第4讲太阳能热利用-热水系统

1、第四讲 太阳能热利用方式太阳热水系统1 太阳热水系统 类型：自然循环热水系统、强迫循环热水系统、直流式热水系统 系统设计：类型选择、集热器面积确定、循环水箱与蓄水箱容积、连接及安装位置确定、循环水管设计、集热器布置等几个常用名词太阳太阳能能热水器热水器：将太阳能转换为热能来加热水所需的部件和附件组成的完整装置。通常包括集热器、贮水箱、连接管道、支架及其他附件等。家用太阳家用太阳能能热水器热水器：适合住宅或小型商业建筑使用的小型太阳热水器，通常贮水箱容积在0.6m3以下太阳太阳能能热水热水系统系统：将太阳能转换为热能来加热水的太阳能系统或工程。一般指贮水箱容积在0.6m3以上根据GB/T 129

2、36-2007太阳能热利用术语，GB/T 18713-2002太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范家用太阳热水器类型家用太阳热水器类型家用闷晒型家用平板型家用紧凑式全玻璃真空管型家用紧凑式热管真空管型家用闷晒型太阳热水器家用闷晒型太阳热水器优点：结构简单，使用可靠特点：集热器与水箱合二为一，冷热水的循环和流动在水箱内部进行缺点：保温效果差，热量损失大单筒式热水器工作原理：水箱通过玻璃直接照射加热，一面受热，其余保温特点：集热器与水箱合二为一，冷热水的循环和流动在水箱内部进行优点：结构简单，使用可靠缺点：保温效果差，热量损失大1、闷晒式原理：金属吸热，水热传递微循环优点：集热效率非常高，经久

3、耐用缺点：密封性能差，热损失大，易受环境影响，冬天热效率低，不防冻。2、家用平板型太阳热水器2、家用平板型太阳热水器、家用平板型太阳热水器有集热器和水箱紧密结合或分离两种集热器和水箱上下循环管很短，不仅省料，而且可以减少管路的热损失。水箱前板能把阳光反射到集热器表面，提高热水器的性能。有承压和非承压2种。为了使热水器具有防冻、抗冻功能，可采用双循环系统，在水箱中设置换热器，其换热面积一般不超过采光面积的一半，防冻介质一般可用乙二醇，丙三醇等溶液。水箱容水量取决于集热采光面积，常规产品是14m2集热器与水箱分离集热器与水箱分离整体平板式太阳热水器整体平板式太阳热水器3、家用紧凑式全玻璃真空管热水

4、器、家用紧凑式全玻璃真空管热水器真空管：双层玻璃管，管内抽成真空，内管表面镀膜（提高阳光吸收率，反射小，利用率高，热传递效果好），真空管一端开口接水箱。原理：真空管吸热，管内水受热通过热传递及冷热微循环至水箱中储存并保温。优点：阳光利用率高，吸热效果好，热能损耗低缺点：出现坏管、爆管情况，影响整机使用（实际使用中较少出现此现象）4、家用紧凑式热管真空管型、家用紧凑式热管真空管型集热器采用热管真空管管内不走水，不结垢，可随时上水寿命主要取决于热管的长期稳定工作太阳热水系统太阳热水系统按系统运行方式分类按系统运行方式分类按生活热水与集热器内传热工质的关系分类按生活热水与集热器内传热工质的关系分类按

5、集热与供热水范围分类按集热与供热水范围分类按辅助能源加热设备安装位置分类按辅助能源加热设备安装位置分类按辅助能源启动方式分类按辅助能源启动方式分类热水系统的分类太阳热水系统类型太阳热水系统类型-1按系统运行方式分类：按系统运行方式分类：自然循环系统：自然循环系统：太阳集热系统仅利用传热工质内部的温度梯度产生的密度差进行循环的太阳能热水系统，也称热虹吸系统强制循环系统：强制循环系统：利用机械设备等外部动力迫使传热工质通过集热器进行循环的太阳能热水系统直流直流式式系统：系统：传热工质一次流过集热器系统加热后，进入贮水箱或热用户的非循环太阳能热水系统。小型系统可由自来水压力驱动，大型系统由于阻力较大

6、需要水泵驱动太阳热水系统类型太阳热水系统类型-2按生活热水与集热器内传热工质的关系分类：按生活热水与集热器内传热工质的关系分类： 直接系统：直接系统：在太阳集热器中直接加热水供给用户的系统 间接系统：间接系统：在太阳集热器中加热某种传热工质，再利用该传热工质通过热交换器加热水供给用户的系统太阳热水系统类型太阳热水系统类型-3按集热与供热水范围分类：按集热与供热水范围分类：集中供热水系统：太阳能集热系统的太阳集热器面积由系统所供应的全部用户共享，设集中贮水箱，可以是集中辅助热源或分散辅助热源。分散供热水系统：分户供应热水、分户设置贮水箱和辅助热源的系统。集中供热水系统集中供热水系统 集中集中分散

7、供热水系统分散供热水系统 分散分散供热水系统供热水系统太阳热水系统类型太阳热水系统类型-4内置加热系统内置加热系统辅助能源加热设备安装在太阳热水系统的贮水箱内；外置加热系统外置加热系统辅助能源加热设备不是安装在贮水箱内，而是安装在太阳热水系统的供热水管路上或贮水箱旁。外置加热系统又可分为贮水箱加热系统、主管加热系统、干管加热系统和支管加热系统等。按辅助能源加热设备安装位置分类按辅助能源加热设备安装位置分类太阳热水系统类型太阳热水系统类型-5按辅助能源启动方式分类：按辅助能源启动方式分类：全日自动启动系统全日自动启动系统始终自动启动辅助能源加热设备，确保可以全天24小时供应热水；定时自动启动系统

8、定时自动启动系统定时自动启动辅助能源加热设备，从而可以定时供应热水；按需手动启动系统按需手动启动系统根据用户需要，随时手动启动辅助能源加热设备。太阳热水系统介绍太阳热水系统介绍储水箱置于集热器上方，水在集热器中由于太阳辐射而被加热，温度上升，形成集热器及储水箱中水温不同，由于密度差而引起浮升力，使水在循环水箱及集热器中作循环流动。（一）自然循环热水系统（一）自然循环热水系统优点优点：结构简单，运行安全可靠，不需要循环水泵等缺点缺点：为了防止系统中热水倒流和维持热虹吸压头，蓄水箱必须置于集热器的上方，造成建筑物或构架的重负；集热效率随水温升高而下降。适用于小型热水系统，建筑外适用于小型热水系统，

9、建筑外观要求不严格的场合观要求不严格的场合。（二）自然循环定温放水系统（二）自然循环定温放水系统这类热水器由容积小的循环水箱与集热器组成循环回路；当水箱上部水温升高到预定界限时，置于水箱的电接点温度计发出讯号，通过继电器打开出水管上的电磁阀，将热水存于储水箱内，同时循环水箱内有冷水补入；当水温低于规定界限时，电磁阀关闭。 优点优点：出水温度可以控制（三）强制（三）强制循环直接热水系统循环直接热水系统利用水泵使水在集热器与贮水箱之间循环。当集热器顶端水温高于贮水箱底部水温若干度时，控制装置启动水泵使水流动。水泵入口处装有止回阀，以防止夜间水由集热器逆流，引起热损失。优点优点：水箱可以放置在低于集

10、热器的位置，安装方便；水循环速度增加，集热效率高。缺点缺点：需消耗电力驱动水泵及控制系统，断电不能工作，存在水泵电耗、维护（如漏水等）以及控制装置失灵等问题。直接加热系统水质易被污染。（四）（四）强制强制循环间接热水系统循环间接热水系统在大型强制循环式太阳热水系统中，为了防冻而采用设置换热器的双回路系统这种系统由于换热器存在传热温差，使系统效率降低优点优点：便于防冻和保证水质。缺点缺点：较直接系统效率降低，投资增加适于大型系统适于大型系统（五）直流热虹吸式热水系统（五）直流热虹吸式热水系统集热器受到阳光照射，水温升高，在系统中形成热虹吸压力补给水位由浮球阀控制，使之与集热器出口热水管（上升管）

11、的最高位置一致早晨太阳升起一段时间以后，在贮水箱中便可收集到热水。 这种虹吸型直流式太阳热水系统的流量具有自动调节功能，但供水温度不能按用户要求自行调节。 （六）直流式定温放水型热水系统（六）直流式定温放水型热水系统系统在集热器出口处安装测温元件，通过温度控制器，控制安装在集热器入口管道上的电动阀的开度，达到根据温度调节水流量，使出口水温始终保持恒定。这种系统不用补给水箱，补给水管直接与自来水管连接。系统运行的可靠性，决定于电动阀和控制器的工作质量。 直流式系统的优点直流式系统的优点由于系统的补水由自来水直接供给，自来水具有一定的压头，保证了系统的水循环动力，因此系统中不需设置水泵。贮水箱可以

12、因地制宜地放在室内，既减轻了屋顶载荷，也有利于贮水箱保温，减少热损失。完全避免了热水与集热器入口冷水的掺混。可以取消补给水箱。阴天只要有一段见晴的时刻，就可得到一定量的适用热水。便于实现冬季夜间系统放空防冻。可用热水时间比自然循环式要早。集中供热水系统介绍集中供热水系统介绍热水供应质量不高热水供应质量较高热水供应质量高太阳热水系统设计选用表太阳热水系统设计选用表太阳热水系统的设计太阳热水系统的设计1. 热水系统类型的选择2. 集热器倾角、方位角、集热面积的确定3. 贮热水箱容积确定4. 循环水管与水箱的连接问题5. 集热器的布置太阳热水系统设计遵循的原则 太阳热水系统设计应遵循节水节能、经济适

13、用、安全可靠、维护简便、美观协调、便于计量的原则 根据使用要求、耗热量及用水分布情况，结合建筑形式、其他可用能源种类和热水需求量等条件，来选择太阳热水系统形式。1.太阳热水系统类型选择太阳热水系统类型选择 太阳热水系统类型的选择，不仅要考虑建筑美观，合理设计集热器安装位置，还要结合建筑功能及其对热水供应方式的需求，综合考虑环境、气候、太阳能资源、常规辅助能源类型和可供给条件、施工条件等诸多因素，比较不同类型太阳热水系统的性能、优缺点、造价，进行经济技术分析，在充分综合比较后，酌情选择适用的、性能价格比高的太阳热水系统类型。1.太阳热水系统类型选择太阳热水系统类型选择 典型自热循环系统热水需求量

14、不大、集热面积较小（50m2以下）、有自来水条件。如浴池、理发店、饭店等。 自然循环系统适用于自来水压力不稳定，热水供应规模不大，建筑物外观要求不太严格的场合。 直流式系统适于中小型建筑使用。自然循环定温放水或变流量定温补水系统。 强制循环系统有利于与建筑结合，适用于自来水压力稳定，建筑物外观要求严格的场合。 对于大型供热水规模的场合，一般需要采用强制循环系统 水质要求高的要用间接系统，水质要求不高的可以使用直接系统。2.集热器的面积确定集热器的面积确定 集热器面积应根据热水用量、建筑可能允许的安装面积以及场地可安置的面积、当地的气候条件、供水水温等因素综合确定 集热器的场地要求应满足每日日照

15、时数不少于4h的要求集热器的面积确定集热器的面积确定水箱容积大于水箱容积大于600L 直接系统集热器采光面积直接系统集热器采光面积实际用水量或按照定额标准估计太阳能保证率太阳能保证率f太阳能热水系统的太阳能保证率是太阳能热水系统中由太阳能部分提供的能量占系统总负荷的百分率。太阳能保证率的大小和取值与系统使用期内当地的太阳辐照、气候条件、系统的投资回收期等经济性参数以及用户要求等因素有关。为尽可能发挥太阳能热水系统所能起到的节能作用，太阳能热水系统的太阳能保证率不应取得太低，按我国的具体情况，取值宜在40%80%之间。在太阳能资源丰富区，太阳能热水系统的年太阳能保证率宜大于60%；较富区宜大于5

16、0%；一般区宜大于40%；贫乏区应进行技术经济分析，可降至40%以下。太阳能保证率的取值会影响系统的效益，应进行效益分析并经投资商同意后取值集热器的面积确定集热器的面积确定水箱容积大于水箱容积大于600L 间接系统集热器采光面积间接系统集热器采光面积hxhxCLRCINAUAUFAA1AIN间接系统集热器总面积，m2；Ac直接系统集热器总面积，m2；FRUL集热器总热损系数，W/(m2 )，平板型集热器取46，真空管集热器 取12，具体数值要根据集热器产品的实际测试结果而定；Uhx热交换器传热系数， W/(m2)；Ahx间接系统热交换器换热面积，m2.间接式水加热器换热面积间接式水加热器换热面

17、积Ahx水加热器换热面积，m2；Qz太阳能集热系统提供的热量，W；Uhx传热系数， W/(m2)；结垢影响系数，0.60.8；tj一般可根据集热器的性能确定，可取510，集热器性能好，温差取高值，否则取低值；Cr热水系统的热损失系数，1.11.2jhxzrhxtUQCA 太阳能集热系统提供的热量太阳能集热系统提供的热量Qz的计算的计算集热器的面积确定集热器的面积确定水箱容积小于水箱容积小于600L 直接系统集热器采光面积直接系统集热器采光面积 被检测太阳能集热系统得热量的计算被检测太阳能集热系统得热量的计算tad试验时指日平均环境或周围空气温度，设计时取当地年平均或设计月平均环境温度；tb在试

18、验时指集热器试验开始时贮热水箱内的水温，设计时取tb=tL/3+2tend/3。3.贮热水箱容积确定贮热水箱容积确定 太阳热水系统贮水箱的容积既与太阳集热器总面积有关，也与热水系统所服务的建筑物的要求有关。贮水箱的容量一般等于每日的热水使用量，有条件做储备时，容积宜设计为1.5倍的每日用水量。一般来说，对应于每平米太阳集热器总面积，需要的贮热水箱容积为40100L，推荐采用的比例关系通常为每平方米太阳集热器总面积对应75L贮热水箱容积。需要精确计算时，可以通过相关模拟软件进行长期热性能分析得到。建议采用多个水箱代替一个大水箱的方式设计，以适应气候的变化，而且利用水箱的加工安装和保温贮水箱的配置贮水箱的配置热水用量标准热水用量标准4.循环水管与水箱的连接问题循环水管与水箱的连接问题水箱接管示意图集热器的回水应接在辅助热源之下。对自然循环系统贮热水箱，上循环管与贮水箱连接的位置应由系统的补水方式来决定。如果由补水箱从贮热水箱底部补入冷水，则连接处位置高一些，离水箱顶的距离为水箱高度的1/51/6；如果补水由供水管兼用，上循环管连接处应放低些，以免出现水位低于上循环管而不利于循环5.集热器的连接方式集热器的连接方式集热器连接为集热器组的方式有：串联、并联、串并联自然循环系