太阳能热水系统应用探讨

太阳能热水系统的探讨及在工程设计中的应用李向军 高级工程师（北京维拓时代建筑设计公司）摘 要：本文针对太阳能热水系统应用技术的现状，探讨建筑太阳能热水系统的设计要点，阐述太阳能热水系统与建筑专业一体化设计，并结合工程实例，介绍太阳能热水系统的工作原理，并通过对成本的比较和分析，证明其优越的节能效果和良好的发展前景。

关键词：太阳能；太阳能热水系统；节能Abstract：This article intoduces the design principle of solar water heating system for civil buildings on the basis of the technical and currently available solar water heating techniques.The article also delineates the necessity of cooperation between designers and architecture engineer for a successful integrated design . And giving a typical example for intoducing the principle of operation for solar water heating system. Based on the cost comparison and analysis ,the solar water heating system is shown to be very effective in energy conservation and advantageous for further development.Keywords：solar energy;solar water heating system;随着常规能源的日渐短缺，能源价格的不断上调，绿色能源在建设工程项目中的应用逐渐受到人们的关注。

我国人口众多，常规能源匮乏，人均煤炭、石油、天然气的占有量仅为世界平均值的50%,11%和4.3%.国家政府大力提倡发展循环经济，使用绿色能源，诸如太阳能、风能、地热和水利能等。

在国外如德国、丹麦和荷兰等欧洲国家特别注重环保能源的利用。

2007年11月29日，国务院新闻办公室举行新闻发布会，国家发改委副主任解振华强调，中国“十一五”规划纲要提出了“十一五”期间单位GDP能耗降低20%左右，主要污染物的排放总量减少10%，是政府对人民的庄严承诺。

节能减排更是一个人类解决环境问题的必经之路。

一．太阳能热利用的介绍能源利用要因地制宜，合理使用，各种环保能源相比之下，太阳能的可利用性较高。

太阳能的用处：1.提供生活热水是太阳能应用最为典型的方式，我国很多省市都有应用，目前使用最多。

2.提供采暖热水，在生活热水基础上发展的，应用逐渐增多。

3.太阳能空调，处于研发和试验阶段，前景广阔 4.太阳能光热发电技术的应用，适合于做大规模电力，核心技术攻关难度大 在济南召开的2007中国（济南）太阳能热利用大会上获悉，国家发改委和建设部研究制定一项针对太阳能热利用技术推广与应用方面的政策，强制新建建筑在设计时必须预留安装太阳能热水系统的位置和管道等构件。

据介绍，该政策要求有条件的医院、学校、饭店、游泳池等热水消耗大户，优先采用太阳能集中热水供应系统；新建建筑在设计时要预留安装太阳能热水系统的位置和管道等构件；对于具备条件的既有建筑也要安装太阳能热水系统。

政策要求政府建筑和政府投资建设的建筑，要带头使用太阳能热利用设施。

此外，国家还将制定税收优惠政策和财政资金支持政策，鼓励企业加强太阳能热利用的自主创新、技术进步和产品升级换代，鼓励事业单位和个人安装使用太阳能热利用设施。

国家还将体现太阳能热利用方面的公益性，在公共设施、农村地区和低收入人群中，国家将优先扶持应用太阳能热利用设施。

二．太阳能热水供应系统的介绍在2001~2005年期间，我国的太阳能热利用产业发展较为迅速，太阳能热水器年产量由820万平米提高到1500万平米，2005年我国太阳能的安装量为世界的75.8%。

长期以来太阳能应用推广最普及的产品是太阳能热水器，山东、河北和天津等地在住宅建设强制要求同时设计、同时施工太阳能系统。

对于公共建筑，国家尚没有相应措施，而建筑物的集中热水供应系统中，采用太阳能结合常规能源作为热水系统热源，对于降低能源消耗、节约运行费用、减少环境污染的确是一个值得大力推广的措施。

1．太阳能适用于各种生活热水的应用领域（1）较大容量需求，一般是每日数吨或数十吨，甚至更多；（2）温度范围一般40-60℃，；（3）24小时或白天8小时供热水，用水时间长；（4）用水舒适度一般要求达到宾馆用水要求。

2、几种典型的太阳能集热器及性能对比太阳能热利用的关键元件是接受太阳光能的集热器，目前常见的太阳能集热器主要有以下几个类型：（1）全玻璃真空管集热器早期的规模较小的太阳能热水供水工程多采用此种集热器，或将采用全玻璃真空管集热器的家用太阳能热水器串并联组成集中热水系统。

因其投资较低，过去在太阳能热水工程市场上占有相当大比重。

（2）U型管真空管集热器U型管真空管集热器替代全玻璃真空管集热器在工程中应用，解决了系统承压运行问题，但因其系统阻力大，热性能不理想、安装维护等因素影响使用较少。

（3）平板集热器应用比较早的一种太阳能热水系统形式，因防冻问题以及其本身集热性能受季节和环境影响较大，高温时热效率高，低温时热效率低，承压高，在我国北方应用较少，主要集中在南方地区，一般春夏秋三季运行。

国内占20%左右。

但其和建筑屋面结合做法较好。

（4）热管真空管集热器热管真空管集热器是太阳能集热器的第四代产品，热管真空管集热器具有保温效果好，低温时热效率高，吸收系数达96%，辐射系数小于6%，从根本上解决了其它类型太阳能集热器在热效率、承压能力、防冻性能、安装维护方面的存在的问题，价格适中，国内占较大比重。

可全年使用，基本不受季节和天气影响，是目前太阳能热水工程中较理想的集热器形式。

通过比较几种太阳能集热器的主要性能可见，从高效、安全、耐久，长期免维护因素综合比较，平板和热管式真空管集热器适合在集中热水系统大量应用，二者均为当前主流产品。

3．太阳能热水系统的形式介绍太阳能热水系统运行的主要形式有自然循环系统和强制循环系统。

前者是指利用太阳能使系统内传热工质在集热器与贮水箱之间或集热器与换热器之间自然循环加热的系统。

系统循环的动力为传热工质温度差引起的密度差导致的热虹吸作用。

自然循环造价低，而且贮水箱必须高于集热器以提供动力，所以设计中水箱位置不好布置，使用较少。

后者利用温差控制器和循环水泵使系统根据集热系统得热量强制循环传热工质加热的系统。

强制循环又分为直接和间接两种形式。

直接式系统一般采用变流量定温放水的控制方式或温差循环控制方式；间接式系统以温差循环控制方式为主。

直接式和间接式系统每种分别又有单水箱和双水箱两种方式。

如图所示。

图1 强制循环单水箱直接系统图2 强制循环双水箱直接系统图3 强制循环单水箱间接系统图4 强制循环双水箱间接系统间接式系统的水加热器实际上就是我们通常采用的热交换器，只不过热源为太阳能热水而已。

集热系统采用间接式水质不易受污染，而且在寒冷地区可采用防冻液方式防冻。

通常情况下，间接系统适用于水质要求严格，有防冻要求的场合。

水加热器的面积决定利用太阳能的充分程度，但对投资的影响也较大。

故一般采用直接系统较多。

在双水箱系统中我们将太阳能集热系统的贮水箱简称为贮热水箱，热水供应系统的贮水箱简称为供热水箱。

一般每平方米太阳集热器总面积对应贮热水箱容积为50~100L. 供热水箱的容积根据日用热水小时变化确定，经计算得出。

当供热水箱容积小于太阳能集热系统所选贮热水箱容积的40%时，太阳能采用单水箱的方式。

贮水箱的容积可按最常用的每平米太阳能集热器总面积对应75L贮热水箱容积选取。

当热水供应系统需要的供热水箱容积大于太阳能集热系统所选贮热水箱容积的40%时，可以采用单水箱，也可采用双水箱。

双水箱方式一般在大型系统中采用，双水箱的方式虽然可以提高集热系统效率和太阳能保证率，但也会增加系统热损失。

一般在实际中采用强制循环单水箱直接系统较多，热水供水质量较自然循环有保障且系统运行效率高，造价较双水箱和间接系统偏低，但能满足使用需要。

水箱放置在地下机房，可在较大规模的太阳能热水系统中应用。

4．太阳能集中热水系统工作原理太阳能中央热水系统通常由集热器组、储热水箱、循环泵和管路、电气控制仪、供热水箱、辅助加热设备等组成。

下面以热管真空管太阳能热水系统为例进行介绍：（见图4）太阳光透过玻璃管，照射在内玻管的吸热涂层上，高吸收率吸收膜将太阳辐射能转化为热能。

从吸热涂层通过内玻管和弹性铜片，将热能传至热管，迅速将热管蒸发端内的少量工质汽化，被汽化的工质上升到热管冷凝端，使冷凝端快速升温。

冷凝端向被加热的工质(金属水或空气)放出汽化潜热后，冷凝成液体，在重力作用下流回热管蒸发端，再汽化再冷凝，利用热管内少量工质的汽—液相变循环过程，连续地将吸收的太阳辐射能传递到冷凝端的加热工质。

太阳能直接对贮热水箱加热，由循环泵将贮热水箱中的低温水输入集热器，水被加热后再回到贮热水箱，不断循环，累积加热，使水箱中的水达到使用的温度，循环泵的工作由中心控制器进行控制，集热器温度和水箱温度温差大于设定值时，循环泵就运转，集热器温度和水箱温度温差小于设定值时，循环泵就停止。

太阳能贮热水箱向恒温供热箱补充热水，由恒温供热水箱向热水用户供热水，当热水供水温度不能满足使用要求时，启动辅助加热设备进行加热，保持供水温度维持在一个相对恒定的范围。

5．太阳能太阳能集热器与建筑的结合一般集热器的安装倾角=当地纬度，当使集热器热效率在夏季最高，安装倾角=当地纬度-10°；当使集热器热效率在冬季最高，安装倾角=当地纬度+10°。

长期以来，太阳能热水器一直是在房屋建成后才有用户购买、安装的后置设备，随着太阳能热水器在城市普及率的不断提高，由这种方式带来的一系列问题和矛盾也逐渐显现，例如影响建筑物外观和城市景观，破坏了房屋的使用功能等，给太阳能热水器的进一步发展造成了严重的制约。

因此，加快太阳能与建筑结合的步伐，在房屋建设之初，就将太阳能热水系统的设计安装作为建筑整体设计、施工的一部分来加以考虑，已经在建筑业界和太阳能热利用学术界、产业界形成共识，并得到国家发改委、建设部和各省市政府机构的大力支持。

在欧美发达国家常见的太阳能集热器在坡屋面上的镶嵌安装越来越受到建筑师的青睐，当集热器镶嵌在屋面上时，从常规的建筑视角来看，它就象天窗一样与建筑物坡屋面有机的结合在一起了。