摘要：眾所周知，太陽能資源是地球上最清潔的可再生資源，而在目前常規(guī)能源短缺的情況下，更應(yīng)該加強對太陽能資源的開發(fā)和利用，使其更好地為人類服務(wù)。太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)就是對太陽能資源合理利用的實例。太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)具有節(jié)能、使用方便、無污染、經(jīng)濟效益明顯等優(yōu)勢，而成為主要的太陽能應(yīng)用形式。因此在目前節(jié)能減排的大形勢下研究太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計具有很大的意義。本文歸納了太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)點，并重點介紹了集熱系統(tǒng)、輔熱系統(tǒng)及安全防護系統(tǒng)的設(shè)計。

　　關(guān)鍵詞：太陽能,熱水供應(yīng)系統(tǒng),設(shè)計,集熱器,輔熱設(shè)備

　　一、太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)概述

　　太陽能熱水系統(tǒng)是利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能把水加熱的一種裝置，是目前太陽能應(yīng)用發(fā)展中最具經(jīng)濟價值、記住最成熟且已商業(yè)化的一項應(yīng)用產(chǎn)品。太陽能熱水系統(tǒng)的分類以加熱循環(huán)方式可分為：自然循環(huán)式太陽能熱水器、強制循環(huán)式太陽能熱水器、儲置式太陽能熱水器三種。太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、保溫水箱、連接管路和控制中心組成。太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)有其相應(yīng)的適用范圍，安裝地區(qū)需滿足日照時數(shù)每年在1200小時以上，太陽輻射量每年在3500焦每平方米以上，能夠保證太陽能集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的建筑安裝部位每天至少4小時的日照，并且保證系統(tǒng)的安裝不會對鄰近建筑的日照構(gòu)成遮擋。

　　二、太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)點

　　(一)節(jié)能環(huán)保

　　采用豐富的自然可再生資源——太陽能，作為房屋建筑集中熱水系統(tǒng)(或采暖用熱水系統(tǒng))的主要熱源，可減少能源與資源的消耗，減少二氧化碳對空氣的污染。

　　(二)保證工程施工質(zhì)量，提高工程觀感質(zhì)量

　　太陽能集中熱水系統(tǒng)與房屋建筑結(jié)構(gòu)統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計、同步施工，設(shè)備、管線設(shè)置合理，與結(jié)構(gòu)工程同步施工科學(xué)有序，與建筑物協(xié)調(diào)一致，保證了工程整體施工質(zhì)量，提高了建筑物的觀感質(zhì)量。

　　(三)智能化操作，簡單方便

　　技術(shù)先進，功能完善，操作簡單，運行安全可靠采用先進的智能化自動控制系統(tǒng)，配置完善的功能設(shè)施和安全設(shè)施，操作簡單，運行安全可靠。

　　(四)優(yōu)化資源配置

　　可利用工程現(xiàn)有條件和地方資源優(yōu)化配置輔助加熱能源，如中央空調(diào)系統(tǒng)能源、市政蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)能源等等，達到能源的充分利用。

　　三、太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計要點

　　(一)集熱系統(tǒng)的設(shè)計

　　1、系統(tǒng)規(guī)模設(shè)計

　　集熱系統(tǒng)的規(guī)模不宜過大，集熱器陣列的總出水口同儲熱水箱間的距離應(yīng)控制在300米范圍內(nèi)。在小區(qū)規(guī)模較大時。可以鄰近幾幢或單幢為一個小系統(tǒng)，且通過增設(shè)站室便可實現(xiàn)節(jié)能的效果。

　　2、加熱系統(tǒng)的選擇

　　太陽能加熱系統(tǒng)有間接式和直接式兩種，直接式太陽能熱水系統(tǒng)又可分為自然循環(huán)和強制循環(huán)式，而強制循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)又有連續(xù)式和間歇式之分。總之，兩種加熱系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，具體比較如下：

　　間接式太陽能熱水系統(tǒng)包括集熱器和用戶熱水兩個子系統(tǒng)，并通過換熱器相連。集熱器子系統(tǒng)一般采用抗凍液作為循環(huán)工質(zhì)。抗凍液在太陽能集熱器中被加熱后，在泵作用下通過換熱器加熱循環(huán)水，當水溫達不到要求時則利用輔助熱源加熱至所需溫度送往用戶。該系統(tǒng)室外部分所用工質(zhì)為防凍液，因此具有可靠的防凍能力，寒冷地區(qū)的設(shè)備及管路亦無凍裂之憂，但由于需換熱器加熱循環(huán)水，故初次投資較大，總的熱效率低。

　　自然循環(huán)式熱水系統(tǒng)的水箱位于室外，且高于集熱器。該系統(tǒng)不用水泵(不耗電)，無須專人看護，一次投資省，但水箱需高架(受安裝環(huán)境限制)，且抗凍性能差, 一般適于非冰凍地區(qū)使用，且系統(tǒng)不能過大，集熱面積通常在30m2以下。

　　連續(xù)式強制循環(huán)系統(tǒng)的特點是: 水箱可置于室內(nèi)，水泵連續(xù)運行，系統(tǒng)工況穩(wěn)定，初次投資較省。由于水泵運行與日照、集熱器水溫無關(guān)，常常在日照較弱的情況下運行水泵，造成無效運行，浪費電能，使系統(tǒng)運行效率降低。因此，這種系統(tǒng)通常用于加熱游泳池用水。

　　間歇式強制循環(huán)系統(tǒng)增設(shè)了水泵運行控制儀，該系統(tǒng)避免了水泵無效運行, 節(jié)省了電能, 提高了系統(tǒng)熱效率, 但初次投資較大, 同時運行管理要求也高。

　　通過上面的分析可以看出:非寒冷地區(qū)的小面積系統(tǒng)可優(yōu)先采用自然循環(huán)式系統(tǒng);加熱游泳池、魚塘用水可優(yōu)先采用連續(xù)式強制循環(huán)系統(tǒng);賓館、浴池大面積系統(tǒng)可優(yōu)先采用間歇式強制循環(huán)系統(tǒng);使用間接系統(tǒng)時應(yīng)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較。

　　3、集熱器的選型

　　目前國內(nèi)的太陽能集熱器主要有平板型集熱器, 全玻璃真空管集熱器, 熱管真空管集熱器等。

　　平板型集熱器具有集熱塊、價格低、承壓高，且耐熱沖擊性能好等優(yōu)點，但在室外氣溫較低時熱損失較大，不耐冰凍。

　　全玻璃真空管集熱器全年熱效高，但承壓能力低，系統(tǒng)可靠性差，玻璃管內(nèi)易結(jié)垢且難清理。

　　熱管真空管集熱器的全年熱效也較高，且承壓能力大，耐熱沖擊性能好，在寒冷條件下耐冰凍，系統(tǒng)可靠性較強。

　　根據(jù)以上分析, 在非冰凍地區(qū)可優(yōu)先采用平板型集熱器;在寒冷地區(qū)的大面積熱水系統(tǒng)可優(yōu)先采用熱管真空管集熱器;在寒冷地區(qū)大面積使用全玻璃真空管集熱器時, 應(yīng)采取措施提高其承壓和抗熱沖擊能力。

　　4、集熱器的定位

　　(1)安裝方位角和傾角

　　方位角宜朝南或南偏東、南偏西15°角內(nèi)擺放。當不能滿足要求時，應(yīng)加大集熱器的采光面積。

　　(2)全年使用時，集熱器的安裝傾角應(yīng)與當?shù)鼐暥纫恢?偏重于在冬季使用時，傾角應(yīng)加大至約比當?shù)鼐暥却?0°;偏重于夏天使用時，則應(yīng)比當?shù)鼐暥刃?0°。

　　(3)順坡屋面安裝時，集熱器之間不遮擋，留出安裝間距和檢修空間;成2排或2排以上安裝時，集熱器之間的距離應(yīng)大于日照間距，避免相互遮擋。

　　(二)輔熱設(shè)備的設(shè)計

　　1、計算輔熱設(shè)備負荷

　　依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對于太陽能集中供應(yīng)熱水工程輔熱設(shè)備負荷的設(shè)計，應(yīng)當不考慮太陽能效用，而將日常所需熱量作為輔助設(shè)備作為依據(jù)。

　　2、輔助設(shè)備選型

　　輔助加熱設(shè)備, 根椐常用熱源的不同可分為: 工業(yè)廢熱或設(shè)備余熱、電熱水鍋爐、柴油鍋爐、燃氣鍋爐、空氣源熱泵等。從節(jié)能及環(huán)保角度考慮，工業(yè)廢熱或設(shè)備余熱是理想的輔助熱源，但對絕大多數(shù)的住宅建筑而言, 往往不容易獲得;因電加熱的效率低，如非實行低谷用電時段的地區(qū)，不宜采用;由于柴油鍋爐的污染大及制熱水費用高，不宜采用;在天然氣充足且價格較低的地區(qū)，可考慮以其作為輔助熱源;空氣源熱泵熱水器，近幾年在我國得以迅速發(fā)展，其利用電力驅(qū)動, 從空氣中獲取能量, 具有環(huán)保且低費用的優(yōu)勢, 是作為輔助加熱設(shè)備的較佳選擇,尤其是冬天氣溫較高的南方地區(qū)。

　　(三)防過熱、防爆安全設(shè)計

　　太陽能集中供應(yīng)熱水工程設(shè)計中，防高溫、防爆安全措施是十分重要的設(shè)計內(nèi)容。通常情況下，包括如下幾方面設(shè)計內(nèi)容：

　　第一，集熱系統(tǒng)的管道上應(yīng)設(shè)放氣器、安全閥、膨脹管。且未降低集中介質(zhì)損耗，可適當提升系統(tǒng)內(nèi)部的壓力;

　　第二，設(shè)置空氣散熱器，即當集熱器中水溫過高時，利用空氣散熱器來散出熱量，從而防止過熱現(xiàn)象;

　　第三，采用遮陽設(shè)備。集熱系統(tǒng)所采用的閥件、管件、管材等應(yīng)為耐高溫材質(zhì)，且極熱管上所連接的設(shè)備、閥件及密封材料也應(yīng)為耐高溫材質(zhì)。

　　(四)防凍安全設(shè)計

　　對于北方寒冷地區(qū)和存在凍結(jié)可能地區(qū)，在系統(tǒng)工程設(shè)計過程當中，應(yīng)就防凍問題進行考慮。防凍措施主要包括倒循環(huán)、添加防凍劑、排回、排空等，且這些方法各具利弊，其應(yīng)用過程中應(yīng)始終圍繞“因地制宜”的原則進行。其中，倒循環(huán)這種方法較為簡單，也比較常用，但存在耗電的缺點，可通過集熱管道保溫、降低集熱系統(tǒng)阻力損失、確定合理的傳感器溫度來緩解這一問題。

　　結(jié)語

　　充分利用太陽能這一無污染永不枯竭的資源，是將來世界能源發(fā)展的趨勢。隨著人們環(huán)境意識的提高, 太陽能的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛, 特別是太陽能熱水器已經(jīng)進入千家萬戶, 而大型太陽能熱水系統(tǒng)也已在賓館、飯店、公共浴池、商品住宅等建筑中開始應(yīng)用。這是人類有意識利用太陽能的實例，但也應(yīng)看到在太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用中也存在諸多問題。只有采取合理的技術(shù)措施將之解決，才能真正發(fā)揮太陽能資源的優(yōu)勢來造福人類。

　　參考文獻

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　　本文選自《中國科技博覽》。  《中國科技博覽》雜志是國務(wù)院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會（國資委）主管，中國包裝總公司主辦的國家級學(xué)術(shù)期刊。國內(nèi)刊號：CN11-4450/T，國際刊號：ISSN1009-914X。