太阳能热水系统分类及优缺点对比

应《中国太阳能工程》杂志编辑部邀请及广大太阳能从业人员的要求，本人把在全国太阳能热利用培训讲课的内容整理出来，主要目的是和广大太阳能热利用设计人员和施工人员分享太阳能热水工程设计和施工经验，为更多的太阳能热水系统从业人员提供有限的帮助。本文分五期连载，分别是一、太阳能热水系统的分类和优缺点对比；二、太阳能热水系统设计计算；三、太阳能热水系统辅助能源及控制；四、太阳能采暖系统设计计算；五、太阳能热水系统施工、调试和运行。 　　1太阳热水系统的分类 　　太阳能热水系统由四部分组成：集热部分、储热部分、用热部分、控制和辅助部分，根据这四部分的不同组合和集热系统的不同运行方式进行分类，表1是太阳能热水系统分类。 　　1.1 按太阳热水系统的集热系统与储热水箱换热方式分类 　　可分为：直接式热水系统（一次循环系统）和间接式热水系统（二次循环系统）。直接式热水系统是指在太阳能集热器中直接加热储热水箱中的水；间接式热水系统是指在太阳能集热器加热某种传热工质，再利用该传热工质通过热交换器加热储热水箱中的水。 　　1.2 根据太阳能集热器与储热水箱间集热循环方式分类 　　可分为：直流系统、自然循环系统和强制循环系统。 　　直流式系统传热工质一次通过集热器加热后，便进入储水箱或用热水处非循环太阳热水系统，储水箱的作用仅为储存集热器所排放的热水。直流式系统一般可采用机械式控温控阀或电控温控器控制方式，直流式系统都是直接系统。 　　自然循环系统是指利用传热工质内部的温度梯度产生的密度差所形成的自然对流进行循环的太阳能热水系统。在自然循环系统中，为了保证必要的热虹吸压头，储水箱应高于太阳能集热器上部，这种系统结构简单不需要附加动力，属于直接式太阳能热水系统。 　　强制循环系统是利用机械设备等外部动力迫使传热工质通过太阳能集热器进行循环加热的太阳能热水系统，它可以是直接式系统也可以是间接式系统。 　　1.3按太阳能集热器中工质是否承压(是否和大气相通)分类 　　可分为：开式集热太阳能热水系统和闭式集热太阳能热水系统。 　　1.4按有无辅助热源分类 　　可分为：有辅助热源太阳能热水系统和无辅助热源太阳能热水系统。 　　有辅助热源太阳能热水系统是指太阳能和其他水加热设备联合使用提供热水，在没有太阳能时，仅依靠系统配备的其他能源的水加热设备也能提供建筑物所需热水的系统。随着人们生活水平的提高，人们对生活热水的供应质量要求越来越高，辅助热源已经是太阳能热水必不可少的部分；无辅助热源太阳能热水系统是指仅依靠太阳能来提供热水的系统。 　　1.5根据热水使用情况分类 　　可分为：间歇供热水太阳能热水系统和连续供热水太阳能热水系统。 　　间歇供热水太阳能热水系统主要供应那些定时用热水的单位，例如部队、学校、工厂等；连续供热水太阳能热水系统指那些24小时连续使用热水的系统，例如医院、宾馆、酒店、生产线等。 　　2各种强制循环热水系统的组成与特点 　　2.1开式集热器和开式水箱组成的直接热水系统 　　图1和图2是开式集热器和开式水箱强制循环直接热水系统工作原理图，它们的集热器和水箱都是和大气连通非承压的，集热器中流过的工质是储热水箱中的热水，可以直接用做生活热水。两者的区别是图1所示系统中的辅助能源是通过内置在太阳能储热水箱内的盘管换热器来给水箱中的水加热，这样可以提高辅助加热装置的寿命（辅助加热装置中的水可以是经过软化的水），图2所示系统是辅助能源直接给储热水箱中的水加热。 　　2.2开式集热器和开式水箱组成的间接热水系统 　　图3 和图4是开式集热器和开式水箱强制循环间接热水系统，它们的集热器和水箱是和大气连通非承压的，集热器中流过的工质可以是经过软化的软化水，通过补水箱保证集热器的水是满水状态，集热器的水被太阳加热后通过循环泵强制循环后经过预置在水箱中的换热器把水箱中的水加热，换热器也可以是外置式的，见图5，图6 是图5 的改进形式，辅助能源也可以通过板式换热器对水箱进行加热。 　　图3和图4所示系统两者的区别是图3所示系统中的辅助能源是通过内置在水箱内的盘管换热器来给水箱中的水加热，图4所示系统是辅助能源直接给储热水箱中的水加热。而图6所示系统是采用板换给水箱间接加热。 　　2.3闭式集热器和闭式水箱组成的直接热水系统 　　图7和图8 是闭式集热器和闭式水箱强制循环直接热水系统，它们的集热器和水箱都不和大气连通是承压的，集热器中流过的工质就是储热水箱中的水，储热水箱既用来储热也作为系统的膨胀水箱，当水温升高，水的密度变小，体积膨胀时储热水箱间接起到膨胀水箱的作用。两者的区别是图7所示系统中的辅助能源是通过内置在水箱内的盘管换热器来给水箱中的水加热，图8所示系统是辅助能源直接给储热水箱中的水加热。 　　2.4闭式集热器和闭式水箱组成的间接热水系统 　　图9和图10是闭式集热器和闭式水箱强制循环间接热水系统，它们的集热器和水箱都不和大气连通是承压的，太阳能集热器中流过的工质可以是经过软化的软化水，也可以是低冰点高沸点的其他工质。太阳能集热器中的工质被太阳加热后通过循环泵强制循环后经过预置在水箱中的换热器把水箱中的水加热，换热器也可以是外置式的，见图11。两者的区别是图9所示系统中的辅助能源是通过内置在水箱内的盘管换热器来给水箱中的水加热，图10所示系统是辅助能源直接给储热水箱中的水加热。 　　2.5闭式集热器和开式水箱组成的间接热水系统 　　闭式集热器和闭式水箱组成的间接热水系统的水箱系统造价比较高，为降低系统造价我们可以利用闭式集热器和开式水箱组成间接式热水系统。图12和图13是系统原理图。 　　图12 和图13 的所示系统是图9 和图10 所示系统的改进，它们的集热部分和换热部分的工作原理完全相同，只是水箱不同，图9和图10所示系统的水箱是承压闭式系统，图12 和图13所示系统的水箱是非承压开式系统。 　　从以上强制循环热水系统的组成形式我们可以看出，不同形式的集热器系统（开式系统或闭式系统）、不同的储热水箱(开式非承压水箱和闭式承压水箱、单盘管水箱、双盘管水箱)都可以组成不同的热水系统，一切要根据实际出发，只要能满足系统使用要求，最简单的配置才是最好的系统，不仅系统造价低廉而且安装及系统维护都方便。 　　3三种不同传热工质流动方式太阳能热水系统的比较 　　3.1 直流式系统 　　直流式系统运行原理如图14所示，其结构和系统运行简单可靠，如果我们能控制好系统流量，就可以保证流进水箱的是满足使用温度要求的热水。这种系统安全可靠，造价低廉，节约运行费用，而且储热水箱内始终有满足使用要求的热水，这种系统称为定温放水系统。 　　3.2自然循环型太阳能热水系统 　　自然循环太阳能热水系统一般可分为两种类型：纯粹自然循环式和自然循环定温放水形式，图15所示是纯粹自然循环式，图16所示是自然循环定温放水式。自然循环加定温放水式是自然循环式热水系统的改进，它把自然循环系统的储热水箱分成两个水箱，用来集热循环的水箱体积较小，比较容易加热，待该小水箱温度达到设定温度时再放到大水箱中，它的大水箱中一直是热水。 　　3.3强制循环太阳能热水系统 　　强制循环太阳能热水系统运行原理图如17所示，自来水加入到储热水箱中，当集热器顶部温度比水箱内水温度高一定值时启动循环泵把水箱内的热水循环到集热器中把集热器中的热水循环进水箱，如此往复就把水箱中的水加热了，这种加热方式也称为温差循环。 　　3.4三种太阳热水系统的优缺点比较 　　三种系统的优缺点比较见表2，从表中比较我们可以看出应尽量选用直流式（定温放水）工作方式，尽量少采用或不用强制循环模式（温差循环模式）。 　　3.5热水系统改进 　　为提高太阳能热水系统的可靠性，保证24小时有满足使用温度要求的太阳能热水供应，上述三种模式都不能满足使用要求，要对他们进行改进，图18 是改进后的太阳能热水系统运行原理。该系统包括定温放水（直流式系统）和温差循环（强制循环）两种工作方式，还包括辅助能源系统。 　　其工作原理是： 　　（1）当光照充足而水箱内尚未储满热水时，系统为定温出水运行，当集热器出口温度T2（温度传感器2）达到设定值时，控制系统打开电磁阀E1，自来水进入管路，把高温水顶入水箱，当出口温度T2低于设定温度时，控制系统关闭电磁阀E1，太阳能集热器吸收太阳热量储存于集热器内水中，使水温继续升高；如此往复循环。 　　（2）当水箱内水位达到设定位置时（水箱已满）或水箱内水温低于使用温度T3时，这是系统处于温差循环工作模式，当集热器内水温不水箱中水温高一定值时控制系统打开循环泵P1，储热水箱内水和集热器中水行进温差循环，当水箱内水温和集热器水温接近时停止循环泵P1。 　　（3）冬天集热器和管道内水温度T2 降低到一定值时，系统会打开水泵P1将水箱呢热水循环进太阳能集热器和循环管道对系统进行防冻保护。 　　（4）在用水过程中系统通过热水管道和管道泵P3，把热水通过管网送到用户的各个用水点，如P3为变频控制可以实现恒压供水。打开电磁阀E3,可实现管道的定温循环。 　　（5）当供热水系统为恒压供水时，可以很容易实现热水管路管路循环功能，当供热水管路末端温度T4低于设定值时打开电磁阀E3，管路压力降低，循环泵自动启动从而实现热水管路的的定温循环。 　　（6）阴雨天气太阳能不能满足热水供应时辅助能源系统可以实现对太阳能热水系统的加热，保证有热水供应。（北京海林太阳能设备有限公司常务副总经理 窦建清）