定可靠、运行费用低的被动式系统。

主动式与被动式系统比较

主动式太阳能热水系统有两个类型：

（1） 直接流通系统。

循环泵直接通过太阳能集热器加热然后进入家庭用水系统。这种一般适用于气温比较高，冬季不结冰的气候的地方。

（2）间接环流系统。

这种是防冻循环系统，系统中走的是冷媒（是一种一般地方的温度下不会冻结的液体），通过传热流体（即冷媒）与集热器交换热量，然后再通过热传换器把热量传递给家庭用水系统。这种很适合在严寒的气候下使用。

被动式太阳能热水系统通常造价小于主动式太阳能热水器系统，但它们的效率通常是不如主动式来得高。然而，被动的系统更不容易出问题，并且更耐用，被动系统有两个基本类型：

（1）被动存储系统。

这种系统很适合那些温度从不低于零度的地方。另外，这种系统也很适合白天和晚上的热水需求差别比较明显的家庭。

（2）虹吸系统。

这种系统是利用当水被加热变成热水后比量变轻，自行上升，而冷水自行下沉，这种系统中太阳能集热器必须安装在水箱的下面，以便使温（热）水上升到水箱里面。这种系统也是可靠的，但承建商必须特别注意屋顶的承重，因为要很大的水箱。这种虹吸系统比被动式存储系统造价要高一些。

基本原理和系统结构太阳能热水系统由于其使用的经济性已进入商业性利用，因此在这一领域中进行了较多的研究开发工作。一种显著的倾向是着力于简化其结构、降低制作成本、使其安装简便及活动部件不易产生故障。被动式循环依靠重力运行，无需循环水泵，由于没有电子控制设备，被动式太阳能热水器更加可靠，成本也相对低廉。被动式系统的缺陷是反应迟缓，此外，水箱还必须安装在集热器上方。

最为人熟悉的非机械式太阳能热水系统，此种系统的原理是利用人们熟知的虹吸效应将太阳能集热器引入安装在集热器上方的隔热储水箱中。但是，有一种比之热虹吸系统更为简化的装置，就是被动式太阳能热水器，或称做闷晒式集热器、又可称为集热/储热一体系统（ICS）。两者之间的重要差别是，在被动式系统中其集热面也就是水箱的表面，因此可将集热与储水两者构成一体，所用的材料可以比热虹吸系统节省许多。这种被动式系统实质上就是在通向热水系统的冷水引入管中形成一个太阳能加热膨管。因此对于它相对于建筑物或水源的安装高度，仅须考虑现场水压是否足以使水流过太阳能热水器达到需用热水的地点即可。

被动式太阳能热水器，包含一个集热器壳体，上面是透明的平面，内面是曲线型的反射面和两个端壁；在集热器中装有储水箱，其位置恰可受到集热器内表面所反射的阳光的加热，且具有园柱形外壁,其曲面可从各种角度向水箱及相对的端壁反射阳光；有第一条管子沿着储水箱的纵轴穿过并附装于一侧端壁,再伸向储永箱内临近圆筒形箱壁的第一位置；第二条管子沿着储水箱纵轴穿过并附装于另

一侧的端壁,再伸向储水箱内临近圆柱形箱壁的第二位置；上述第一和第二个位置大体上以径向处于相反的方位；第一和第二条管子又向外延伸穿过集热器外壳的两个端壁,这以可拆卸的结构将集热器壳体与储样将储水箱支撑在集热器壳体内；以可拆卸的结构将集热器壳体与储水箱组装于要求的相对位置。

附图中将此项发明的各方面(仅作为示例)分别显示如下：

图1为此项发明的被动式太阳能热水器的总体图；

图2为图1所示热水器的端视图；

图3为图1所示太阳能热水系统所适用的储水箱的剖视图；

图4为图3中沿4一4线的剖视图；

图5为图1中沿5一5线剖视的细部图；

图6为图1中沿6一6线的剖视图。

各图中表示被动式太阳能热水器。如图1及图2所示，它包含一个集热器壳体2,具有平底部分3，透明的上盖41曲面式反射内表面6及两侧端壁8.注意从图2、5和6中可看出集热器壳体是由一种绝热性好的材料10构成1最好是一种泡沫型的合成树脂1例如聚氨脂，并有反光性的内表面6及外皮12。

在集热器壳体2中有一储水箱14,其位置正可受到集热器壳体2的内表面6所反射的阳光的加热。水箱14具有圆箭形的箱壁16及相对的端壁18S储水箱14在图3中有详细表示。

第一条管子20延伸在22位置穿过并装在一侧端壁18上-特见于图3及图6；第一条管20顺着储水箱14的纵轴线延伸，再伸向第一位置24；这是在储水箱14的内部靠近圆筒壁16的部位。在热水器另一端有第二条管子26伸入并装在另一侧端壁18上它也是顺着储水箱14的纵轴线延伸并在水箱内部伸向靠近圆简壁16的第二位置28。上述第一和第二两位置24与28大体上以径向处在相反的方位1见图2和图3所示。

储永箱14装有内部加固架30以支撑住管子20及26；加固架30在32处相互焊接，在34处与储永箱焊接，又在36处与管子焊接。在加固架30上做成开口38以容纳第一和第二两条管子20和26。

如图6所特别显示3在管子20与26的外伸部分须做上符号40以指示管子在储水箱内所弯折的方向,因为储水箱内部的情况从外面是看不见的。

上述对管子20与26以及加固架30的安排，保证了储水箱14由管子20与26支撑在集热器壳体中。

如图1和图2所示，此加热器具有一个支架,它包含一对纵向部件42,两端各有一对支腿44，向上延伸在46处相会组接。横向上又有撑条48予以加固。又如图2所示,有几个定位图50,它们可以在支腿上滑动，这样可以使集热器壳体2很方便地变换角度对着太阳，而不致引起水箱从其优选的位置上移位至于如何利用定位圈50将壳体2固定位置，则可利用管子工艺中所熟知的方法。

储水箱14是由管道连接牢固地装在管子20和26上,来固定它的旋转位置的。

整个加热器用可拆卸的装置来固定集热器壳体2与储水箱14之间的相对位置，和两者与地面或安装面的相对位置。如图6中所示每套固定装置包括一定定位螺丝52，旋入支腿44的连接头46上的丝孔54中。旋紧定位蜾丝52即可将支架的中心套压紧到管子上如图6所示，在接头46处配有衬套56为橡胶或氯丁橡胶制作，外面是套筒58，可为铝质，衬套56对管子20和26提供良好的磨擦配合，并可防止从管子20和26向支架44传热而损失热量。同此目的，在管子20和26延伸穿过集热器壳体2的地方，加一个垫圈60，垫圈外缘有一凹槽62用以和集热器壳体2的外皮12上制备的凸缘64相啮合。

如图5所示集热器壳体2有一玻璃的上盖4，卡在卡套66里.这个卡套是利用68安在集热器壳体2上，玻璃盖与卡套之间的安装还须加上密封衬垫70.图5所示为一种较好的具体设计，从中可以看出在玻璃盖下又附加了两层塑料薄膜72(最好是聚四氟乙烯)，用花键74绷平，这样构成一个三层的体系,在其中间形成两层气垫，可提供更好的隔热性。这样的系统对于在较冷的气候条件下滞存热量是特别需要的。

对这种热水器的操作极为简单。先松开支架上的定位圈50，将集热器壳体调到需要的角度。再松开螺丝52，使储水箱14与管子20和26转动，直到管子外面的符号40指示管子26的冷水入口已处在水箱中的最低点而管子20的热水出口已处在水箱中的最高点。对管子20和26可用通常的丝扣接头分别连接必要的水管。用这种方法就可以将储水箱14调整到所需要的角度位置，使热的流动和排气作用最为理想冷水流过加热器受到阳光直接照射，并由反射面6将阳光聚焦到储水箱14上,水便迅速地被加热。

被动式太阳能热水器重要特征是其储水箱的支撑结构。上面介绍的设计可使集热器壳体2与储水箱14均能相互独立地转动角度，而对水管的连接并无影响。这是因为各部件都具有与储水箱14的中心轴线成一线的共同旋转轴心，即令其旋转时,仍可在加热器内保持对称对集热器壳体2和储水箱14以及它们在管子20和26上的安装的设计保证了在结构和支架之间不会发生干扰。水箱I4中的加固架30保证加热器具有足够的强度以支撑自已为了有效的工作，管子20和26上转折的部分，必须总是处于垂直方向,这种使管子20和26不论集热器壳体2使处在什么角度位置均能保持垂直的设计，在此项发明中是简单的。进水口与出水口的位置也可简单地对调，即将储水箱14作180度的旋转。对储水箱14亦可利用进水口管道的虹吸作用排去存水，集热器壳体的造形使它当位置调整适当时，凡在60"角范围内由各种高度从窗口入射或是直接照射或是通过反的全部光线,都会聚射在储水箱上力射。

由此可见，此项发明所提供的大阳能热水器，其储水箱的角度位置和集热器壳体的角度位置之间是相互独立的，两者又均独立于处在支腿下面的安装面的坡度角。这种设计使它不论集热器壳体调到什么倾角以及它是安在平面上还是安在斜面上，它的储水箱均可以调到排气和进出水口的理想位置。

集热器壳体可以终年保持在一个位置，也可以按季节或需要调整位置以增加日照量，而不调整水箱的位置，也不需要拆卸其进出水管道内部加固架的设置意味着可将储水箱装在供水管上,这就避免了与集热器壳体转动的相互干扰。

当制造这种加热器时，通常须注意保证使其反光面做到尽可能地光洁，使其吸光面做到尽可能暗色，最好是锍黑色。也就是说集热器壳体2的内表面6须精度抛光，其储水箱14的外表面须涂以锍黑，或者更好是覆以黑色膜体，那样可以增加一种降低热辐射损失的特性集热器壳体2外皮最好用预先漆过的铝皮或镀锌钢皮,支腿可用铝管以取其轻，储水箱14可用不锈钢1。

现有的各种被动式太阳能热水器中；其水箱安装在整体外壳中的一个固定位置；而水箱上的热水出口位置的安排，须当热水器以一定角度对着太阳时，使热水出口处于水箱的最高处，以最大限度地排出空气。如果水箱的布置使热水引出管的开口不是处于水箱的最高点；则水箱顶部滞留的空气就会增多，这样使水和水箱的接触面积减少，相应地就减少了对水的热传送效率。可见这种设计特别就那些水平式安装的水箱来说有一个问题,就是对于现场的安装倾角甚少灵活的适当遇到不同纬度及不同的屋顶坡度时，这一点即便为明显。加之，如要按季节调整倾角以加大其集热能力，就更见其困难或至于不可能1。