太陽能熱水器與熱水系統(tǒng)

第三章太陽能熱水器與熱水系統(tǒng)第一節(jié)概述太陽能熱水器是一種利用太陽輻射能通過溫室效應(yīng)把水加熱的裝置。那么，什么是溫室效應(yīng)呢?溫室效應(yīng)是指由于對流、反射損失減少使能量聚積、溫度逐漸升高的一種自然現(xiàn)象。溫室效應(yīng)又稱為熱箱原理，它是通過一個上面蓋有透明玻璃的封閉箱體來實現(xiàn)能量聚積的。太陽光透過玻璃進人箱休內(nèi)，被黑色表吸收，而向外反射和對流的能量受到玻璃和箱體的阻擋，被保存在箱內(nèi)，這樣箱體內(nèi)的能量不斷聚積，溫度不斷升高，甚至可達100℃~200℃。利用聚積的高溫來加熱水，便成為太陽能熱水器。由于太陽能熱水器在運行中不消耗任何常規(guī)能源(煤、電、氣等)，所以有人把它形象地稱為“不燒煤的鍋爐太陽能熱水器不僅可以為家庭提供低溫用熱水(40℃~60℃)，還可以為建筑采暖、制冷和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供所需溫度的熱水。由于太陽能熱水器結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，技術(shù)成熟，具有節(jié)能、無污染等特點，近年來在我國目前我國太陽能熱水器已根本形成從產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計、材料加工、產(chǎn)品制造、檢測認證、工程設(shè)計到營銷效勞的產(chǎn)業(yè)體系。2005年總產(chǎn)量到達1500萬m2，總保有量為7500萬m2。我國已成為名副其實的太陽能熱水器生產(chǎn)和應(yīng)用大國本章側(cè)重于向讀者介紹太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)，太陽能熱水系統(tǒng)的安裝。而對于太陽能熱水器的復(fù)雜傳熱過程不加以討淪。太陽能熱水器一般由集熱器、儲熱裝置、循環(huán)管路和輔助裝置組成?！?〕集熱器集熱器是吸收太陽輻射能并向工質(zhì)(水)傳遞熱量的裝置。它是熱水器的“心臟〞。由于集熱器中的工質(zhì)(水)與遠距離的太陽進行熱交換，所以它又是一種熱交換器根據(jù)收集太陽輻射能的形式，集熱器可分為平板型集熱器、全玻璃真空管型集熱器(含真空管熱管)和聚光型集熱器3種，如圖3-1所示。由圖可知，平板型和全玻璃真空管型太陽能集熱器是指透光面積與收集太陽輻射面積相等的一種太陽能裝置。平板型和全玻璃真空管型太陽能集熱器不僅可以收集太陽的直射輻射，而且還可以收集太陽的散射輻射因此，它一般采用固定安裝。聚光型集熱器是利用拋物柱面或其他方向式將比擬分散的太陽輻射會聚到接收器上，使接收器得到高密度的太陽輻射能，所以聚光型集熱器的接收面往往大于收集面。聚光型集熱器通常用于太陽能熱發(fā)電，為保證連續(xù)運行必須始終跟蹤太陽。(2)儲熱裝置儲熱裝置(水箱)是太陽能熱水器儲存熱水并減少向周圍環(huán)境散熱的裝置。儲熱水箱的根本結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。(3)循環(huán)管路循環(huán)管路的作用是連接集熱器和儲熱裝置，使之形成循環(huán)加熱系統(tǒng)。(4)輔助裝置輔助裝置諸如支架、水位顯示器、溫度控制器、循環(huán)水泵、各種管件接頭、夾具、閥門等，都是使太陽能熱水器正常運行不可缺少的零部件。某些在太陽能熱水器上安裝的輔助熱源裝置(如電加熱器)，作為太陽能熱水器上的一個組成局部，也是輔助裝置。第二節(jié)太陽熱水器的分類及特點國家標(biāo)準《家用太陽能熱水系統(tǒng)熱性能實驗方法》(TB/T18708-2002)將家用太陽能熱水器按7種特征分類，每種特征又分為2~3種。本節(jié)將重點介紹悶曬式、循環(huán)式和直流式3種。一、悶曬式熱水器悶曬式熱水器把集熱器和儲熱裝置(水箱)合為一體，是一種既集熱又儲水的熱水裝置。(1)淺池式熱水器淺池式熱水器象一個淺水池子，如圖3-3所示。淺池壁中間加保溫隔熱材料，池底和四周加防水層并涂上黑色涂料，池頂蓋有透明玻璃并進行密封處理。池內(nèi)水深一般為10~15cm。在池的一側(cè)底部安裝進、出水管口，另一側(cè)距底部10~15cm高處安裝溢流管控制水位。淺池式熱水器的特點是水平放置、結(jié)構(gòu)簡單、本錢低廉、可就地取材，便于安裝和制造。缺點是由于水平放置，在高緯度地區(qū)不能充分利用太陽能；玻璃內(nèi)外表由于水蒸氣的作用，降低了玻璃的透過率，對熱效率有較大影響；此外，池內(nèi)易長青苔，影響水質(zhì)，需定期清洗。針對上述淺池的缺點和缺乏，人們經(jīng)過改良，設(shè)計了一種改良型淺池?zé)崴?，如圖3-4所示。改良型淺池在原有淺池根底上增加了浮動集熱板。浮動集熱板采用銅或鋁箔制作，其上外表涂黑，四周邊在1.5~2cm處折成直角，四角鉚嚴不漏水，以能浮在水面。成型金屬板與淺池內(nèi)面積等大。有的改良型淺池還在正立面和兩個側(cè)面分別裝有外表涂黑的集熱板，以增加集熱效果。改良型淺池?zé)崴鞯闹谱髋c淺池式熱水器根本一樣，其外殼通常用磚和水泥砂漿砌成雙層，中間夾保溫隔熱材料(巖棉、礦渣棉、聚苯發(fā)泡板、鋸末、稻殼、棉花等均可)，殼體內(nèi)外用水泥細砂漿抹平到達不漏水即可。外殼上口用水泥做出安裝玻璃口，殼內(nèi)側(cè)最高處可留一小氣孔，以平衡內(nèi)外氣壓和放出水蒸氣，或安裝溢流管控制水位。裝入輔助吸熱板并固定，放人浮動集熱板，同時連接好出水軟管，最后裝上玻璃蓋板，并用油灰抹平以防漏雨漏氣。改良型淺池?zé)崴饔捎谠黾恿烁蛹療岚搴洼o助吸熱板，效率較淺池式熱水器高20%左右，同時防止了藻類滋生，適合中緯度地區(qū)居住磚混平房的城鄉(xiāng)家庭制作、使用。(2)筒式熱水器如圖3-5所示，是一種全密閉式熱水器。它既可做成單筒或雙筒熱水器，也可以做成多筒式熱水器。此外，還可以根據(jù)不同的材料和工藝做成各種形狀的熱水器，如圖3-6所示。筒式熱水器多采用0.5mm鍍鋅鐵板經(jīng)咬合焊接而成，也有采用塑料、陶瓷制作的。它具有加工工藝簡單、省工省料、本錢低、熱效率高、水質(zhì)清潔衛(wèi)生、適合于工廠化生產(chǎn)等優(yōu)點，是一種典型的悶曬式熱水器。(3)箱式熱水器方箱式熱水器是筒式熱水器的一種變型，如圖3-7所示。這種熱水器多采用0.75~lmm厚鍍鋅鋼板咬口制成，咬口處用錫焊防漏。側(cè)邊設(shè)進出水管口。為防止充水后箱體鼓脹，可事先在鐵皮上滾壓出波紋狀溝糟，以增加強度。外殼和箱體間可充填巖棉或礦渣棉保溫。上述幾種悶曬式熱水器由于其結(jié)構(gòu)簡單，本錢低廉、易于制作，在有條件的地方完全可以就地取材自己動手制作安裝。實際使用說明，一個三口之家用一個采光面積。0.6m2(容水量為60kg)的悶曬式熱水器，即可滿足春、夏、秋三季家庭〔4〕儲熱式真空管集熱器一種商品化的集熱儲熱合一的太陽能集熱裝置。儲熱式真空集熱管主要由吸熱管、內(nèi)插管、外玻璃管等組成，如圖3-8所示。吸熱管內(nèi)儲存水，外外表有選擇性吸收涂層。白天，太陽輻射能被吸熱管吸收轉(zhuǎn)換成熱能，直接加熱吸熱管內(nèi)的水；使用時，冷水通過內(nèi)插管漸漸注入，同時將熱水從吸熱管頂出；夜間，由于真空夾層隔熱，吸熱管內(nèi)的熱水降溫很慢。儲熱式真空集熱管組成的系統(tǒng)主要特點是真空管本身既是集熱器，又是儲水箱，因而由儲熱式真空管組成的熱水器也可稱為真空悶曬式熱水器，不需要附加的儲水箱，特別適合于家庭使用。二、循環(huán)式熱水器循環(huán)式熱水器按水循環(huán)方式分為自然循環(huán)式和強迫循環(huán)式兩種。(1)自然循環(huán)式熱水器自然循環(huán)式熱水器是依靠系統(tǒng)內(nèi)的溫差與壓強差而形成的熱虹吸壓頭使水流動，進而循環(huán)的裝置，如圖3-9所示。其集熱器有平板型、真空管型兩種。自然循環(huán)式熱水器具有熱效率高、運行安個可靠、管理方便、不需任何外部動力等特點。需要注意的是，由于自然循環(huán)式熱水器的壓強差較小，為保證正常運行和防止夜間無輻射時熱水倒循環(huán)，水箱底部必須高于集熱器。常用的家用自然循環(huán)式熱水器多為緊湊式，即集熱器與儲熱水箱直接相連或相鄰。(2)強迫循環(huán)式熱水器如圖3-10所示。它是一種利用外部動力〔水泵〕使水在集熱器和儲熱裝置(水箱)之間進行循環(huán)的熱水裝置。水泵的起動與停止受控于控制裝置。熱水器在運行中當(dāng)集熱器頂部水溫(出口水溫)比水箱底部水溫(進口水溫)高假設(shè)干攝氏度〔人為預(yù)先確定的水溫〕時，控制裝置就起動水泵，使集熱器頂部的熱水流向水箱，水箱底部的冷水流入集熱器。而兩者的溫差低于預(yù)定溫度值時，水泵那么停止工作。這樣斷斷續(xù)續(xù)地循環(huán)，逐漸把水加熱。逆止閥的作用在于防止夜間水逆向流動。強迫循環(huán)式熱水器的特點是由于熱水器依靠水泵循環(huán)，所以水箱不必置于集熱器的上方，這就使整個系統(tǒng)的布置比擬靈活；適用于大中型太陽能熱水器工程和自來水壓力比擬低的地區(qū)采用。缺點是需要消耗一定的電力，假設(shè)停電那么系統(tǒng)無法運行。用于強迫循環(huán)的集熱器有平板型、真空管型等多種，但都要求系統(tǒng)承壓。三、直流型熱水器直流型熱水器也叫一次式熱水器。如圖3-11所示，熱水器上的控制裝置直接控制電動閥并與集熱器上出口的溫度計相連。當(dāng)集熱器內(nèi)的水溫到達一定溫度值后，控制裝置即起動電磁閥，使冷水進人集熱器并將集熱器內(nèi)的熱水頂人蓄水箱中。當(dāng)水溫低于預(yù)定溫度值時，控制裝置關(guān)閉電磁閥，冷水停止流動。在這種運行方式中，因水通過集熱器一次就被加熱到所需溫度，故此而得名。為了增加水在集熱器中的加熱時間，可以將數(shù)臺集熱器串聯(lián)在一起使用。直流型熱水器的特點是取用水方便靈活，特別適用于零星分散用水作業(yè)的場合使用，如理發(fā)館、餐廳、養(yǎng)殖業(yè)用熱水等。采用直流型熱水器運行方式也需要消耗電力。儲熱水箱也不必器于集熱器上方，但必須高于用水位置。第三節(jié)平板型集熱器平板型太陽能集熱器如圖3-12所示，它由吸熱體、透明蓋板、隔熱部件(保溫層)和外殼組成。一、吸熱體平板型集熱器的吸熱體(又稱集熱板或板芯)是集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿鬟f給水的關(guān)鍵部件。太陽輻射能一旦進入集熱器箱體被吸熱體所吸收，就以熱傳導(dǎo)方式將熱量傳遞給水。因此，吸熱體傳導(dǎo)性能的優(yōu)劣直接影響到集熱器效率的上下。在這里，吸熱體導(dǎo)熱性能的優(yōu)劣與其所用材料的導(dǎo)熱性能、結(jié)構(gòu)形式以及所用外表涂料的輻射特性有很大關(guān)系?！?〕吸熱體的結(jié)構(gòu)目前國內(nèi)常用的吸熱體結(jié)構(gòu)有管板式、翼管式、扁盒式、瓦楞式等幾種。圖3-13是幾種典型吸熱體的斷面形狀。吸熱體的結(jié)構(gòu)必須與使用條件、材料、加工工藝以及本錢等因素綜合考慮，從使用條件上看，如用于采暖空調(diào)或工程熱水系統(tǒng)，應(yīng)采用竹板式或翼竹式吸熱體。是因為圓管或近似圓管的結(jié)構(gòu)承壓性能好，能適應(yīng)在泵送條件下工作。家庭洗浴用熱水器的吸熱體由于多在自然循環(huán)狀態(tài)下運行，那么可采用管板式、翼管式、扁盒式、瓦楞式等多種形式。我國平板型太陽能集熱器大多采用全銅管平板式或銅鋁復(fù)合式，熱水器具有壽命長、不生銹、無腐飾、水質(zhì)清潔、熱效率高等優(yōu)點。不管采用何種結(jié)構(gòu)，吸熱體都應(yīng)滿足具有一定的承壓能力、具有，良好的導(dǎo)熱性能及與水的相容性好等要求?！?〕吸熱體的材料一般說來，在通常的溫度范圍內(nèi)，金屬的熱傳導(dǎo)能力很強。而非金屬的熱傳導(dǎo)能力較差。所以，吸熱體多采用金屬材料，表3-1給出了幾種主要吸熱體材料的物理性能。在金屬材料中，銅、鋁的導(dǎo)熱性能又優(yōu)于鋼材，因此，目前國內(nèi)大多數(shù)管板式、翼管式吸熱體大都采用銅、鋁作為吸熱體材料。這里需要說明的是，由于鋁材(尤其是純鋁)易腐蝕，不宜在水中含堿高的地區(qū)作為管材使用。鋼材由于本錢較低，具有較強的抗拉強度，多作為扁盒式、瓦楞式吸熱體的主要材料。(3)吸熱體的外表涂層金屬材料雖然比非金屬材料具有較強的熱傳導(dǎo)性能，但是在通常的溫度下，一般金屬對光的吸收能力低于非金屬，這是因為金屬的反射率高于非金屬。為了降低金屬外表的反射率，提高吸收率，需要在金屬吸熱體外表制備一層黑色涂層，叫做吸熱體的外表涂層。有了這層涂科可以使金屬的光吸收率提高到90%以上，從而改善集熱器的吸熱效果。吸熱體的外表涂層有選擇性和非選擇性兩種。選擇性涂層是一種對光的短波輻射「(0.3~3)×10-6m]具有高吸收率(>0.90)，而對光的長波輻射(>3×10-6m)那么具有低發(fā)射率(<0.3)的涂層。這也就是說。選擇性涂層幾乎吸收全部太陽輻射，而發(fā)射出的能量卻非常少。非選擇性涂層是一種外表呈黑色的吸光涂層。它對光不具備選擇性，亦即吸收的能量多，發(fā)射的能量也多。例如黑板漆，它雖然具有高吸收率(>0.90)，但發(fā)射率也很高，通常在0.50~0.90之間。商品太陽能集熱器一般選用選擇性外表涂料，自制低溫太陽能集熱器為了降低本錢，通?？蛇x用非選擇性涂料。例如，黑板漆或瀝青漆加1%炭黑(農(nóng)村也可用鍋底煙灰代替炭黑)制備。二、透明蓋板透明蓋板是讓太陽輻射透過，抑制吸熱體外表反射損失和對流損失，形成溫室效應(yīng)的主要部件。透明蓋板還具有防止灰塵、雨雪損壞吸熱體的作用。常用的透明蓋板有普通平板玻璃、鋼化玻璃和玻璃鋼。對透明蓋板的要求是：(1)透過率高一般透過率應(yīng)在0.8以上。(2)耐候性好透明蓋板在空氣中受紫外線、雨雪、冰雹和空氣中有害氣體和液體的作用會逐漸老化，使透過率下降。因此，良好的耐候性對延長使用壽命至關(guān)重要。(3)強度和剛性要求蓋板應(yīng)能承受冰雹和石子的撞擊，不易破碎。三、隔熱體隔熱體又稱保溫層，它的作用是減少熱水器吸熱體底部和四周邊的熱損失。作為隔熱體的材料應(yīng)具有導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水性小、耐高溫、不分解、便于安裝、價格低廉等特點，常用做隔熱體的保溫材料，詳見表3-2。四、外殼集熱器的外殼是使熱水器形成溫室效應(yīng)的圍護部件。它的作用是將吸熱體、透明蓋板、隔熱體組成一個有機整體，并具有一定的剛度和強度。集熱器外殼一般采用鋼材、鋁材、塑料等制成。自制集熱器的外殼也可采用木材、磚石、水泥等砌筑。集熱器的外殼應(yīng)平整美觀，無扭曲，無變形。為確保集熱器的使用壽命，殼體外表需進行噴涂處理。外殼漆層要求薄而均勻，無污垢，無劃痕，并具有較強的附著力、抗老化性和耐候、耐濕熱、耐鹽霧性。金屬殼體通常由底板、邊框、蓋板壓條及其他零件組成。圖3-14為集熱器總成圖。五、結(jié)構(gòu)設(shè)計要點同樣結(jié)構(gòu)類型、材料的集熱器，效率上下、本錢上下，與結(jié)構(gòu)設(shè)計和制作工藝有直接關(guān)系?！?〕吸熱體與透明蓋板的間距吸熱體與透明蓋板之間需要有一個適當(dāng)?shù)木嚯x。圖3-15示出了間距大小與熱效率之間的關(guān)系。從圖中可見，間距越小，效率越低，這是因為熱量被吸熱體和蓋板之間的空氣層傳到周圍空氣中去了。吸熱體和蓋板之間的距離過大，不但增大了自然對流熱損失，而且會增加整個集熱器的厚度，使本錢增加。圖3-14給出的間距范圍為21~30mm，一般取25mm較適宜。(2)管板式(翼管式)吸熱體的規(guī)格尺寸廠家可根據(jù)國家標(biāo)準的規(guī)定，確定吸熱體的規(guī)格尺寸。表3-3中所列為我們推薦采用的銅鋁復(fù)合集熱太陽條的規(guī)格尺寸和性能指標(biāo)。四出口吸熱體規(guī)格尺寸如圖3-16和表3-4所示。吸熱體也可制成三出口內(nèi)循環(huán)式，如圖3-17所示。內(nèi)循環(huán)式吸熱體更適合于制作家用太陽能集熱器，1m和1.2m2集熱器的集管直徑可相應(yīng)縮至φ16mm。四出口和三出口的排管均為7~8根。表3-5列出北京市太陽能研究所生產(chǎn)的平板型太陽能集熱器的性能指標(biāo)。(3)集熱器底邊部保溫層的最小厚度用足夠厚的隔熱體可以降低集熱器底部和邊緣產(chǎn)生的傳導(dǎo)熱損失。但制造者往往從本錢上考慮，追求理想的本錢效益，要求隔熱保溫層足夠薄。集熱器底部和邊緣保溫層的最小厚度δ(m)可由下式計算：式中λ100—保溫層在100℃時所測定的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m℃)；1.45—經(jīng)驗數(shù)據(jù)，W/(m2·℃)經(jīng)驗說明，采用巖棉板、礦渣棉板、普通玻璃纖維板做隔熱保溫材料時，邊緣厚度為25mm，底部厚度以35~40mm為宜。六、管板式集熱器的制造(1)管與板的結(jié)合如前所述，管板式太陽能集熱器的吸熱體是由一排平行的排管和上下兩個集管連接組成的。為了增加吸熱效果，降低傳導(dǎo)熱阻，排管與金屬吸熱板應(yīng)緊密結(jié)合。圖3-18為壓槽焊接的結(jié)合方式。在采用壓槽焊接時，要注意槽的尺寸，在一般情況下，槽深要大于排管的半徑，而且加工尺寸要精確，成品半徑要略小于排管半徑，使排管臥在其中到達緊密結(jié)合，然后再經(jīng)滾焊而成。(2)集管與排管的焊接集管與排管的焊接，因材料不同，焊接工藝也不相同。如采用鋁材，焊接應(yīng)采用氫弧焊;鋼管焊接采用電氣焊，一般強度較高，不易漏水;假設(shè)采用紫銅管焊接，一般采用銅焊或無銀焊。目前國內(nèi)不少集熱器都采用紫銅材料，為保證焊接質(zhì)量，集管應(yīng)在打孔拔口后再焊。圖3-19所示為排管和集管的兩種結(jié)合方法。另外，在焊接時，要注意排管不應(yīng)伸人集管過多，以1~2mm為宜，以防止產(chǎn)生不應(yīng)有的流動阻力。(3)銅鋁復(fù)合集熱器的制造采用銅鋁復(fù)合集熱太陽條作為吸熱體時，由于太陽條的吸熱面為鋁板，排管采用φ8、φ12或φ15銅管，鋁板與銅管經(jīng)軋制緊密結(jié)合，再經(jīng)吹脹工藝使銅管形成菱形截血，所以在與上下集管連接時，需要使用一段過渡聯(lián)管。過渡聯(lián)管的管徑應(yīng)與太陽條的管徑匹配。一般長度為25mm，一端經(jīng)模壓加工成菱形，與太陽條焊接，另一端頭為圓形，直接與集管焊接。第四節(jié)真空管集熱器真空管集熱器按照吸熱體結(jié)構(gòu)材料，可分為玻璃吸熱體真空管(或稱全玻璃真空管)集熱器和金屬吸熱體真空管(玻璃一金屬)集熱器兩大類。一、全玻璃真空管集熱器(1)全玻璃真空管的根本結(jié)構(gòu)全玻璃真空管其形狀如一只細長的暖水瓶膽，由兩根同心圓玻璃管組成，在內(nèi)外圓管間抽成真空，太陽選擇性吸收涂層沉積在內(nèi)管的外外表上，如圖3-20所示。全玻璃真空管的一端開口，將內(nèi)玻璃管和外玻璃管的管口進行環(huán)狀另一端封閉成半球形圓頭，內(nèi)玻璃管用彈簧支架支撐于外玻璃管上，以緩脹冷縮引起的應(yīng)力。在外玻璃管尾端一般粘接一只金屬保護帽，以保護抽空后封閉的排氣嘴。彈簧支架上裝有消氣劑，它在蒸散以后用于吸收真空熱管產(chǎn)生的氣體，起保持管內(nèi)真空度的作用。(2)全玻璃真空管集熱器的根本結(jié)構(gòu)假設(shè)干支管按照一定規(guī)那么排列成的真空管陣列與聯(lián)集管(或稱聯(lián)箱)、尾托架和反光板等部件組成一臺真空管集熱器，如圖3-21所示。全玻璃真空管集熱器的聯(lián)箱一般有圓形和方形兩種，多采用不銹鋼板制作，集熱器配管接頭焊接在聯(lián)箱的兩端。聯(lián)箱的一面或兩面按設(shè)計的真空管間距開孔，真空管的開口端直接插入聯(lián)箱內(nèi)，真空管與聯(lián)箱之間通過硅橡膠密封圈密封。反光板多為平面漫反射板，一般采用鋁板、不銹鋼板或涂白漆的平板制成。反光板長期暴露在空氣中，容易積聚灰塵和污垢，需要經(jīng)常清理，以免影響反光效果。所以，風(fēng)沙比擬大的地區(qū)不宜安裝帶反光板的集熱器。全玻璃真空管集熱器可以豎直排列〔南北向)也可以水平排列(東西向)，水平排列又有單排和雙排兩種形式，如圖3-22所示。(3)全玻璃真空管集熱器的性能特點用全玻璃真空管集熱器與平板集熱器比擬，可以看出全玻璃真空管的外管相當(dāng)于平板集熱器的透玻璃蓋板和外殼;內(nèi)管和附著在內(nèi)管外外表的選擇性吸收涂層相當(dāng)于平板集熱器的吸熱體;內(nèi)外管之間的真空夾層相當(dāng)于平板集熱器的隔熱材料(保溫層)。進一步比擬會發(fā)現(xiàn)，以國家標(biāo)準《全玻璃真空太陽集熱管》(GB/T17049-1997)為依據(jù)生產(chǎn)的全玻璃真空管，具有更為優(yōu)良的性能。例如玻璃管材采用硼硅玻璃3.3制造，太陽透射比高達0.89；圓柱形吸熱面使其在一天中接受的垂直光照較平面更多;采用磁控濺射工藝，形成的鋁一氮一鋁涂層的太陽吸收率在0.86以上，發(fā)射率小于或等于0.09；悶曬曝輻量達3.8MJ/m2；平均熱損系數(shù)僅為0.90W/m2·℃；真空夾層的氣體壓強為5×10-2Pa。上述指標(biāo)保證了全玻璃真空管集熱器具有較高的熱性能，有效地防止了平板集熱器的傳導(dǎo)和，并且提高了集熱器的抗低溫能力，同時，還具有較高的抗雹(擊打)能力。通過上述比擬可見，正是由于真空管集熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、產(chǎn)工藝先進可靠、特別適合于大批量規(guī)模化生產(chǎn)的特點，所以自問世以來，短短的幾年中就得到了長足的開展。各種以玻璃為基材的新型真空管式集熱器不斷涌現(xiàn)，有力地推動了我國太陽能熱水器行業(yè)的技術(shù)進步。(4)全玻璃真空管的幾種改良形式盡管全玻璃真空集熱管有許多優(yōu)點，但由于管內(nèi)走水.在運行中假設(shè)有一只破損，那么整個系統(tǒng)就要停止工作，另外真空管的熱容較友.太陽能要光把真空管內(nèi)的水加熱才能建立循環(huán)，到了夜間，如果熱水不能被充分利用，那么會造成一定的熱量損失。為了彌補這些缺陷，莊全玻璃真空管的根底上，產(chǎn)生了幾種改良型的產(chǎn)品。①帶熱管的全玻璃真空管。它是將帶有金屬導(dǎo)熱片的熱管插入真空集熱管中，使金屬導(dǎo)熱片緊緊靠在內(nèi)玻璃管的外表，如圖3-23所示，內(nèi)玻璃管吸收的熱量通過金屬導(dǎo)熱片傳遞給熱管，再由熱管傳遞給循環(huán)系統(tǒng)。②帶U形管的全玻璃真空管。它是將帶有金屬導(dǎo)熱片的U形管插入全玻璃真空集熱管中，金屬導(dǎo)熱片緊緊靠在內(nèi)玻璃管的內(nèi)外表，如如3-24所示內(nèi)玻璃管吸收的熱量通過金屬導(dǎo)熱片傳遞給U形管中的循環(huán)工質(zhì)。上述兩種改良形式的真空集熱管，由于管內(nèi)沒有水，不會因一只管破損而影響整個系統(tǒng)的運行。另外，由于管的熱容大大減，在同樣的條件下可以獲得更多的熱量，因而提高了產(chǎn)品的性能和運行的可靠性。二、熱管式真空管集熱器熱管式真空管集熱器是玻璃一金屬真空集熱器的一種主要形式，1986年由北京太陽能研究所率先開始研發(fā)，如今國內(nèi)已有多家企業(yè)涉足該項技術(shù)?！?〕熱管式真空管的根本結(jié)構(gòu)熱管式真空管由熱管、金屬吸熱板(外表鍍有選擇性吸收涂層〕、玻璃管、金屬封蓋、彈簧支架、消氣劑等組成，如圖3-25所示。在熱管式真空管工作時，金屬吸熱板吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，使熱管蒸發(fā)段內(nèi)的少量工質(zhì)迅速汽化，被汽化的工質(zhì)上升到熱管冷凝段，釋放出蒸發(fā)潛熱使冷凝段快速升溫，從而將熱量傳遞給集熱系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)。熱管工質(zhì)放出汽化潛熱后，迅速冷凝成液體，在重力作用下流回?zé)峁苷舭l(fā)段。熱管不斷重復(fù)的氣一液相變循環(huán)過程，快速高效地將太陽熱能源不斷輸出。①管是利用汽化潛熱高效傳遞熱能的傳熱元件，傳熱速度可達80~100cm/s。在熱管式真空管中使用的熱管一般都是重力熱管，也稱熱虹吸管。重力熱管的特點是管內(nèi)沒有吸液芯，工質(zhì)冷凝后依靠自身重力回流至蒸發(fā)段:太陽能領(lǐng)域使用的熱管一般為銅-水熱管，即以銅為基材，工質(zhì)為水國外也有使用有機物質(zhì)作為熱管工質(zhì)的，但必須滿足工質(zhì)與熱管材料的相容性。熱管式真空集熱管具有許多優(yōu)點，如真空管內(nèi)沒有水，因而抗凍性很強，即使在一40'C的環(huán)境溫度也不會凍壞，有些廠家的產(chǎn)品可以耐一50℃以下的低溫、熱管的熱容量小，因而起動速度極快;熱管有“熱二極管效應(yīng)〞，即方向性，熱量只能從下部傳遞到上部而不能逆向傳遞，從而減少了系統(tǒng)熱損失。當(dāng)然，由于熱管的液態(tài)工質(zhì)是依靠自身的重力回流到蒸發(fā)段，所以在安裝時要求與地面保持一定的傾角。為了使熱管式真空管集熱器能夠滿足與建筑結(jié)合的要求，目前，已有企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)了可以水平安裝的水平熱管。以水平熱管為核心部件的熱管式真空管集熱器可以②金屬吸熱板是熱管式真空管的核心部件，其性能直接決定熱管式真空管的熱性能。目前市場上的熱管式真空管的集熱板一般為無氧銅吸熱板或銅一鋁復(fù)合吸熱板，外表沉積選擇性吸收涂層。吸熱板與熱管采用超聲焊接或激光焊接結(jié)合，或者嵌套工藝結(jié)合，確保熱量快速傳導(dǎo)。③玻璃一金屬封接技術(shù)大體可分為兩種:一種是熔封，也稱為火封，它是借助一種熱膨脹系數(shù)介于金屬和玻璃之間的過渡材料，利用火焰將玻璃熔化后封接;另一種是熱壓封，也稱固態(tài)封接，它是利用一種塑性較好的金屬作為焊料，在加熱加壓工況下將金屬封蓋和玻璃管封接在一起。熱壓封技術(shù)具有封接溫度低、封接速度快、封接材料匹配要求低、封接可靠等優(yōu)點，所以目前國內(nèi)玻璃一金屬封接大都采用熱壓封技術(shù)，熱壓封使用的焊料主要有鉛、鋁等。④熱管式真空集熱管內(nèi)一般應(yīng)同時放置蒸散型消氣劑和非蒸散型消氣劑。蒸散型消氣劑在高頻激活后被蒸散在玻璃管的內(nèi)外表，像鏡面一樣，主要是起提高初始真空度的作用;非蒸散型消氣劑是一種常溫激活的長效消氣劑，主要作用是吸收管內(nèi)各部件釋放的剩余氣體，保持真空集熱管的長期真空度。目前國內(nèi)生產(chǎn)的熱管式真空管的外形尺寸，以玻璃管直徑100mm居多，近年來也有直徑65mm,70mm,120mm等假設(shè)干種規(guī)格問世，長度也有1800mm，2000mm，2200mm等多種。(2)熱管式真空管集熱器的根本結(jié)構(gòu)如圖3-26所示，由真空集熱管、導(dǎo)熱塊(或?qū)崽坠?、聯(lián)集管、保溫材料、保溫盒、尾托架等局部組成。熱管式真空管集熱器工作時，每只熱管通過反復(fù)的氣一液相變循環(huán)過程將熱量傳遞給導(dǎo)熱塊或?qū)崽坠?從而加熱聯(lián)集管內(nèi)的系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)，使集熱系統(tǒng)工質(zhì)的溫度逐步上升.直至到達使用要求。值得一提的是.熱管式真空管與聯(lián)集管的連接是屬于‘干性連接〞.即聯(lián)集管內(nèi)的傳熱工質(zhì)與集熱管冷凝段之間是不直接接觸的。所以集熱器聯(lián)集管沒有漏水隱患.可以承受較高的運行壓力。同樣，個別集熱管破損也不會影響整個集熱器的運行因而特別適用于大、中型太陽熱水工程三、其他金屬吸熱體真空管集熱器除了前面介紹的熱管式真空管集熱器之外，金屬吸熱體真空管集熱器還有其它不同形式，如同心套管式、U形管式、內(nèi)聚光式、直通式等，隨著技術(shù)的開展，還將有新的形式出現(xiàn)。(1)同心套管式真空管集熱器如圖3-2r所示，又稱直流式真空集熱管。主要由同心套管吸熱板，吸熱板，玻璃管等組成所謂同心套管就是兩根內(nèi)外相套的金屬管，位于吸熱板的軸線上吸熱板緊密連接。工作時，太陽光透過玻璃管投射在吸熱板上，吸熱板吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)換為熱能，傳熱介質(zhì)(通常是水)從內(nèi)管進入真空管，熱水經(jīng)外管流出。同心套管式真空管集熱器具有以下特點：①熱效率高。由于傳熱介質(zhì)進入真空管后，被吸熱板直接加熱，減少了中間環(huán)節(jié)的傳導(dǎo)熱損，因而可更大限度地利用太陽輻射能。②可水平安裝。在有些場合下，可將真空管東西向水平安裝在建筑物的屋頂或南立面上，這樣即可簡化集熱器的安裝支架，又可避兔集熱器影響建筑外觀。(2)U形管式真空管集熱器如圖3-28所示，主要由U形管、吸熱板、玻璃管等幾局部組成。國外有些文獻將同心套管式真空管和U形管式真空集熱管統(tǒng)稱為直流式真空管，,因為兩者的根本結(jié)構(gòu)和工作原理兒乎一樣，只是前者的冷、熱水從內(nèi)、外兩根同心套管進出，而后者的冷、熱水從U字形的兩根平行管進出。U形管式真空管集熱器除與同心套管式真空管集熱器具有相同特點外，真空管與集管之間的連接比同心套管式真空管簡單，所以易于安裝。(3)內(nèi)聚光真空管集熱器如圖3-29所示，主要由復(fù)合拋物聚光鏡、吸熱體、玻璃管等組成。復(fù)合拋物聚光鏡亦可簡稱為CPC。由于CPC放置在真空管的內(nèi)部，故稱為內(nèi)聚光真空管。它的吸熱體通常是熱管，也可是同心套管或U形管，其外表有中溫選擇性吸收涂層。平行的太陽光無論從什么方向穿過玻璃管，都會被CPC反射到位于其焦線處的吸熱體上，把吸熱體內(nèi)工質(zhì)加熱。內(nèi)聚光真空管集熱器的特點是：①行溫度高。由于CPC的聚光比大于1，所以內(nèi)聚光真空管的運行溫度可達100℃-150℃②不需要跟蹤系統(tǒng)，一與高倍聚光集熱系統(tǒng)相比本錢較低，安裝維護簡單。(4)直通式真空管集熱器如圖3-30所示，主要由直通金屬管、吸熱板和。玻璃管組成。吸熱板外表沉積有高溫選擇性吸收涂層，與金屬管焊接或嵌套在一起。傳熱介質(zhì)從金屬管的一端流人，經(jīng)太陽輻射能加熱從另一端流出，故稱為直通式。由于金屬管與玻璃管之間的兩端都需要封接，因而必須借助于波紋管過渡，以補償金屬吸熱管的熱脹冷縮。直通式真空管集熱器的主要特點是：①運行溫度很高。直通式真空管通常跟拋物柱面聚光鏡配套使用，組成一種聚光型太陽集熱器。由于拋物柱面聚光鏡的開口可以做得很大，使集熱器的聚光比很高，所以運行溫度可高達300℃-400℃②比擬易于組裝。由于傳熱介質(zhì)從真空管的兩端進出，因而便于串聯(lián)連接。以上我們介紹了我國目前各種商品化的真空管集熱器的情況。商品化生產(chǎn)的真空集熱管盡管種類繁多，性能各異，但規(guī)格尺寸并不太多。以全玻璃真空集熱管為例，大體上有外徑φ47mm,φ58mm,φ90mm和φ100mm4種，長度有1.2m,1.5m,1.8m和2m4種，供不同需求的用戶選用。市場上由真空管、水箱、支架、反射板等組裝成一體的家用太陽能熱水器〔緊湊式)，由于真空管類型、直徑、長度、支數(shù)不同，所配備的水箱大小(容水量)也就不同。另外.由于系統(tǒng)的復(fù)雜程度和運行方式也不盡相同，如有的熱水器帶有水位、水溫控制器;有的帶有輔助電加熱裝置以及陽極化保護(鎂棒)等。所以價格差異很大。家庭用戶可根據(jù)家庭經(jīng)濟狀況、洗浴人數(shù)選用。廠家或經(jīng)銷商一般都負責(zé)上門安裝、調(diào)試和維修。第五節(jié)家用太陽能熱水器的選購、安裝、使用與維護一、市場上的家用太陽能熱水器太陽能熱水器有悶曬式熱水器、平板式熱水器和真空管式熱水器3種類型，平板式和真空管式熱水器根據(jù)集熱器和水箱連接方式的不同又有整體式太陽能熱水器和分體式太陽能熱水器兩類。上世紀90年代以前，曾被廣泛應(yīng)用的各種悶曬式太陽能熱水器，如塑料袋式熱水器、囊式熱水器、淺池式熱水器和筒式熱水器等，由于集熱效率低、熱損失大、熱水儲存時間短.隨著性價比擬高的真空管式太陽能熱水器的出現(xiàn)，已經(jīng)逐漸退出市場但其集熱、儲熱一體化的結(jié)構(gòu)仍具有實用意義?！?〕平板式太陽能熱水器如圖3-31所示.平板式太陽能熱水器主要由平板式集熱器、儲熱水箱和支架組成和悶曬式熱水器相比平板式太陽能熱水器在集熱效率、保溫性能方面有了很大提高，并且外型美觀、安裝維護方便、價格相對低廉。產(chǎn)品有l(wèi)m2,1.2m2,1.5m2,2rn2幾種。因平板式熱水器的抗凍性較差，目前，多應(yīng)用在南方，北方寒冷地區(qū)應(yīng)用不多?！?〕真空管式太陽能熱水器如圖3-32所示，家用真空管式太陽能熱水器主要由真空管陣列、儲熱水箱和支架組成，為了提高得熱量，通常在真空管陣列反面還裝有反光板。真空管太陽能熱水器集熱效率高、保溫性能好、抗凍性強、安裝維護簡單，目前我國真空管熱水器的市場份額已占到70%以上。市場上的家用真空管太陽能熱水器有全玻璃真空管熱水器和熱管式真空管熱水器兩種。全玻璃真空集熱管外徑有φ47mm,φ58mm,φ90mm,φ100mm等幾種，以φ47mm,φ58mm最為常用，管長有1.2m,1.5m,1.8m和2m等幾種。真空集熱管和水箱內(nèi)膽之間用硅橡膠密封圈密封，以防止水滲漏;水箱內(nèi)膽一般采用碳鋼板搪瓷或不銹鋼板制作;內(nèi)膽和外殼之間充填保溫材料，一般采用聚氨醋發(fā)泡保溫;水箱的容水量從幾十升到數(shù)百升不等。熱水器的支架一般采用型鋼、鋁合金或不銹鋼制作。家用熱管式真空管熱水器采用熱管式真空管作為集熱元件，根據(jù)運行方式有落水式和承壓式之分。落水式熱管真空管太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)類似于全玻璃真空管太陽能熱水器，熱管冷凝端直接插人水箱。承壓式熱管真空管太陽能熱水器采用閉式承壓水箱，井在水箱內(nèi)膽上設(shè)導(dǎo)熱套管，熱管真空管的冷凝端插入導(dǎo)熱套管內(nèi)，通過套管壁間接地對水箱加熱。承壓熱水器依靠自來水壓力頂水運行，無需手動上水，使用平安方便。熱管真空管太陽能熱水器在集熱性能、抗冷熱沖擊、抗凍性能和運行維護方面要優(yōu)于全玻璃管太陽能熱水器，當(dāng)然，受生產(chǎn)本錢的制約，熱管真空管熱水器的價格也相對較高。目前市場上的家用太陽能熱水器多在水箱內(nèi)膽中安裝輔助電加熱器、鎂陽極棒等。輔助電加熱器確保在太陽能缺乏或連續(xù)陰雨天熱水器也能使用，鎂陽極樣那么起保護水箱作用。有些產(chǎn)品還配有微電腦自動控制儀，可以隨時檢測并顯示水溫、水位，具有自動控溫、自動上水功能。(3)家用分體式太陽能熱水器熱水器的集熱器和儲熱水箱連成一體，稱為整體式太陽能熱水器。分體式太陽能熱水器的集熱器和儲熱水箱分開，可安裝在不同的位置，二者之間通過管道連接。目前市場上的分體式太陽能熱水器主要有陽臺壁掛型和別墅型兩種，其水箱內(nèi)一般都配有電輔助加熱裝置，保證一年四季全天候有熱水供給。圖3-33為一套熱管真空管式臺壁掛式太陽能熱水器，圖3-34為一套別墅型太陽能熱水器。分體式太陽能熱水器的安裝位置更為靈活，集熱器可安裝于陽臺或南立面墻，水箱安裝于陽臺內(nèi)或衛(wèi)生間。主要用于無法安裝整體式太陽能熱水器的多高層住宅，不同型號產(chǎn)品的日產(chǎn)熱水量一般為80~160L。采用熱管真空管集熱器的陽臺壁掛式熱水器依靠熱管直接將熱量導(dǎo)人水箱內(nèi)，如采用平板式集熱器或U形管式集熱器，那么需要采用強制循環(huán)方式，在集熱器和水箱間的管路上安裝水泵，將集熱器加熱的熱水導(dǎo)人水箱內(nèi)，為防止管道和集熱器冬季結(jié)凍，一般在水箱內(nèi)設(shè)換熱裝置，集熱系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)采用防凍液。別墅型分體式太陽能熱水器適用于熱水用量比擬大且具備安裝條件的住宅或公共建筑，如別墅小區(qū)、鄉(xiāng)村獨立住宅、多高層住宅的頂層住戶、公共洗手間等，每套日產(chǎn)熱水量大多在150L以上，以300L最為常見。其太陽能集熱器一般采用可承壓運行的的產(chǎn)品，與建筑結(jié)合安裝于屋面上，熱水箱安裝在室內(nèi)設(shè)備間，熱水箱內(nèi)設(shè)盤管換熱器，太陽能間接加熱生活熱水。太陽能集熱系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)為防凍液，通過控制器控制循環(huán)泵的運行將集熱器吸收的太陽能熱量輸送到熱水箱。為保持集熱系統(tǒng)管道內(nèi)壓力恒定，一般在循環(huán)泵的吸人側(cè)管道上安裝一個膨脹罐和注液閥。二、家用太陽能熱水器的選用(1)居住區(qū)域不同的太陽能熱水器在不同的區(qū)域使用，性能有很大的差異，一般南方溫暖地區(qū)所有形式的熱水器都可以使用，但在北方地區(qū)就得考慮冬季結(jié)冰的問題。所以南方地區(qū)可優(yōu)先選用平板式太陽能熱水器，北方冬季易結(jié)冰地區(qū)那么宜選用真空管式太陽能熱水器。諸如東北、內(nèi)蒙古、新疆等高寒地區(qū).可優(yōu)先選用熱管式真空管太陽能熱水器。但如果只在春、夏、秋季使用熱水.那么可使用任何一種類型的熱水器。(2)建筑形式平房住戶一般選用整體式太陽能熱水器，熱水器的支架有平屋頂和坡屋頂之分，要根據(jù)建筑屋面形式進行選擇。對于多高層住宅樓，如果屋頂預(yù)留有太陽能熱水器的安裝位置和管道井，可安裝整體式太陽能熱水器，否那么可選用陽臺壁掛分體式太陽能熱水器。對建筑外觀和用水舒適度要求較高的別墅等高檔住宅，可優(yōu)先選用別墅翼分體式太陽能熱水器。(3)熱水用量太陽能熱水器的容量各不相同，選用時可依據(jù)使用人數(shù)推率大致的熱水用量。正常情況下，家庭成員淋浴一次，需要使用熱水40L左右，如一個三口之家，平均每日熱水用量大致在100~140L，可考慮選用一臺容量為120L的太陽能熱水器，如果家里有浴盆或熱水用水點比擬多，可適當(dāng)加大熱水器的規(guī)格。(4)價格因素目前市場上不同類型、不同品牌、不同材質(zhì)的太陽能熱水器價格差異比擬大，在選用時應(yīng)根據(jù)購置能力結(jié)合實際情況選擇。如南方地區(qū)，平板式熱水器就比真空管式熱水器的性價比高，注重經(jīng)濟性的用戶可優(yōu)先選用平板式熱水器;如果是同樣規(guī)格和性能的真空管式熱水器，選擇鋁合金支架要比不銹鋼支架的更經(jīng)濟。(5)產(chǎn)品質(zhì)量在選購太陽能熱水器時，應(yīng)優(yōu)先選擇符合國家標(biāo)準、相關(guān)手續(xù)齊全的產(chǎn)品。產(chǎn)品的外觀應(yīng)無損傷、水箱保溫良好、集熱管真空無泄漏、集熱器支架穩(wěn)固美觀、配件齊全，合格證書、使用說明書、保修卡齊備，并且生產(chǎn)廠家可對產(chǎn)品實行三包效勞。帶電輔助加熱的太陽能熱水器還必須有國家3C強制性認證證書。(6)售后效勞太陽能熱水器在購置后需要專業(yè)人員進行安裝調(diào)試，并且使用周期比擬長，在使用過程中難免出現(xiàn)這樣那樣的問題，所以購置之前一定要進行考察了解，選用信譽好，售后效勞有保障的品牌，最好選擇在當(dāng)?shù)赜行诰W(wǎng)點的廠家的產(chǎn)品。目前我國的太陽能熱水器廠家眾多，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，如果購置雜牌廠家的產(chǎn)品，運行中出現(xiàn)問題，往往不能得到廠家及時的維修效勞或找不到生產(chǎn)廠家，而影響使用。三、家用太陽能熱水器的安裝正規(guī)的太陽能熱水器生產(chǎn)廠家一般在銷售時提供安裝效勞。如果需要自行安裝，應(yīng)注意如下幾點:①安裝前應(yīng)仔細閱讀廠家隨機提供的安裝使用說明書，按說明書指示的步驟進行熱水器的組裝和固定.不可隨意改變熱水器原有的結(jié)構(gòu)及部件功能。②安裝太陽能熱水器的屋面或地面應(yīng)平整、鞏固，熱水器的安裝方向為集熱器斜面朝向正南或偏西100，前方應(yīng)無房屋或樹木等遮擋，以保證熱水器采光良好③太陽能熱水器應(yīng)用膨脹螺栓固定在預(yù)制好的混凝土根底墩上或用粗鐵絲固定在建筑構(gòu)件上，以防止被大風(fēng)刮倒，造成產(chǎn)品損壞及人身傷害。④水箱和支架裝配完成前方可安裝真空集熱管，集熱管插裝完畢應(yīng)用不透光物體加以遮蓋，以防正空曬產(chǎn)生高溫而影響使用性能。⑤落水式太陽能熱水器水箱上的排氣孔應(yīng)保證暢通，嚴禁堵塞;承壓式熱水器的進出水管切忌裝反。⑥安裝電加熱裝置式，應(yīng)由專業(yè)電工操作，必須連接接地線并安裝漏電保護器。⑦太陽能熱水器的安裝應(yīng)采取必要的防雷措施，特別是安裝位置較高時，可用電線將熱水器支架與建筑屋頂線連接或為熱水器單接一條地線。⑧北方寒冷地區(qū)的熱水器上下水管道，應(yīng)采取保溫措施并敷設(shè)電伴熱帶，以免冬季管道結(jié)冰堵塞，影響使用。管道安裝時應(yīng)防止在一段水平管路中出現(xiàn)局部低于兩端的局部，即返彎，保證熱水器在冬季停用時能夠完全排空。四、家用太陽能熱水器的使用與維護(1)使用考前須知太陽能熱水器日常使用與維護應(yīng)按照廠家提供的說明書進行。①水。太陽能熱水器空曬時內(nèi)部溫度可到達200℃以上，如直接注人冷水，很容易造成集熱器損壞或真空管炸裂，所以上水時間最好是在夜間或早晨。②日常檢查。用水后忘記上水或自動上水控制器失靈以及春、夏、秋季連續(xù)多日晴天未用水，都可能造成水箱缺水或蒸發(fā)干而造成干燒過熱而影響產(chǎn)品使用性能，所以平日應(yīng)留心檢查，保證水箱始終有水。③帶輔助電加熱的熱水器在使用時應(yīng)斷電，切忌帶電洗浴。④雷雨時應(yīng)防止使用太陽能熱水器。⑤太陽能熱水器在長期不用時，水箱過熱和密封材料老化。應(yīng)用不透光材料對集熱器進行遮蓋，防止(2)維護保養(yǎng)內(nèi)容為了保證太陽能熱水器的集熱性能和使用壽命，除了正確合理的使用，日常的維護保養(yǎng)工作也非常重要。①定期去除集熱器和反射板外表的灰塵、污垢，保持清潔。清洗工作應(yīng)在清晨或晚間氣溫較低時進行，以防止集熱器玻璃蓋板或真空管遇冷炸裂。②長期不用時應(yīng)對集熱器加以保護，防止高溫空曬。冰雹多發(fā)地區(qū)應(yīng)注意天氣預(yù)報，及時采取防護措施，防止集熱管被冰雹襲擊。③定期排污，防止集熱管內(nèi)積垢和管道堵塞，保證水質(zhì)清潔。④集熱管如有破損或真空消失，應(yīng)及時更換。⑤注意觀察電加熱器以及控制器、電磁閥等電器元件的工作狀態(tài)，如有問題應(yīng)及時報修。⑥冬季應(yīng)保證管道保溫電伴熱帶的正常供電，保證管路暢通，否那么應(yīng)將熱水器排空防凍。第六節(jié)太陽能熱水系統(tǒng)的工程設(shè)計太陽能(加)熱水的優(yōu)勢在于不消耗常規(guī)能源、無任何污染、廉價、與環(huán)境友好。在能源短缺的今天，太陽能熱水系統(tǒng)正在從洗浴用生活熱水領(lǐng)域向食品加工業(yè)、餐飲業(yè)、洗車業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、泳池加熱、海水淡化、建筑采暖與制冷、紡織、制藥、造紙、化工、木材加工等一切需要低溫?zé)崴墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域拓展，表現(xiàn)出強大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。然而太陽能熱水系統(tǒng)的主能源—太陽輻射能畢竟是隨機的，不穩(wěn)定和間斷的，受季節(jié)、天氣、晝夜變化的影響很大。要想獲得相對穩(wěn)定的能量輸出，特別是與用水終端匹配，必須進行系統(tǒng)工程設(shè)計，以求在最大限度地利用太陽能的根底上，做到經(jīng)濟、合理、節(jié)能。本節(jié)以洗浴用熱水工程為例，說明太陽能熱水工程設(shè)計的思路和方法。一個完整的太陽能熱水系統(tǒng)包括集熱系統(tǒng)(或稱為熱源系統(tǒng))、熱水供給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3局部。集熱系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、儲熱水箱、輔助加熱裝置、循環(huán)管道、熱交換器、水處理裝置、循環(huán)泵等設(shè)備與附件。熱水供給系統(tǒng)主要包括熱水供水管道、回水管道、熱水循環(huán)泵、供水設(shè)備、用水器具等設(shè)備與配件?？刂葡到y(tǒng)主要包括主控制器及溫度傳感器、壓力傳感器、電控閥門、熱計量裝置等自控元器件。太陽能熱水工程的設(shè)計是指設(shè)計者為在一定使用年限內(nèi)滿足某一特定用熱需要，綜合考慮氣象氣候條件、投資規(guī)模、設(shè)備性能、能源組合與系統(tǒng)運行方式、后期維護管理以及與建筑結(jié)合等諸因素后，做出的太陽能熱水工程設(shè)計，它應(yīng)確保太陽能系統(tǒng)高效、可靠地運行，具有較高的節(jié)能效益和環(huán)保效益。太陽能熱水工程設(shè)計一般包括方案設(shè)計和施工圖設(shè)計兩個階段。方案設(shè)計是施工圖設(shè)計的依據(jù)，施工圖設(shè)計應(yīng)貫徹方案設(shè)計所確定的原那么，確保方案設(shè)計的實施。一、太陽能熱水工程的方案設(shè)計〔1〕確定相關(guān)設(shè)計條件①熱水工程的使用功能及要求。不同的使用功能對熱水工程的設(shè)計參數(shù)、運行方式有不同的要求。一般而言，系統(tǒng)的使用功能取決于效勞對象，如賓館、住宅、浴室等主要是滿足洗浴熱水供給;游泳館一般是泳池加熱和淋浴熱水。明確用戶對用水量、水溫、用水時間、輔助能源的種類等特殊要求。如果川戶沒有特別要求，那么這此參數(shù)可根據(jù)設(shè)計標(biāo)準確定。此外還應(yīng)了解冷水供給方式、溫度、水壓等參數(shù)。②地理環(huán)境條件。當(dāng)?shù)氐木暥?，氣候條件和氣象數(shù)據(jù)包括太陽輻射資源、太陽輻射總量、日照時間、環(huán)境溫度、風(fēng)力、風(fēng)速以及遮擋等。③熱水工程的設(shè)計安裝條件。用戶需提供尾頂平面和結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計圖樣等相關(guān)資料，主要包括安裝平面〔屋面〕的具體尺寸，屋面的荷載、承重梁的分布及水源、電源情況。(2)確定太陽能集熱器形式目前工程常用的太陽能集熱器主要有平板式、全玻璃真空管式和熱管真空管式，上述3種形式的集熱器都是技術(shù)成熟的產(chǎn)品。在選用時，應(yīng)綜合考慮太陽能資源條件、水質(zhì)、投資規(guī)模、后期運行管理等各方面因素，選擇最適合的產(chǎn)品。(3)太陽能集熱器面積佑算①按太陽能集熱器得熱量和熱水系統(tǒng)日耗熱量計算確定：太陽能集熱器面積=熱水系統(tǒng)日耗量÷每平方米太陽能集熱器的日有用得熱量太陽能熱水工程的得熱量可按春、秋季晴天估算。以當(dāng)?shù)卮骸⑶锛久科椒矫兹掌骄栞椪樟砍艘蕴柲芗療崞鞯娜招始纯傻贸雒科椒矫滋柲芗療崞鞯娜盏脽崃?。太陽能輻照量可查閱?dāng)?shù)氐奶栞椛滟Y料，或近似以17MJ/(m2.d)(4.72kWh/d)估算。太陽能集熱器集熱效率以廠家出廠產(chǎn)品測試報告的測試數(shù)據(jù)為準，或按類型不同取40%~60%。系統(tǒng)日熱水用量一般根據(jù)國家標(biāo)準《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準》(GB50015-2003)提供的熱水用水定額和熱水系統(tǒng)的用水規(guī)律或?qū)嶋H用水經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定。正常情況下，淋浴用熱水，每人每次用水量35~40L〔40℃以上);賓館客房那么為每人每日75~l000kg；住宅集中供給熱水量為平均每人每日30~40L。②按太陽能集熱器生產(chǎn)熱水量估算:在日照17000kJ/(m2.d)條件下，真空管集熱器生產(chǎn)水溫40'C~60℃的熱水量，春秋季為60~70L/(m2·d);夏季為70~80L/(m2·d);冬季為50~60L/(m2·d)。為保證系統(tǒng)全年使用，設(shè)計時，推薦選用60~70L/(m2·d)(水溫40℃以上)據(jù)此可推算出整個系統(tǒng)的集熱器面積。〔4〕確定太陽能熱水工程的運行方式①直流式系統(tǒng)。直流式太陽能熱水系統(tǒng)適用于規(guī)模較小，對用水量及水溫要求不高的場所。直流式又可以分為熱虹吸式和定溫放水式。熱虹吸式如圖3-35所示，這種系統(tǒng)主要由集熱器、熱水箱、補水箱和連接管路組成。補水箱的水位由浮球閥控制，使其與集熱器出水管口的最高位置在一個水平面上。在無陽光照射時，集熱器、上升管和下降管中的水是靜止不動的，當(dāng)陽光照射集熱器后，其內(nèi)部水溫升高，系統(tǒng)中形成熱虹吸壓頭，從而使上升管中的熱水流人熱水箱，而補水箱中的冷水那么由下降管進入集熱器。日照越強，熱水溫度就越高，產(chǎn)水也越大。①定溫放水式如圖3-36所示，定溫放水式系統(tǒng)在集熱器的出水口處裝有一溫度傳感元件，通過控制器控制裝在集熱器進水管上的電動閥門，使之根據(jù)集熱器出口水溫的變化改變開啟程度，調(diào)'節(jié)水的流量，從而使流人熱水箱的水溫保持恒定的一種運行方式。②自然循環(huán)式系統(tǒng)。圖3-37為自然循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)示意圖。這種系統(tǒng)的熱水箱必須高于集熱器，水在太陽能集熱器中被加熱后溫度升高；由于集熱器與蓄熱水箱中水的溫度不同，從而產(chǎn)生密度差，形成熱虹吸壓頭，使熱水由上循環(huán)管進人水箱的上部，同時水箱底部的冷水由下循環(huán)管流入集熱器形成循環(huán)，逐步使水到達使用溫度。用水時，那么由補水箱或自來水管向熱水箱補水。③強制循環(huán)系統(tǒng)。在強制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)中，工質(zhì)的流動是靠泵推動，泵的運行由控制系統(tǒng)操控。強制循環(huán)系統(tǒng)的熱水箱位置不必高于集熱器，因此系統(tǒng)布置比擬靈活，假設(shè)采用可承壓運行的集熱器，系統(tǒng)還可以帶壓運行，強制循環(huán)適合于規(guī)模比擬大的熱水系統(tǒng)。強制循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)加熱方式又可分為直接加熱系統(tǒng)和間接加熱系統(tǒng)。直接加熱強制循環(huán)熱水系統(tǒng)如圖3-38所示，太陽能集熱器與熱水箱形成環(huán)路，當(dāng)集熱器出口溫度高于熱水箱溫度到達某一設(shè)定值時，控制器起動太陽能循環(huán)泵，將集熱器加熱的水導(dǎo)入熱水箱中;假設(shè)兩者的溫差小于某一設(shè)定值,循環(huán)泵停止運行。如此反復(fù)循環(huán)，直至把熱水箱中的水加熱到適宜溫度。系統(tǒng)中.熱水箱由補水箱或自來水管直接補水，也可在補水管上安裝電磁閥，通過水位控制儀或時間控制器控制補水時間和水量，以保證供水期間熱水水溫的恒定。間接加熱強制循環(huán)熱水系統(tǒng)如圖3-39所示，太陽能系統(tǒng)工質(zhì)通過設(shè)于熱水箱內(nèi)的換熱盤管對水加熱，工質(zhì)為防凍液或軟化水。這種間接加熱方式可以保證熱水清潔及有效解決太陽能集熱系統(tǒng)的防凍與結(jié)垢問題。太陽能循環(huán)泵的入口處設(shè)有膨脹罐或補液裝置，以保持系統(tǒng)內(nèi)壓力的穩(wěn)定。以上我們介紹了常用的幾種太陽能熱水系統(tǒng)形式，供方案設(shè)計選用。但究竟確定何種系統(tǒng)形式，應(yīng)根據(jù)工程實際及各種因素綜合考慮。表3-6根據(jù)國家標(biāo)準《太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計、安裝及工程驗收技術(shù)標(biāo)準》(GB/T18713-2002)給出推薦選用的運行方式。(5)輔助加熱設(shè)備的選擇工程方案設(shè)計應(yīng)根據(jù)用戶要求或工程需要選用適當(dāng)?shù)妮o助加熱設(shè)備。輔助加熱設(shè)各的功率應(yīng)按照熱水工程設(shè)計的小時耗熱量確定，以保證系統(tǒng)在連續(xù)陰雨天工況下依然能正常供熱。輔助加熱設(shè)備可以采用鍋爐、空氣源熱泵、水源熱泵等。規(guī)模較小的太陽能熱水工程可在熱水箱內(nèi)安裝電加熱器，但必須采取相應(yīng)的平安保護措施。輔助加熱設(shè)備作為太陽能熱水系統(tǒng)的補充，可以與太陽能系統(tǒng)并聯(lián)運行，共同對熱水箱加熱，也可以串聯(lián)在太陽能熱水供水管上，在太陽能供熱缺乏時進行補充加熱。(6)系統(tǒng)投資及節(jié)能、環(huán)境效益在這個階段，設(shè)計者可以根據(jù)方案設(shè)計做出太陽能熱水工程預(yù)算并與投資方洽商、調(diào)整，形成最終的預(yù)算。每平方米太陽能熱水器每年平均替代標(biāo)煤150kg，電450kWh，天然氣60m3。每平方米太陽能熱水器每年可減排二氧化碳233.05kg，二氧化硫3.3kg，二氧化氮1.5kg，煙塵2.55kg(7)方案設(shè)計舉例①設(shè)計條件。北京某大學(xué)生活區(qū)，學(xué)生人數(shù)2000人，需全天供給淋浴熱水，使用水溫45℃，冷水溫度15℃。本地區(qū)水平面上每平方米太陽能年輻照總量5432MJ(1513kWh)，平均日輻照量14.88MJ。②集熱器形式確定。本地區(qū)冬季氣溫較低，為保證系統(tǒng)可靠高效運行，方便運行管理，擬采用熱管真空管太陽能集熱器，平均集熱效率55%。集熱器安裝方位角正南，傾角400。③集熱器面積估算。按平均每人每日45℃熱水用量40L估算，那么日總熱水用量為80t。系統(tǒng)日總耗熱量為；Q=CmΔt=4.19X80000X(45一15)=10056000kJ=10056MJ太陽能集熱器安裝角度為400，集熱器安裝斜面上的太陽能輻量按約為水平面上的1.3倍。每平方米集熱器外表上每日有效得熱量為：14.88X1.3X55%=10.64〔MJ)太陽能集熱器安裝面積:F=10056/10.64=945(m2)④太陽能熱水系統(tǒng)形式。本工程擬采用直接加熱式強制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)形式，系統(tǒng)流程如圖3-40所示。太陽能集熱系統(tǒng)的循環(huán)采用溫差控制方式。系統(tǒng)設(shè)兩個熱水箱，一個是太陽能儲熱水箱，一個是恒溫供水箱。太陽能直接對儲熱水箱加熱，恒溫供水箱向熱水用戶供熱，由太陽能儲熱水箱為其補充熱水。液位控制器和補水電磁閥聯(lián)合控制太陽能儲熱水箱的上下限水位，回水管電磁閥和熱水循環(huán)泵聯(lián)兩個水箱的容積根據(jù)熱水系統(tǒng)的功能和用水特點進行確定，由于學(xué)校生活熱水系統(tǒng)的用水頂峰一般集中在晚間和早晨，所以太陽能儲熱水箱容積確定為60m3，可以儲存全天70%~80%的太陽能熱量，恒溫供水箱容積為20m3。為保證系統(tǒng)水質(zhì)，在太陽能集熱系統(tǒng)和熱水供水系統(tǒng)水泵的出口管路上各安裝了一臺電子水處理器。⑤輔助加熱設(shè)備。如圖3-4所示，本系統(tǒng)采用一臺功率為700kW的燃氣熱水鍋爐作為輔助加熱設(shè)備。燃氣鍋爐串聯(lián)在熱水系統(tǒng)供水干管上，當(dāng)熱水箱出水溫度不能滿足使用要求或全天太陽能加熱達不到水箱設(shè)定溫度時，起動輔助加熱設(shè)備進行加熱。⑥節(jié)能與環(huán)境效益。本系統(tǒng)安裝熱管式真空管太陽能集熱器945m2，集熱器日總得熱量約為10055MJ，全年約367萬MJ，每年節(jié)約常規(guī)能源367萬MJ，相當(dāng)于電102萬kWh，大然氣約13萬m3。每年可減排二氧化碳22萬t,二氧化硫3100kg，二氧化氮1400kg,煙塵2400kg,節(jié)能效益和環(huán)境效益顯著。二、太陽能熱水工程的施工圖設(shè)計太陽能熱水工程施工圖設(shè)計是方案設(shè)計的具體化，通過施工圖設(shè)計形成最終施工圖樣，作為工程施工、驗收和預(yù)算控制的主要依據(jù)。(1)確定熱水使用工況①確定熱水水質(zhì)。太陽能熱水系統(tǒng)的水質(zhì)應(yīng)滿足國家或行業(yè)相關(guān)標(biāo)準或標(biāo)準的要求②確定用水點的位置、用水器具的數(shù)量?？筛鶕?jù)建筑設(shè)計圖樣或建設(shè)單位的要求確定③設(shè)定供水溫度。洗浴用熱水溫度應(yīng)符合國家標(biāo)準《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準》〔GB50015-2003〕要求，供水溫度一般應(yīng)控制在55℃~60℃。水溫過高將加速設(shè)備與管道的結(jié)垢、腐蝕，增大系統(tǒng)的熱損失，降低供水的平安性;水溫過低那么易滋細菌在目前的技術(shù)條件下，熱水用太陽能集熱器在出水溫度45℃左右時，集熱效率最為理想。出水溫度設(shè)定過高那么太陽能得熱量會大幅度減少，輔助加熱能源的用量將增加，從而使太陽能系統(tǒng)節(jié)能效果降低。而當(dāng)連續(xù)幾天不用時，儲熱水箱的水溫會持續(xù)升高到70℃甚至80℃以上，較低的供水溫度對延長集熱器及管道的使用壽命和防止水垢也能起到積極的作用。所以在確定太陽能熱水系統(tǒng)的出水溫度時，從高效利用太陽能資源的角度出發(fā)，根據(jù)實際使用水溫要求，將水溫設(shè)定在50℃左右為宜，這樣既能保證熱水水質(zhì)，又能到達(2)系統(tǒng)日耗熱全與小時耗熱量計算一般按熱水系統(tǒng)的實際用水量或能夠滿足大局部時間的用水量來確定太陽能集熱系統(tǒng)的供熱能力。短時間的用水頂峰，由輔助熱源補充，從而提高太陽能利用率，使其長期在比擬高的效率下工作，這樣考慮還可以減少太陽能集熱系統(tǒng)投資，輔助加熱設(shè)備的功率那么通過小時耗熱量計算確定。①系統(tǒng)日耗熱量計算。主要根據(jù)每日總熱水用量和冷熱水溫度，《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準》給出了不同熱水系統(tǒng)每人日熱水用水定額和衛(wèi)生器具用水定額，參見書末附表1、附表2.各地區(qū)冷水計算溫度參見附表3。系統(tǒng)日耗熱量按下式計算：式中Qd—系統(tǒng)日耗熱量，J/d；m—用水計算單位數(shù)，人數(shù)或床位數(shù)；qr—熱水用水定額，L/(人·d)或L/(床·d)；C—水的質(zhì)量熱容，C=4187)/(kg"K)；tr—熱水設(shè)計溫度，℃；t1—冷水設(shè)計溫度，℃〔按附表3選用)；ρr—熱水密度，kg,'L。②系統(tǒng)設(shè)計小時耗熱量計算。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準》的規(guī)定，全日供給熱水的住宅、別墅、招待所、培訓(xùn)中心、旅館、賓館的客房(不含員工)、醫(yī)院住院部、養(yǎng)老院、幼兒園、托兒所(有住宿)等建筑的集中熱水供給系統(tǒng)的設(shè)計小時耗熱量按下式計算：式中Qh—設(shè)計一小時耗熱量，W；m一用水計算單位數(shù)，人數(shù)或床位數(shù)；qr—熱水用水定額,L/(人·d}或L/(床·d)；C—水的質(zhì)量熱容，C=4187J/(kg·K)；tr—熱水設(shè)計溫度，℃；t1一冷水設(shè)計溫度，℃(按附表3選用)；ρr一一熱水密度kg/L；Kh—小時變化系數(shù).(按附表4選用)。注:1W=1J/s，式中86400指每日86400s。設(shè)計和計算居住小區(qū)集中熱水供給系統(tǒng)的小時耗熱量時，當(dāng)公共建筑的最大用水時段與住宅的最大用水時段一致時，應(yīng)按兩者的設(shè)計耗熱量疊加計算，當(dāng)公共建筑的最大用水時段與住宅的最大用水時段不一致時，應(yīng)按住宅的設(shè)計小時耗熱量加公共建筑的平均小時耗熱量疊加計算。定時供給熱水的住宅、旅館、醫(yī)院及工業(yè)企業(yè)生活間、公共浴室、學(xué)校、劇院、體育館(場)等建筑的集中熱水供給系統(tǒng)的設(shè)計小時耗熱量應(yīng)按下式計算：式中Qh—設(shè)計小時耗熱量，W；tr—熱水設(shè)計溫度，℃；t1—冷水設(shè)計溫度，℃(按附表3選用)；C—水的質(zhì)量熱容，C=4187J/(kg·K)；qh—衛(wèi)生器具熱水的小時用水定額，L/h(按附表2選用)；ρr—熱水密度，kg/L；No—同類型衛(wèi)生器具數(shù)；b—衛(wèi)生器具的同時使用百分數(shù)。住宅、旅館、醫(yī)院、療養(yǎng)院病房的衛(wèi)生間內(nèi)浴盆或淋浴器可按70%一100%計，其他器具不計，但定時連續(xù)供水時間應(yīng)不小于2h。工業(yè)企業(yè)生活間、公共浴室、學(xué)校、劇院、體育館(場)等的浴室內(nèi)淋浴器和洗臉盆均按100%計。住宅一戶帶多個衛(wèi)生間時，只按照一個衛(wèi)生間計算。(3)太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計①太陽能集熱面積確實定。在太陽能熱水系統(tǒng)方案設(shè)計時，已經(jīng)初步估算出了熱水系統(tǒng)需要安裝的太陽能集熱器面積。對于規(guī)模較小、用水要求較低的熱水系統(tǒng)，可按此面積設(shè)計太陽能集熱系統(tǒng)。但對于熱水需求量較大、用水要求較高的系統(tǒng)，一般是由太陽能和輔助加熱系統(tǒng)共同供熱，系統(tǒng)投資相對較大，太陽能集熱器在總投資中占有比擬大的比例，對于此類系統(tǒng)，就要對太陽能集熱器的安裝面積進行評估，確保以比擬經(jīng)濟的投資到達最正確的節(jié)能效果。在實際設(shè)計中，為了防止太陽能資源的浪費，使系統(tǒng)投資經(jīng)濟合理，一般可按照估算面積的50%一80%來確定實際安裝的集熱面積.對于偏重于春、夏、秋三，季使用的系統(tǒng),可以取偏小值;投資規(guī)模較大，希望在冬季也能大量使用太陽能熱水的系統(tǒng)，可以取偏大值。另外，在確定太陽能集熱器面積時，還應(yīng)考慮安裝場地的面積。因為大局部太陽能集熱器安以一定的傾角安裝。為了防止前排對后排的采光造成遮擋，各排集熱器之間要留一定的間隔,一般情況卜，安裝場地的面積應(yīng)為太陽能集熱器面積的2一3倍。②太陽能集熱器安裝角度確實定。太陽能集熱器安裝角度包括傾角和方位角兩個指標(biāo)，當(dāng)傾角近似于當(dāng)?shù)鼐暥葧r，可獲得最大年太陽能輻照量。當(dāng)要求在冬季獲得更多的太陽輻射能時(如太陽能采暖)，安裝傾角大于當(dāng)?shù)鼐暥?00;如希望在夏天獲得更多的太陽輻射能，那么安裝傾角應(yīng)比當(dāng)?shù)鼐暥刃?00。太陽能集熱器宜朝向正南，或在南偏東、偏西100的范圍內(nèi)放置。③太陽能集熱器的連接方式。工程中使用的太陽能集熱器數(shù)量一般較多，在應(yīng)用中先將集熱器連接成集熱器組，集熱器組之間再通過一定的方式連接成集熱器系統(tǒng)。集熱器組的連接方式有串聯(lián)(圖3-41)、并聯(lián)(圖3-42)和混聯(lián)(圖3-43.圖3-44)3種。采用自然循環(huán)的太陽能熱水系統(tǒng)，集熱器不宜串聯(lián)過多，否那么流動阻力大，系統(tǒng)無法循環(huán)。自然循環(huán)集熱器的面積不宜超過32m2，總面積不宜超過48m2;采用非自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)，集熱器可以采用串聯(lián)或井聯(lián)方式連接，但串聯(lián)的集熱器而積不宜超過30m2。為保證集熱器組之間的水力平衡，各集熱器組之間的連接推薦采用同程式連接，如圖3--45。異程式連接時，應(yīng)在每個集熱器組的支路上設(shè)置調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，如圖3-46。集熱器組之間采用并聯(lián)方式連接，各集熱器組的面積應(yīng)相同。④集熱器前后排間距確實定。為了使集熱器有較好的采光效果，應(yīng)確定集熱器前、后排之間南北方向上的不遮擋距離。計算公式為:式中S—前后排集熱器不遮光最小距離，m；H—前排集熱器的高度，m；γ—方位角(地平面正南方向與太陽光線在地平面投影間的夾角)，〔o〕；α－太陽高度角，(°)。太陽高度角a和方位角可通過以下公式求得:式中ω—時角(以太陽時的正午起算，上午為負，下午為正，它的值等于離正午的時間鐘點數(shù)乘以15?)；δ—赤緯角(太陽光線與赤道平面的夾角)，(?)；Ф—工程所在地的緯度，(“)。例如：計算北京地區(qū)春、夏、秋季節(jié)使用的太陽能熱水系統(tǒng)集熱器最小不遮光距離。北京的緯度Ф=40?，對應(yīng)春分或秋分的赤緯角δ=o，對應(yīng)9:00(或15：00)的時角ω=3×15?=45?，代人計算公式：求得太陽高度角α=32.8?；求得方位角γ=57?;從而求得集熱器前后排址小間跟為：. s=H全年使用的太陽能熱水系統(tǒng)，前后排集熱器的鼓小不遮光距離一般可按來確定?！?〕太陽能儲熱水箱容積確實定太陽能儲熱水箱的棄積應(yīng)根據(jù)人陽能熱水溫度和太陽能集熱器全天得熱量確定，應(yīng)能容納太陽能集熱系統(tǒng)全天最大熱水量。為最大限度利用太陽能，減少輔助加熱設(shè)備的能源消耗，對于日產(chǎn)水量10t以上的太陽能熱水系統(tǒng)，可以將儲熱水箱分為一大一小兩個。大的水箱主要儲存太陽能熱水，起到對熱水系統(tǒng)預(yù)熱的作用，其容積可按全天最大熱水量的70%～80%確定；小水箱作為熱水系統(tǒng)供熱水箱，輔助加熱設(shè)備只對供熱水箱加熱，其容積應(yīng)能滿足熱水供給系統(tǒng)的設(shè)計小時耗熱量的要求，可按全天最大熱水量的20%～30%確定。有些太陽能熱水系統(tǒng)除了儲熱水箱外，還需要設(shè)置一個與之配套使用的補水箱。補水箱的作用主要是控制儲熱水箱的水位和保待恒定的水壓。補水箱的設(shè)計容量一般為儲熱水箱的1/30。(5)管道系統(tǒng)①管材。太陽能熱水工程管道根據(jù)管內(nèi)工質(zhì)不同可分為冷水管道、熱水管道和集熱系統(tǒng)管道。冷水管道可選用的管材有熱鍍鋅鋼管、銅管、薄壁不銹鋼管、塑料管、金屬復(fù)合管,PP-R(聚丙烯)管、PB(聚丁烯)管、PEX(交聯(lián)聚乙烯)管等;熱水管道可選用熱鍍鋅鋼管、銅管、薄壁不銹鋼管、塑料管、金屬復(fù)合熱水管、PP-R熱水管、PEX熱水管等;對于集熱系統(tǒng)，因為循環(huán)介質(zhì)溫度變化幅度較大，溫度相對較高。一般采用金屬管，如熱鍍鋅鋼管、銅管、薄壁不銹鋼管等。系統(tǒng)中的管件應(yīng)和管道采用同種材質(zhì)。無論選用哪種管材，管道的工作壓力和工作溫度不得大于產(chǎn)品標(biāo)準標(biāo)定的允許工作壓力和工作溫度。②管徑。太陽能集熱系統(tǒng)的管徑可按如下兩種方法確定。根據(jù)流量和流速估算根據(jù)循環(huán)系統(tǒng)的流量和管道的流速，按下式可以計算出管道的直徑，根據(jù)計算結(jié)果，選擇適宜管徑的管材。式中D一汁算管道直徑，mm;Q一管道流量，υ－管道流速， m/s；參照表3–7。在不需要精確計算時，管道的沿程阻力損失按50～100Pa/m估算，局部阻力損失按照沿程阻力損失的25%～30%估算。根據(jù)水力計算表確定附表5是根據(jù)熱水系統(tǒng)的特點調(diào)整后的水力計算表，設(shè)計水溫為60'Co根據(jù)系統(tǒng)流量、流速，可以選擇適宜的管道公稱直徑，并確定沿程阻力損失值。管道的局部阻力損失按附表6和附表7計算。按上述方法確定熱水供水系統(tǒng)的管徑時，如果是自然循環(huán)系統(tǒng)，回水管管徑可比相應(yīng)位置的供水管管徑小一號;如果是強制循環(huán)系統(tǒng)，其回水管管徑一般可比供水管管徑小兩號，但回水管管徑不得小于20mm。管道坡度太陽能集熱系統(tǒng)管路的最高點要設(shè)置自動排氣閥或放氣管，放氣管應(yīng)高出最高點600～800mm,整條管路要有一定的坡(>0.5%)管道保溫集熱系統(tǒng)和熱水供水系統(tǒng)管道必須保溫處理。保溫材料的選擇應(yīng)符合《建筑設(shè)計防火標(biāo)準》等規(guī)定的要求，并采用熱導(dǎo)率低、吸濕性好、抗壓強度高、對管道無腐蝕、易于施工的非燃和難燃材料，對于電加熱器或采用低溫發(fā)熱電纜防凍保護的管道保溫，保溫材料必須采用非燃材料。太陽能熱水工程中常用的保溫材料有巖棉、超細玻璃棉、硬聚氨醋、橡塑海綿等，厚度應(yīng)參照表3-8確定。保溫層的外面應(yīng)敷設(shè)保護層，保護層有水泥保護層、鐵皮保護層、玻璃布或塑料布保護層、木板或膠合板保護層等多種，可根據(jù)工程需要選用。(6)太陽能循環(huán)泵的選擇太陽能集熱系統(tǒng)循環(huán)泵一般采用管道離心泵，應(yīng)選擇適用介質(zhì)溫度100℃以上的熱水泵，水泵殼體承受的工作壓力不得小，于其所承受的靜水壓力加水泵揚程，設(shè)計時還宜設(shè)備用泵或雙泵交替運行。水泵的流量應(yīng)為集熱系統(tǒng)設(shè)計循環(huán)流量，可按照集熱器的最大小時得熱量和集熱系統(tǒng)進出水溫差(一般為5℃～150C)計算，即：式中—設(shè)計循環(huán)流量，L/h；—集熱系統(tǒng)小時得熱量，W；一集熱系統(tǒng)進出水溫差，?C水泵的揚程應(yīng)按下式計算：式中一循環(huán)水泵的揚程，；一循環(huán)水量通過配水管網(wǎng)的水頭損失，；一循環(huán)水量通過回水管網(wǎng)的水頭損失，。當(dāng)采用間接加熱式太陽能熱水系統(tǒng)時，水泵揚程還應(yīng)計算通過換熱器的水頭損失?！?〕系統(tǒng)的防凍和防過熱措施為保證冬季的安個運行，在北方寒冷地區(qū)安裝使用太陽能熱水系統(tǒng)時，除了對管道設(shè)備進行常規(guī)的保溫處理外，對于全統(tǒng)，還必須采取有效的防凍措施。①防凍循環(huán)。在室外集熱系統(tǒng)炸道上設(shè)溫度傳感器，''當(dāng)溫度低于設(shè)定的衡凍溫度時，太陽能循環(huán)泵啟動.以利用水箱內(nèi)的熱水捉高竹道和集熱器的溫度。采用這種方式的前提是招個集熱系統(tǒng)循環(huán)暢通，沒有死角。該方式的缺點是增加系統(tǒng)熱損失，消耗能源。②回流排空防凍。即熱水箱安裝于系統(tǒng)敏低處，當(dāng)循環(huán)泵停止運行時，系統(tǒng)內(nèi)的存水在重力作用下個部回流到熱水箱中，起到防凍的作用，并且減少了管道系統(tǒng)的熱損失。使用該方式時，要求集熱系統(tǒng)管路路和竹道不能有反坡，以保證系統(tǒng)中的水能完全回流。③防凍介質(zhì)防凍。對于間接加熱式系統(tǒng)，循環(huán)工質(zhì)可采用一定比例的防凍液，在保證熱水系統(tǒng)水質(zhì)的同時到達較好的防凍效果。④電伴熱防凍。在一些小規(guī)模太陽能熱水系統(tǒng)中，可沿管道和集熱器集管敷設(shè)低溫發(fā)熱電纜，根據(jù)室外溫度情況對其通電，保證管道不結(jié)凍。夏季長期無人用水時，集熱系統(tǒng)的水溫會不斷升高，熱水箱內(nèi)甚至可能會沸騰，因此必須采取防過熱措施。目前一般足對集熱系統(tǒng)進行定溫控制，當(dāng)熱水箱超過一定溫度后，集熱系統(tǒng)鉑環(huán)泵停止運行或短時間間斷運行，對于間接加熱的閉式系統(tǒng)，還要設(shè)置平安閥等泄壓裝置。(8)控制系統(tǒng)太陽能熱水系統(tǒng)的擰制一般包括太陽能集熱系統(tǒng)的控制和熱水供給系統(tǒng)的控制兩局部，兩局部控制可以分開也可以合在起。太陽能集熱系統(tǒng)一般采用集熱器和熱水箱溫差控制，可以在集熱器系統(tǒng)和熱水箱分別設(shè)置測溫點，控制器能夠根據(jù)二者的溫度變化和溫差控制太陽能循環(huán)泵的運行。同時，控制系統(tǒng)還應(yīng)具有超溫保護和防凍功能，防止用水量較少時太陽能熱水箱過熱或者冬季雨雪天及夜間集熱系統(tǒng)管道、設(shè)備凍壞。熱水'供給系統(tǒng)的控制主要包括輔助加熱設(shè)備的控制、補水系統(tǒng)的控制和熱水循環(huán)系統(tǒng)的控制等，應(yīng)根據(jù)使用功能和用戶要求進行設(shè)計，力求操作簡單、運行可靠?！?〕根底、支架的設(shè)計集熱器和儲熱水箱的從礎(chǔ)一般采用頂制或現(xiàn)澆混凝土根底。根底可建在屋頂防水層上，也可以建在屋頂結(jié)構(gòu)層上，其位置應(yīng)按照集熱器的布置形式和水箱的安裝位置確定。建在屋頂結(jié)構(gòu)層上的根底，其預(yù)埋件應(yīng)與結(jié)構(gòu)層中的鋼筋相連，并做好防水，防水的制作應(yīng)符合GB50207—2002規(guī)定的要求。根底頂面應(yīng)設(shè)有地腳螺栓或預(yù)埋鐵，便于同支架緊甲或焊接在一起。建在屋頂防水層上的根底，可不設(shè)地腳螺栓預(yù)埋鐵。根底的高度和位置應(yīng)考慮日后的屋面維修。儲熱水箱根底應(yīng)設(shè)在建筑物的承重梁或承重墻上，儲熱水箱滿水時的荷載不應(yīng)超過建筑設(shè)計的承載能力；儲熱水箱周圍應(yīng)當(dāng)留有0.5m的檢修空間。儲熱水箱和太陽能集熱器的支架主結(jié)構(gòu)材料可采用角鋼、槽鋼和鋼板。支架的強度應(yīng)能承受設(shè)備本身的荷載和不低于10級風(fēng)的負載，如果當(dāng)?shù)貧v史最大風(fēng)力高于10級，那么按照當(dāng)?shù)貧v史最大風(fēng)力設(shè)計。所有鋼結(jié)構(gòu)支架的材料，在不影響其承載能力的情況下，應(yīng)選擇利于排水的方式。由于結(jié)構(gòu)或其他原因造成不易排水時，應(yīng)采取合理的排水防水措施，確保排水通暢。以上我們介紹了太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計的根本思路和方法，具體的設(shè)計細節(jié)和一些未提及的局部可參閱相關(guān)國家標(biāo)準或標(biāo)準，如《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準》〔GB50015-2003)、《家用太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》〔GB/T19141—2003),《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準》(GB50364-2005)、《太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計、安裝及工程驗收標(biāo)準》〔GB/T19713-2002)等?？傊?，設(shè)計者在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)工程的實際情況，與建筑、電氣、自控等相關(guān)專業(yè)密切配合，共同完成太陽能熱水系統(tǒng)各局部的設(shè)計。第七節(jié)太陽能熱水工程的安裝施工太陽能熱水工程的安裝施工主要包括進場準備、根底施工、鋼結(jié)構(gòu)施工、集熱器安裝及管路施工、保溫施工、水箱安裝、電控施工、試車運行等。太陽能熱水工程與常規(guī)建筑供水或空調(diào)設(shè)備系統(tǒng)相比，增加了集熱器和蓄熱箱，集熱器放在屋頂、南墻或陽臺，蓄熱水箱置于室內(nèi)或屋頂。因此，工程開始時，必須與土建及其他有關(guān)工程周密協(xié)商，隨時進行調(diào)整。一、進場前的準備①明確工程的驗收時間、驗收標(biāo)準及方法。②施工圖樣、技術(shù)文件、標(biāo)準、法規(guī)做到齊、清、定。③對施工人員進行必要的識圖和技術(shù)培訓(xùn)。④對施工現(xiàn)場的場地、作業(yè)面、操作間距'、水電接口、搬運路線以及周邊環(huán)境、道路交通做到心中有數(shù)，以便安排工程進度和做出周密部署。⑤施工中的各種材料、沒備、部件、兀器件、附件、配件以及工具、裝備都應(yīng)根據(jù)設(shè)計施工圖樣的規(guī)格、型號、數(shù)量分門別類編制清單，并根據(jù)施工進度要求提前做好準備.確保工程有條不紊地進行。二、根底和支架的施土〔1〕根底施工在建筑物屋面上做太陽能熱水工程，集熱器和儲熱水箱必須做混凝土根底，其根底施工應(yīng)注意：①放定位軸線應(yīng)嚴格按照工程平面圖的尺寸要求控制，力求準確。②預(yù)制混凝土根底或現(xiàn)澆混凝土根底用材料、尺寸、標(biāo)高應(yīng)符合施工圖樣要求。③建在屋頂結(jié)構(gòu)層上的根底預(yù)埋件與結(jié)構(gòu)層中的鋼筋連接牢固。④防水層的制作應(yīng)符合國家標(biāo)準GB5020—2002的規(guī)定。⑤混凝土根底頂面地腳螺栓或預(yù)埋鐵的尺寸、標(biāo)高與位置應(yīng)符合圖樣要求，并同支架緊固連接或焊接⑥混凝土根底外表要求平整?！?〕支架施工①儲熱水箱和太陽能集熱器的支架結(jié)構(gòu)材料應(yīng)符合設(shè)計要求，選用的鋼材應(yīng)符合國家標(biāo)準。②嚴格依據(jù)集熱器陣列支架圖和儲熱水箱支架圖施工③某些不平直的鋼材.在放樣、下料或拼裝之前必須加以矯正，矯正后的鋼材外表不應(yīng)有凹陷及其他損傷。鋼結(jié)構(gòu)的下料應(yīng)保證制成構(gòu)件的實際尺寸符合設(shè)計要求。④焊接部位在拼裝前應(yīng)去除鐵銹、飛刺、污物。⑤電焊焊接應(yīng)符合國家標(biāo)準《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收標(biāo)準》(GB50205-2001)的要求。⑥鋼結(jié)構(gòu)的防腐施工應(yīng)符合國家標(biāo)準《建筑防腐蝕工程施工及驗收標(biāo)準》(GBX0212-2002)和《建筑防腐蝕工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準》(GB50224-1995〕的要求。⑦有坡度要求的支架應(yīng)按設(shè)計要求安裝。建在里面防水層上的根底支架。各排之間應(yīng)用角鋼等連接在一起并與建筑物相連.以提高抗風(fēng)能力。⑧采用螺栓安裝支架，應(yīng)先將支架放在根底上，使支架的螺栓孔正對根底預(yù)留螺栓孔，然后把