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1、1,太阳能利用技术,王一平 天津大学化工学院,2015-3-26,2,课件下载说明,为避免课后排队拷课件和电脑病毒问题，课件会在上课当天上传至天津大学网络教育平台（http:/ 2.3太阳能热水器与热水系统,4,主要内容：,1.家用太阳能热水器 2.太阳能热水系统 3.太阳能热水系统的设计 4.我国太阳能热水器发展和现状,5,太阳能热水器定义,利用温室原理，将太阳的能量转变为热能，并向水传递热量，从而获得热水的装置。 按照GB/T18713和NY/T513，储热水箱的容水量在0.6t以下为家用太阳能热水器，大于0.6t则称为太阳能热水系统或太阳能热水工程。,6,1.家用太阳能热水器,（1）太阳
2、能热水器的组成结构太阳能集热器，储热装置，循环管路和辅助装置。集热器作用：吸收太阳辐射能并向工质(水)传递热量。,7,储热装置作用：储热装置(水箱)是太阳能热水器储存热水并减少向周围环境散热的装置。,8,循环管路作用：循环管路的作用是连接集热器和储热装置，使之形成循环加热系统。,9,辅助装置：诸如支架、水位显示器、温度控制器、循环水泵、各种管件接头、夹具、阀门、辅助热源装置(如加热器)等，都是辅助装置，它们的作用是辅助太阳能热水器正常运行，是不可缺少的零部件。,10,（2）太阳热水器的分类,闷晒式太阳热水器 紧凑型平板式太阳热水器 紧凑型全玻璃真空管式太阳热水器 紧凑型热管真空管式太阳热水器,
3、11,（a）闷晒式太阳能热水器,闷晒式热水器把集热器和储热装置(水箱)合为一体，是一种既集热又储热的热水装置。优点：结构简单，使用可靠。 特点：集热器与水箱合二为一，冷热水 的循环和流动在水箱内部进行。 缺点：保温效果差，热量损失大。,单筒式热水器,12,分类：,塑料袋式热水器,池式热水器,筒式热水器,13,（b）紧凑型平板式太阳能热水器,集热器采用平板型集热器。 集热器与水箱结合紧密，上下循环管很短，不仅省料，而且减少了管道的热损失。 水箱前侧板对太阳光还起到反射作用，增强射入盖板的太阳辐射量。 水箱容水量取决于集热采光面积，常规产品是1-4m2 。,14,（c）紧凑型全玻璃真空管式,集热器
4、采用全玻璃真空管。 真空管集热下方分有反射板和无反射板两种。 集热管与水箱内胆连接用硅橡胶密封圈，以防水的渗漏。 集热管与水箱外壳连接则采用抗老化橡胶或塑料密封圈，防止或减少对流散热。 使用寿命应在10年以上。,15,结构,16,循环原理,17,（d）紧凑型热管真空管热水器,17,集热器采用热管真空管 管内不走水，不结垢，可随时上水 寿命主要取决于热管的长期稳定工作,18,平板与真空管热水器对比分析,19,2.太阳能热水系统,热水系统的分类 自然循环系统 强制循环系统 直流式循环系统,20,（1）太阳能热水系统分类,按系统运行方式分类： a)自然循环系统 b)强制循环系统 c)直流式系统,21
5、,按生活热水与集热器内传热工质的关系分类：,a) 直接系统 b) 间接系统,22,按集热与供热水范围分类：,a)集中供热水系统 b)集中分散供热水系统 c)分散供热水系统,23,按辅助能源加热设备安装位置分类：,a)内置加热系统辅助能源加热设备安装在太阳热水系统的贮水箱内； b)外置加热系统辅助能源加热设备不是安装在贮水箱内，而是安装在太阳热水系统的供热水管路上或贮水箱旁。,24,按辅助能源启动方式分类：,a)全日自动启动系统始终自动启动辅助能源加热设备，确保可以全天24小时供应热水； b)定时自动启动系统定时自动启动辅助能源加热设备，从而可以定时供应热水； c)按需手动启动系统根据用户需要，
6、随时手动启动辅助能源加热设备。,25,太阳热水系统设计选用表,26,(2)自然循环系统,系统依靠集热器与蓄水箱的水温不同产生的密度差进行循环，水箱中的水经过集热器被不断加热。,27,优点：结构简单，运行安全可靠，不需要循环水泵等。 缺点：为了防止系统中热水倒流和维持热虹吸压头，蓄水箱必须置于集热器的上方。,28,28,自然循环定温放水系统,循环热水箱只起系统循环的功能，因此容量可以很小，贮热水箱可以放置在任意方便的较低位置。,29,缺点： 系统的工作可靠性很大程度上取决于电磁阀和温度控制器的工作质量。 系统增设了水箱和控制设备，较为复杂。,30,30,（3）强制循环系统,在集热器和贮水箱之间管
7、路上设置水泵，作系统中的水循环动力。 系统中设有控制装置，根据集热器出口与贮水箱之间水的温差控制水泵运转。 在水泵入口处，装止回阀，防止夜间系统中发生水倒流而引起热损失。,（a）直接加热系统,31,31,在大型强制循环式太阳热水系统中，为了防冻有时采用设置换热器的双回路系统。 这种系统由于换热器存在传热温差，系统效率降低。,（b）间接加热系统,32,32,（4）直流式系统,直流式，指水一次通过集热器就被加热到所需的温度，所以又称一次式。 它是一种开式太阳热水系统。 分为热虹吸式和定温放水式两种。,33,33,（a）热虹吸式,集热器受到阳光照射，水温升高，在系统中形成热虹吸压力。 早晨太阳升起一
8、段时间以后，在贮水箱中便可收集到热水。 这种虹吸型直流式太阳热水系统的流量具有自动调节功能，但供水温度不能按用户要求自行调节。,34,（b）定温放水型,系统在集热器出口处安装测温元件，通过温度控制器，控制安装在集热器入口管道上的电动阀的开度，达到根据温度调节水流量，使出口水温始终保持恒定。 这种系统不用补给水箱，补给水管直接与自来水管连接。系统运行的可靠性，同样决定于电动阀和控制器的工作质量。,35,35,（c）直流式系统的优点,由于系统的补冷水由自来水直接供给，自来水具有一定的压头，保证了系统的水循环动力。因此系统中不需设置水泵。 贮水箱可以因地制宜地放在室内，既减轻了屋顶载荷，也有利于贮水
9、箱保温，减少热损失。 完全避免了热水与集热器入口冷水的掺混。,36,36,可以取消补给水箱。 阴天只要有一段见晴的时刻.就可得到一定量的适用热水。 便于实现冬季夜间系统放空防冻。 可用热水时间比自然循环式要早。,37,37,3.太阳能热水系统的设计,38,38,（1）太阳热水系统的防冻,太阳热水系统中的集热器及其置于室外的管道，在严冬季节常常因积存在其中的水结冰膨胀而胀裂损坏，尤其是高纬度寒冷地区。必须从技术上考虑太阳热水系统的“越冬”防冻措施。,39,目前常用的防冻措施:选用热管式集热器或全玻璃真空管集热器。 防冻液作集热器传热工质的双循环系统。 设计落水式强制循环系统 设计贮水箱内的热水在
10、夜间形成自动循环系统。 采用集热器及其管道中的存水自动排空系统。 在集热管的下联箱和室外管道上敷设电热条。,40,40,（a）自然循环式双回路太阳热水系统,系统中的换热器浸没在贮水箱的下部。换热器的两端与集热器的进出口直接相连，构成自然循环回路。 根据经验，换热器的最佳换热面积与集热器采光面积的比值约为0.40.6。若第一回路充以一定量的低沸点工质，则该比值可降低至0.3左右。,41,41,（b）落水式强制循环系统,循环水泵安装位置必须低于贮水箱的液面，系统最高点处设置通大气阀。 当夜晚水泵停止工作后，控制器联动开启通大气阀，这时集热器和管路中的水，由于重力作用全部返回贮水箱。,42,在集热器
11、吸热体下部埋设温度敏感元件，接至控制器，温度降至一定温度，开启放空阀和通大气阀，将集热器和室外管道中的水排放。 此系统适用于非严寒地区偶尔排放或压力式太阳热水系统。,（c）自动排空式防冻系统,43,（d）贮水箱中热水再循环式防冻系统,在集热器吸热体下部埋设温度敏感元件，接至控制器。当集热器内温度接近冻结温度时，控制器开启水泵，将贮水箱内热水送往集热器，集热器温度升高至设定温度时，控制器断开电源，水泵停止。 此系统适用于偶尔发生冰冻的非严寒地区或压力式热水系统。,44,44,（2）太阳热水系统的设计,集热器面积小于50m2的小型太阳热水系统，若房屋结构允许承重，宜采用自然循环式。 集热器面积大于
12、100m2以上的大型太阳热水系统，宜首先考虑用强制循环式。因为大型太阳热水系统的贮水箱容量大。若选用自然循环式，在房屋结构承重高架和保温方面，技术上会带来不少麻烦，经济上也不尽合理。,（a）系统形式选择建议,45,45,对希望能尽早得到热水使用的用户，系统容量不大，通常都在50m2以下，可选用直流式系统。最简单的直流式系统，甚至可不用电磁阀，直接采用手动控制阀门。 严寒地区，必须在系统上加设防冻装置。在强制循环系统中，首先考虑采用落水式排空防冻系统，这是最简单可靠的防冻措施。,46,（b）集热器的选择,全年使用的太阳热水系统，应选择高性能的太阳集热器，具体有全玻璃真空管太阳集热器和热管式真空管
13、太阳集热器，或者选择性涂层、双层透明盖板平板太阳集热器，如用于严寒地区，系统必须设有防冻措施。春、夏、秋三季使用的太阳热水系统，一般采用单层透明盖板，普通黑漆图层的平板太阳集热器。,47,47,(c)集热器安装倾角的确定,式中：S集热器的安装倾角；当地地理纬度。 若系统在春、夏、秋季使用， S = -100 ； 若系统全年使用， S = +100,48,48,(d)太阳集热器前后不遮阳的最小距离,49,49,(e)集热器连接方式,50,自然循环系统的集热器应尽可能采用并联方式； 强制循环系统的集热器可采用并联、串联和混联方式； 采用并联方式连接时，各组集热器数量应相同，可是各组的流量要均衡；
14、集热器的进口和出口必须是呈对角线位置安排。,51,51,(f)蓄水箱容积的确定,日平均出水量是按年平均计算的，考虑到夏季产热水量要多，故需要蓄水箱的容积有足够的余量，一般按日平均出水量的120-130%设计。,52,52,(g)直接系统总面积的确定,53,53,(h)间接系统总面积的确定,54,54,提供100 升热水量的集热器面积推荐选用表,55,55,(3)投资可行性分析,太阳能热水器的投资约为1000元/m2(不锈钢水箱、铝合金外壳、铜铝复合板芯) 使用寿命为15年以上，投资回收年限15年。,56,56,1平方米太阳能热水器的对比节能和回收期的情况,57,4.我国太阳能热水器发展和现状,
15、20世纪70-80年代，由于国家经济发展落后，人民生活水平较低，居民多用闷晒式太阳热水器（汽油桶式、汽车油箱式等）。存在效率低，散热快，储水量少，冬季无法使用等缺点。 20世纪8090年代，在国家相关部门支持和领导下，北京太阳能研究所开始从事太阳能热利用的研究，早期开发以平板式太阳能热水器为主。 1984年，清华大学发明“磁控溅射渐变铝氮/铝太阳选择性吸收涂层”，使太阳能集热管的大规模生产和商业化应用成为可能。,58,1996年以前，太阳能热水器产品以平板型为主，占70%以上。 1996年以后，真空管型太阳能热水器成为市场主导产品，占90%以上。 2000年后，太阳能行业进入高速发展时期。 2
16、002年，力诺瑞特推出了与建筑完美结合的分体式太阳能，太阳能与建筑一体化也成为了行业的热点；太阳能不再局限在提供家庭生活热水，还将为现有的采暖、制冷设备提供中高温辅助能源。,59,2004年，太阳雨将中国的真空管太阳能产品第一次带出国门； 之后中国太阳能热水器产业蓬勃发展，至2014年，我国太阳能集热系统保有量达到4.14亿平方米，占全世界总量的70%。,60,60,太阳热水器与其它热水器比较,61,61,太阳能与煤、燃油、燃气、电锅炉性能对比,62,我国热水器使用情况,63,63,至2015年，我国家庭住宅太阳能热水器普及率达到2030，太阳能热水器的总保有量达到2.32亿m2。 可节约标准煤3016万吨，减排二氧化碳2189.6万吨。,64,64,太阳能热水器不同产品结构使用情况,我国,世界,65,65,平板集热器技术发展方向,
