連瑞瑞 錢瑩

【摘要】在太陽能的熱利用中，太陽能熱水器是發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)。本文對連排別墅太陽能熱水系統(tǒng)進行設計，依據(jù)分戶集熱、儲水、使用的模式，采用分體承壓直接或間接加熱，選用電加熱作為輔助熱源，實現(xiàn)太陽能系統(tǒng)的自動運行;根據(jù)建筑形式選擇集熱器的類型和放置位置，實現(xiàn)太陽能與與建筑的完美結合。

【關鍵詞】太陽能;輔助熱源;熱管真空管;熱水系統(tǒng)

1.引言

太陽能熱水器在太陽能的熱利用中，是發(fā)展最快、應用最廣的一項產(chǎn)業(yè)。對于別墅而言，一般采用分體承壓式太陽能熱水器系統(tǒng)。本文針對連排別墅，設計出雙循環(huán)的分離式承壓熱水系統(tǒng)。采用平板型太陽能集熱器，太陽集熱器嵌入到坡屋頂內(nèi)，貯熱水箱放置在閣樓上，以便于實現(xiàn)太陽能集熱器與坡屋面房頂?shù)膮f(xié)調(diào)性。

2.別墅型分體承壓太陽能熱水系統(tǒng)的設計

別墅型分體承壓太陽能熱水系統(tǒng)，采用太陽能作為主要熱源加熱水，將集熱器與儲水箱分開，通過工質(zhì)的強制循環(huán)將太陽集熱器吸收太陽光而得到的熱量傳輸?shù)絻λ?，從而得到熱水（熱量）。該熱水系統(tǒng)由太陽能集熱器、貯熱水箱、控制站、管道和附件等部分組成。

2.1 太陽能集熱器

2.1.1 太陽能集熱器的類型選擇

按照集熱器的結構不同，太陽能集熱器的類型主要有平板集熱器、真空管集熱器、熱管真空管集熱器。

表1-1 集熱器類型的比較

選用要素 集熱器類型

平板型 全玻璃真空管型 金屬-玻璃真空管型

集熱效率 低 中 高

運行方式 承壓、非承壓 非承壓 承壓、非承壓

與建筑外觀結合程度 好 一般 較好

易損程度 低 高 中

價格 低 中 高

通過比較，可以看出平板集熱器易于與各種建筑形式結合，且春、夏、秋三季效率高，但冬季效率低。真空管集熱器在零下25℃條件下，仍可產(chǎn)生熱水，可一年四季使用，且冬季利用太陽能的效率最高，但存在不能承受高壓，易出現(xiàn)炸管漏水等問題。熱管集熱器解決了全玻璃真空管集熱器易出現(xiàn)炸管漏水的缺點，冬季效率高，但不易與建筑結合?？紤]到平板集熱器易于與建筑坡面協(xié)調(diào)，在本系統(tǒng)中我們選擇平板型太陽能集熱器。

2.1.2 太陽能集熱器安裝傾角的確定

太陽集熱器應放置在朝南的坡面上，最佳的安裝傾角應該根據(jù)熱水的使用季節(jié)和當?shù)氐牡乩砦恢么_定。

一般全年使用時

（1-1）

式中：——太陽集熱器安裝傾角;

——當?shù)氐牡乩砭暥取?/p>

查得鄭州地區(qū)的緯度是34o;則在夏季使用時=34o-10o;在冬季使用時=34o+10o。

2.1.3 用戶日需熱量的計算

假定3～5口人的家庭日用水量為M=100L，用水溫度為50℃左右，水箱出水溫度為20℃，C=4.184KJ/Kg，則一般用戶所需熱量

Q=CM△t=CM（T2-T1） ? ? ? ? ? ? ? （1-2）

C――水的比熱容;M――一般用戶的日用水量;△T――水箱進出口的溫差;T2――水箱供水溫度;T1――水箱出水溫度;

已知C=4.184KJ/Kg，M=100Kg，T2=50℃，T1=20℃

則根據(jù)公式（1-2）Q=4.184×100×（50-20）=12552KJ。

通過計算可知每噸熱水所需熱負荷，如表1-2所示：

表1-2 每噸熱水所需熱負荷

季節(jié) 要求水溫 基礎水溫 溫升 所需熱負荷

夏季 50℃ 20℃ 30℃ 125.4KJ

春秋季 50℃ 15℃ 35℃ 146.3KJ

冬季 50℃ 10℃ 40℃ 167.2KJ

2.2 水箱選擇及其放置位置確定

水箱是太陽能熱水器的主要部件之一，是用于貯存冷熱水的容器，它是無味、無毒，有一定的結構強度和良好保溫性能的裝置。

本設計采用光芒內(nèi)置式強制循環(huán)分體內(nèi)膽搪瓷水箱。水箱內(nèi)膽為鋼板外涂金圭搪瓷，外用全聚氨酯發(fā)泡保溫。對于200L水箱，水箱上部電加熱功率按2KW/220V設計，下部電加熱功率按2KW或3.8KW/220V設計。

一般情況下，水箱可以放置在地下室、設備間、衛(wèi)生間、廚房、陽臺、閣樓等位置。本設計將水箱放置在閣樓內(nèi)。

2.3 輔助加熱系統(tǒng)

太陽能受氣候因素的影響很大，在雨雪天幾乎不能使用，因此，它是一種不穩(wěn)定的能源。在使用時，必須增加水加熱設備，才能保證的熱水穩(wěn)定供應。這種水加熱設備常被稱之為“輔助熱源”。輔助熱源的種類繁多，選擇時，應該考慮根據(jù)環(huán)境因素、使用的方便性等因素，優(yōu)先考慮環(huán)境保護和節(jié)約能源。對已經(jīng)設有集中供熱、空調(diào)系統(tǒng)的建筑，輔助加熱系統(tǒng)應與供熱、空調(diào)熱源系統(tǒng)匹配。

3.別墅型分體承壓太陽能熱水系統(tǒng)工作原理

目前，別墅型太陽能熱水系統(tǒng)的加熱方式，一般采用分體承壓二次回路。這種加熱方式的優(yōu)點是：穩(wěn)定、可靠、方便。分體承壓二次回路系統(tǒng)種類繁多，需根據(jù)別墅的熱水供應特點以及每種類型優(yōu)缺點選擇。本設計采用太陽能與電加熱相結合的形式——水箱上下部雙電加熱和外置換熱器分體承壓二次回路太陽能系統(tǒng)。

3.1 結構示意圖

圖2-1 水箱上下部雙電加熱和外置換熱器結構示意圖

3.2 工作原理

太陽能集熱器--水箱上下部的換熱盤管--循環(huán)管路--循環(huán)水泵等構成了一個循環(huán)回路。當太陽能集熱器吸收太陽光后，集熱器內(nèi)的傳熱介質(zhì)被加熱升溫，然后通過水泵的作用流動到水箱下部的換熱盤管內(nèi)，從而加熱水箱下部的水;下部的水升高后，自動上升到水箱上部，而水箱上部的冷水自動下沉的水箱下部。如此循環(huán)，太陽能逐步將水箱內(nèi)的水全部加熱。

當陰雨天氣，太陽能不足時，上部的電加熱自動啟動，將水箱上部的水加熱到需要的溫度。為了保證24小時連續(xù)熱水供應，需要水箱上部的電加熱一直處在工作狀態(tài)，直到將水箱上部水加熱到需要的溫度后才自動停止。

4.別墅型分體承壓太陽能熱水系統(tǒng)的分析

在別墅上采用分體承壓熱水系統(tǒng)，具有以下特點：

（1）優(yōu)先利用太陽能，自動控制系統(tǒng)溫度

該系統(tǒng)配置的控制器會定時檢測水箱下部溫度，當太陽能不足或用水量過多，導致熱水器下部溫度過低時，系統(tǒng)將自動啟動下部電加熱，使其達到設定溫度后又自動停止。

（2）保證雨雪天氣時熱水的充足供應

該分體承壓太陽熱水系統(tǒng)，在水箱的上下部分別設置了電輔助加熱。在雨雪天氣，太陽能不充足時，水箱上部的電加熱輔助系統(tǒng)就會自動啟動。當水箱上部的水溫達到設定值時，上部電加熱自動停止，這樣可以保證熱水的充足供應。

（3）采用微電腦溫差自動控制器，實現(xiàn)全自動化、智能化

采用溫差控制方式，當太陽集熱器內(nèi)的介質(zhì)溫度高于儲熱水箱內(nèi)的溫度時，循環(huán)水泵才會自動運轉;反之，則自動停止。避免了循環(huán)泵水泵無意義的運轉帶來的電能浪費。

除具有溫差控制功能外，微電腦控制器還具有時間、溫度、日期、區(qū)間、壓力等多種自動控制和設定功能。真正實現(xiàn)全自動化控制。

微電腦控制器還具有太陽能產(chǎn)熱量自動記錄、計算、存儲、智能判斷提示等功能，并可以與電腦相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息存儲。

（4）采用分體設計，便于實現(xiàn)與建筑的完美結合

采用分體設計，將儲熱水箱和太陽能集熱器分開。儲熱水箱放置在室內(nèi)，如：儲藏間、地下室、衛(wèi)生間等位置，這樣方便維護，密封保溫，熱量損失明顯減少;太陽能集熱器放在室外，顯得輕巧、美觀，并且易與各種建筑形式相結合，還可將將太陽集熱器作為建筑的一個構件（如墻體）。

（5）采用雙回路的運行方式

在冬季結冰的北方地區(qū)，采用雙回路系統(tǒng)，太陽能集熱器循環(huán)介質(zhì)是防凍液。它不結冰、不結垢，防凍液在金屬管內(nèi)循環(huán)，一般也不會出現(xiàn)泄露問題。因此太陽能系統(tǒng)運行可靠，這種系統(tǒng)避免了普通太陽熱水系統(tǒng)炸管、漏水、結冰凍裂、結垢堵塞等問題。

5.結論與展望

當前，太陽能熱水器的使用量越來越多，與建筑的結合越來越緊密。太陽能在制冷、發(fā)電等方面，也得到了較快的發(fā)展。但是，我國太陽熱水器的普及率較發(fā)達國家差距較大，這就需要各界人士的不斷努力，逐步實現(xiàn)太陽熱水器與建筑的完美結合，使太陽能熱水器在建筑節(jié)能方面做出更大的貢獻，壯大太陽能行業(yè)的發(fā)展。

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