前言
大型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在賓館、飯店、公共浴池、商品住宅等建筑中開(kāi)始應(yīng)用。事實(shí)上，太陽(yáng)能熱水器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在不少問(wèn)題，如系統(tǒng)選擇不當(dāng)造成運(yùn)行效率低，寒冷地區(qū)冬季系統(tǒng)發(fā)生冰凍現(xiàn)象，太陽(yáng)能集熱器選型不當(dāng)造成系統(tǒng)冬季無(wú)法運(yùn)行，太陽(yáng)能集熱器連接不當(dāng)造成系統(tǒng)運(yùn)行不平衡、效率降低、太陽(yáng)能集熱器壽命減少等。因此，有必要就大型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)型式的選擇、太陽(yáng)能集熱器的選型及連接方式、熱水系統(tǒng)的防凍等問(wèn)題進(jìn)行探討。
1系統(tǒng)型式的選擇
太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)有間接式（見(jiàn)圖1）和直接式2種，直接式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)又可分為自然循環(huán)式（見(jiàn)圖2）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（見(jiàn)圖3）和間歇式（見(jiàn)圖4）兩種。
間接式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)包括太陽(yáng)能集熱器和用戶(hù)熱水兩個(gè)子系統(tǒng)，并通過(guò)換熱器相連。太陽(yáng)能集熱器子系統(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(guò)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(hù)。該系統(tǒng)室外部分所用工質(zhì)為防凍液，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(yōu)。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，且位置高于太陽(yáng)能集熱器。循環(huán)水在太陽(yáng)能集熱器中被加熱，通過(guò)自然循環(huán)回到水箱，自來(lái)水頂出水箱中的熱水，經(jīng)輔助熱源(水溫不達(dá)要求時(shí))送往用戶(hù)。該系統(tǒng)不用水泵(不耗電)，無(wú)須專(zhuān)人看護(hù)，投資小但水箱需高架(受安裝環(huán)境限制)，抗凍性能差，一般適于非冰凍地區(qū)使用，且系統(tǒng)不能過(guò)大，集熱面積通常在30m2以下。
連續(xù)式強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)的水箱水在水泵作用下送往太陽(yáng)能集熱器中加熱，而后回到水箱。冷水將水箱中的熱水頂出，經(jīng)輔助熱源（溫度達(dá)不到要求時(shí)）送往用戶(hù)。該系統(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，初次投資較低。
由于水泵運(yùn)行與日照、太陽(yáng)能集熱器水溫?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，當(dāng)太陽(yáng)輻照度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，光敏探頭將信號(hào)傳給控制儀，控制儀啟動(dòng)水泵，讓水箱中水進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器中加熱；當(dāng)太陽(yáng)輻照度低于一定數(shù)值時(shí)，光敏探頭將信號(hào)傳給光控儀，通知其停泵。
水泵的啟停也可以通過(guò)測(cè)量溫度來(lái)控制，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，開(kāi)啟水泵，系統(tǒng)水循環(huán)；當(dāng)溫度低于另一預(yù)定值時(shí)則停泵。
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(guò)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(yú)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(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。
2太陽(yáng)能集熱器的選型
目前國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能集熱器主要有平板型太陽(yáng)能集熱器，全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器、熱管真空管太陽(yáng)能集熱器等。
平板型太陽(yáng)能集熱器（見(jiàn)圖5）在20世紀(jì)70年代就已生產(chǎn)，具有集熱快、價(jià)格低、承壓高、耐熱沖擊性能好等特點(diǎn)。在氣溫高、日照好的地區(qū)熱效率較高，在室外氣溫較低時(shí)的熱損失大而熱效率低。此外，這種太陽(yáng)能集熱器工作溫度低、不耐冰凍。
全玻璃真空性管太陽(yáng)能集熱器（見(jiàn)圖6）的全年熱效率高，其成本、耐冰凍、夜間保溫性能介于熱管太陽(yáng)能集熱器和平板太陽(yáng)能集熱器之間，承壓能力較低，耐熱沖擊能力較差，空曬系統(tǒng)注入冷水后有可能炸裂真空管，系統(tǒng)可靠性較差(一根管子破裂，整個(gè)系統(tǒng)需停用檢修)，玻璃管內(nèi)易結(jié)垢，難清理。
熱管真空管太陽(yáng)能集熱器（見(jiàn)圖7）的全年熱效率也較高，三者之中價(jià)格也最高，但其承壓能力大，一般可承壓980kPa；耐熱沖擊性能好，因真空管內(nèi)不走水，即使空曬時(shí)上水也不會(huì)使玻璃管炸裂；耐冰凍，即使冬季長(zhǎng)時(shí)間無(wú)晴天及在夜間的嚴(yán)寒條件下，真空管也不會(huì)凍裂；夜間熱損失小，熱管具有單向傳熱的特點(diǎn)，不會(huì)像前兩種太陽(yáng)能集熱器一樣產(chǎn)生夜間通過(guò)太陽(yáng)能集熱器散熱的熱倒流現(xiàn)象；玻璃管內(nèi)不會(huì)結(jié)垢；系統(tǒng)工作可靠性強(qiáng)，即使有玻璃管破損，系統(tǒng)仍可繼續(xù)工作。
根據(jù)以上分析：在非冰凍地區(qū)可優(yōu)先采用平板型太陽(yáng)能集熱器；在寒冷地區(qū)的大面積熱水系統(tǒng)可優(yōu)先采用熱管真空管太陽(yáng)能集熱器；在寒冷地區(qū)大面積使用全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器時(shí)，應(yīng)采取措施提高其承壓和抗熱沖擊能力。
3太陽(yáng)能集熱器連接方式的確定
太陽(yáng)能集熱器的連接方式有串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)等。串聯(lián)方式不存在阻力平衡問(wèn)題，但串聯(lián)過(guò)多太陽(yáng)能集熱器會(huì)使熱效率降低、壓降也會(huì)增加；并聯(lián)方式壓降較小，效率較高，但并聯(lián)太陽(yáng)能集熱器過(guò)多，阻力不宜平衡；串并聯(lián)方式如果應(yīng)用得當(dāng)，可以匯集前兩者之優(yōu)點(diǎn)，使效果達(dá)到最佳。
根據(jù)以上分析：設(shè)計(jì)中應(yīng)因地制宜采用串并聯(lián)方式。
4熱水系統(tǒng)的防凍
寒冷地區(qū)大型熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮防凍問(wèn)題。最可靠的防凍方法是采用間接式系統(tǒng)，它以防凍液為工質(zhì)，系統(tǒng)完全不會(huì)凍結(jié)，但這種方式由于初投資高、效率低，在我國(guó)采用的不多。現(xiàn)就常用的電熱、排空、定溫再循環(huán)方式進(jìn)行探討。排空防凍系統(tǒng)如圖8所示。
當(dāng)T1＜4℃時(shí)，溫控儀打開(kāi)閥門(mén)V1，排空室外管路中的水以防上凍。閥門(mén)V1無(wú)電時(shí)長(zhǎng)開(kāi)，以便停電時(shí)也可泄水。這種防凍系統(tǒng)不耗電，如果各個(gè)部件保持完好，防凍也是可靠的，但要求室外管路有向下的傾斜度，安裝要求較高；同時(shí)，如果有一個(gè)部件失靈就可能導(dǎo)致防凍失敗，如某個(gè)閥門(mén)凍結(jié)、排氣口或真空開(kāi)關(guān)因雪堵塞、管路彎曲都可能導(dǎo)致系統(tǒng)凍壞。
當(dāng)T1＜4℃時(shí)，溫控儀啟動(dòng)水泵將熱水從水箱泵入室外管路進(jìn)行防凍循環(huán)。這種防凍方式可靠，但需消耗一定的電能。
電熱防凍是在系統(tǒng)管路上纏上電熱帶，當(dāng)T1＜4℃時(shí)，進(jìn)行電加熱。這種方式在寒冷地區(qū)為了防凍所耗的電能往往超過(guò)太陽(yáng)能所得到的收益。
根據(jù)以上分析：電熱防凍在嚴(yán)寒地區(qū)不適合使用，應(yīng)優(yōu)先采用定溫再循環(huán)或排空防凍系統(tǒng)，采用排空防凍系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須保證室外系統(tǒng)中的水能排空。
5小結(jié)
5.1熱水系統(tǒng)的選擇應(yīng)綜合考慮用戶(hù)特征、氣候特征、運(yùn)行效率、造價(jià)等因素，如游泳池、魚(yú)塘用水可優(yōu)先采用連續(xù)強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)；賓館客房用水可優(yōu)先選用間歇式強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。
5.2太陽(yáng)能集熱器的選用應(yīng)注意抗凍性能、抗熱沖擊能力、承壓能力等因素，如平板型太陽(yáng)能集熱器不宜在寒冷地區(qū)使用；嚴(yán)寒地區(qū)大型熱水系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先采用熱管真空管太陽(yáng)能集熱器。
5.3太陽(yáng)能集熱器連接應(yīng)因地制宜地綜合應(yīng)用串并聯(lián)方式，使水流達(dá)到平衡。
5.4寒冷地區(qū)應(yīng)采用可靠的防凍方式，如定溫循環(huán)或排空防凍。
參考文獻(xiàn)
1中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB50364-2005）2005-12-05發(fā)布，民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范
2中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（CB／T18713－2002）太陽(yáng)熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范
