太陽能光熱應用技術 第四章 -

1、 第 4 章 太陽能熱水系統(tǒng) 20 世紀 70 年代能源危機的出現(xiàn)，全球環(huán)境 污染的日益嚴重，加上各個領域新興技術的 迅猛發(fā)展，使得全球逐漸出現(xiàn)了太陽能利用 的新高潮。 太陽能熱水系統(tǒng)一般由集熱器、儲熱水箱和 循環(huán)管道組成，根據(jù)需要還可以加配輔助能 源，以供沒有日照時使用。 設置在屋頂?shù)奶柲軣崴骺梢詫⑻柲苻D 化為熱能并傳遞給液體，升溫后的液體可以 用做洗涮、淋浴或加熱室內空間的生活用水。 4.1 太陽能熱水器簡介 4.1.1 太陽能熱水器的發(fā)展狀況 1891 年，美國馬里州的肯普發(fā)明了世界 上第一臺悶曬式太陽能熱水器，并命名為 “頂峰”熱水器，它的特點是集熱器和貯 水箱合二為一，水在容器

2、中不能流動，依 靠容器壁吸收太陽輻射能加熱水。悶曬式 太陽能熱水器的優(yōu)點是結構簡單、成本低， 缺點是裝置保溫性能差，熱水必須在當天 傍晚及時用完，因此應用范圍受到很大限 制。 隨著世界范圍內天然氣和石油的大規(guī)模開 采，燃油價格大幅度下降，太陽能熱水器 的發(fā)展在一個相當長的時期緩慢下來。第 二次世界大戰(zhàn)結束后，人們的注意力又開 始轉向發(fā)展經濟。直到 20 世紀 70 年代， 隨著世界性能源危機日趨嚴重，迫使人們 對太陽能的利用又重新重視起來，許多國 家花了不少物力和人力，用于研究和開發(fā) 太陽能利用技術，尤其是太陽能熱水器。 作為平板型太陽能熱水器的主要組成部分， 平板集熱器的設計不斷得到改進。結

3、構上 從最早的管板式，到扁盒式、鋁翼式、銅 鋁復合翅片式等。表面吸收涂層從最早的 非選擇性涂層黑板漆，發(fā)展到各種選擇性 吸收涂層，如鋁陽極氧化、鍍黑鎳、鍍黑 鉻等。透明蓋板從普通平板玻璃發(fā)展到鋼 化玻璃。集熱器的性能也隨之不斷提高。 我國太陽能熱水器的開發(fā)研究從 20 世紀 60 年代開始，并在平板太陽能熱水器的 開發(fā)上做了不少貢獻。1958 年，天津大 學有 12.6m2的太陽能浴室。1973 年世 界能源危機，為了尋求可再生能源，我國 在 20 世紀 70 年代末起，加大了研發(fā)與 生產太陽能集熱器。1979年前后我國有 些單位研發(fā)全玻璃真空管集熱器，它的結 構就是一個拉長的暖棚，并且在內玻

4、璃管 上有一層選擇性吸收涂層。 清華大學的發(fā)明專利就是鋁-氮/鋁太陽選擇 性吸收涂層，其在世界上開創(chuàng)性用單個鋁陰 極通過磁控濺射制備紅外低發(fā)射率底層、鋁 -氮化鋁吸收太陽光的陶瓷薄膜和氮化鋁減 反膜三個部分。這是一種選擇性吸收涂層的 結構，吸收層每層只有 1030nm，低發(fā)射 層是到 150nm，使得真空管集熱器可在嚴 寒、低太陽輻射下使用，適合多種氣候。目 前，全國已有幾十家廠家生產全玻璃真空集 熱器和全玻璃真空管太陽能熱水器。從總體 上來說，無論是產量和質量均居世界領先水 平。 太陽能熱利用產業(yè)的發(fā)展，在突破了太陽選擇 性吸收涂層的核心技術后，通過產學研結合， 生產出了性價比較高的介質。2

5、1 世紀以來，中 國太陽能熱水器進入成熟階段，產量與市場保 有量一直保持快速增長。2006 年銷售額近 300 億元，提供就業(yè)機會 60 多萬個。 中國太陽能熱水 器的年生產量是歐洲的 2 倍、北美的 4 倍，現(xiàn) 已成為世界上最大的太陽能熱水器生產國和 最大的太陽能熱水器市場，并仍在以每年 20 30的速度遞增。 4.1.2 太陽能熱水器的分類 1從結構來分類 （1）緊湊式太陽能熱水器：就是將真空 玻璃管直接插入水箱中，利用加熱水的循 環(huán)，使得水箱中的水溫升高，這是市場中 最常規(guī)的太陽能熱水器。 （2）分體式熱水器：分體式熱水器是將 集熱器與水箱分開，可大大增加太陽能熱 水器的容量，不采用落水

6、式工作方式，擴 大了使用范圍。 2從集熱部分來分類 （1）玻璃真空管太陽能熱水器 可細分為全玻璃真空管式、熱管真空管式、 u 型管真空管式。常用的為全玻璃真空管 式，其優(yōu)點為結構簡單易于制作、價格相 對較低、環(huán)境溫度低時效率仍然比較高， 其缺點在于體積比較龐大、玻璃管易碎、 管中容易集結水垢、不能承壓運行。 （2）平板型太陽能熱水器 平板型太陽能熱水器特點：具有整體性好、 壽命長、故障少、安全隱患低、能承壓運行、 安全可靠、吸熱體面積大、易于與建筑相結 合、耐無水空曬性強等優(yōu)點，其熱性能也很 穩(wěn)定；但對安裝方向角度有較高的要求且成 本高。平板式太陽能熱水器由于蓋板內為非 真空、保溫性能差，故環(huán)

7、境溫度較低時集熱 性能較差，環(huán)境溫度低或要求出水溫度高時 熱效率較低，適合冬天不結冰的南方地區(qū)選 用。 3從水箱受壓來分 （1）承壓式太陽能熱水器：太陽能熱水 器的出水是有壓力的。一般為頂水式工作， 不一定采用承壓式水箱。 （2）非承壓式太陽能熱水器：普通太陽 能熱水器都是屬于非承壓式熱水器，它的 水箱有一根管子與大氣相通，是利用屋頂 和家里的高度落差，使用水時產生壓力。 其安全性、成本、使用壽命都比承壓式要 顯著得多。 4從工質循環(huán)次數(shù)來分 （1）一次循環(huán)熱水器：直接循環(huán)或單回 路循環(huán)。 （2）二次循環(huán)熱水器：間接循環(huán)或雙回 路循環(huán)。 5. 從熱水的使用時間來分 （1）季節(jié)性太陽能熱水器：無

8、輔助熱源。 （2）全年使用太陽能熱水器：有輔助熱 源。 （3）全天候太陽能熱水器：有輔助熱源 及自動控制儀表。 6從工質循環(huán)特點來分 目前大多數(shù)太陽能熱水系統(tǒng)操作簡單，按 集熱器工質的循環(huán)特點，主要分主動式和 被動式兩種類型，在此基礎上衍生出其他 一些種類。 （1）主動式：需要泵和各種不同的控制 裝置促使傳熱介質在系統(tǒng)內部循環(huán)。 （2）被動式：運行不依靠泵，僅依靠水 的重力自然對流來提供動力。 4.1.3 太陽能熱水器的優(yōu)缺點及 性能優(yōu)勢 在這里，我們將太陽能熱水器與電熱水器和 燃氣熱水器的性能作一個比較。 （1）熱水產量方面：燃氣熱水器有 5l、7l、 8l 等不同的型號，是指在 1 分鐘內

9、將水溫 升高 25時所產的熱水量。電熱水器的標 注則是 30l、60l、90l 等，這是指電熱水 器的容水量。拿一個 8l 的燃氣熱水器與一 個 40l 的電熱水器相比較，8l 的燃氣熱水 器可連續(xù)不斷地產生每分鐘 8l 的熱水，而 電熱水器需要間隔半小時加熱一罐水。如果 這一罐水用完，還要等半小時左右。 太陽能熱水器按照年平均氣溫 15.7、年日 照時數(shù) 2014 小時、太陽總輻射總量年均為 111.59cal/m2計算，如果集熱面積為 2m2， 年吸收太陽輻射能量為 9.37106kj，按把 水溫升高 35計算（基礎水溫 10），全 年可提供生活用熱水（45）53.5 噸，每 人每次洗澡用

10、熱水約需 50kg，則全年可洗 1070 人次，平均每天可洗 2.93 人次，也就 是說，在 24小時內平均 8 個小時能提供 45洗澡用熱水 50kg。 （2）加熱速度方面：燃氣熱水器大多為 快速熱水器，只要想用熱水，打開燃氣閥 和水龍頭，熱水就會流出來；而電熱水器 需要預先通電半小時左右，才能開始使用； 太陽能熱水器在天氣晴朗的時候使用更好， 最理想的樓層在 68 層。 （3）使用費用方面：燃氣熱水器需要交 納燃氣費與水費，電熱水器也需要交納電 費與水費，而太陽能熱水器僅耗水費，使 用費用最少。 （4）安全性方面：燃氣熱水器使用時要排出大量的 廢氣，廢氣中除了二氧化碳以外，還有一氧化碳，如

11、 果使用時關閉門窗、通風不良，一氧化碳會增加，嚴 重時會發(fā)生中毒事故；燃氣熱水器啟動水壓高，有些 住高層的用戶如果不裝增壓泵就無法啟動；安裝不方 便，要在墻上打洞、安排氣扇等。電熱水器缺點是體 積大、占用室內空間、易結水垢、對電能浪費大，最 新型的電熱水器內置了陽極鎂棒除垢裝置，解決了產 品容易結垢的問題，但陽極鎂棒需兩年更換一次，給 保養(yǎng)帶來了麻煩。太陽能熱水器安全、節(jié)能、環(huán)保、 經濟，尤其是帶輔助電加熱功能的太陽能熱水器，它 以太陽能為主、電能為輔的能源利用方式，可全年、 全天候使用。 4.2 家用太陽能熱水器 家用太陽能熱水器根據(jù)集熱器的不同，主 要分為家用悶曬式太陽能熱水器、家用平 板

12、式太陽能熱水器、家用全玻璃真空管式 太陽能熱水器、家用熱管真空管式太陽能 熱水器。 下面對這四種家用太陽能熱水器進行逐一 介紹。 4.2.1 家用悶曬式太陽能熱水器 家用悶曬式太陽能熱水器是一種結構比較 簡單、使用可靠及容易推廣的太陽能熱水 器。其特點是集熱器和水箱合為一體，冷 熱水的循環(huán)是在水箱內部進行的，經過一 天的悶曬（內部自然循環(huán)）可將容器中的 水加熱到一定的溫度。由于悶曬式太陽能 熱水器結構簡單、物美價廉、一次投資、 多年受益，從而深受城鄉(xiāng)人民的歡迎。 家用悶曬式太陽能熱水器是一種結構比較 簡單、使用可靠及容易推廣的太陽能熱水 器。其特點是集熱器和水箱合為一體，冷 熱水的循環(huán)是在水箱

13、內部進行的，經過一 天的悶曬（內部自然循環(huán)）可將容器中的 水加熱到一定的溫度。由于悶曬式太陽能 熱水器結構簡單、物美價廉、一次投資、 多年受益，從而深受城鄉(xiāng)人民的歡迎。 4.2.2 家用平板太陽能熱水器 平板型太陽能熱水器以其簡單、價廉和安裝方 便在全世界都獲得了廣泛的應用。普通平板型 太陽能集熱器由透明蓋板、吸熱板、流體管道、 保溫層、箱體及支架等組成。當太陽照射到集 熱器時，集熱器中的工質被加熱，密度變低， 產生“熱虹吸”現(xiàn)象，系統(tǒng)中水流的循環(huán)運動 完全依靠自身各部位溫度不同而形成自然循環(huán)， 即只要有太陽照射，就能實現(xiàn)這種循環(huán)。水在 集熱器中受熱變輕，由集熱器底部上升至頂部， 再經上循環(huán)管

14、流入保溫水箱，水箱下部的冷水 由下循環(huán)管流入集熱器底部，如此循環(huán)，使整 個水箱中的水溫升高。 家用平板太陽能熱水器如圖 4-2 所示。 平板型太陽能集熱器的基本結構如圖 4-3 所示，主要由吸熱面、透明蓋板、隔熱層 和殼體 4 個部件組成。 4.2.3 家用全玻璃真空管太陽能 熱水器 隨著人們對太陽能熱利用領域研究的深入， 人們開始在平板型太陽集熱器的基礎上利 用真空中熱量不易散失的原理研制新一代 太陽能集熱部件全玻璃真空集熱管。 將玻璃罩管和集熱面之間的空氣抽出后利 用玻璃的熱塑性進行收口，使玻璃罩管和 集熱面之間形成真空，起隔絕熱傳導的作 用，玻璃良好的透光性又保證了集熱面能 最大限度地吸

15、收太陽輻射的熱能。家用全 玻璃真空管太陽能熱水器如圖 4-4 所示。 這種集熱器的優(yōu)點是結構簡單、集熱效率 高、保溫性能好、使用壽命長，缺點是價 格昂貴、承壓能力差、易在玻璃內結垢等， 不易與太陽能建筑一體化。 4.2.4 家用熱管真空管太陽能熱水器 熱管真空管集熱器是繼悶曬式、平板式、 全玻璃真空管集熱器后的第四代太陽能集 熱產品，在太陽能領域得到了廣泛的應用。 該類型太陽能熱水器如圖 4-6 所示。 目前，熱管真空管有 3 種結構形式如圖 4-8 所示。 第一種采用熱壓封接技術將帶有平板翼片 的、具有抗凍性能的銅-水熱管封裝在單 層真空管內；第二種將帶有圓筒形翼片的 熱管封裝在全玻璃真空管

16、內，通過管內熱 空氣向緊貼內管表面的翼片傳熱；第三種 將熱管封裝在全玻璃真空管內，真空管內 腔和熱管外壁之間注入高沸點液態(tài)傳熱介 質。 熱管真空管集熱器及部件如圖 4-9 所示， 它由熱管、保溫箱、隔熱體、吸熱翼片、 真空管、反射板、尾架組成。 與悶曬型、平板型和全玻璃真空管集熱器相 比，熱管真空管集熱器具有下列特性： （1）熱管傳熱，管內不進水，從根本上避 免了平板集熱器及全玻璃真空管內因結水垢 而引起水道堵塞不能運行和管內結垢影響輸 出功率等問題； （2）特殊防凍技術，即使在50的嚴寒 條件下，仍無凍壞之憂，避免管內長期存水， 受嚴寒冰凍，在熱脹冷縮情況下易碎管的問 題； （3）熱管式真空

17、管熱容小、啟動快，在陽 光下 2 分鐘即可啟動輸出能量； （4）在天氣陰晴多變的情況下，比其他 熱水器產生更多的熱水； （5）高性能選擇性吸收鍍層及真空保溫 技術，保證在多云天氣及相對溫差大的地 區(qū)仍有較高的熱效率，所以在冬天性能尤 為突出； （6）集熱板封裝于真空玻璃管內，即使 在潮濕地區(qū)也不受腐蝕，使用壽命長； （7）承受力強，當連接成大面積集熱系 統(tǒng)時能承受循環(huán)泵的壓力，因而在承壓熱 水系統(tǒng)推廣中獨具優(yōu)勢； （8）熱管式真空管太陽能集熱管抗冷熱 沖擊好，運行安全可靠，避免因一支集熱 管損壞而損壞整個系統(tǒng)。 由于集熱元件的限制，熱管集熱器也存在 一定的不足： （1）單層真空管的連接形式對玻

18、璃金 屬的封接技術要求較高； （2）全玻璃真空管內插入熱管，會因能 量的多次轉換而影響熱效率； （3）熱管和真空管為雙真空復雜結構， 造價較高。 4.3 太陽熱水系統(tǒng) 太陽能熱水系統(tǒng)（如圖 4-10 所示）一般 由以下部分組成：安裝在屋頂上的真空管 集熱系統(tǒng)、泵、儲水箱和換熱器。 4.3.1 熱水系統(tǒng)數(shù)學模型的介紹 前人對熱水系統(tǒng)進行了大量研究，不少學 者提出了許多有建設性的模型，并利用這 些模型來分析太陽能熱水系統(tǒng)。下面介紹 兩個比較著名的熱水系統(tǒng)模型：close 模 型和 ong模型。許多太陽能熱水系統(tǒng)建 模均是建立在這兩個模型的基礎上的。 4.3.2 自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng) 自然循環(huán)太陽

19、能熱水系統(tǒng)是國內最早采用 的一種系統(tǒng)，具有結構簡單、運行安全可 靠、不需要循環(huán)水泵、管理方便等優(yōu)點， 目前仍是大量應用且值得推廣的一種太陽 熱水系統(tǒng)。 由于自然循環(huán)系統(tǒng)熱虹吸壓力較小，因而 其較適用于中小型太陽能熱水系統(tǒng)。自然 循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)如圖 4-12 所示。 自然循環(huán)定溫放水系統(tǒng)如圖 4-13 所示。 當水箱上部水溫升高到預定界限時，置于 水箱上的電接點溫度計發(fā)出訊號，通過繼 電器打開出水管上的電磁閥，將熱水存于 儲水箱內。同時循環(huán)水箱內有冷水補入， 當水溫低于規(guī)定界限時，電磁閥關閉。這 樣周而復始地向儲水箱中輸送恒定溫度的 熱水以供使用。 該系統(tǒng)的優(yōu)點是，位于集熱器上部的熱水 箱只

20、具有循環(huán)的功能，而讓安放在較低位 置的儲水箱去儲存熱水，這樣容易使水溫 提高到所要求的溫度，因而能充分利用日 照較強階段的太陽輻射來增加熱水產量， 提高了系統(tǒng)的熱效率；缺點是，系統(tǒng)中增 加了電磁閥，工作可靠性不如自然循環(huán)， 而且還增加了一個循環(huán)水箱，增加了投資 成本。 4.3.3 強制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng) 強制循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)如圖 4-14 所示。這 種熱水器利用水泵使水在集熱器與儲水箱之間 循環(huán)。當集熱器頂端水溫高于儲水箱底部水溫 若干度時，控制裝置啟動水泵使水流動，水泵 入口處有止回閥，以防止夜間水由集熱器逆流， 引起熱損失。這種熱水器的流量已知（由水泵 流量定），容易預測性能。加熱水量

21、一定時， 在同樣設計條件下，較自然循環(huán)式可得較高溫 度的水，但是必須采用水泵。這樣就會存在水 泵電耗、維護以及控制裝置失靈等問題。因此， 除大型熱水器或需要較高水溫時采用強制循環(huán) 外，大多都采用自然循環(huán)或直流式熱水器。 4.3.4 直流式太陽能熱水系統(tǒng) 直流式太陽能熱水系統(tǒng)如圖 4-15 所示。 這種系統(tǒng)為開放式、一次流動系統(tǒng)。冷水 直接進入集熱器，其流量由裝在集熱器出 口處的電接點溫度計通過控制器作水泵或 電磁閥來控制，以維持出口熱水的溫度在 所需界限內。這種系統(tǒng)具有自然循環(huán)定溫 式防水系統(tǒng)的優(yōu)點，同時還去掉了循環(huán)水 箱，使屋頂露面負荷大為減輕。 4.3.5 二次換熱太陽能熱水系統(tǒng) 在寒冷地

22、區(qū)，為了防止集熱器在冬季被凍 壞，在集熱器與貯水箱之間設置換熱器， 構成雙循環(huán)系統(tǒng)，如圖 4-16 所示。 集熱器和換熱器構成一個循環(huán)回路，回路 中充以防凍循環(huán)工質，集熱器吸收太陽輻 射能不斷加熱防凍液工質，加熱工質在換 熱器里再加熱水箱里的生活用水。圖 4- 16 所示的是換熱器放在水箱中，而在大 型太陽能熱水系統(tǒng)中，通常把換熱器和水 箱分開，采用強制循環(huán)管殼式換熱器，如 圖 4-17 所示。 4.3.6 中央太陽能熱水系統(tǒng) 長期以來，太陽能在建設工程項目中的應 用越來越受到人們的關注。建筑物的中央 熱水供應系統(tǒng)中，采用太陽能結合常規(guī)能 源作為熱水系統(tǒng)熱源，成為中央熱水系統(tǒng) 降低能源消耗、節(jié)

23、約運行費用、減少環(huán)境 污染的一個有力的措施。 1太陽能中央熱水系統(tǒng)的適用范圍 太陽能中央熱水系統(tǒng)是大面積太陽集熱系 統(tǒng)，主要用于各種低溫熱水的應用領域， 如社會會所、公寓、賓館、飯店等熱水中 心，學校、機關、部隊、工廠、招待所、 醫(yī)院、養(yǎng)老院、幼兒園等的浴室、游泳池 等，既可作為生活熱水，也可以作為工業(yè) 生產作業(yè)熱水、開水預熱等。 太陽能中央熱水器置于頂樓，晴天不用燃 氣、不用電，利用太陽能把水加熱，然后 貯存在保溫水箱里，通過熱水管道可向多 個浴室同時供熱水，全自動運行，不需要 人工操作。在陰雨天，有自動輔助電加熱 （或燃油熱水爐輔助加熱），保證源源不 斷供應熱水。 設計時，需綜合考慮太陽能

24、集熱形式、熱 量儲存、管路防凍、輔助加熱形式以及供 熱方式等多種因素。典型的直流式太陽能 熱水系統(tǒng)主要由集熱器組、儲熱罐、恒溫 水箱、輔助加熱設備、控制器、循環(huán)泵、 管路等組成（如圖 4-18 所示）。 2幾種典型的太陽能中央熱水系統(tǒng)性能 對比 （1）平板集熱器太陽熱水系統(tǒng) 應用比較早的一種太陽能熱水系統(tǒng)形式， 因防凍問題以及其本身集熱性能受季節(jié)和 環(huán)境影響較大，在我國北方應用較少，主 要集中在南方地區(qū)。 （2）全玻璃真空管集熱器太陽熱水系統(tǒng) 早期的規(guī)模比較小的項目多采用此種集熱 器，或將采用全玻璃真空管集熱器的家用 太陽熱水器串并聯(lián)組成集中熱水系統(tǒng)。因 其投資較低，在太陽熱水工程市場上占有

25、相當比重。 （3）u 形管真空管集熱器太陽熱水系統(tǒng) u 形管真空管集熱器替代全玻璃真空管集熱 器在工程中的應用，解決了系統(tǒng)承壓運行問 題，但因系統(tǒng)阻力大、熱性能不理想及安裝 維護等因素，使用較少。 （4）熱管真空管集熱器太陽熱水系統(tǒng) 熱管真空管集熱器從根本上解決了其他類型 太陽集熱器在熱效率、承壓能力、防凍性能、 安裝維護等方面存在的問題，價格適中，是 目前太陽熱水工程中最理想的集熱器形式。 下面以熱管真空管太陽中央熱水系統(tǒng)為例 進行簡單講解。 在實際的太陽能中央熱水系統(tǒng)工程應用中， 需要綜合考慮太陽能集熱系統(tǒng)的形式、熱 量的儲存、系統(tǒng)管路防凍、輔助加熱設備 的選用以及熱水供應的方式等各種因素

26、。 圖 4-19 所示為典型的熱管真空管太陽中 央熱水系統(tǒng)。 本系統(tǒng)設兩個熱水箱，一個太陽能儲熱水箱和 一個恒溫供水箱。太陽能直接對儲熱水箱加熱， 由恒溫供水箱向熱水用戶供熱，恒溫供水箱由 太陽能儲熱水箱補充熱水，當熱水供水溫度不 能滿足使用要求時，啟動輔助加熱設備進行加 熱，保持供水溫度維持在一個相對恒定的范圍。 液位控制器和電磁閥 1 聯(lián)合控制太陽能儲熱水 箱的上下限水位。電磁閥 2和熱水循環(huán)泵聯(lián)動。 兩個水箱的容積應根據(jù)熱水系統(tǒng)的功能和用水 特點確定。一般的生活熱水系統(tǒng)用水高峰多集 中在晚間和早晨，所以太陽能儲熱水箱應能儲 存晴好天氣全天 80%以上的熱能，兩只水箱應 能滿足熱水系統(tǒng)的設

27、計供水需求。 熱管真空管可以耐50低溫，正常使用環(huán) 境下，無結凍隱患。太陽能熱水系統(tǒng)的防凍 措施主要針對系統(tǒng)管路。除了完善的保溫處 理外，集熱系統(tǒng)一般采用排空法進行防凍， 即儲熱水箱安裝于系統(tǒng)最低點，在系統(tǒng)頂端 設自動排氣閥，當循環(huán)泵停止運行后，集熱 系統(tǒng)里的水全部回流入水箱。該方法實施簡 單、安全可靠，起到防凍作用的同時也避免 了管道內存水造成的熱損失。在儲熱水箱的 設計中應考慮到最高補水位之上能夠容納防 凍回流水量。 熱管真空管太陽集熱器因具有高效、承壓、抗 凍、安裝方式靈活（具有普通型和水平型兩類 產品）等諸多優(yōu)點，在工程應用中具有更大的 適應性，可以應用于各種大面積太陽集熱系統(tǒng) 中，通

28、過各種形式的安裝易于實現(xiàn)與建筑的結 合。根據(jù)不同的建筑情況，熱管真空管太陽集 熱器一般水平或傾斜安裝于無遮擋的建筑物南 向屋面，特殊情況也可安裝于南立面墻、陽光 屋頂、景觀走廊或融入各種建筑造型之中。為 保證系統(tǒng)的集熱效率，需要合理的確定熱水出 水溫度和各集熱器組之間的串并聯(lián)方式、配管 管徑、循環(huán)泵的型號等。 4.4 太陽熱水器的設計與生產 4.4.1 太陽熱水器的設計 為促進太陽能熱水器產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展， 1998 年 10 月國家經貿委和建設部在昆明召 開了“太陽能技術與建筑技術研討會”，提 出了我國太陽能系統(tǒng)建筑一體化問題，分析 了太陽能系統(tǒng)建筑一體化的必要性及緊迫性。 2001 年 1

29、2 月建設部在南京再次研討了如何 實現(xiàn)太陽能熱水器與建筑有機結合這一設計 理念。在這種設計理念的指導下，國內太陽 能熱利用領域和企業(yè)都在努力尋求更加完善 的太陽能熱水器設計方案。 4.4.1.1 太陽熱水器的防凍設計 實現(xiàn)太陽熱水器與建筑一體化，是太陽熱 水器產業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是太陽熱水 器技術發(fā)展的主要方向。無論從整體外形 還是結構強度來看，最有利于太陽熱水器 與建筑一體化的是平板型太陽集熱器。 實現(xiàn)平板型太陽熱水器與建筑一體化的主 要任務之一就是在有霜凍的地區(qū)能夠解決 好集熱器的防凍問題。太陽熱水系統(tǒng)中的 集熱器及其置于室外的管道，在嚴冬季節(jié) 常常因積存在其中的水結冰膨脹而脹裂損 壞。

30、尤其是高緯度寒冷地區(qū)，必須從技術 上考慮太陽熱水系統(tǒng)的“越冬”防凍措施。 目前常用的防凍措施大致有以下幾種： （1）選用熱管式集熱器或全玻璃真空管 集熱器。由于采用了高真空技術，與平板 集熱器相比，真空管集熱器的熱損大大降 低，具有較強的防凍性能，但在持續(xù)多天 的嚴寒天氣條件下，也有可能被凍壞。 （2）用防凍液作集熱器傳熱工質的雙循環(huán) 系統(tǒng)。為了防止平板集熱器在冬季被凍壞， 在集熱器與貯水箱之間設置換熱器，構成雙 循環(huán)系統(tǒng)。集熱器和換熱器構成一個循環(huán)回 路，回路中充以防凍液，集熱器吸收太陽輻 射能不斷加熱防凍液工質，加熱工質在換熱 器里再加熱水箱里生活用水。由于采用了二 次循環(huán)系統(tǒng)，流經集熱器

31、的是介質，從而可 以方便地在介質中加防腐、防垢和防凍劑， 較好地解決了系統(tǒng)的防凍、防腐、防垢等問 題，提高了集熱器的使用壽命。 （3）設計落水式強制循環(huán)系統(tǒng)。落水式 強制循環(huán)太陽熱水系統(tǒng)的貯水箱通常置于 室外，循環(huán)水泵的安裝位置必須低于貯水 箱的液面，在系統(tǒng)的最高點處管路上設置 連通大氣閥，根據(jù)集熱器吸熱體和水箱壁 之間的溫度差控制水泵的運轉。當夜晚水 泵停止工作后，控制器聯(lián)動開啟連通大氣 閥，這時集熱器和管路中的水，由于重力 作用全部返回水箱。 （4）設計貯水箱內的熱水在夜間形成自 動循環(huán)系統(tǒng)。貯水箱中熱水再循環(huán)式防凍 措施，是在集熱器吸熱體的下部埋設溫度 敏感元件，接至控制器。當集熱器內的

32、水 溫接近凍結溫度時，控制器啟動水泵，將 貯水箱內的熱水送往集熱器，集熱器溫度 升高，當吸熱體溫度升高到整定值時，控 制器關斷電源，水泵停止工作。這類防凍 系統(tǒng)只適用于非嚴寒地區(qū)偶爾排放或壓力 式太陽熱水系統(tǒng)。 （5）采用集熱器及其管道中的存水自動 排空系統(tǒng)。自動排空式防凍措施，是在集 熱器吸熱體的下部埋設溫度敏感元件，接 至控制器。當溫度降至 3.54.5時， 控制器將根據(jù)溫度敏感元件傳送的信號， 開啟排放閥和連通大氣閥，將集熱器和室 外管路中的水排放到系統(tǒng)外。這類自動排 空系統(tǒng)只適用于非嚴寒地區(qū)偶爾排放或壓 力式太陽熱水系統(tǒng)。 4.4.1.2 太陽能熱水器中換熱器的設計 換熱器是用來使工質

33、（即防凍液）在集熱 器和換熱器組成的循環(huán)回路里循環(huán)，使熱 量從熱流體傳遞到冷流體，從而不斷加熱 水箱里水，起到防凍的作用，以滿足規(guī)定 的工藝要求的裝置。 換熱器可以按不同的方式分類。按換熱器 操作過程可將其分為間壁式、混合式及蓄 熱式（或稱回熱式）三大類。 在間壁式換熱器中，冷、熱兩種流體由壁 面間隔開來而分別位于壁面的兩側。 在混合式換熱器中，冷、熱流體通過直接 接觸、互相混合來實現(xiàn)換熱?；鹆Πl(fā)電廠 中的冷卻塔、化工廠中的洗滌塔等屬于這 一類。這種換熱器在應用上常受到冷熱兩 種流體不能混合的限制。 冷、熱兩種流體依次交替地流過同一換熱 表面而實現(xiàn)熱量交換的設備稱為蓄熱式換 熱器。在這種換熱器

34、中，固體壁面除了換 熱以外還起到蓄熱的作用： 高溫流體流過時，固體壁面吸收并積蓄熱 量，然后釋放給接著流過的低溫流體。顯 然，這種換熱器的熱量傳遞過程是非穩(wěn)態(tài) 的。 在三類換熱器中以間壁式換熱器應用最為廣 泛，下面簡單介紹間壁式換熱器的主要類型。 （1）肋片管或光管換熱器 這是最簡單的一種間壁式換熱器，依據(jù)兩種 流體的流動方向不同而又有順流布置及逆流 布置之別。這類換熱器適用于傳熱量不大或 流體流量不大的情形。如圖 4-23 所示，在 水平或垂直水箱里加一根或幾根管子（或肋 片管），這種結構易實現(xiàn)自然循環(huán)，但換熱 效率較低。 目前，這種結構的換熱器在太陽熱水系統(tǒng)中使 用較少。 （2）螺旋管或盤

35、管換熱器 如圖 4-24 所示，這種結構的換熱器通常 放在垂直水箱里，采用強制循環(huán)的方式。 它有利于水箱溫度分層，并且換熱表面系 由兩塊金屬板卷制而成，冷、熱流體在螺 旋狀的通道中流動，所以這種換熱器的換 熱效果較好。但由于螺旋管或盤管流動阻 力較大，所以這種結構的換熱器不宜采用 自然循環(huán)的方式，并且換熱器的密封比較 困難。 （3）管殼式換熱器 管殼式換熱器是間壁式換熱器的一種主要 形式。它的傳熱面由管束構成，管子的兩 端固定在管板上，管束與管板再封裝在外 殼內，外殼兩端有封頭。一種流體從封頭 進口流進管子里，再經封頭流出，這條路 徑稱為管程；另一種流體從外殼上的連接 管進入換熱器，在殼體與管

36、子間流動，這 條路徑稱為殼程。管程流體和殼程流體互 不摻混，只是通過管壁交換熱量。 如圖 4-25 所示，這種結構把換熱器和水 箱分離，工質循環(huán)則采用強制循環(huán)，水循 環(huán)可采用強制循環(huán)也可采用自然循環(huán)。 parent（1990）對水采用自然循環(huán)的這 種結構進行了研究，指出換熱器效率為 40%99%。這種換熱器通常應用于大型 的太陽熱水系統(tǒng)中，如化工廠中的加熱器、 冷卻器，電廠中的冷凝器、冷油器等都是 管殼式換熱器的實例。 （4）夾層水箱換熱器 這種換熱器由一組幾何結構相同的平行薄 平板疊加所組成，兩相鄰平板之間用特殊 設計的密封墊片隔開，形成一個通道，冷、 熱流體間隔地在每個通道中流動。板式換

37、熱器拆卸清洗方便，故適合于含有易結垢 物的流體（如牛奶等有機流體）的換熱。 如圖 4-26 所示，工質在集熱器和夾層組 成的封閉循環(huán)回路循環(huán)，加熱內水箱里的 水。 夾層水箱換熱器通常有兩種形式：水平夾 層水箱換熱器，如圖 4-26 所示。它通常用 于自然循環(huán)系統(tǒng)中，提高工質進口位置，可 提高水箱溫度分層及系統(tǒng)性能，但工質進口 位置高會增加晚上回流熱損，而且會降低工 質循環(huán)流速。垂直夾層水箱換熱器，如圖 4-27所示。它通常用于強制循環(huán)系統(tǒng)中，進 口位置通常位于夾層頂部，這種結構易實現(xiàn) 水箱分層。如果水箱中裝有電加熱器，工質 進口必須低于電加熱器所在位置。這種結構 的換熱器只適用于家用型的小水箱

38、，對于大 型水箱則不適用。 夾層水箱換熱器在太陽能熱水系統(tǒng)中已有 較好的應用，它有以下優(yōu)點：結構簡單， 換熱器與水箱合為一體；換熱面積大， 相當于 8 根銅管的換熱面積的 2.5 倍； 換熱效率高，furbo（1993）比較了各 種換熱器的換熱性能，得出垂直夾層水箱 換熱器的系統(tǒng)性能最好。這種結構的換熱 器只適用于小型水箱，對于大型水箱則不 適用夾層換熱器。 （5）交叉流換熱器 根據(jù)換熱表面結構的不同又可分為管束式、 管翅式及板翅式等。鍋爐裝置中的蒸汽過 熱器、省煤器、空氣預熱器、汽車發(fā)動機 的散熱器等都是交叉流換熱器的例子。 4.4.2 太陽能熱水器生產工藝 太陽能熱水器水箱發(fā)泡工藝 澆注發(fā)

39、泡是聚氨酯硬泡常用的成型方法，即就 是將各種原料混合均勻后，注入模具或制件的 空腔內發(fā)泡成型。 聚氨酯硬泡的澆注成型可采用手工發(fā)泡或機械 發(fā)泡，機械發(fā)泡可采用間歇法及連續(xù)法發(fā)泡方 式。機械澆注發(fā)泡的原理和手工發(fā)泡的相似， 差別在于手工發(fā)泡是將各種原料依次稱入容器 中，攪拌混合；而機械澆注發(fā)泡則是由計量泵 按配方比例連續(xù)將原料輸入發(fā)泡機的混合室快 速混合。硬泡澆注方式適用于生產塊狀硬泡、 硬泡模塑鍋爐制品，在制件的空腔內填充泡沫， 以及其它的現(xiàn)場澆注泡沫。 4.4.2.1 太陽能集熱器的生產 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 壁鍍有選擇性吸收涂層。平

40、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(xiàn)上升趨勢，尤其 在高層住宅的陽臺式太陽能熱水器方面有獨 特優(yōu)勢。全玻璃太陽能集熱真空管一般為高 硼硅3.3 特硬玻璃制造，選擇性吸熱膜采用 真空濺射選擇性鍍膜工藝。 下面舉例介紹全玻璃真空集熱管的工藝流 程，其特點有：原理簡單，集熱管像拉長 的保溫瓶一樣；質量要求嚴格，必須有好 的吸熱層，吸熱層的吸收率要高，熱反射 率要低，有好的保溫防止熱量向外對流、 傳遞向外輻射；一般要求吸收率 90%以 上，反射率 9%以下；材料為高硼硅 3.3 玻璃，膨脹系數(shù)小于 3.3107。 其中

41、吸氣劑的成分為鋇鋁鎳或鋇鈦，類型分 為蒸散型吸氣劑和非蒸散型吸氣劑，其在真 空集熱管制造中的作用有： （1）在短時間內提高管內的真空度，有利 于縮短排氣時間； （2）吸除封離后管內剩余氣體及器件在工 作時處于高溫狀態(tài)下各部件所放出的氣體； （3）吸除器件啟動和反常工作時的突發(fā)性 放氣，以保證器件內良好的真空狀態(tài)，延 長使用壽命，提高器件可靠性。 4.4.2.2 太陽能保溫水箱的生產 保溫水箱是儲存熱水的容器。通過集熱管 采集的熱水必須通過保溫水箱儲存，防止 熱量損失。太陽能熱水器的容量是指熱水 器中可以使用的水容量，不包括真空管中 不能使用的容量。對承壓式太陽能熱水器， 其容量指可發(fā)生熱交換的

42、介質容量。 太陽能熱水器保溫水箱由內膽、保溫層、 水箱外殼三部分組成。水箱內膽是儲存熱 水的重要部分，其材料的強度和耐腐蝕性 至關重要，市場上有不銹鋼、搪瓷等材質； 保溫層材料的好壞直接關系著保溫效果， 在寒冷季節(jié)尤其重要，目前較好的保溫方 式是聚氨酯整體發(fā)泡工藝保溫；外殼一般 為彩鋼板、鍍鋁鋅板或不銹鋼板。保溫水 箱要求保溫效果好，耐腐蝕，水質清潔。 1水箱的結構原理 （1）外循環(huán)圓柱形水箱 上下循環(huán)管及進出氣管如圖 4-30 所示。下循環(huán)管要 靠近水箱一端的下方，緊靠水箱底壁；上循環(huán)管放置 于下循環(huán)管相對于另一端上方、大于水箱直徑的 2/3 處。進、出氣管位于上循環(huán)管的上方，緊靠水箱上壁，

43、 也可將進出氣管安放于水箱上部中間位置。 自然循環(huán)分離式水箱的容水量以每平方米 采光面積 80kg 計算。1m2熱水器水箱尺 寸見表 4-2。 （2）內循環(huán)圓柱形水箱 1m2、2m2循環(huán)水箱的尺寸相同于外循環(huán)水箱，不同 的是循環(huán)管放置位置有所區(qū)別（如圖 4-31 所示）。 下循環(huán)管要緊靠水箱底壁，使箱內水能全部放完； 上循環(huán)管的上口要處于水箱直徑的 2/3 處。下循環(huán) 管、上循環(huán)管之間的距離一定要與熱水器上兩循環(huán) 管間距相等，伸在水箱殼體外面的接管與水平成 40夾角，與其支架斜度相同，以便于安裝。 （3）組合式水箱 按每平方米采光面積配 100kg 水設計水箱容 積，以長方體為好。要先計算好尺

44、寸，用4 號角鋼焊成一個相等尺寸的骨架。如果水箱 容積超過 2 噸以上，需選用 5 號角鋼焊制。 角鋼的夾角向內，沿兩條平行的棱長，間隔 250nm 豎向焊一根角鋼，平面向里，便于 固定玻璃鋼板材。主框架焊起后，需上一次 防銹漆，以防銹蝕。循環(huán)管的放置有兩種方 案供選用，如圖 4-32 所示。循環(huán)管一律用 玻璃鋼制成，管內直徑為 27mm，壁厚 3mm。 2模具的設計與制作 根據(jù)圓形水箱尺寸來設計模具。模具可以用 木材、鐵板等材料制成，如用木料制作選用 泡桐木為好，用車床加工到所需形狀和尺寸。 為了脫模方便，底面需用 12mm 圓鋼制成 一對把手，如圖 4-33 所示。1m2水箱上、 下循環(huán)管

45、模用 16mm 圓鋼，進出氣管用 12mm圓鋼，一律焊成如圖 4-34 所示形狀。 3驗收 （1）直觀方法：詳細察看水箱殼體有無明顯孔洞， 或管子有無松動現(xiàn)象、有無玻纖布纖維外露等，發(fā)現(xiàn) 后都要用玻纖布粘樹脂貼補或刷一層樹脂。 （2）試水方法：將水箱放在 1m 高的支架上，用橡 膠套封死上循環(huán)管，然后接上自來水充水，水滿后用 手堵住排氣管，不讓水溢出，加大壓力，觀察漏否。 如漏，畫下記號，待修復。 （3）補漏方法：將試過漏水的水箱放在陽光下曬干 水氣，剪稍大一點的玻纖布粘上樹脂貼上兩層，固化 后即可交付使用。圓形水箱四周需包裹巖棉，裝入鍍 鋅鐵皮桶內。長方體水箱同樣四周要包上巖棉作保溫 層，外

46、面再用鐵板作保護層。也可以在巖棉外包上 3 層塑料薄膜，然后再包兩層 04 玻纖布，上而用氯丁 橡膠防水涂料涂抹兩次，效果也比較好。 4.4.2.3 支架、連接管道、控制部件的生產 支架是支撐集熱器與保溫水箱的架子，要求 結構牢固、穩(wěn)定性高、抗風雪、耐老化、不 生銹。材質一般為不銹鋼、鋁合金或鋼材噴 塑。 連接管道是平板熱水器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 器的管道，使整套系統(tǒng)形成一個閉合的環(huán)路。 設計合理、連接正確的循環(huán)管道對太陽能系 統(tǒng)是否能達到最佳工作狀態(tài)至關重要。太陽 能熱水器至用戶端也使用連接管道。熱水管 道必須做保溫處理。 4.5 太陽熱水器的安裝與維護

47、 4.5.1 太陽熱水器的安裝 太陽能熱水器的性能與安裝質量有較大關 系。太陽能熱水器一般安裝在建筑物的屋 面并向南（陽臺壁掛式太陽能熱水器安裝 在建筑南側立面并有一定傾角），地腳要 固定，必要時要拉固定繩索，如在建筑物 最高處，還要將太陽能熱水器與建筑避雷 系統(tǒng)連接。 直插式真空管要用肥皂水潤滑， 保證玻璃管與密封圈貼合良好。管道連接 要順暢，盡量減少直角彎頭，不要使用軟 管，如水箱為上排氣的，排氣孔不能直接 向上，要安裝三通變?yōu)閭扰艢?，防止雨?侵入，尤其是防止冰雪堵塞造成水箱吸癟。 帶電加熱的太陽能熱水器，要保證熱水器 接地良好，不得將控制器的三腳插頭改成 兩腳插頭，否則有危險。太陽能熱

48、水器安 裝后，要進行上水，檢查是否漏水，啟動 控制功能，檢查是否正常。太陽能熱水器 若有問題，一般在使用初期就能發(fā)現(xiàn)。 太陽能熱水器的安裝簡圖如圖 4-35 所示。 在安裝之前先要確認場地尺寸是否滿足需 求，安裝位置是否離室內最近，最好保證 進出水管垂直走線，盡可能不要采用彎頭 來變向，另外一定要水平放置。位置選好 以后就可以開始安裝了。 安裝步驟中有以下幾個重要部分。 1安裝支架部分 （1）選擇安裝位置一般為安裝在屋頂，坐 北朝南，正向南偏西 510，保證無陽 光遮擋。盡量減少入戶管線，增加日照時間。 用指南針找到正南位置，做好標記。為了減 少熱量散失，整個系統(tǒng)應盡量放在避風口； 為保證系統(tǒng)

49、效率，連接管路應盡可能短，集 熱器、水箱直接放在浴室頂上或其他用熱水 的場所，盡量避免分得太散，對自然循環(huán)式 這一點格外重要。 （2）組裝支架按照組裝支架圖 4-36，安 裝時要先把前片（斜梁、方盒、方盒支撐、 地腳、前水平撐、前斜撐）和后片（后立 腿、后水平撐、后水平梁、后斜撐）組裝 在一起。用扳手上緊螺絲，扭力適當，無 松動即可。然后安裝前后片的側斜撐，作 用是起到結構上的加固作用。 支架安裝完以后要固定。一般的固定方法是用沖 擊鉆打孔，然后釘入拉爆（就是膨脹螺釘），上 緊螺釘，讓拉爆里面撐開卡住鉆孔。注意：支架 連接完畢后，先不急于將螺釘堅固，需待水箱、 真空管安裝完畢后方可全部堅固。

50、2安裝水箱部分 水箱的高度要比入戶的高度高 12m。 水箱抬到支架組件的水箱托架上后（如圖 4-37所示），將水箱下部的連接螺栓插進 水箱托架的連接孔內并帶上螺母，但不要 擰死，還要調節(jié)角度安裝真空管。水箱內 真空管口處固定好隨機帶的內置硅膠圈， 并均勻涂抹含洗潔精的水潤滑。調整水箱， 使水箱和真空管托架上的真空管孔同心。 最后，鎖緊螺母。 3安裝真空管部分 安插真空管前先檢查保溫層水箱內膽上套著 的密封硅膠圈是否安裝到位，檢查真空管工 藝尾角是否破損，檢查涂層透明度，檢查管 口是否有加工毛刺，檢查圓度。把真空管外 密封膠圈套入真空管，用肥皂水充分浸濕管 口。右手把握真空管的尾端，一是為了保護 工藝尾角，二是便于插管用力。垂直管口方 向插入真空管，用力均勻輕旋推入水箱，插 入后退回管座。如圖 4-38 所示。 注意：帶管路連接完畢，檢 驗無漏水現(xiàn)象后，把真空管 外密封膠圈推至水箱連接處 底部，密封嚴密；在晴天安 裝時，應用紙、布或其他遮 陽物品遮擋真空管，避免陽 光直接照射，直到水箱上水， 以免真空管空曬后突然上水 損壞真空管。 4接冷熱水管部分 要求進出水口纏生膠帶，然后上好管件， 連接太陽能專用管道。進出水口高度比入 戶高度高 12m。管道外側用厚