浅析太阳能热水系统的特点及其应用方式

牛宝杰

摘要：可再生能源逐步替代常规能源是世界发展的趋势。太阳能集热技术可以利用太阳能满足生活热水、采暖、供电等多种需求，是运用可再生能源的重要技术手段之一。本文主要针对太阳能热水系统的特点及其应用的范围做了一些调查研究。

关键词：太阳能，可再生能源，热水系统，应用

Abstract: renewable energy gradually instead of the conventional energy is the trend of the development of the world. Solar technology can use solar energy to meet domestic hot water, heating, power supply and so on many kinds of demand, is using the renewable energy technology is one of the important means. This article mainly aims at the solar water heating system characteristics and the application scope of did some research.

Keywords: solar power, renewable energy, hot water system, the application

中图分类号：O434.19文献标识码：A文章编号：

用太阳能加热低温热水(小于100℃)的太阳能热水器/系统，是当前太阳能热利用中技术最成熟、经济上最具竞争力、应用最广泛、产业化发展最快的领域[1]。太阳能热水系统大规模应用于建筑，可以替代部分常规能源，减少常规能源对环境的污染与破坏，满足建筑物需用热水的需求。

1 太阳能热水系统的研究现状

能源是整个世界发展和经济增长的最基本动力，是人类赖以生存的物质基础。随着全球人口不断增长，能源的需求也在倍增，与此同时常规能源正在急剧减少，能源问题逐步突现。

我国作为世界上最大的发展中国家，是一个能源生产和消费大国，同时又是一个以煤炭为主要能源的国家，发展经济与环境污染的矛盾比较突出，能源问题日益成为制约我国社会经济可持续发展的瓶颈。因此要实现经济社会的可持续发展，必须寻找新的可再生能源来替代原有的化石能源。

太阳能是永不枯竭的清洁可再生能源之一，是21世纪以后人类可期待的、最有希望的能源之一。我国拥有丰富的太阳能资源，据统计，每年中国陆地接收的太阳辐射总量，相当于24000亿t标煤，全国总面积2/3地区年日照时间都超过3000h，特别是西北一些地区超过3000h，这为中国大力开发太阳能资源提供了可能。

国外对太阳能热利用研究比较早，早在20世纪30年代，美国麻省理工学院就举行了利用太阳能采暖的学术讨论会，对太阳能热利用起促进发展作用是在1945年发明了平板式集热器和1975年发明了全玻璃真空管集热器。早在20世纪80年代中期，法国就着手研究太阳能热水与太阳能采暖相结合的组合系统，并推出了一种称为“直接太阳能地板”的系统。到20世纪90年代，奥地利、德国、瑞典、瑞士、荷兰等国家相继设计出各种典型的太阳能组合系统[2]。

我国太阳能热水器的应用研究开始于上世纪70年代末，30多年来，太阳能热水器己在中国推广利用，2006年全国总产量达到 1800万m2，占世界总量的75%，总销售额约320亿元；总保有量为9000万m2，占世界总量的60%以上[3]，居世界首位。由于太阳能热水器出色的节能减排效果和经济实用性，为2020年实现保有量30000万m2，和现有保有量比，即有25000万m2的增长空间。

2 太阳能热水系统的特点

利用太阳能加热热水是目前人类利用太阳能最普遍的形式。为民用建筑提供生活热水是改善人民生活水平的标志之一，而环保和节能又是当今建设民用建筑的两大主题，所以太阳能热水器在建筑中的大规模应用将成为可持续发展的必然趋势。

2.1 太阳能热水系统的组成及分类

太阳能热水系统主要有太阳集热系统和热水供应系统构成，主要包括太阳集热器、贮热水箱、热交换器、循环管道、控制系统、支架和水泵等设备和附件。

根据不同的分类方法，太阳热水系统可以分成不同形式和种类。结合实际，可以把太阳热水系统分为以下几种形式：

(l)按集热器中工质是否与大气相通可以分为开式集热系统和闭式集热系统。

(2)按太阳热水系统的集热系统与贮热水箱的换热方式可以分为间接式系统和直接式系统。

(3)根据热水使用情况可以分为连续式供热水系统和间歇式供热水系统。

(4)按有无辅助热源可以分为无辅助热源热水系统和有辅助热源热水系统。

2.2 太阳能热水系统的特点

2.2.1 各种强制循环热水系统的组成与特点

(1)闭式集热器与闭式水箱组成的直接热水系统[4]

该热水系统集热器和贮热水箱都不与大气相通时承压的。同开式集热器与开式水箱组成的热水系统相比不同之处是集热器和贮热水箱没有通气管，但是贮热水箱由排气阀。

(2)闭式集热器与闭式水箱组成的间接热水系统[4]。

该热水系统与开式集热器与闭式水箱组成的间接式系统相比，不同之处为是集热器和贮热水箱没有通气管，但是贮热水箱由排气阀。

(3)闭式集热器与开始水箱组成的间接热水系统[4]。

该热水系统与开式集热器与闭式水箱组成的间接式系统相比，不同之处为是集热器没有通气管，但是贮热水箱是非承压的。

2.2.2 自然循环太阳热水系统

自然循环型太阳热水系统是指利用太阳能加热集热器与水箱间或者集热器与换热器间自然循环工质的系统。系统的循环动力是液体温度变化导致的热虹吸作用。由于间接式系统阻力较大，热虹吸作用不能提供足够的作用压头，所以自然循环系统一般为直接式的[20]。

自然循环系统一般分为两种:自然循环式和自然循环带定温放水功能式。自然循环定温放水式把循环贮热水箱分成两个水箱，用来循环水的水箱体积较小，里面的水容易被加热，待小水箱里的水达到设定温度时再将水放到大水箱中，所以大水箱里的水始终是热水。

2.2.3 直流式太阳热水系统

直流式太阳能热水系统是使水一次通过集热器就被加热到所需的温度，被加热的热水陆续进入贮水箱中。直流式系统有许多优点:其一，与强制循环系统相比，不需要设置水泵；其二，与自然循环系统相比，贮水箱可以放在室内；其三，与循环系统相比，每天较早地得到可用热水，而且只要有一段见晴时刻，就可以得到一定量的可用热水；其四，容易实现冬季夜间系统排空防冻的设计。直流式系统的缺点是要求性能可靠的变流量电动阀和控制器，使系统复杂，投资增大。

3 太阳能热水系统在建筑中应用方式分析

太阳热水系统设计应遵循经济实用、节水节能、便于计量、安全简便等原则。下面分析几种典型住宅的太阳热水系统应用形式。

3.1 多层住宅

多层住宅局部太阳热水系统和集中太阳热水系统分别如图1和图2所示。由图可以看出局部太阳热水系统水箱接近用水点，调节方便，节水效果好，并且分别计量，便于管理。但是浪费管材，每户都要设一个循环水泵，浪费电能，并且有噪声；集中太阳热水系统需要四根管道，节约管材，一个单元只需一台水泵，节点、降噪，并且热水调节方便，为用户提供充足的热水。缺点是需要单独的水箱放置空间，且计量收费，需要物业管理部门。

3.2 高层住宅

由于高层建筑屋顶面试有限，一般采用集中热水供应系统，也可以采用墙面或者阳台安装集热器局部热水供应系统。当采用集中热水供应系统时，对于高层建筑应采用高低分区供应热水，贮热水箱就近布置，集热器放置在屋面上。

3.3 别墅

别墅属于高档住宅，对建筑美观、热水需求有更高的要求，并且用水人数和用水时间不确定，所以易采用分离式系统，贮热水箱放在室内设备间，系统示意图如3。

4 结论

太阳能资源等气候条件对太阳能热水系统性能产生很大影响，因此在不同地区，太阳能热水系统适用性不同。我国太阳能产业起步比较晚，虽然集热器安装量在世界上排行第一，但是技术含量和集热效率方面普遍较低，因此国外在太阳能热水系统应用上的大量的实践与研究经验是值得我们去学习和思考，然后进一步去探索。

参考文献

[1]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京:化学工业出版社，2005.

[2]祖文超，戎卫国，李显英.太阳能供热采暖系统研究现状及思考[J].制冷与空调，2010，24(02):78-81.

[3]赵利勇，胡明辅，杨贞妮.太阳能热利用技术与发展[J].能源与环境，2007，(4):55- 57.

[4]吴振一，窦建清.全玻璃真空太阳集热管热水器及热水系统[M].北京:清华大学出版社，2008.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。