摘要：眾所周知，太陽(yáng)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(qiáng)對(duì)太陽(yáng)能資源的開發(fā)和利用，使其更好地為人類服務(wù)。太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)就是對(duì)太陽(yáng)能資源合理利用的實(shí)例。太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)具有節(jié)能、使用方便、無(wú)污染、經(jīng)濟(jì)效益明顯等優(yōu)勢(shì)，而成為主要的太陽(yáng)能應(yīng)用形式。因此在目前節(jié)能減排的大形勢(shì)下研究太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很大的意義。本文歸納了太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并重點(diǎn)介紹了集熱系統(tǒng)、輔熱系統(tǒng)及安全防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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

　　一、太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)概述

　　太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能集熱器，收集太陽(yáng)輻射能把水加熱的一種裝置，是目前太陽(yáng)能應(yīng)用發(fā)展中最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值、記住最成熟且已商業(yè)化的一項(xiàng)應(yīng)用產(chǎn)品。太陽(yáng)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(yáng)能熱水器、強(qiáng)制循環(huán)式太陽(yáng)能熱水器、儲(chǔ)置式太陽(yáng)能熱水器三種。太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、保溫水箱、連接管路和控制中心組成。太陽(yáng)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(shí)數(shù)每年在1200小時(shí)以上，太陽(yáng)輻射量每年在3500焦每平方米以上，能夠保證太陽(yáng)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(shí)的日照，并且保證系統(tǒng)的安裝不會(huì)對(duì)鄰近建筑的日照構(gòu)成遮擋。

　　二、太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

　　(一)節(jié)能環(huán)保

　　采用豐富的自然可再生資源——太陽(yáng)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(duì)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(yáng)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(jì)、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(jiǎn)單方便

　　技術(shù)先進(jìn)，功能完善，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠采用先進(jìn)的智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)，配置完善的功能設(shè)施和安全設(shè)施，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)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(dá)到能源的充分利用。

　　三、太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　(一)集熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1、系統(tǒng)規(guī)模設(shè)計(jì)

　　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(chǔ)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(shí)。可以鄰近幾幢或單幢為一個(gè)小系統(tǒng)，且通過增設(shè)站室便可實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。

　　2、加熱系統(tǒng)的選擇

　　太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)有間接式和直接式兩種，直接式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)又可分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)式，而強(qiáng)制循環(huán)式太陽(yáng)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(diǎn)，具體比較如下：

　　間接式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)包括集熱器和用戶熱水兩個(gè)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(yáng)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(dāng)水溫達(dá)不到要求時(shí)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(wú)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(wú)須專人看護(hù)，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(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是: 水箱可置于室內(nèi)，水泵連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)工況穩(wěn)定，初次投資較省。由于水泵運(yùn)行與日照、集熱器水溫?zé)o關(guān)，常常在日照較弱的情況下運(yùn)行水泵，造成無(wú)效運(yùn)行，浪費(fèi)電能，使系統(tǒng)運(yùn)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(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)增設(shè)了水泵運(yùn)行控制儀，該系統(tǒng)避免了水泵無(wú)效運(yùn)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(shí)運(yùn)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(qiáng)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(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng);使用間接系統(tǒng)時(shí)應(yīng)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

　　3、集熱器的選型

　　目前國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)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(jià)格低、承壓高，且耐熱沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，但在室外氣溫較低時(shí)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(qiáng)。

　　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(shí), 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(dāng)不能滿足要求時(shí)，應(yīng)加大集熱器的采光面積。

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

　　(3)順坡屋面安裝時(shí)，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(shí)，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(jì)

　　1、計(jì)算輔熱設(shè)備負(fù)荷

　　依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)于太陽(yáng)能集中供應(yīng)熱水工程輔熱設(shè)備負(fù)荷的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)不考慮太陽(yáng)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?xì)忮仩t、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(duì)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(shí)行低谷用電時(shí)段的地區(qū)，不宜采用;由于柴油鍋爐的污染大及制熱水費(fèi)用高，不宜采用;在天然氣充足且價(jià)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(guó)得以迅速發(fā)展，其利用電力驅(qū)動(dòng), 從空氣中獲取能量, 具有環(huán)保且低費(fèi)用的優(yōu)勢(shì), 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(jì)

　　太陽(yáng)能集中供應(yīng)熱水工程設(shè)計(jì)中，防高溫、防爆安全措施是十分重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。通常情況下，包括如下幾方面設(shè)計(jì)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(dāng)提升系統(tǒng)內(nèi)部的壓力;

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

　　第三，采用遮陽(yáng)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(jì)

　　對(duì)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(jì)過程當(dāng)中，應(yīng)就防凍問題進(jìn)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(jìn)行。其中，倒循環(huán)這種方法較為簡(jiǎn)單，也比較常用，但存在耗電的缺點(diǎn)，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(lái)緩解這一問題。

　　結(jié)語(yǔ)

　　充分利用太陽(yáng)能這一無(wú)污染永不枯竭的資源，是將來(lái)世界能源發(fā)展的趨勢(shì)。隨著人們環(huán)境意識(shí)的提高, 太陽(yáng)能的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛, 特別是太陽(yáng)能熱水器已經(jīng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶, 而大型太陽(yáng)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(shí)利用太陽(yáng)能的實(shí)例，但也應(yīng)看到在太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yáng)能資源的優(yōu)勢(shì)來(lái)造福人類。

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　　本文選自《中國(guó)科技博覽》。  《中國(guó)科技博覽》雜志是國(guó)務(wù)院國(guó)有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)（國(guó)資委）主管，中國(guó)包裝總公司主辦的國(guó)家級(jí)學(xué)術(shù)期刊。國(guó)內(nèi)刊號(hào)：CN11-4450/T，國(guó)際刊號(hào)：ISSN1009-914X。