[科普中国]-太阳能热水系统

系统原理无动力型

系统组成：真空管集热器、可连接水箱、可调整支架、换热器。

无动力循环即热式太阳能热水系统运行原理：真空管内的水遇到阳光辐射后，开始升温，管内的水升温后密度变小，自然循环到水箱内，逐步把水箱内的水加热，升温后的水储存在具有聚氨酯发泡保温的的水箱内。室内冷水经过水箱内固定好的波纹管流道流过，把带有压力的自来水温升到几乎与水箱内水温相同的温度（温差小于2度）流出。从而获得稳定、有压力的、洁净的热水。

自然循环自然循环太阳能热水系统是依靠集热器和储水箱中的温差，形成系统的热虹吸压头，使水在系统中循环；与此同时，将集热器的有用能量收益通过加热水，不断储存在储水箱内。

系统运行过程中，集热器内的水受太阳能辐射能加热，温度升高，密度降低，加热后的水在集热器内逐步上升，从集热器的上循环管进入储水箱的上部；与此同时，储水箱底部的冷水由下循环管流入集热器的底部；这样经过一段时间后，储水箱中的水形成明显的温度分层，上层水首先达到可使用的温度，直至整个储水箱的水都可以使用。

用热水时，有两种取热水的方法。一种是有补水箱，由补水箱向储水箱底部补充冷水，将储水箱上层热水顶出使用，其水位由补水箱内的浮球阀控制，有时称这种方法为顶水法；另一种是无补水箱，热水依靠本身重力从储水箱底部落下使用，有时称这种方法为落水法。

强制循环强制循环太阳能热水系统是在集热器和储水箱之间管路上设置水泵，作为系统中水的循环动力；与此同时，集热器的有用能量收益通过加热水，不断储存在储水箱内。

系统运行过程中，循环泵的启动和关闭必须要有控制，否则既浪费电能又损失热能。通常温差控制较为普及，有时还同时应用温差控制和光电控制两种。

温差控制是利用集热器出口处水温和贮水箱底部水温之间的温差来控制循环泵的运行。

早晨日出后，集热器内的水受太阳辐射能加热，温度逐步升高，一旦集热器出口处温和贮水箱底部水温之间的温差达到设定值（一般8~10℃）时，温差控制器给出信号，启动循环泵，系统开始运行；遇到云遮日或下午日落前，太阳辐照度降低，集热器温度逐步下降，一旦集热器出口处水温和贮水箱底部水温之间的温差达到另一设定值（一般3~4℃）时，温差控制器给出信号，关闭循环泵，系统停止运行。

用热水时，同样有两种取热水的方法：顶水法和落水法。

顶水法是向贮水箱底部补充冷水（自来水），将贮水箱上层热水顶出使用；落水法是依靠热水本身重力从贮水箱底部落下使用。在强制循环条件下，由于贮水箱内的水得到充分的混合，不出现明显的温度分层，所以顶水法和落水法都一开始就可以取到热水。顶水法与落水法相比，其优点是热水在压力下的喷淋可提高使用者的舒适度，而且不必考虑向贮水箱补水的问题；缺点也是从贮水箱底部进入的冷水会与贮水箱内的热水掺混。落水法的优点是没有冷热水的掺混，但缺点是热水靠重力落下而影响使用者的舒适度，而且必须每天考虑向贮水箱补水的问题。

在双回路的强制循环系统中，换热器既可以是置于贮水箱内的浸没式换热器，也可以是置于贮水箱外的板式换热器。板式换热器与浸没式换热器相比，有许多优点：其一，板式换热器的换热面积大，传热温差小，对系统效率影响少；其二，板式换热器设置在系统管路之中，灵活性较大，便于系统设计布置；其三，板式换热器已商品化、标准化，质量容易保证，可靠性好。

强制循环系统可适用于大、中、小型各种规模的太阳能热水系统。

直流式直流式太阳能热水系统是使水一次通过集热器就被加热到所需的温度，被加热的热水陆续进入贮水箱中。

系统运行过程中，为了得到温度符合用户要求的热水，通常采用定温放水的方法。集热器进口管与自来水管连接。集热器内的水受太阳辐射能加热后，温度逐步升高。在集热器出口处安装测温元件，通过温度控制器，控制安装在集热器进口管理上电动阀的开度，根据集热器出口温度来调节集热器进口水流量，使出口水温始终保持恒定。这种系统运行的可靠性取决于变流量电动阀和控制器的工作质量。

有些系统为了避免对电动阀和控制器提出苛刻的要求，将电动阀安装在集热器出口处，而且电动阀只有开启和关闭两种状态。当集热器出口温度达到某一设定值时，通过温度控制器，开启电动阀，热水从集热器出口注入贮水箱，与此同时冷水（自来水）补充进入集热器，直至集热器出口温度低于设定值时，关闭电动阀，然后重复上述过程。这种定温放水的方法虽然比较简单，但由于电动阀关闭有滞后现象，所以得到的热水温度会比设定值低一些。

直流式系统有许多优点：其一，与强制循环系统相比，不需要设置水泵；其二，与自然循环系统相比，贮水箱可以放在室内；其三，与循环系统相比，每天较早地得到可用热水，而且只要有一段见晴时刻，就可以得到一定量的可用热水；其四，容易实现冬季夜间系统排空防冻的设计。直流式系统的缺点是要求性能可靠的变流量电动阀和控制器，使系统复杂，投资增大。

直流式系统主要适用于大型太阳能热水系统。3

系统组成太阳阳能热水系统主要由太阳能集热器、储水保温水箱、管道保温系统（连接管道）、自动控制系统和其他外部设备(如：循环泵、电磁阀及伴热带等)组成。2

集热器系统中的集热元件，其功能相当于电热水器中的电加热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利 用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在有太阳照射的白昼，所以有时需要辅助加热，如锅炉、电加热等。

目前中国市场上最常见的是全玻璃太阳能真空集热管。结构分为外管、内管，在内管外壁镀有选择性吸收涂层。平板集热器的集热面板上镀有黑铬等吸热膜，金属管焊接在集热板上，平板集热器较真空管集热器成本稍高，近几年平板集热器呈现上升趋势，尤其在高层住宅的阳台式太阳能热水器方面有独特优势。全玻璃太阳能集热真空管一般为高硼硅3.3特硬玻璃制造，选择性吸热膜采用真空溅射选择性镀膜工艺。

保温水箱和电热水器的保温水箱一样，是储存热水的容器。因为太阳能集热器只能白天工作，而人们一般在晚上才使用热水，所以必须通过保温水箱把集热器在白天产出的热水储存起来。容积是每天晚上用热水量的总和。

水箱内胆是储存热水的重要部分，其用材料强度和耐腐蚀性至关重要。市场上有不锈钢、搪瓷等材质。保温层保温材料的好坏直接关系着保温效果，在寒冷季节尤其重要。较好的保温方式是聚氨脂整体发泡工艺保温。外壳一般为彩钢板、镀铝锌板或不锈钢板。

连接管路将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。热水管道必须做保温防冻处理。管道必须有很高的质量，保证有20年以上的使用寿命。

同时，为了减少热量在管道传输过程中的损失，连接管路还应具备保温系统。

控制中心自动控制系统是热水系统的大脑，各种信号传感器就是系统的神经。太阳能热水系统与普通太阳能热水器的区别就是控制中心。作为一个系统，控制中心负责整个系统的监控、运行、调节等功能，的技术已经可以通过互联网远程控制系统的正常运行。

其它外部设备其它外部设备主要包括循环泵、增压泵、供水泵和电磁阀。这要根据循环管道的粗细、流量的大小、集热器串并联的组数、集热器安置位置的高低综合因素确定，尤其是循环泵扬程、流量、吸程的确定，根据水箱位置的高低，循环泵的扬程差别巨大，应该更为谨慎。

系统特点1.环保效益——相对于使用化石燃料制造热水，能减少对环境的污染及温室气体－二氧化碳的产生。

2.节省能源——太阳能是属于每个人的能源，只要有场地与设备，任何人都可免费使用它。

3.安全——不像使用瓦斯有爆炸或中毒的危险，或使用燃料油锅炉有爆炸的顾虑，或使用电力会有漏电的可能。

4.不占空间——不需专人操作自动运转。另外，太阳能集热器装在屋顶上，不会占用任何室内空间。

5.具经济效益——正常的太阳能热水器是不易损坏，寿命至少在十年以上，甚至有到二十年的，因为基本热源为免费的太阳能，所以使用它十分符合经济成本效益。4

系统分类国际标准国际标准ISO94595对太阳能热水系统提出了科学的分类方法，即按照太阳能热水系统的七个特征进行分类，其中每个特征又都分为2-3种类型，从而构成了一个严谨的太阳能热水系统分类体系，如表所示。

|| ||

**1.**第1特征表示系统中太阳能与其他能源的关系

1.1太阳能单独系统---没有任何辅助能源的太阳能热水系统；

1.2太阳能预热系统---在水进入任何其他类型加热器之前，对水进行预热的太阳能热水系统；

1.3太阳能带辅助能源系统---联合使用太阳能和辅助能源，并可不依赖于太阳能而提供所需热能的太阳能热水系统；

**2.**第2特征表示集热器内传热工质是否为用户消费的热水

2.1直接系统---传热工质（水）最终被用户消费或循环流至用户的热水直接流经集热器的系统，亦称为单循环系统或单回路系统；

2.2间接系统---传热工质不是最终被用户消费，或循环流至用户的水不做为传热工质而是其他传热工质流经集热器的系统，亦称为双循环系统或双回路系统。

**3.**第3特征表示系统传热工质与大气接触的情况

3.1敞开系统---传热工质与大气有大面积接触的系统，其接触面主要在蓄热装置的敞开面；

3.2开口系统---传热工质与大气的接触仅限于补给箱和膨胀箱的自由表面或排气管开口的系统；

3.3封闭系统---传热工质与大气完全隔离的系统。

**4.**第4特征表示传热工质在集热器内的状况

4.1充满系统---在集热器内始终充满传热工质的系统；

4.2回流系统---作为正常工作循环的一部分，传热工质在泵停止运行时由集热器流入到蓄热装置，而在泵重新开启时又流入集热器的系统；

4.3排放系统---为了防冻目的，水可以从集热器排出而不再利用的系统。

**5.**第5特征表示系统循环的种类

5.1自然循环系统---仅仅利用传热工质的密度变化来实现集热器和蓄热装置（或换热器）之间进行循环的系统，亦称为热虹吸系统；

5.2强制循环系统---利用泵迫使传热工质通过集热器进行循环的系统，亦称为强迫循环系统或机械循环系统。

6.第6特征表示系统的运行方式

6.1 循环系统---运行期间，传热工质在集热器和蓄热装置之间进行循环的系统；

6.2 直流式系统---有待加热的传热工质一次流过集热器后，进入蓄热装置（储水箱）或进入使用辅助能源加热设备的系统，有时亦称为定温防水系统。

**7.**第7特征表示系统中集热器与储水箱的相对位置

7.1分体式系统---储水箱和集热器之间分开一定距离安装的系统；

7.2紧凑式系统---将储水箱直接安装在集热器相邻位置上的系统，通常已成为紧凑式太阳能热水器；

7.3整体式系统---将集热器作为储水箱的系统，通常亦称为闷晒式太阳能热水器。

实际上，同一套太阳能热水系统往往同时具备上述7个特征中的各一种类型。譬如，太阳能热水系统使用的一套典型的太阳能热水系统，可以同时是太阳能带辅助能源系统、间接系统、封闭系统、充满系统、强制循环系统和分体式系统。

其他标准当然，除了按系统的特征进行分类之外，还有其他一些常用的分类方法，现列出其中两种。3

**1.**按太阳能集热器的类型分类

平板太阳能热水系统---采用平板集热器的太阳能热水系统；

真空管太阳能热水系统---采用真空管集热器的太阳能热水系统；

U型管太阳能热水系统---采用U型管集热器的太阳能热水系统；

热管太阳能热水系统---采用热管集热器的太阳能热水系统。

陶瓷太阳能热水系统---采用陶瓷太阳能集热器的太阳能热水系统。

**2.**按储水箱的容积进行分类

根据用户对热水供应的需求，确定储水箱的容量。按照储水箱的容积，系统可分为：

家用太阳能热水系统---储水箱容积小于0.6m³的太阳能热水系统，通常亦称为家用太阳能热水器；

公用太阳能热水系统---储水箱容积大于等于0.6 mm³的太阳能热水系统，通常亦称为太阳能热水系统。

****3.****按热水使用情况分类

根据用户对热水供应的需求可分为：间歇供热水太阳能热水系统和连续供热水太阳能热水系统。

间歇供热水太阳能热水系统主要供应那些定时用热水的单位，例如部队、学校、工厂等；连续供热水太阳能热水系统指那些24小时连续使用热水的系统，例如医院、宾馆、酒店、生产线等。

防冻措施太阳能热水系统中的集热器及其置于室外的管路，在严冬季节常常因积存在其中的水结冰膨胀而胀裂损坏，尤其是高纬度寒冷地区，因此必须从技术上考虑太阳能热水系统的“越冬”防冻措施。常用的太阳能热水系统防冻措施大致有以下几种。

集热器集热器是太阳能热水系统中必须暴露在室外的重要部件，如果直接选用具有防冻功能的集热器，就可以避免对集热器在严冬季节冻坏的担忧。

热管式真空管集热器以及内插管的全玻璃真空管集热器都属于具有防冻功能的集热器，因为被加热的水都不直接进入真空管内，真空管的玻璃罩管不接触水，再加上热管本身的工质容量又很少，所以即使在零下几十摄氏度的环境温度下真空管也不冻坏。

另一种具有防冻功能的集热器是热管平板集热器，它跟普通平板集热器的不同之处在于，吸热板的排管位置上用热管代替，以低沸点、低凝固点介质作为热管的工质，因而吸热板也不会冻坏，不过由于热管平板集热器的技术经济性能不及上述真空管集热器，应用尚不普遍。6

双循环双循环系统（或称双回路系统）就是在太阳能热水系统中设置换热器，集热器与换热器的热侧组成第一循环（或称第一回路），并使用低凝固点的防冻液作传热工质，从而实现系统的防冻。双循环系统在自然循环和强制循环两类太阳能热水系统中都可以使用。

在自然循环系统中，尽管第一回路使用了防冻液，但由于贮水箱置于室外，系统的补冷水箱与供热水管也部分敷设在室外，在严寒的冬夜，这些室外管路虽有保温措施，但仍不能保证避免管中的水不结冰。因此，在系统设计时需要考虑采取某种设施，在用毕后使管路中的热水排空。例如采用虹吸式取热水管，兼作补冷水管，在其顶部设通大气阀，控制其开闭，实现该管路的排空。

回流系统在强制循环的单回路系统中，一般采用温差控制循环水泵的运转，贮水箱通常置于室内（底层或地下室）。冬季白天，在有足够的太阳辐照时，温差控制器开启循环水泵，集热器可以正常运行；夜晚或阴天，在太阳辐照不足时，温差控制器关闭循环水泵，这时集热器和管路中的水由于重力作用全部回流到贮水箱中，避免因集热器和管路中的水结冰而损坏；次日白天或太阳辐照再次足够时，温差控制器再次开启循环水泵，将贮水箱内的水重新泵入偏执器中，系统可以继续运行。这种防冻系统简单可靠，不需增设其他设备，但系统中的循环水泵要有较高的扬程。

近几年，国外开始将回流防冻措施应用于双回路系统，其第一回路不使用防冻液而仍使用水作为集热器的传热介质。当夜晚或阴天太阳辐照不足时，循环水泵自动关闭，集热器中的水通过虹作用流入专门设置的小贮水箱中，待次日白天或太阳辐照再次足够时，重新泵入集热器，使系统继续运行。

排放系统在自然循环或强制循环的单回路系统中，在集热器吸热体的下部或室外环境温度最低处的管路上埋设温度敏感元件，接至控制器。当集热器内或室外管路中的水温接近冻结温度（3~4℃）时，控制器将根据温度敏感元件传送的信号，开启排放阀和通大气阀，集热器和室外管路中的水由于重力作用排放到系统外，不再重新使用，从而达到防冻的目的。

自动循环在强制循环的单回路系统中，在集热器吸热体的下部或室外环境温度最低处的管路上埋置温度敏感元件，接至控制器。当集热器内或室外管路中的水温接近冻结温度（如3~4℃）时，控制器打开电源，启动循环水泵，将贮水箱内的热水送往集热器，使集热器和管路中的水温升高。当集热器或管路中的水温升高到某设定值（或当水泵运转某设定时段）时，控制器关断电源，循环水泵停止工作。这种防冻方法由于要消耗一定的动力以驱动循环水泵，因而适用于偶尔发生冰冻的非严寒地区。

自限式在自然循环或强制循环的单回路系统中，将室外管路中最易结冰的部分敷设自限式电热带。它是利用一个热敏电阻设置在电热带附近并接到电热带的电路中。当电热带通电后，在加热管路中水的同时也使热敏电阻的温度升高，随之热敏电阻的电阻增加；当热敏电阻的电阻增加到某个数值时，电路中断，电热带停止通电，温度逐步下降。这样无数次重复，既保证室外管路中的水不结冰，又防止电热带温度过高造成危险。这种防冻方法也要消耗一定的电能，但对于十分寒冷的地区还是行之有效的。7

应用现状随着经济和社会的不断发展，石油、天然气和煤炭等常规能源的短缺问题越来越明显，人们利用可再生能源的需求日益迫切。同时，随着国际上要求减少CO2等温室气体排放的呼声越来越高，人们对使用清洁能源的意愿不断增强。因此，作为主要的清洁和可再生能源，在世界范围内，太阳能正被日益广泛地得到应用和研究。然而，由于技术、工艺、经济和政策的不同，国内外在太阳能热水系统的应用上还存在较大差异。

欧洲的太阳能应用已处于世界领先地位。与我国界定资源贫乏区的年太阳辐照量标准( 性工作，拥有世界上先进的技术和产品。

国内太阳能热水系统的应用较晚，尚处于起步阶段。虽然拥有世界上最大的太阳能集热器安装量和制造能力，但技术含量普遍较低，产品质量良莠不齐，集热效率和使用寿命远低于欧洲国家产品。而且，由于缺乏应有的准入制度，太阳能集热器的规格、尺寸和安装位置等因不同生产厂家而不同，与建筑的结合情况较差。再加上大多数的太阳能热水工程由生产厂家自行设计、安装，在系统优化、参数设定、运行控制、现场施工等诸多方面均不尽人意。在有些时候，太阳能热水系统成了摆设和负担。4