摘要：眾所周知，太陽能資源是地球上最清潔的可再生資源，而在目前常規能源短缺的情況下，更應該加強對太陽能資源的開發和利用，使其更好地為人類服務。太陽能熱水供應系統就是對太陽能資源合理利用的實例。太陽能熱水供應系統具有節能、使用方便、無污染、經濟效益明顯等優勢，而成為主要的太陽能應用形式。因此在目前節能減排的大形勢下研究太陽能熱水供應系統的設計具有很大的意義。本文歸納了太陽能熱水供應系統的優點，并重點介紹了集熱系統、輔熱系統及安全防護系統的設計。

　　關鍵詞：太陽能,熱水供應系統,設計,集熱器,輔熱設備

　　一、太陽能熱水供應系統概述

　　太陽能熱水系統是利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能把水加熱的一種裝置，是目前太陽能應用發展中最具經濟價值、記住最成熟且已商業化的一項應用產品。太陽能熱水系統的分類以加熱循環方式可分為：自然循環式太陽能熱水器、強制循環式太陽能熱水器、儲置式太陽能熱水器三種。太陽能熱水供應系統主要由太陽能集熱器、保溫水箱、連接管路和控制中心組成。太陽能熱水供應系統有其相應的適用范圍，安裝地區需滿足日照時數每年在1200小時以上，太陽輻射量每年在3500焦每平方米以上，能夠保證太陽能集中熱水供應系統的建筑安裝部位每天至少4小時的日照，并且保證系統的安裝不會對鄰近建筑的日照構成遮擋。

　　二、太陽能熱水供應系統的優點

　　(一)節能環保

　　采用豐富的自然可再生資源——太陽能，作為房屋建筑集中熱水系統(或采暖用熱水系統)的主要熱源，可減少能源與資源的消耗，減少二氧化碳對空氣的污染。

　　(二)保證工程施工質量，提高工程觀感質量

　　太陽能集中熱水系統與房屋建筑結構統一規劃設計、同步施工，設備、管線設置合理，與結構工程同步施工科學有序，與建筑物協調一致，保證了工程整體施工質量，提高了建筑物的觀感質量。

　　(三)智能化操作，簡單方便

　　技術先進，功能完善，操作簡單，運行安全可靠采用先進的智能化自動控制系統，配置完善的功能設施和安全設施，操作簡單，運行安全可靠。

　　(四)優化資源配置

　　可利用工程現有條件和地方資源優化配置輔助加熱能源，如中央空調系統能源、市政蒸汽管網系統能源等等，達到能源的充分利用。

　　三、太陽能熱水供應系統設計要點

　　(一)集熱系統的設計

　　1、系統規模設計

　　集熱系統的規模不宜過大，集熱器陣列的總出水口同儲熱水箱間的距離應控制在300米范圍內。在小區規模較大時。可以鄰近幾幢或單幢為一個小系統，且通過增設站室便可實現節能的效果。

　　2、加熱系統的選擇

　　太陽能加熱系統有間接式和直接式兩種，直接式太陽能熱水系統又可分為自然循環和強制循環式，而強制循環式太陽能熱水系統又有連續式和間歇式之分。總之，兩種加熱系統各有優缺點，具體比較如下：

　　間接式太陽能熱水系統包括集熱器和用戶熱水兩個子系統，并通過換熱器相連。集熱器子系統一般采用抗凍液作為循環工質。抗凍液在太陽能集熱器中被加熱后，在泵作用下通過換熱器加熱循環水，當水溫達不到要求時則利用輔助熱源加熱至所需溫度送往用戶。該系統室外部分所用工質為防凍液，因此具有可靠的防凍能力，寒冷地區的設備及管路亦無凍裂之憂，但由于需換熱器加熱循環水，故初次投資較大，總的熱效率低。

　　自然循環式熱水系統的水箱位于室外，且高于集熱器。該系統不用水泵(不耗電)，無須專人看護，一次投資省，但水箱需高架(受安裝環境限制)，且抗凍性能差, 一般適于非冰凍地區使用，且系統不能過大，集熱面積通常在30m2以下。

　　連續式強制循環系統的特點是: 水箱可置于室內，水泵連續運行，系統工況穩定，初次投資較省。由于水泵運行與日照、集熱器水溫無關，常常在日照較弱的情況下運行水泵，造成無效運行，浪費電能，使系統運行效率降低。因此，這種系統通常用于加熱游泳池用水。

　　間歇式強制循環系統增設了水泵運行控制儀，該系統避免了水泵無效運行, 節省了電能, 提高了系統熱效率, 但初次投資較大, 同時運行管理要求也高。

　　通過上面的分析可以看出:非寒冷地區的小面積系統可優先采用自然循環式系統;加熱游泳池、魚塘用水可優先采用連續式強制循環系統;賓館、浴池大面積系統可優先采用間歇式強制循環系統;使用間接系統時應經過技術經濟比較。

　　3、集熱器的選型

　　目前國內的太陽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、價格低、承壓高，且耐熱沖擊性能好等優點，但在室外氣溫較低時熱損失較大，不耐冰凍。

　　全玻璃真空管集熱器全年熱效高，但承壓能力低，系統可靠性差，玻璃管內易結垢且難清理。

　　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，系統可靠性較強。

　　根據以上分析, 在非冰凍地區可優先采用平板型集熱器;在寒冷地區的大面積熱水系統可優先采用熱管真空管集熱器;在寒冷地區大面積使用全玻璃真空管集熱器時, 應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°角內擺放。當不能滿足要求時，應加大集熱器的采光面積。

　　(2)全年使用時，集熱器的安裝傾角應與當地緯度一致;偏重于在冬季使用時，傾角應加大至約比當地緯度大10°;偏重于夏天使用時，則應比當地緯度小10°。

　　(3)順坡屋面安裝時，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，集熱器之間的距離應大于日照間距，避免相互遮擋。

　　(二)輔熱設備的設計

　　1、計算輔熱設備負荷

　　依據相關規范要求，對于太陽能集中供應熱水工程輔熱設備負荷的設計，應當不考慮太陽能效用，而將日常所需熱量作為輔助設備作為依據。

　　2、輔助設備選型

　　輔助加熱設備, 根椐常用熱源的不同可分為: 工業廢熱或設備余熱、電熱水鍋爐、柴油鍋爐、燃氣鍋爐、空氣源熱泵等。從節能及環保角度考慮，工業廢熱或設備余熱是理想的輔助熱源，但對絕大多數的住宅建筑而言, 往往不容易獲得;因電加熱的效率低，如非實行低谷用電時段的地區，不宜采用;由于柴油鍋爐的污染大及制熱水費用高，不宜采用;在天然氣充足且價格較低的地區，可考慮以其作為輔助熱源;空氣源熱泵熱水器，近幾年在我國得以迅速發展，其利用電力驅動, 從空氣中獲取能量, 具有環保且低費用的優勢, 是作為輔助加熱設備的較佳選擇,尤其是冬天氣溫較高的南方地區。

　　(三)防過熱、防爆安全設計

　　太陽能集中供應熱水工程設計中，防高溫、防爆安全措施是十分重要的設計內容。通常情況下，包括如下幾方面設計內容：

　　第一，集熱系統的管道上應設放氣器、安全閥、膨脹管。且未降低集中介質損耗，可適當提升系統內部的壓力;

　　第二，設置空氣散熱器，即當集熱器中水溫過高時，利用空氣散熱器來散出熱量，從而防止過熱現象;

　　第三，采用遮陽設備。集熱系統所采用的閥件、管件、管材等應為耐高溫材質，且極熱管上所連接的設備、閥件及密封材料也應為耐高溫材質。

　　(四)防凍安全設計

　　對于北方寒冷地區和存在凍結可能地區，在系統工程設計過程當中，應就防凍問題進行考慮。防凍措施主要包括倒循環、添加防凍劑、排回、排空等，且這些方法各具利弊，其應用過程中應始終圍繞“因地制宜”的原則進行。其中，倒循環這種方法較為簡單，也比較常用，但存在耗電的缺點，可通過集熱管道保溫、降低集熱系統阻力損失、確定合理的傳感器溫度來緩解這一問題。

　　結語

　　充分利用太陽能這一無污染永不枯竭的資源，是將來世界能源發展的趨勢。隨著人們環境意識的提高, 太陽能的應用已經越來越廣泛, 特別是太陽能熱水器已經進入千家萬戶, 而大型太陽能熱水系統也已在賓館、飯店、公共浴池、商品住宅等建筑中開始應用。這是人類有意識利用太陽能的實例，但也應看到在太陽能熱水供應系統的設計和應用中也存在諸多問題。只有采取合理的技術措施將之解決，才能真正發揮太陽能資源的優勢來造福人類。

　　參考文獻

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　　本文選自《中國科技博覽》。  《中國科技博覽》雜志是國務院國有資產監督管理委員會（國資委）主管，中國包裝總公司主辦的國家級學術期刊。國內刊號：CN11-4450/T，國際刊號：ISSN1009-914X。