连瑞瑞 钱莹
【摘要】在太陽能的热利用中，太阳能热水器是发展最快的产业。本文对连排别墅太阳能热水系统进行设计，依据分户集热、储水、使用的模式，采用分体承压直接或间接加热，选用电加热作为辅助热源，实现太阳能系统的自动运行;根据建筑形式选择集热器的类型和放置位置，实现太阳能与与建筑的完美结合。
【关键词】太阳能;辅助热源;热管真空管;热水系统
1.引言
太阳能热水器在太阳能的热利用中，是发展最快、应用最广的一项产业。对于别墅而言，一般采用分体承压式太阳能热水器系统。本文针对连排别墅，设计出双循环的分离式承压热水系统。采用平板型太阳能集热器，太阳集热器嵌入到坡屋顶内，贮热水箱放置在阁楼上，以便于实现太阳能集热器与坡屋面房顶的协调性。
2.别墅型分体承压太阳能热水系统的设计
别墅型分体承压太阳能热水系统，采用太阳能作为主要热源加热水，将集热器与储水箱分开，通过工质的强制循环将太阳集热器吸收太阳光而得到的热量传输到储水箱，从而得到热水（热量）。该热水系统由太阳能集热器、贮热水箱、控制站、管道和附件等部分组成。
2.1 太阳能集热器
2.1.1 太阳能集热器的类型选择
按照集热器的结构不同，太阳能集热器的类型主要有平板集热器、真空管集热器、热管真空管集热器。
表1-1 集热器类型的比较
选用要素 集热器类型
平板型 全玻璃真空管型 金属-玻璃真空管型
集热效率 低 中 高
运行方式 承压、非承压 非承压 承压、非承压
与建筑外观结合程度 好 一般 较好
易损程度 低 高 中
价格 低 中 高
通过比较，可以看出平板集热器易于与各种建筑形式结合，且春、夏、秋三季效率高，但冬季效率低。真空管集热器在零下25℃条件下，仍可产生热水，可一年四季使用，且冬季利用太阳能的效率最高，但存在不能承受高压，易出现炸管漏水等问题。热管集热器解决了全玻璃真空管集热器易出现炸管漏水的缺点，冬季效率高，但不易与建筑结合。考虑到平板集热器易于与建筑坡面协调，在本系统中我们选择平板型太阳能集热器。
2.1.2 太阳能集热器安装倾角的确定
太阳集热器应放置在朝南的坡面上，最佳的安装倾角应该根据热水的使用季节和当地的地理位置确定。
一般全年使用时
（1-1）
式中：——太阳集热器安装倾角;
——当地的地理纬度。
查得郑州地区的纬度是34o;则在夏季使用时=34o-10o;在冬季使用时=34o+10o。
2.1.3 用户日需热量的计算
假定3～5口人的家庭日用水量为M=100L，用水温度为50℃左右，水箱出水温度为20℃，C=4.184KJ/Kg，则一般用户所需热量
Q=CM△t=CM（T2-T1） （1-2）
C――水的比热容;M――一般用户的日用水量;△T――水箱进出口的温差;T2――水箱供水温度;T1――水箱出水温度;
已知C=4.184KJ/Kg，M=100Kg，T2=50℃，T1=20℃
则根据公式（1-2）Q=4.184×100×（50-20）=12552KJ。
通过计算可知每吨热水所需热负荷，如表1-2所示：
表1-2 每吨热水所需热负荷
季节 要求水温 基础水温 温升 所需热负荷
夏季 50℃ 20℃ 30℃ 125.4KJ
春秋季 50℃ 15℃ 35℃ 146.3KJ
冬季 50℃ 10℃ 40℃ 167.2KJ
2.2 水箱选择及其放置位置确定
水箱是太阳能热水器的主要部件之一，是用于贮存冷热水的容器，它是无味、无毒，有一定的结构强度和良好保温性能的装置。
本设计采用光芒内置式强制循环分体内胆搪瓷水箱。水箱内胆为钢板外涂金圭搪瓷，外用全聚氨酯发泡保温。对于200L水箱，水箱上部电加热功率按2KW/220V设计，下部电加热功率按2KW或3.8KW/220V设计。
一般情况下，水箱可以放置在地下室、设备间、卫生间、厨房、阳台、阁楼等位置。本设计将水箱放置在阁楼内。
2.3 辅助加热系统
太阳能受气候因素的影响很大，在雨雪天几乎不能使用，因此，它是一种不稳定的能源。在使用时，必须增加水加热设备，才能保证的热水稳定供应。这种水加热设备常被称之为“辅助热源”。辅助热源的种类繁多，选择时，应该考虑根据环境因素、使用的方便性等因素，优先考虑环境保护和节约能源。对已经设有集中供热、空调系统的建筑，辅助加热系统应与供热、空调热源系统匹配。
3.别墅型分体承压太阳能热水系统工作原理
目前，别墅型太阳能热水系统的加热方式，一般采用分体承压二次回路。这种加热方式的优点是：稳定、可靠、方便。分体承压二次回路系统种类繁多，需根据别墅的热水供应特点以及每种类型优缺点选择。本设计采用太阳能与电加热相结合的形式——水箱上下部双电加热和外置换热器分体承压二次回路太阳能系统。
3.1 结构示意图
图2-1 水箱上下部双电加热和外置换热器结构示意图
3.2 工作原理
太阳能集热器--水箱上下部的换热盘管--循环管路--循环水泵等构成了一个循环回路。当太阳能集热器吸收太阳光后，集热器内的传热介质被加热升温，然后通过水泵的作用流动到水箱下部的换热盘管内，从而加热水箱下部的水;下部的水升高后，自动上升到水箱上部，而水箱上部的冷水自动下沉的水箱下部。如此循环，太阳能逐步将水箱内的水全部加热。
当阴雨天气，太阳能不足时，上部的电加热自动启动，将水箱上部的水加热到需要的温度。为了保证24小时连续热水供应，需要水箱上部的电加热一直处在工作状态，直到将水箱上部水加热到需要的温度后才自动停止。
4.别墅型分体承压太阳能热水系统的分析
在别墅上采用分体承压热水系统，具有以下特点：
（1）优先利用太阳能，自动控制系统温度
该系统配置的控制器会定时检测水箱下部温度，当太阳能不足或用水量过多，导致热水器下部温度过低时，系统将自动启动下部电加热，使其达到设定温度后又自动停止。
（2）保证雨雪天气时热水的充足供应
该分体承压太阳热水系统，在水箱的上下部分别设置了电辅助加热。在雨雪天气，太阳能不充足时，水箱上部的电加热辅助系统就会自动启动。当水箱上部的水温达到设定值时，上部电加热自动停止，这样可以保证热水的充足供应。
（3）采用微电脑温差自动控制器，实现全自动化、智能化
采用温差控制方式，当太阳集热器内的介质温度高于储热水箱内的温度时，循环水泵才会自动运转;反之，则自动停止。避免了循环泵水泵无意义的运转带来的电能浪费。
除具有温差控制功能外，微电脑控制器还具有时间、温度、日期、区间、压力等多种自动控制和设定功能。真正实现全自动化控制。
微电脑控制器还具有太阳能产热量自动记录、计算、存储、智能判断提示等功能，并可以与电脑相连，实现数据信息存储。
（4）采用分体设计，便于实现与建筑的完美结合
采用分体设计，将储热水箱和太阳能集热器分开。储热水箱放置在室内，如：储藏间、地下室、卫生间等位置，这样方便维护，密封保温，热量损失明显减少;太阳能集热器放在室外，显得轻巧、美观，并且易与各种建筑形式相结合，还可将将太阳集热器作为建筑的一个构件（如墙体）。
（5）采用双回路的运行方式
在冬季结冰的北方地区，采用双回路系统，太阳能集热器循环介质是防冻液。它不结冰、不结垢，防冻液在金属管内循环，一般也不会出现泄露问题。因此太阳能系统运行可靠，这种系统避免了普通太阳热水系统炸管、漏水、结冰冻裂、结垢堵塞等问题。
5.结论与展望
当前，太阳能热水器的使用量越来越多，与建筑的结合越来越紧密。太阳能在制冷、發电等方面，也得到了较快的发展。但是，我国太阳热水器的普及率较发达国家差距较大，这就需要各界人士的不断努力，逐步实现太阳热水器与建筑的完美结合，使太阳能热水器在建筑节能方面做出更大的贡献，壮大太阳能行业的发展。
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