太阳能热水怎么循环到空气能水箱

第二节　太阳能热水系统

一、太阳能热水系统构造及基本原理

太阳能热水器(Solar water heater)指以太阳能作为能源进行加热的热水器，它直接吸收太阳辐射并通过温室效应把水加热，为居民生活及工农业生产提供热水，是与燃气热水器、电热水器相并列的三大热水器之一，是最基本的、也是最经济的太阳能辐射热利用装置。太阳能热水器的设计制造技术比较成熟，已有多年的使用经验。目前太阳能热水器技术已经趋于完善，正被政府广泛推广应用。在太阳能资源丰富和较丰富地区，一般认为适宜使用太阳热水系统;在太阳能资源一般地区，宜优先选择和使用太阳热水系统;在太阳能资源贫乏地区，宜进行投资收益分析，选择和使用太阳热水系统。

太阳能热水器一般由集热器、储热装置、循环管路和辅助装置组成。如图7－2所示，太阳能热水器由集热器、储热装置(储热水箱)、循环管路(给水管道、供水管道等)、辅助装置(阀门等)组成。

图7－2　直流式太阳能集中供热水系统

集热器是吸收太阳辐射并向载热工质传递热量的装置，是热水器的最关键和核心部件。目前使用的太阳能集热器大致分为平板型集热器和真空管集热器。常见的平板型集热器是按热箱原理制成的、将太阳辐射能转换为热能的装置。它的4个侧面和底面是用木板做成的箱子，分内、外两层，中间放绝热材料，箱子内壁涂黑，箱子上面装一块平板玻璃。这样，当太阳光线投射到玻璃板上并进入箱子里面时，涂黑内表面将很好地吸收太阳辐射能，从而使箱内温度逐渐上升。如果在热箱里面盛水或放置盛水的管道或其他容器，水温就会不断升高，这一原理称为热箱原理或者温室效应。平板型集热器由透明盖板、吸热体、保温材料和壳体4部分组成，如图7－3所示。其结构简单，采用固定安装，不需跟踪太阳，可同时利用直射辐射和散射辐射，成本较低。但它不具备聚光功能，热流密度较低，所以工作温度限于100℃以下。真空管集热器是由若干个真空太阳集热管构成。真空管太阳能集热器热损低，一般低于1W/(m²·K)，通常选用太阳选择性吸收表面的平板式太阳集热器的热损系数4～5W/(m²·K)。同传统的平板集热器相比，真空管集热器将吸热体与透明盖板之间的空气夹层抽去，形成真空，减少了空气对流的热损失，提高了集热效率。真空管集热器可以在寒冷季节、太阳辐射照度不强的地区工作，可以运行在中、高温度。目前，国内生产的太阳能热水器已经开始逐步推广采用真空管集热器。对于季节性使用热水或我国南方热带、亚热带气候区，可采用单层玻璃盖板的普通平板型太阳集热器。若全年使用生活热水，则应采用选择性吸收涂层的平板型太阳集热器和真空管太阳集热器。平板型集热器价格较低、故障较少，其结构形式便于与建筑配合，形成一体化构件，但零度以下使用效果还不理想，65℃以上水温时热效率低于真空管型集热器。真空管型集热器解决了零度以下的产水问题，热效率较高，是目前主要使用的集热器。

图7－3　平板集热器简图

图7－4　真空管集热器简图

通过集热管采集的热水必须通过储热装置储存，储热装置是储存热水并减少向周围散热的装置，最常用的是储热水箱。储热装置的储热效果主要取决于保温材料性能的好坏。例如在夏天使用5t的热水箱，若采用10cm厚的矿渣棉保温，一夜水温只降2～3℃。

循环管路的作用是连接集热器和储热装置，使之形成一个完整的加热系统。主要包括有供回水系统、用户冷热水系统等。循环管路设计施工是否合理可行，往往影响整个太阳能热水器系统的供热效率。一些热水器水系统温度偏低，就是由于管道走向或连接方式不合理而造成的。

辅助装置是为整个热水器系统正常工作而必须附加的辅助装置，例如阀门、电加热器、水位显示装置、循环水泵以及自动或手动控制装置等。

二、太阳能热水器分类

太阳能热水系统按照其循环工质的循环特点可分为三种基本形式:自然循环式太阳能热水系统、强制循环式太阳能热水系统和直流式太阳能热水系统。自然循环式太阳能热水器适用于自来水压力不稳定、热水供应规模较小，对热水水质和建筑外观要求不严格的场所。强制循环式太阳能热水器适用于对建筑美观要求高、供热水规模大、供热水要求高的场所。直流式太阳能热水器适用于自来水压力比较高的系统，布置灵活，用水规模较小，用水时间相对固定，对热水水质和系统防冻要求不高的场所。

(1)自然循环式太阳能热水系统。自然循环式太阳能热水系统是指利用太阳能使系统内传热工质在集热器与储水箱间或集热器与换热器之间自然循环加热的系统。如图7－5和图7－6所示，根据储水装置的设置分为一般自然循环系统和自然循环定温放水系统。其集热系统采用自然循环、直接加热方式，利用高位水箱的位置水头实现供水和循环，所以储水箱必须高于集热器设置;集热器为非承压型，系统造价低，系统采用开式系统，无需安全阀，运行安全可靠，但单个系统规模不能过大。

图7－5　一般自然循环系统

图7－6　自然循环定温放水系统

采用一般自然循环系统时，集热器加热供水，经循环管路进入储水装置，储水装置的水又经集热器，周而复始，储水装置的水温升高，直至达到用户需求的水温。储水装置同时兼做供热水箱，当用户需要热水时，直接从储水装置中取用热水。

采用自然循环定温放水系统时，储热水箱与供热水箱成为相互独立的双储水系统。与单储水系统相比，在原储热水箱基础上增加了供热水箱，储热水箱的运转原理和单储水装置相同，当储热水箱出水点温度高于设定供水温度或供热水箱水位过低时，开启储热水箱与供热水箱之间的电磁阀，将储热水箱中的热水留入供热水箱，这样保证了供热水箱水温和水量的恒定性。双储水系统的储热能力有所增强，但水箱的热损失增加，系统初投资和运行费用也有所增加。

(2)强制循环式太阳能热水系统。强制循环式太阳能热水系统是利用温差控制器和水泵使系统根据热量强制循环加热的系统。一般可分为直接强制循环系统和间接强制循环系统两大类。直接强制循环系统是指太阳能集热器加热的水通过水泵加压直接进入储热水箱;间接强制循环系统是指太阳能集热器加热的水通过水泵加热进入储热水箱中的盘管，通过盘管加热储热水箱中的热水，太阳能集热器加热的水不直接进入储热水箱。根据采用控制方案和地域的不同采用不同的强制循环系统方案。

直接强制循环系统可分为单水箱系统(图7－7)和双水箱系统(图7－8)，单水箱系统可采用变流量定温放水的控制方式或温差控制方式。其非承压水箱可设置在高位，利用高差供热水。若设置在低位，需要增加增压设备供热水。双水箱系统一般也采用变流量定温放水的控制方式或温差控制方式，系统分别设置储热水箱和供热水箱。储热水箱用非承压水箱制作，用于储存集热器收集的热量。供热水箱为闭式水罐，用于向用户提供所需热水。双水箱系统储热功能强，太阳集热系统运行效率高，但水箱热损失增加。系统设有防过热措施。可以采用防冻措施，冬季运行可靠。

图7－7　强制循环直接式单水箱系统

图7－8　强制循环直接式双水箱系统

间接强制循环系统的集热系统采用强制循环、间接加热方式，因而热水水质不易受污染，太阳集热系统效率较直接加热系统略有降低。控制一般以温差循环控制方式为主。间接强制循环系统也分为单水箱系统(图7－9)和双水箱系统(图7－10)，

图7－9　强制循环间接式单水箱系统

图7－10　强制循环间接式双水箱系统

对于单水箱系统，水箱同时作为储热水箱和供热水箱，水箱内一般增设辅助热源，辅助热源采用内置加热系统，当水箱内设定水位的水温低于设定值时，辅助加热系统自动开启，一般采用防冻工质防冻方式。对于双水箱系统，采用闭式水罐作为储热水箱，供热水箱增设辅助热源，辅助热源采用辅助加热装置或小型水加热器。这种供热系统的热水供应比较稳定，适用于供热规模大、对水质和建筑外观要求较高的场所。

(3)直流式太阳能热水系统。直流式太阳能热水系统(如图7－11)是利用控制器使传热工质在自来水压力或其他附加压力作用下，直接流过集热器加热的系统。它是在自然循环和强制循环基础上发展的，一般采用变流量定温放水的控制方式。当集热系统的水被加热达到设定温度时，水阀打开，集热系统中的热水流入储热水箱中。当集热系统中的水温度低于设定温度时，水阀关闭，补充冷水停留在集热系统中收集太阳能加热。该系统的水箱不必高于集热器，但需要与具有一定压力的自来水相连。而且热水与空气接触，水质易受污染，且控制系统较复杂。

图7－11　直流式系统

综上所述，直流式循环系统形式简单，水质水量均难以保证，一般用于中小型建筑中。自然循环系统虽较直流系统有所改进，热水在系统内循环加热，采用自然循环方式致使热水供应规模较小。对于大型的集中太阳能热水供应系统，由于其所需的集热面积大、集热器多、管路较长，自然循环系统和直流式系统通常难以满足其使用要求，应采用强制循环系统。

(4)辅助热源。完全依靠太阳能为用户提供热水，从技术上讲是可行的，条件是按最冷月份和日照条件最差的季节设计系统，并考虑充分的热水蓄存，这样系统需设置较大的储水箱，初投资很大，大多数季节要产生过量的热水，造成不必要的浪费。较经济的方案是太阳能热水系统和辅助热源相结合，在太阳辐照条件不能满足制备足够热水的条件下，使用辅助热源予以补充。常用的辅助热源形式有电加热、燃气加热以及热泵热水装置等。电辅助加热方式具有使用简单、容易操作等优点，也是目前采用最多的一种辅助热源形式，但对水质和电热水器都有较高要求。在有城市燃气的地方，太阳能热水器还可以和燃气热水器配合使用，充分满足热水供应需求。在我国南方地区，宜优先考虑高效节能的空气源热泵热水器作为太阳能热水系统的辅助加热装置。

三、与建筑一体化的太阳能热水系统

所谓与建筑一体化的太阳能系统，是指太阳能集热器与建筑外形浑然一体，太阳能管路及其控制系统与建筑的有机结合。这就要求在规划设计之初，将太阳能热水系统包含的所有内容作为建筑元素加以组合设计，设置太阳能热水系统不应破坏建筑物的整体效果。

对于多层建筑，其屋顶集热面积一般能满足太阳热水系统需求，故安装形式以屋顶安装为主，如图7－12所示。而高层建筑由于建筑面积大，相对屋顶面积过小，故不能满足集热需求，可利用建筑立面的阳台、窗间墙等部位解决集热面积不足的问题，如图7－13所示。

图7－12　与建筑一体化的太阳能热水系统(多层建筑)

图7－13　与建筑一体化的太阳能热水系统(高层建筑)

目前，太阳能热水系统与建筑一体化常见的做法是将太阳能集热器与南向坡屋面一体化安装，蓄热水箱隐蔽在屋面下的阁楼空间或放在其他房间。通过屋面的合理设计，太阳能集热器可以采用明装式、嵌入式、半嵌式等方法直接安装在屋面，其中，嵌入式安装的一体化效果最好，也可以通过专用的钢结构实现一体化。对于高层建筑来说，有限的屋面面积难以满足用户的热水需求，一般在南立面布置太阳能集热器，形成有韵律感的连续立面，包括外墙式、阳台式以及雨篷式等。

总之，经过一体化设计和统一安装的太阳能热水系统，在外观上可达到和谐统一，特别是在居民住宅这类多用户使用的建筑中，改变使用者各自为政的局面，易形成良好的建筑艺术形象。