太陽能熱水系統

太陽能熱水系統是利用太陽能集熱器採集太陽熱量，在陽光的照射下使太陽的光能充分轉化為熱能，通過控制系統自動控制循環泵或電磁閥等功能部件將系統採集到的熱量傳輸到大型儲水保溫水箱中，在匹配當量的電力、燃氣、燃油等能源，把儲水保溫水箱中的水加熱並成為比較穩定的定量能源設備。該系統既可提供生產和生活用熱水，又可作為其他太陽能利用形式的冷熱源，是目前太陽熱能套用發展中最具經濟價值、技術最成熟且已商業化的一項套用產品。

基本介紹

• 中文名：太陽能熱水系統
• 外文名：New Solar Water Heating System
• 隸屬：太陽能利用
• 原理：太陽光能轉化為熱能
• 能源屬性：清潔、可再生能源
• 目的：穩定供應熱水
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系統原理

無動力型

系統組成：真空管集熱器、可連線水箱、可調整支架、換熱器。

無動力循環即熱式太陽能熱水系統運行原理：真空管內的水遇到陽光輻射後，開始升溫，管內的水升溫後密度變小，自然循環到水箱內，逐步把水箱內的水加熱，升溫後的水儲存在具有聚氨酯發泡保溫的的水箱內。室內冷水經過水箱內固定好的波紋管流道流過，把帶有壓力的自來水溫升到幾乎與水箱內水溫相同的溫度（溫差小於2度）流出。從而獲得穩定、有壓力的、潔淨的熱水。

自然循環

自然循環太陽能熱水系統是依靠集熱器和儲水箱中的溫差，形成系統的熱虹吸壓頭，使水在系統中循環；與此同時，將集熱器的有用能量收益通過加熱水，不斷儲存在儲水箱內。

系統運行過程中，集熱器內的水受太陽能輻射能加熱，溫度升高，密度降低，加熱後的水在集熱器內逐步上升，從集熱器的上循環管進入儲水箱的上部；與此同時，儲水箱底部的冷水由下循環管流入集熱器的底部；這樣經過一段時間後，儲水箱中的水形成明顯的溫度分層，上層水首先達到可使用的溫度，直至整個儲水箱的水都可以使用。

用熱水時，有兩種取熱水的方法。一種是有補水箱，由補水箱向儲水箱底部補充冷水，將儲水箱上層熱水頂出使用，其水位由補水箱內的浮球閥控制，有時稱這種方法為頂水法；另一種是無補水箱，熱水依靠本身重力從儲水箱底部落下使用，有時稱這種方法為落水法。

強制循環

強制循環太陽能熱水系統是在集熱器和儲水箱之間管路上設定水泵，作為系統中水的循環動力；與此同時，集熱器的有用能量收益通過加熱水，不斷儲存在儲水箱內。

系統運行過程中，循環泵的啟動和關閉必須要有控制，否則既浪費電能又損失熱能。通常溫差控制較為普及，有時還同時套用溫差控制和光電控制兩種。

溫差控制是利用集熱器出口處水溫和貯水箱底部水溫之間的溫差來控制循環泵的運行。

強制循環單水箱直接式太陽能熱水系統原理圖

早晨日出後，集熱器內的水受太陽輻射能加熱，溫度逐步升高，一旦集熱器出口處溫和貯水箱底部水溫之間的溫差達到設定值（一般8~10℃）時，溫差控制器給出信號，啟動循環泵，系統開始運行；遇到雲遮日或下午日落前，太陽輻照度降低，集熱器溫度逐步下降，一旦集熱器出口處水溫和貯水箱底部水溫之間的溫差達到另一設定值（一般3~4℃）時，溫差控制器給出信號，關閉循環泵，系統停止運行。

用熱水時，同樣有兩種取熱水的方法：頂水法和落水法。

頂水法是向貯水箱底部補充冷水（自來水），將貯水箱上層熱水頂出使用；落水法是依靠熱水本身重力從貯水箱底部落下使用。在強制循環條件下，由於貯水箱內的水得到充分的混合，不出現明顯的溫度分層，所以頂水法和落水法都一開始就可以取到熱水。頂水法與落水法相比，其優點是熱水在壓力下的噴淋可提高使用者的舒適度，而且不必考慮向貯水箱補水的問題；缺點也是從貯水箱底部進入的冷水會與貯水箱內的熱水摻混。落水法的優點是沒有冷熱水的摻混，但缺點是熱水靠重力落下而影響使用者的舒適度，而且必須每天考慮向貯水箱補水的問題。

在雙迴路的強制循環系統中，換熱器既可以是置於貯水箱內的浸沒式換熱器，也可以是置於貯水箱外的板式換熱器。板式換熱器與浸沒式換熱器相比，有許多優點：其一，板式換熱器的換熱面積大，傳熱溫差小，對系統效率影響少；其二，板式換熱器設定在系統管路之中，靈活性較大，便於系統設計布置；其三，板式換熱器已商品化、標準化，質量容易保證，可靠性好。

強制循環系統可適用於大、中、小型各種規模的太陽能熱水系統。

直流式

直流式太陽能熱水系統是使水一次通過集熱器就被加熱到所需的溫度，被加熱的熱水陸續進入貯水箱中。

系統運行過程中，為了得到溫度符合用戶要求的熱水，通常採用定溫放水的方法。集熱器進口管與自來水管連線。集熱器內的水受太陽輻射能加熱後，溫度逐步升高。在集熱器出口處安裝測溫元件，通過溫度控制器，控制安裝在集熱器進口管理上電動閥的開度，根據集熱器出口溫度來調節集熱器進口水流量，使出口水溫始終保持恆定。這種系統運行的可靠性取決於變流量電動閥和控制器的工作質量。

有些系統為了避免對電動閥和控制器提出苛刻的要求，將電動閥安裝在集熱器出口處，而且電動閥只有開啟和關閉兩種狀態。當集熱器出口溫度達到某一設定值時，通過溫度控制器，開啟電動閥，熱水從集熱器出口注入貯水箱，與此同時冷水（自來水）補充進入集熱器，直至集熱器出口溫度低於設定值時，關閉電動閥，然後重複上述過程。這種定溫放水的方法雖然比較簡單，但由於電動閥關閉有滯後現象，所以得到的熱水溫度會比設定值低一些。

直流式系統有許多優點：其一，與強制循環系統相比，不需要設定水泵；其二，與自然循環系統相比，貯水箱可以放在室內；其三，與循環系統相比，每天較早地得到可用熱水，而且只要有一段見晴時刻，就可以得到一定量的可用熱水；其四，容易實現冬季夜間系統排空防凍的設計。直流式系統的缺點是要求性能可靠的變流量電動閥和控制器，使系統複雜，投資增大。

直流式系統主要適用於大型太陽能熱水系統。

系統組成

太陽陽能熱水系統主要由太陽能集熱器、儲水保溫水箱、管道保溫系統（連線管道）、自動控制系統和其他外部設備(如：循環泵、電磁閥及伴熱帶等)組成。

集熱器

系統中的集熱元件，其功能相當於電熱水器中的電加熱管。和電熱水器、燃氣熱水器不同的是，太陽能集熱器利 用的是太陽的輻射熱量，故而加熱時間只能在有太陽照射的白晝，所以有時需要輔助加熱，如鍋爐、電加熱等。

集熱器結構示意圖

目前中國市場上最常見的是全玻璃太陽能真空集熱管。結構分為外管、內管，在內管外壁鍍有選擇性吸收塗層。平板集熱器的集熱面板上鍍有黑鉻等吸熱膜，金屬管焊接在集熱板上，平板集熱器較真空管集熱器成本稍高，近幾年平板集熱器呈現上升趨勢，尤其在高層住宅的陽台式太陽能熱水器方面有獨特優勢。全玻璃太陽能集熱真空管一般為高硼矽3.3特硬玻璃製造，選擇性吸熱膜採用真空濺射選擇性鍍膜工藝。

保溫水箱

和電熱水器的保溫水箱一樣，是儲存熱水的容器。因為太陽能集熱器只能白天工作，而人們一般在晚上才使用熱水，所以必須通過保溫水箱把集熱器在白天產出的熱水儲存起來。容積是每天晚上用熱水量的總和。

水箱內膽是儲存熱水的重要部分，其用材料強度和耐腐蝕性至關重要。市場上有不鏽鋼、搪瓷等材質。保溫層保溫材料的好壞直接關係著保溫效果，在寒冷季節尤其重要。較好的保溫方式是聚氨脂整體發泡工藝保溫。外殼一般為彩鋼板、鍍鋁鋅板或不鏽鋼板。

連線管路

將熱水從集熱器輸送到保溫水箱、將冷水從保溫水箱輸送到集熱器的通道，使整套系統形成一個閉合的環路。設計合理、連線正確的循環管道對太陽能系統是否能達到最佳工作狀態至關重要。熱水管道必須做保溫防凍處理。管道必須有很高的質量，保證有20年以上的使用壽命。

同時，為了減少熱量在管道傳輸過程中的損失，連線管路還應具備保溫系統。

控制中心

自動控制系統是熱水系統的大腦，各種信號感測器就是系統的神經。太陽能熱水系統與普通太陽能熱水器的區別就是控制中心。作為一個系統，控制中心負責整個系統的監控、運行、調節等功能，的技術已經可以通過網際網路遠程控制系統的正常運行。

其它外部設備

其它外部設備主要包括循環泵、增壓泵、供水泵和電磁閥。這要根據循環管道的粗細、流量的大小、集熱器串並聯的組數、集熱器安置位置的高低綜合因素確定，尤其是循環泵揚程、流量、吸程的確定，根據水箱位置的高低，循環泵的揚程差別巨大，應該更為謹慎。

系統特點

1.環保效益——相對於使用化石燃料製造熱水，能減少對環境的污染及溫室氣體－二氧化碳的產生。

2.節省能源——太陽能是屬於每個人的能源，只要有場地與設備，任何人都可免費使用它。

3.安全——不像使用瓦斯有爆炸或中毒的危險，或使用燃料油鍋爐有爆炸的顧慮，或使用電力會有漏電的可能。

4.不占空間——不需專人操作自動運轉。另外，太陽能集熱器裝在屋頂上，不會占用任何室內空間。

5.具經濟效益——正常的太陽能熱水器是不易損壞，壽命至少在十年以上，甚至有到二十年的，因為基本熱源為免費的太陽能，所以使用它十分符合經濟成本效益。

系統分類

國際標準

國際標準ISO9459對太陽能熱水系統提出了科學的分類方法，即按照太陽能熱水系統的七個特徵進行分類，其中每個特徵又都分為2-3種類型，從而構成了一個嚴謹的太陽能熱水系統分類體系，如表所示。

特徵	A	B	C
1	太陽能單獨系統	太陽能預熱系統	太陽能帶輔助能源系統
2	直接系統	間接系統
3	敞開系統	開口系統	封閉系統
4	充滿系統	回流系統	排放系統
5	自然循環系統	強制循環系統
6	循環系統	直流系統
7	分體式系統	緊湊式系統	整體式系統

1.第1特徵表示系統中太陽能與其他能源的關係

1.1太陽能單獨系統---沒有任何輔助能源的太陽能熱水系統；

1.2太陽能預熱系統---在水進入任何其他類型加熱器之前，對水進行預熱的太陽能熱水系統；

1.3太陽能帶輔助能源系統---聯合使用太陽能和輔助能源，並可不依賴於太陽能而提供所需熱能的太陽能熱水系統；

2.第2特徵表示集熱器內傳熱工質是否為用戶消費的熱水

2.1直接系統---傳熱工質（水）最終被用戶消費或循環流至用戶的熱水直接流經集熱器的系統，亦稱為單循環系統或單迴路系統；

2.2間接系統---傳熱工質不是最終被用戶消費，或循環流至用戶的水不做為傳熱工質而是其他傳熱工質流經集熱器的系統，亦稱為雙循環系統或雙迴路系統。

3.第3特徵表示系統傳熱工質與大氣接觸的情況

3.1敞開系統---傳熱工質與大氣有大面積接觸的系統，其接觸面主要在蓄熱裝置的敞開面；

3.2開口系統---傳熱工質與大氣的接觸僅限於補給箱和膨脹箱的自由表面或排氣管開口的系統；

3.3封閉系統---傳熱工質與大氣完全隔離的系統。

4.第4特徵表示傳熱工質在集熱器內的狀況

4.1充滿系統---在集熱器內始終充滿傳熱工質的系統；

4.2回流系統---作為正常工作循環的一部分，傳熱工質在泵停止運行時由集熱器流入到蓄熱裝置，而在泵重新開啟時又流入集熱器的系統；

4.3排放系統---為了防凍目的，水可以從集熱器排出而不再利用的系統。

5.第5特徵表示系統循環的種類

5.1自然循環系統---僅僅利用傳熱工質的密度變化來實現集熱器和蓄熱裝置（或換熱器）之間進行循環的系統，亦稱為熱虹吸系統；

5.2強制循環系統---利用泵迫使傳熱工質通過集熱器進行循環的系統，亦稱為強迫循環系統或機械循環系統。

6.第6特徵表示系統的運行方式

6.1 循環系統---運行期間，傳熱工質在集熱器和蓄熱裝置之間進行循環的系統；

6.2 直流式系統---有待加熱的傳熱工質一次流過集熱器後，進入蓄熱裝置（儲水箱）或進入使用輔助能源加熱設備的系統，有時亦稱為定溫防水系統。

7.第7特徵表示系統中集熱器與儲水箱的相對位置

7.1分體式系統---儲水箱和集熱器之間分開一定距離安裝的系統；

7.2緊湊式系統---將儲水箱直接安裝在集熱器相鄰位置上的系統，通常已成為緊湊式太陽能熱水器；

7.3整體式系統---將集熱器作為儲水箱的系統，通常亦稱為悶曬式太陽能熱水器。

實際上，同一套太陽能熱水系統往往同時具備上述7個特徵中的各一種類型。譬如，太陽能熱水系統使用的一套典型的太陽能熱水系統，可以同時是太陽能帶輔助能源系統、間接系統、封閉系統、充滿系統、強制循環系統和分體式系統。

其他標準

當然，除了按系統的特徵進行分類之外，還有其他一些常用的分類方法，現列出其中兩種。

1.按太陽能集熱器的類型分類

平板太陽能熱水系統---採用平板集熱器的太陽能熱水系統；

真空管太陽能熱水系統---採用真空管集熱器的太陽能熱水系統；

U型管太陽能熱水系統---採用U型管集熱器的太陽能熱水系統；

熱管太陽能熱水系統---採用熱管集熱器的太陽能熱水系統。

陶瓷太陽能熱水系統---採用陶瓷太陽能集熱器的太陽能熱水系統。

2.按儲水箱的容積進行分類

根據用戶對熱水供應的需求，確定儲水箱的容量。按照儲水箱的容積，系統可分為：

家用太陽能熱水系統---儲水箱容積小於0.6m³的太陽能熱水系統，通常亦稱為家用太陽能熱水器；

公用太陽能熱水系統---儲水箱容積大於等於0.6 mm³的太陽能熱水系統，通常亦稱為太陽能熱水系統。

3.按熱水使用情況分類

根據用戶對熱水供應的需求可分為：間歇供熱水太陽能熱水系統和連續供熱水太陽能熱水系統。

間歇供熱水太陽能熱水系統主要供應那些定時用熱水的單位，例如部隊、學校、工廠等；連續供熱水太陽能熱水系統指那些24小時連續使用熱水的系統，例如醫院、賓館、酒店、生產線等。

防凍措施

太陽能熱水系統中的集熱器及其置於室外的管路，在嚴冬季節常常因積存在其中的水結冰膨脹而脹裂損壞，尤其是高緯度寒冷地區，因此必須從技術上考慮太陽能熱水系統的“越冬”防凍措施。常用的太陽能熱水系統防凍措施大致有以下幾種。

集熱器

集熱器是太陽能熱水系統中必須暴露在室外的重要部件，如果直接選用具有防凍功能的集熱器，就可以避免對集熱器在嚴冬季節凍壞的擔憂。

熱管式真空管集熱器以及內插管的全玻璃真空管集熱器都屬於具有防凍功能的集熱器，因為被加熱的水都不直接進入真空管內，真空管的玻璃罩管不接觸水，再加上熱管本身的工質容量又很少，所以即使在零下幾十攝氏度的環境溫度下真空管也不凍壞。

另一種具有防凍功能的集熱器是熱管平板集熱器，它跟普通平板集熱器的不同之處在於，吸熱板的排管位置上用熱管代替，以低沸點、低凝固點介質作為熱管的工質，因而吸熱板也不會凍壞，不過由於熱管平板集熱器的技術經濟性能不及上述真空管集熱器，套用尚不普遍。

雙循環

雙循環系統（或稱雙迴路系統）就是在太陽能熱水系統中設定換熱器，集熱器與換熱器的熱側組成第一循環（或稱第一迴路），並使用低凝固點的防凍液作傳熱工質，從而實現系統的防凍。雙循環系統在自然循環和強制循環兩類太陽能熱水系統中都可以使用。

在自然循環系統中，儘管第一迴路使用了防凍液，但由於貯水箱置於室外，系統的補冷水箱與供熱水管也部分敷設在室外，在嚴寒的冬夜，這些室外管路雖有保溫措施，但仍不能保證避免管中的水不結冰。因此，在系統設計時需要考慮採取某種設施，在用畢後使管路中的熱水排空。例如採用虹吸式取熱水管，兼作補冷水管，在其頂部設通大氣閥，控制其開閉，實現該管路的排空。

回流系統

在強制循環的單迴路系統中，一般採用溫差控制循環水泵的運轉，貯水箱通常置於室內（底層或地下室）。冬季白天，在有足夠的太陽輻照時，溫差控制器開啟循環水泵，集熱器可以正常運行；夜晚或陰天，在太陽輻照不足時，溫差控制器關閉循環水泵，這時集熱器和管路中的水由於重力作用全部回流到貯水箱中，避免因集熱器和管路中的水結冰而損壞；次日白天或太陽輻照再次足夠時，溫差控制器再次開啟循環水泵，將貯水箱內的水重新泵入偏執器中，系統可以繼續運行。這種防凍系統簡單可靠，不需增設其他設備，但系統中的循環水泵要有較高的揚程。

近幾年，國外開始將回流防凍措施套用於雙迴路系統，其第一迴路不使用防凍液而仍使用水作為集熱器的傳熱介質。當夜晚或陰天太陽輻照不足時，循環水泵自動關閉，集熱器中的水通過虹作用流入專門設定的小貯水箱中，待次日白天或太陽輻照再次足夠時，重新泵入集熱器，使系統繼續運行。

排放系統

在自然循環或強制循環的單迴路系統中，在集熱器吸熱體的下部或室外環境溫度最低處的管路上埋設溫度敏感元件，接至控制器。當集熱器內或室外管路中的水溫接近凍結溫度（3~4℃）時，控制器將根據溫度敏感元件傳送的信號，開啟排放閥和通大氣閥，集熱器和室外管路中的水由於重力作用排放到系統外，不再重新使用，從而達到防凍的目的。

自動循環

在強制循環的單迴路系統中，在集熱器吸熱體的下部或室外環境溫度最低處的管路上埋置溫度敏感元件，接至控制器。當集熱器內或室外管路中的水溫接近凍結溫度（如3~4℃）時，控制器打開電源，啟動循環水泵，將貯水箱內的熱水送往集熱器，使集熱器和管路中的水溫升高。當集熱器或管路中的水溫升高到某設定值（或當水泵運轉某設定時段）時，控制器關斷電源，循環水泵停止工作。這種防凍方法由於要消耗一定的動力以驅動循環水泵，因而適用於偶爾發生冰凍的非嚴寒地區。

自限式

在自然循環或強制循環的單迴路系統中，將室外管路中最易結凍的部分敷設自限式電熱帶。它是利用一個熱敏電阻設定在電熱帶附近並接到電熱帶的電路中。當電熱帶通電後，在加熱管路中水的同時也使熱敏電阻的溫度升高，隨之熱敏電阻的電阻增加；當熱敏電阻的電阻增加到某個數值時，電路中斷，電熱帶停止通電，溫度逐步下降。這樣無數次重複，既保證室外管路中的水不結冰，又防止電熱帶溫度過高造成危險。這種防凍方法也要消耗一定的電能，但對於十分寒冷的地區還是行之有效的。

套用現狀

隨著經濟和社會的不斷發展，石油、天然氣和煤炭等常規能源的短缺問題越來越明顯，人們利用可再生能源的需求日益迫切。同時，隨著國際上要求減少CO₂等溫室氣體排放的呼聲越來越高，人們對使用清潔能源的意願不斷增強。因此，作為主要的清潔和可再生能源，在世界範圍內，太陽能正被日益廣泛地得到套用和研究。然而，由於技術、工藝、經濟和政策的不同，國內外在太陽能熱水系統的套用上還存在較大差異。

歐洲的太陽能套用已處於世界領先地位。與我國界定資源貧乏區的年太陽輻照量標準(< 4 200 MJ/m2，上海的年太陽輻照量為4 200～5 400 MJ/m2)相比，德國的年太陽輻照量為3 600MJ/m2，低於我國的資源貧乏區標準。然而，由於常規能源的缺乏以及環保意識的良好，德國在太陽能利用，特別是太陽能熱水系統的套用上做了大量的探索
性工作，擁有世界上先進的技術和產品。

國內太陽能熱水系統的套用較晚，尚處於起步階段。雖然擁有世界上最大的太陽能集熱器安裝量和製造能力，但技術含量普遍較低，產品質量良莠不齊，集熱效率和使用壽命遠低於歐洲國家產品。而且，由於缺乏應有的準入制度，太陽能集熱器的規格、尺寸和安裝位置等因不同生產廠家而不同，與建築的結合情況較差。再加上大多數的太陽能熱水工程由生產廠家自行設計、安裝，在系統最佳化、參數設定、運行控制、現場施工等諸多方面均不盡人意。在有些時候，太陽能熱水系統成了擺設和負擔。