太陽能熱水系統(tǒng)分類及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

應(yīng)《中國太陽能工程》雜志編輯部邀請(qǐng)及廣大太陽能從業(yè)人員的要求，本人把在全國太陽能熱利用培訓(xùn)講課的內(nèi)容整理出來，主要目的是和廣大太陽能熱利用設(shè)計(jì)人員和施工人員分享太陽能熱水工程設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，為更多的太陽能熱水系統(tǒng)從業(yè)人員提供有限的幫助。本文分五期連載，分別是一、太陽能熱水系統(tǒng)的分類和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比；二、太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算；三、太陽能熱水系統(tǒng)輔助能源及控制；四、太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算；五、太陽能熱水系統(tǒng)施工、調(diào)試和運(yùn)行。 　　1太陽熱水系統(tǒng)的分類 　　太陽能熱水系統(tǒng)由四部分組成：集熱部分、儲(chǔ)熱部分、用熱部分、控制和輔助部分，根據(jù)這四部分的不同組合和集熱系統(tǒng)的不同運(yùn)行方式進(jìn)行分類，表1是太陽能熱水系統(tǒng)分類。 　　1.1 按太陽熱水系統(tǒng)的集熱系統(tǒng)與儲(chǔ)熱水箱換熱方式分類 　　可分為：直接式熱水系統(tǒng)（一次循環(huán)系統(tǒng)）和間接式熱水系統(tǒng)（二次循環(huán)系統(tǒng)）。直接式熱水系統(tǒng)是指在太陽能集熱器中直接加熱儲(chǔ)熱水箱中的水；間接式熱水系統(tǒng)是指在太陽能集熱器加熱某種傳熱工質(zhì)，再利用該傳熱工質(zhì)通過熱交換器加熱儲(chǔ)熱水箱中的水。 　　1.2 根據(jù)太陽能集熱器與儲(chǔ)熱水箱間集熱循環(huán)方式分類 　　可分為：直流系統(tǒng)、自然循環(huán)系統(tǒng)和強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。 　　直流式系統(tǒng)傳熱工質(zhì)一次通過集熱器加熱后，便進(jìn)入儲(chǔ)水箱或用熱水處非循環(huán)太陽熱水系統(tǒng)，儲(chǔ)水箱的作用僅為儲(chǔ)存集熱器所排放的熱水。直流式系統(tǒng)一般可采用機(jī)械式控溫控閥或電控溫控器控制方式，直流式系統(tǒng)都是直接系統(tǒng)。 　　自然循環(huán)系統(tǒng)是指利用傳熱工質(zhì)內(nèi)部的溫度梯度產(chǎn)生的密度差所形成的自然對(duì)流進(jìn)行循環(huán)的太陽能熱水系統(tǒng)。在自然循環(huán)系統(tǒng)中，為了保證必要的熱虹吸壓頭，儲(chǔ)水箱應(yīng)高于太陽能集熱器上部，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不需要附加動(dòng)力，屬于直接式太陽能熱水系統(tǒng)。 　　強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)是利用機(jī)械設(shè)備等外部動(dòng)力迫使傳熱工質(zhì)通過太陽能集熱器進(jìn)行循環(huán)加熱的太陽能熱水系統(tǒng)，它可以是直接式系統(tǒng)也可以是間接式系統(tǒng)。 　　1.3按太陽能集熱器中工質(zhì)是否承壓(是否和大氣相通)分類 　　可分為：開式集熱太陽能熱水系統(tǒng)和閉式集熱太陽能熱水系統(tǒng)。 　　1.4按有無輔助熱源分類 　　可分為：有輔助熱源太陽能熱水系統(tǒng)和無輔助熱源太陽能熱水系統(tǒng)。 　　有輔助熱源太陽能熱水系統(tǒng)是指太陽能和其他水加熱設(shè)備聯(lián)合使用提供熱水，在沒有太陽能時(shí)，僅依靠系統(tǒng)配備的其他能源的水加熱設(shè)備也能提供建筑物所需熱水的系統(tǒng)。隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)生活熱水的供應(yīng)質(zhì)量要求越來越高，輔助熱源已經(jīng)是太陽能熱水必不可少的部分；無輔助熱源太陽能熱水系統(tǒng)是指僅依靠太陽能來提供熱水的系統(tǒng)。 　　1.5根據(jù)熱水使用情況分類 　　可分為：間歇供熱水太陽能熱水系統(tǒng)和連續(xù)供熱水太陽能熱水系統(tǒng)。 　　間歇供熱水太陽能熱水系統(tǒng)主要供應(yīng)那些定時(shí)用熱水的單位，例如部隊(duì)、學(xué)校、工廠等；連續(xù)供熱水太陽能熱水系統(tǒng)指那些24小時(shí)連續(xù)使用熱水的系統(tǒng)，例如醫(yī)院、賓館、酒店、生產(chǎn)線等。 　　2各種強(qiáng)制循環(huán)熱水系統(tǒng)的組成與特點(diǎn) 　　2.1開式集熱器和開式水箱組成的直接熱水系統(tǒng) 　　圖1和圖2是開式集熱器和開式水箱強(qiáng)制循環(huán)直接熱水系統(tǒng)工作原理圖，它們的集熱器和水箱都是和大氣連通非承壓的，集熱器中流過的工質(zhì)是儲(chǔ)熱水箱中的熱水，可以直接用做生活熱水。兩者的區(qū)別是圖1所示系統(tǒng)中的輔助能源是通過內(nèi)置在太陽能儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的盤管換熱器來給水箱中的水加熱，這樣可以提高輔助加熱裝置的壽命（輔助加熱裝置中的水可以是經(jīng)過軟化的水），圖2所示系統(tǒng)是輔助能源直接給儲(chǔ)熱水箱中的水加熱。 　　2.2開式集熱器和開式水箱組成的間接熱水系統(tǒng) 　　圖3 和圖4是開式集熱器和開式水箱強(qiáng)制循環(huán)間接熱水系統(tǒng)，它們的集熱器和水箱是和大氣連通非承壓的，集熱器中流過的工質(zhì)可以是經(jīng)過軟化的軟化水，通過補(bǔ)水箱保證集熱器的水是滿水狀態(tài)，集熱器的水被太陽加熱后通過循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)后經(jīng)過預(yù)置在水箱中的換熱器把水箱中的水加熱，換熱器也可以是外置式的，見圖5，圖6 是圖5 的改進(jìn)形式，輔助能源也可以通過板式換熱器對(duì)水箱進(jìn)行加熱。 　　圖3和圖4所示系統(tǒng)兩者的區(qū)別是圖3所示系統(tǒng)中的輔助能源是通過內(nèi)置在水箱內(nèi)的盤管換熱器來給水箱中的水加熱，圖4所示系統(tǒng)是輔助能源直接給儲(chǔ)熱水箱中的水加熱。而圖6所示系統(tǒng)是采用板換給水箱間接加熱。 　　2.3閉式集熱器和閉式水箱組成的直接熱水系統(tǒng) 　　圖7和圖8 是閉式集熱器和閉式水箱強(qiáng)制循環(huán)直接熱水系統(tǒng)，它們的集熱器和水箱都不和大氣連通是承壓的，集熱器中流過的工質(zhì)就是儲(chǔ)熱水箱中的水，儲(chǔ)熱水箱既用來儲(chǔ)熱也作為系統(tǒng)的膨脹水箱，當(dāng)水溫升高，水的密度變小，體積膨脹時(shí)儲(chǔ)熱水箱間接起到膨脹水箱的作用。兩者的區(qū)別是圖7所示系統(tǒng)中的輔助能源是通過內(nèi)置在水箱內(nèi)的盤管換熱器來給水箱中的水加熱，圖8所示系統(tǒng)是輔助能源直接給儲(chǔ)熱水箱中的水加熱。 　　2.4閉式集熱器和閉式水箱組成的間接熱水系統(tǒng) 　　圖9和圖10是閉式集熱器和閉式水箱強(qiáng)制循環(huán)間接熱水系統(tǒng)，它們的集熱器和水箱都不和大氣連通是承壓的，太陽能集熱器中流過的工質(zhì)可以是經(jīng)過軟化的軟化水，也可以是低冰點(diǎn)高沸點(diǎn)的其他工質(zhì)。太陽能集熱器中的工質(zhì)被太陽加熱后通過循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)后經(jīng)過預(yù)置在水箱中的換熱器把水箱中的水加熱，換熱器也可以是外置式的，見圖11。兩者的區(qū)別是圖9所示系統(tǒng)中的輔助能源是通過內(nèi)置在水箱內(nèi)的盤管換熱器來給水箱中的水加熱，圖10所示系統(tǒng)是輔助能源直接給儲(chǔ)熱水箱中的水加熱。 　　2.5閉式集熱器和開式水箱組成的間接熱水系統(tǒng) 　　閉式集熱器和閉式水箱組成的間接熱水系統(tǒng)的水箱系統(tǒng)造價(jià)比較高，為降低系統(tǒng)造價(jià)我們可以利用閉式集熱器和開式水箱組成間接式熱水系統(tǒng)。圖12和圖13是系統(tǒng)原理圖。 　　圖12 和圖13 的所示系統(tǒng)是圖9 和圖10 所示系統(tǒng)的改進(jìn)，它們的集熱部分和換熱部分的工作原理完全相同，只是水箱不同，圖9和圖10所示系統(tǒng)的水箱是承壓閉式系統(tǒng)，圖12 和圖13所示系統(tǒng)的水箱是非承壓開式系統(tǒng)。 　　從以上強(qiáng)制循環(huán)熱水系統(tǒng)的組成形式我們可以看出，不同形式的集熱器系統(tǒng)（開式系統(tǒng)或閉式系統(tǒng)）、不同的儲(chǔ)熱水箱(開式非承壓水箱和閉式承壓水箱、單盤管水箱、雙盤管水箱)都可以組成不同的熱水系統(tǒng)，一切要根據(jù)實(shí)際出發(fā)，只要能滿足系統(tǒng)使用要求，最簡(jiǎn)單的配置才是最好的系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)造價(jià)低廉而且安裝及系統(tǒng)維護(hù)都方便。 　　3三種不同傳熱工質(zhì)流動(dòng)方式太陽能熱水系統(tǒng)的比較 　　3.1 直流式系統(tǒng) 　　直流式系統(tǒng)運(yùn)行原理如圖14所示，其結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠，如果我們能控制好系統(tǒng)流量，就可以保證流進(jìn)水箱的是滿足使用溫度要求的熱水。這種系統(tǒng)安全可靠，造價(jià)低廉，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，而且儲(chǔ)熱水箱內(nèi)始終有滿足使用要求的熱水，這種系統(tǒng)稱為定溫放水系統(tǒng)。 　　3.2自然循環(huán)型太陽能熱水系統(tǒng) 　　自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)一般可分為兩種類型：純粹自然循環(huán)式和自然循環(huán)定溫放水形式，圖15所示是純粹自然循環(huán)式，圖16所示是自然循環(huán)定溫放水式。自然循環(huán)加定溫放水式是自然循環(huán)式熱水系統(tǒng)的改進(jìn)，它把自然循環(huán)系統(tǒng)的儲(chǔ)熱水箱分成兩個(gè)水箱，用來集熱循環(huán)的水箱體積較小，比較容易加熱，待該小水箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)再放到大水箱中，它的大水箱中一直是熱水。 　　3.3強(qiáng)制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng) 　　強(qiáng)制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行原理圖如17所示，自來水加入到儲(chǔ)熱水箱中，當(dāng)集熱器頂部溫度比水箱內(nèi)水溫度高一定值時(shí)啟動(dòng)循環(huán)泵把水箱內(nèi)的熱水循環(huán)到集熱器中把集熱器中的熱水循環(huán)進(jìn)水箱，如此往復(fù)就把水箱中的水加熱了，這種加熱方式也稱為溫差循環(huán)。 　　3.4三種太陽熱水系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較 　　三種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表2，從表中比較我們可以看出應(yīng)盡量選用直流式（定溫放水）工作方式，盡量少采用或不用強(qiáng)制循環(huán)模式（溫差循環(huán)模式）。 　　3.5熱水系統(tǒng)改進(jìn) 　　為提高太陽能熱水系統(tǒng)的可靠性，保證24小時(shí)有滿足使用溫度要求的太陽能熱水供應(yīng)，上述三種模式都不能滿足使用要求，要對(duì)他們進(jìn)行改進(jìn)，圖18 是改進(jìn)后的太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行原理。該系統(tǒng)包括定溫放水（直流式系統(tǒng)）和溫差循環(huán)（強(qiáng)制循環(huán)）兩種工作方式，還包括輔助能源系統(tǒng)。 　　其工作原理是： 　?。?）當(dāng)光照充足而水箱內(nèi)尚未儲(chǔ)滿熱水時(shí)，系統(tǒng)為定溫出水運(yùn)行，當(dāng)集熱器出口溫度T2（溫度傳感器2）達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)打開電磁閥E1，自來水進(jìn)入管路，把高溫水頂入水箱，當(dāng)出口溫度T2低于設(shè)定溫度時(shí)，控制系統(tǒng)關(guān)閉電磁閥E1，太陽能集熱器吸收太陽熱量?jī)?chǔ)存于集熱器內(nèi)水中，使水溫繼續(xù)升高；如此往復(fù)循環(huán)。 　?。?）當(dāng)水箱內(nèi)水位達(dá)到設(shè)定位置時(shí)（水箱已滿）或水箱內(nèi)水溫低于使用溫度T3時(shí)，這是系統(tǒng)處于溫差循環(huán)工作模式，當(dāng)集熱器內(nèi)水溫不水箱中水溫高一定值時(shí)控制系統(tǒng)打開循環(huán)泵P1，儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水和集熱器中水行進(jìn)溫差循環(huán)，當(dāng)水箱內(nèi)水溫和集熱器水溫接近時(shí)停止循環(huán)泵P1。 　?。?）冬天集熱器和管道內(nèi)水溫度T2 降低到一定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)打開水泵P1將水箱呢?zé)崴h(huán)進(jìn)太陽能集熱器和循環(huán)管道對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行防凍保護(hù)。 　?。?）在用水過程中系統(tǒng)通過熱水管道和管道泵P3，把熱水通過管網(wǎng)送到用戶的各個(gè)用水點(diǎn)，如P3為變頻控制可以實(shí)現(xiàn)恒壓供水。打開電磁閥E3,可實(shí)現(xiàn)管道的定溫循環(huán)。 　?。?）當(dāng)供熱水系統(tǒng)為恒壓供水時(shí)，可以很容易實(shí)現(xiàn)熱水管路管路循環(huán)功能，當(dāng)供熱水管路末端溫度T4低于設(shè)定值時(shí)打開電磁閥E3，管路壓力降低，循環(huán)泵自動(dòng)啟動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)熱水管路的的定溫循環(huán)。 　　（6）陰雨天氣太陽能不能滿足熱水供應(yīng)時(shí)輔助能源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)的加熱，保證有熱水供應(yīng)。（北京海林太陽能設(shè)備有限公司常務(wù)副總經(jīng)理 竇建清）