連排別墅分體承壓太陽能熱水系統的設計

連瑞瑞 錢瑩

【摘要】在太陽能的熱利用中，太陽能熱水器是發展最快的產業。本文對連排別墅太陽能熱水系統進行設計，依據分戶集熱、儲水、使用的模式，采用分體承壓直接或間接加熱，選用電加熱作為輔助熱源，實現太陽能系統的自動運行;根據建筑形式選擇集熱器的類型和放置位置，實現太陽能與與建筑的完美結合。

【關鍵詞】太陽能;輔助熱源;熱管真空管;熱水系統

1.引言

太陽能熱水器在太陽能的熱利用中，是發展最快、應用最廣的一項產業。對于別墅而言，一般采用分體承壓式太陽能熱水器系統。本文針對連排別墅，設計出雙循環的分離式承壓熱水系統。采用平板型太陽能集熱器，太陽集熱器嵌入到坡屋頂內，貯熱水箱放置在閣樓上，以便于實現太陽能集熱器與坡屋面房頂的協調性。

2.別墅型分體承壓太陽能熱水系統的設計

別墅型分體承壓太陽能熱水系統，采用太陽能作為主要熱源加熱水，將集熱器與儲水箱分開，通過工質的強制循環將太陽集熱器吸收太陽光而得到的熱量傳輸到儲水箱，從而得到熱水（熱量）。該熱水系統由太陽能集熱器、貯熱水箱、控制站、管道和附件等部分組成。

2.1 太陽能集熱器

2.1.1 太陽能集熱器的類型選擇

按照集熱器的結構不同，太陽能集熱器的類型主要有平板集熱器、真空管集熱器、熱管真空管集熱器。

表1-1 集熱器類型的比較

選用要素 集熱器類型

平板型 全玻璃真空管型 金屬-玻璃真空管型

集熱效率 低 中 高

運行方式 承壓、非承壓 非承壓 承壓、非承壓

與建筑外觀結合程度 好 一般 較好

易損程度 低 高 中

價格 低 中 高

通過比較，可以看出平板集熱器易于與各種建筑形式結合，且春、夏、秋三季效率高，但冬季效率低。真空管集熱器在零下25℃條件下，仍可產生熱水，可一年四季使用，且冬季利用太陽能的效率最高，但存在不能承受高壓，易出現炸管漏水等問題。熱管集熱器解決了全玻璃真空管集熱器易出現炸管漏水的缺點，冬季效率高，但不易與建筑結合。考慮到平板集熱器易于與建筑坡面協調，在本系統中我們選擇平板型太陽能集熱器。

2.1.2 太陽能集熱器安裝傾角的確定

太陽集熱器應放置在朝南的坡面上，最佳的安裝傾角應該根據熱水的使用季節和當地的地理位置確定。

一般全年使用時

（1-1）

式中：——太陽集熱器安裝傾角;

——當地的地理緯度。

查得鄭州地區的緯度是34o;則在夏季使用時=34o-10o;在冬季使用時=34o+10o。

2.1.3 用戶日需熱量的計算

假定3～5口人的家庭日用水量為M=100L，用水溫度為50℃左右，水箱出水溫度為20℃，C=4.184KJ/Kg，則一般用戶所需熱量

Q=CM△t=CM（T2-T1） ? ? ? ? ? ? ? （1-2）

C――水的比熱容;M――一般用戶的日用水量;△T――水箱進出口的溫差;T2――水箱供水溫度;T1――水箱出水溫度;

已知C=4.184KJ/Kg，M=100Kg，T2=50℃，T1=20℃

則根據公式（1-2）Q=4.184×100×（50-20）=12552KJ。

通過計算可知每噸熱水所需熱負荷，如表1-2所示：

表1-2 每噸熱水所需熱負荷

季節 要求水溫 基礎水溫 溫升 所需熱負荷

夏季 50℃ 20℃ 30℃ 125.4KJ

春秋季 50℃ 15℃ 35℃ 146.3KJ

冬季 50℃ 10℃ 40℃ 167.2KJ

2.2 水箱選擇及其放置位置確定

水箱是太陽能熱水器的主要部件之一，是用于貯存冷熱水的容器，它是無味、無毒，有一定的結構強度和良好保溫性能的裝置。

本設計采用光芒內置式強制循環分體內膽搪瓷水箱。水箱內膽為鋼板外涂金圭搪瓷，外用全聚氨酯發泡保溫。對于200L水箱，水箱上部電加熱功率按2KW/220V設計，下部電加熱功率按2KW或3.8KW/220V設計。

一般情況下，水箱可以放置在地下室、設備間、衛生間、廚房、陽臺、閣樓等位置。本設計將水箱放置在閣樓內。

2.3 輔助加熱系統

太陽能受氣候因素的影響很大，在雨雪天幾乎不能使用，因此，它是一種不穩定的能源。在使用時，必須增加水加熱設備，才能保證的熱水穩定供應。這種水加熱設備常被稱之為“輔助熱源”。輔助熱源的種類繁多，選擇時，應該考慮根據環境因素、使用的方便性等因素，優先考慮環境保護和節約能源。對已經設有集中供熱、空調系統的建筑，輔助加熱系統應與供熱、空調熱源系統匹配。

3.別墅型分體承壓太陽能熱水系統工作原理

目前，別墅型太陽能熱水系統的加熱方式，一般采用分體承壓二次回路。這種加熱方式的優點是：穩定、可靠、方便。分體承壓二次回路系統種類繁多，需根據別墅的熱水供應特點以及每種類型優缺點選擇。本設計采用太陽能與電加熱相結合的形式——水箱上下部雙電加熱和外置換熱器分體承壓二次回路太陽能系統。

3.1 結構示意圖

圖2-1 水箱上下部雙電加熱和外置換熱器結構示意圖

3.2 工作原理

太陽能集熱器--水箱上下部的換熱盤管--循環管路--循環水泵等構成了一個循環回路。當太陽能集熱器吸收太陽光后，集熱器內的傳熱介質被加熱升溫，然后通過水泵的作用流動到水箱下部的換熱盤管內，從而加熱水箱下部的水;下部的水升高后，自動上升到水箱上部，而水箱上部的冷水自動下沉的水箱下部。如此循環，太陽能逐步將水箱內的水全部加熱。

當陰雨天氣，太陽能不足時，上部的電加熱自動啟動，將水箱上部的水加熱到需要的溫度。為了保證24小時連續熱水供應，需要水箱上部的電加熱一直處在工作狀態，直到將水箱上部水加熱到需要的溫度后才自動停止。

4.別墅型分體承壓太陽能熱水系統的分析

在別墅上采用分體承壓熱水系統，具有以下特點：

（1）優先利用太陽能，自動控制系統溫度

該系統配置的控制器會定時檢測水箱下部溫度，當太陽能不足或用水量過多，導致熱水器下部溫度過低時，系統將自動啟動下部電加熱，使其達到設定溫度后又自動停止。

（2）保證雨雪天氣時熱水的充足供應

該分體承壓太陽熱水系統，在水箱的上下部分別設置了電輔助加熱。在雨雪天氣，太陽能不充足時，水箱上部的電加熱輔助系統就會自動啟動。當水箱上部的水溫達到設定值時，上部電加熱自動停止，這樣可以保證熱水的充足供應。

（3）采用微電腦溫差自動控制器，實現全自動化、智能化

采用溫差控制方式，當太陽集熱器內的介質溫度高于儲熱水箱內的溫度時，循環水泵才會自動運轉;反之，則自動停止。避免了循環泵水泵無意義的運轉帶來的電能浪費。

除具有溫差控制功能外，微電腦控制器還具有時間、溫度、日期、區間、壓力等多種自動控制和設定功能。真正實現全自動化控制。

微電腦控制器還具有太陽能產熱量自動記錄、計算、存儲、智能判斷提示等功能，并可以與電腦相連，實現數據信息存儲。

（4）采用分體設計，便于實現與建筑的完美結合

采用分體設計，將儲熱水箱和太陽能集熱器分開。儲熱水箱放置在室內，如：儲藏間、地下室、衛生間等位置，這樣方便維護，密封保溫，熱量損失明顯減少;太陽能集熱器放在室外，顯得輕巧、美觀，并且易與各種建筑形式相結合，還可將將太陽集熱器作為建筑的一個構件（如墻體）。

（5）采用雙回路的運行方式

在冬季結冰的北方地區，采用雙回路系統，太陽能集熱器循環介質是防凍液。它不結冰、不結垢，防凍液在金屬管內循環，一般也不會出現泄露問題。因此太陽能系統運行可靠，這種系統避免了普通太陽熱水系統炸管、漏水、結冰凍裂、結垢堵塞等問題。

5.結論與展望

當前，太陽能熱水器的使用量越來越多，與建筑的結合越來越緊密。太陽能在制冷、發電等方面，也得到了較快的發展。但是，我國太陽熱水器的普及率較發達國家差距較大，這就需要各界人士的不斷努力，逐步實現太陽熱水器與建筑的完美結合，使太陽能熱水器在建筑節能方面做出更大的貢獻，壯大太陽能行業的發展。

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