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1、第6章 太阳能热水系统,太阳能热水器通常是由集热器、储热水箱、循环管路、阀门及其控制元件等主要元部件所组成。根据需要还可以加配辅助能源（如电热器），以供没有日照时使用。若系统采用强迫循环，还得有水泵等配置部件。太阳能热水器是太阳能热利用中用得最多、最广泛的装置。,太阳能热水器不仅可提供生活和生产用的热水，还可作为暖房、干燥、蒸馏，甚至制冷及热机的热源。,太阳热水器的存储热水的量在0.6t以下为家用太阳热水器，0.6t以上则为太阳热水系统或太阳热水工程。,1891年美国马兰里州的肯普发明第一台太阳能热水器。,我国自从1958年研制出第一台热水器后，经过四十多年的努力，我国太能热水器产销量均占世界
2、首位。,根据集热温度和结构：低温集热（+（10-20）；中温集热（+（20-40）；中高温集热（+（40-70）；高温集热（+（70-120）,（-室外温度）。,太阳能热水器的分类多种多样，不必拘泥于一种形式,太阳热水器由集热器、储热水箱、循环水泵、管道、支架、控制系统及 相关部件等组成。,集热器与储水箱结合方式：一体的为闷晒热水器；紧密结合为整体热水器；分离的为分离热水器。,根据集热工质循环特点：自然循环热水器；强迫循环热水器；直流热水器。,根据工质循环次数：一次循环热水器（单回路循环）；二次循环热水器（双回路循环）。,根据集热器的材料：金属；玻璃；塑料,根据热水使用时间：季节性、全年性、全
3、天候热水器,6.1 太阳能热水器的种类,太阳能热水器有非循环和循环型两大类。,一、非循环型热水器,1.开放型 在木箱内壁上贴黑塑料布或涂黑色涂料以吸收太阳辐射，并防止漏水，箱中装水，盖上玻璃后即成。它的尺寸约90cm180cm（面积约2m2），水深10-18cm，每日约可加热200kg水，早上加满水，下午取用。此种热水器主要优点是价廉，但箱中常有杂物或藻类，需经常洗刷。2.薄膜型热水器 它与开放型热水器类似，可完全用塑料制成，或用木料做框，上覆透明塑料。它长约2m，宽约1.2米，深10cm，上有通气孔。日本一家公司年产10万台这种热水器以供农村使用。使用寿命2-3年，易漏水，效率低，但价格便宜
4、，冬天最高水温达35-45，夏天可达60。,3.密闭型 密闭型热水器是将水加在金属（铜、不锈钢、铝、铁）或非金属（塑料、玻璃）圆形或波形管内接受太阳辐射，水在其中并不流动，管本身兼做储水装置使用。它通常由直径0.1-0.15m，长1.8m，管壁厚度1.2-1.6mm的6-8根管子组成，涂黑后放在带玻璃面盖的箱体内，箱体与地面倾斜成某角度。大多数装水容量约180kg左右。 此外，有一种利用直径0.34m，长2m铁管（厚1mm）装水约180kg，管内涂环氧树脂以防腐蚀，放在0.8mm厚表面贴铝箔的反射器上，太阳辐射经反射面反射到加热管表面将水加热。,非循环型热水器的突出优点是价格低廉，但由于水不流
5、动，效率较低。这类热水器很受日本农民欢迎。,闷晒式热水器：特点是水在集热器中不流动，闷在其中受热升温，故称闷晒式。这种热水器结构十分简单，当集热器中的水温升高到一定值时即可放水使用。,二、循环型热水器,1.自然循环式,这种型式的热水器，其储水箱置于集热器上方。水在集热器中由于太阳辐射而被加热，温度上升，形成集热器及储水箱中水温不同。由于密度差而引起浮升力，产生热虹吸现象，使水在储水箱及集热器中作自然流动。由于密度差的关系，水流量与集热器的太阳能吸收量成正比。此种型式因不需循环水，维护甚为简单，故已被广泛采用。,自然循环热水器除了上面介绍的特点外，还存在一些缺点。,（1）储箱一般都高于集热器。如
6、果集热器安装在用户的屋顶上，则储箱也必须在屋顶上露天放置。这就要求储箱有很好的保温性能，以防热量散失。即使在保温以后，由于储箱的周边面积很大，当室外温度很低或风速较高时，散热量仍相当可观。,（2）储箱一般较重，以10m2集热器配置1m3的储箱计算，一个几十平方米的集热器，其储箱就有好几顿重。如果热水装置安装在屋顶上，由于储箱与集热器均具有相当的重量，这就要求屋顶上有足够的荷重能力。,（3）水在集热器中受热后进入储箱顶部。由于箱顶的热水与箱下部的冷水之间存在温差，通过掺混与导热，不可避免地有热量要传给箱下部的冷水，结果使热水温度降低，推迟了用水时间。,为了克服上述缺点，提出了另一布置方式。冷水由
7、补给水箱流入集热器，在集热器升温后立即流入储水箱，因而并不形成循环。仿照直流式锅炉的名称，称为直流式热水系统。,2.自然循环定温放水系统,这类热水器由容积小的循环水箱与集热器组成循环回路。当水箱上部水温升高到预定界限时，置于水箱的电接点温度计发出讯号，通过继电器打开出水管上的电磁阀，将热水存于储水箱内。同时循环水箱内有冷水补入，当水温低于规定界限时，电磁阀关闭。这样周而复始地向储水箱中输送恒定温度的热水供使用。,该系统的优点是：位于集热器上部的热水箱只具有循环的功能，而让安放在较低位置的储水箱去储存热水。这样，容易使水温提高到所要求的温度，因而能充分利用日照较强阶段的太阳辐射来增加热水产量，这
8、就意味着提高了系统的热效率。缺点是：系统中增加了电磁阀，工作可靠性不如自然循环，而且还增加了一个循环水箱。,采用定温放水及小的循环水箱加快了热水的循环，提高了热效率，并可多产热水。另一方面用水又需要一定压头，使蓄水箱的位置高低受到很大限制，也限制了该热水系统的使用。,3.直流式系统,这种系统为开式、一次流动系统。冷水（自来水）直接进入集热器，其流量由装在集热器出口处的电接点温度计通过控制器操作水泵或电磁阀来控制，以维持出口热水的温度在所需界限内，根据集热器水温要求来调节流量，使出口水温始终保持一定。这种系统具有自然循环定温放水系统的优点，同时还去掉了一个循环水箱，是屋顶楼面负荷大为减轻。直流式
9、系统是我国科学家首先开创研究的，在国际上有较大影响。,热虹吸型直流式热水系统的补给水位由浮球阀控制，使之与集热器出口热水管（上升管）的最高位置一致。,直流式和自然循环式相比，具有明显的优点。,（1）储箱可以低于集热器，不需要把储箱放置在屋顶上。屋顶上仅需安装一个由浮球阀控制的补给水箱（它实际相当于一个抽水马桶水箱），大大减轻了屋顶的承载重量。,（2）储箱可以安装在室内，减少了水箱对外界的热损失，对储箱保温的要求也可相应降低。,（3）通过控制流量可控制集热器出口的水温。由于不存在与冷水掺混的问题，进入储箱的热水一般已可使用，能比自然循环式更早供应热水。对连续用水（一天中随时取用热水）的情况而言，
10、这种系统更有意义。不仅如此，对直流式来说，较差的天气条件（例如全天多云或上午晴天下午转阴），只会影响所得热水的数量，不会影响热水的水温。而在同样差的天气条件下，自然循环式储箱中的热水却可能因为水温过低而失去使用价值。,（4）对于连续用水，储箱的容积可大大减小，因而节省了钢材和投资费用。,4.强迫循环式,这种热水器利用水泵使水在集热器与储水箱之间循环。当集热器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置启动水泵使水流动。水泵入口处装有止回阀，以防止夜间水由集热器逆流，引起热损失。这种型式热水器的流量已知（由水泵流量定），容易预测性能。加热水量一定时，在同样设计条件下，较自然循环式可得到较高温度的
11、水，但是必须采用水泵。这样就会存在水泵电耗、维护（如漏水等）以及控制装置失灵等问题。因此，除大型热水器或需要较高水温时采用强迫循环外，大多都采用自然循环或直流式热水器。,大型太阳能热水系统,泵浦循环,与电热或瓦斯或燃油锅炉搭配,宿舍一樓,宿舍二樓,宿舍三樓,由于太阳光照射到地面的强度，受昼夜、阴晴、季节的影响，因此获取的太阳能源是不稳定、不连续的，为了保证全天候24小时供应热水的需求，采用太阳能供热系统时还应增设辅助能源（电热锅炉、燃气锅炉、城市集中供热源）。,太阳能集中供热系统=太阳能+辅助能源+电脑智能控制,太阳能集热器 收集太阳光热转变成热水；目前常用的是真空玻璃管，其根数多少取决于产生
12、热水的温度的高低和日产热水的多少。循环水箱 与太阳能集热器相连接，利用循环水泵将水在太阳能集热器中不断循环加热，当水温达到设定温度后放出到保温贮水箱中；循环水箱有水位探测、排气和自动补水装置；保温贮水箱 与循环水箱、辅助能源和用户热水管网相连接，将循环水箱送来的热水保温贮存并由用户循环水泵向热水管网提供热水；辅助能源 当从太阳能集热器获得的热水温度不能满足需求时，利用辅助能源对从太阳能集热器获得的热水进一步加热，以满足需求；辅助能源可以是气源热泵、燃气锅炉、燃油锅炉、电锅炉等；智能控制 这里的控制有三层含意：一是根据热水设定的温度和需要量，自动控制太阳能集热器与循环水箱中的水处于循环状态，由于
13、不断吸收太阳光热能，使水温逐渐升高；二是自动调整用户供水管网压力，实现向用户系统提供恒压供水；三是当热水温度不能满是要求时，自动启动辅助能源将热水进一步加热；,太阳能集中供热的特点：,安全可靠：太阳能集中供热系统，以太阳能为主要能源，辅以其他能源，稳定性好，自动化程度高，具有多重保护功能； 环保节能：以太阳能作为主要能源，无公害、无污染，按每m2每天产生100kg50 的热水折算，每年可节约750公斤标准煤； 方便实用：太阳能供热系统，实现自动补水、自动辅助加热、自动循环，一经程序设定，自动运行可无人值守。 适应性强：根据不同区域、不同建筑、不同用户需求“ 量身定制”，不但适用于宾馆酒店、住宅
14、小区、医院、学校、游泳馆、沐浴中心以及工矿企业等一切需要提供热水的场所。 使用寿命长， 运行、维护费用低：太阳能集热器使用寿命长达15年以上；运行安全可靠、自动化程度高，可实现无人值守全智能控制。,太阳能热水系统运行费用分析,太阳能集中供热系统与电锅炉、燃油炉、天然气锅炉的运行费用，作如下粗略估算：,水的定压比热容，单位kJ/(kg) 。应取4.186kJ/(kg )=1kcal/(kg )电的热值：860 kcal/kwh；设备热效率：90%； 单价：1.00 元kwh；柴油热值：10200 kcal/kg；设备热效率：80 %；单价：4.5 元kg；天然气热值：8500 kcal/m3；设
15、备热效率：85%；单价：2.3 元m3；,热负荷计算式：,式中： Q 平均小时热负荷，kcal； L 每天用水量，L/d； Tr 热水温度，；55-70，取60； T1 冷水计算温度，；5-15，取15； C 水的定压比热容，4.186kJ(kg)； 水的密度，取1000kgm3。,每用10的冷水，产生一吨60热水耗能50000kcal；用电锅炉时，耗电：64.6kwh，费用：64.6元；用柴油锅炉时，耗柴油：6.13kg，费用：27.6元；用天燃气锅炉时，耗天然气：6.92m3，费用：15.9元； 由以上分析可见，用太阳能热水供应系统，其社会效益和经济效益十分明显，以300m2太阳能集热器日
16、产60热水20吨为例，每年按太阳可直接利用300天，产生60热水6000吨，其投资约30万元，若用天然气锅炉，每年耗气41522.5m3，9.5502万元；若用电热锅炉，每年耗电387600kwh，38.76万元；一般在2-3年可全部收回投资，以寿命10年计算，可获得7-8年的净收益。,由上式可见：,6.2 集热器串装后的性能计算,将多块集热器以并联或串联或并、串联组合等方式连成系统。两块集热器串联后的热性能，一般与单块集热器在试验台上测得的性能不同。这里有两种情况：一是串入的集热器性能本来就不同；二是两块相同集热器串在一起，若串后流速与单块的一样，则单位面积上的质量流率将会减少一半，引起FR变小、性能降低。因此有必要分析集热器串联后的组合性能。,
