小议太阳能热水供应系统设计

摘要：近年来我国太阳能集热器安装面积发展迅速，对太阳能技术的研究也日趋成熟，因此大力推进太阳能热水器在建筑中的应用，充分利用太阳能供应生活热水可降低建筑能耗，对建筑节能意义重大。现阶段我国部分地区已经对住宅和医院、学校、宾馆、洗浴等有集中热水供应的场所强制使用太阳能集中热水供应系统。太阳能作为一种绿色环保型的可再生能源，大规模利用太阳能是实现十二五节能减排目标的重要途径。

关键词：太阳能系统形式辅助热源防过热 防冻

近年来我国太阳能集热器安装面积发展迅速，对太阳能技术的研究也日趋成熟。太阳能集热器是太阳热水系统的关键部位，大部分的太阳能厂家的研究着重于集热器的研究，而设计院在设计时则将太阳能这一块完全甩项至太阳能厂家，导致太阳能管路系统成为太阳能热水系统中的短板。

下面简要介绍太阳能生活热水系统设计中的几个常见问题

一、太阳能系统形式的选择

太阳能热水系统分为集中供热水系统和分散供热水系统（即家用太阳能热水器）。集中供热水系统多用于宾馆、饭店、洗浴等公共建筑，家用太阳能热水器多用于住宅。目前太阳能热水器的节能性已经得到认可，但是要做到太阳能集热器与建筑外观的相互协调，必须逐步取消每户单独安装太阳能热水器的传统做法，代之以在每栋建筑上安装综合大型的太阳能集热器，统一向各户供应热水，这样有占地少，节约投资，故障率低，提高设备利用率、有利于水温和水压平衡的优点，更重要的是能较好的与建筑结合起来，这也是太阳能热水系统应用的高级阶段，需要在建筑设计前期就应充分考虑可行的设计方案，使太阳能热水系统与之同步设计，同步施工、验收。同时带来的太阳能管理、计量等问题也需要在选用太阳能形式时综合考虑。另外从设备利用率、水压平衡等方面看太阳能集中热水供应系统也不宜太大，对于大的小区，如果要采用太阳能集中热水供应系统，最好以单栋或者相邻几栋为一个小的循环系统是合理的。

1. 加热形式的选择：

太阳能集中热水供应系统有直接加热和间接加热两种形式。直接加热指冷水直接通过集热器加热为所需热水；间接加热指利用集热器制备热媒水换热冷水的加热方式。两种方式各有优缺点，直接加热效率较高但容易结垢，间接加热有利于集热器防垢，延长使用寿命。间接加热比直接加热系统的集热面积多2%左右，但是间接加热的集热水箱小于直接加热系统。对于较大型的太阳能热水系统宜采用间接加热形式。

2. 换热、储热设备的选择

间接加热系统需要采用换热设备。太阳能需要循环多次才能将冷水加热到所需温度，换热过程中热媒与被加热水的温差很小，如果采用常规容积式、半容积式等换热器必须配备大容积储热设备不经济，对于太阳能集热系统适宜采用快速换热器。

太阳能的储热设备一般采用水箱。利用水箱储热的缺点是，系统为开式系统，冷水的压力不能利用，供热系统需要另设热水加压泵，不利于冷热水水压平衡。优点是施工方便，占地面积小，投资也相对少。

3. 辅助热源的选择

太阳能具有密度低，间歇性和不可靠性的特点，太阳能的辐照度受天气条件等各种因素的影响，下雨阴天或者冬季太阳能的供应就会中断，而且太阳能具有即时性，必须考虑蓄能技术，因此太阳能热水系统要有稳定、可靠地使用性能，必须和常规能源如电、蒸汽等辅助热源结合起来，既保证热水的供应，又节省能源，这是我们设计的主要任务。太阳能集中热水系统辅助热源的负荷应按无太阳能时设计。辅助热源应因地制宜。小型太阳能热水系统大多以电能为辅助能源，最简单的方法是将电热元件放入储热水箱中，但是这种方式必须采取有效的防垢措施，否则电加热元件通电后，即便硬度较低的冷水中也会很快形成水垢，将电热元件包住，使其不能散热导致烧坏。当以城市热网的蒸汽或热水为辅助热源时，可按常规热源的方式选用水加热设备。但应尽量结合太阳能不稳定的特点，选用2台或多台设备，无太阳能时，2台或多台设备同时投入运行，有太阳能或半太阳能是，可1台运行，这样辅助热源设备效率高，节能。单选择哪种辅助热源需要结合工程实际情况做一下经济比较以后才能确定。

总之，要针对建筑形式的不同选择合理的太阳能热水系统。

二、系统设计应注意的问题

1. 太阳能集热器连接方式选择

集热器的连接方式有串联、并联和串并联。对于自然循环系统应采用并联。对于强制循环系统，可进行串联、并联和串并联，为了使设计系统更优化，最好多采用并联，少用或不用串联形式，对于串并联形式的热水工程设计规模不宜太大，对于规模较大的工程可以将总用水量进行拆分，组成几个子系统，并将多个子系统连接，构成一个整体系统，这样容易调整多个系统之间的平衡，单个系统出现故障不会影响其他系统的正常运行。

2. 防过热防爆的安全措施

夏季太阳能集热器中水的温度能达到100°C以上，因此太阳能防过热、防爆的安全措施是设计不容忽视的问题。目前一般的处理措施是（1）集热系统管路上设膨胀罐、安全阀、放气阀。（2）采取遮阳措施。集热系统的防爆除采取上述措施外，系统采用的管材、管件、阀件等应采用耐高温的材质。集热管不能选用塑料管、复合管，铜管一般也只适用于不高于150°C的介质，因此集热系统一般采用不锈钢管及相应的管件、阀件。

集热系统被加热水的防过热也是系统设计需要重视的问题。一般可采用温度传感器控制电磁阀或循环泵的启闭，控制水温不超过65摄氏度。

3. 防冻措施：

北方地区应考虑集热系统的防冻。目前常采用的有排空、排回、添加防冻剂、倒循环等。这些方法各有其优缺点，宜因地制宜采用。（1）排空法指直接供水系统有可能冻结时，将集热系统内的水排空。（2）排回法指间接供水的系统有可能冻结时将集热器内及管路内的热媒水泄至热媒水箱。第二天集热时，再将热媒水泵入集热系统，这样热媒水可循环利用，但需设置一个能容纳集热系统水容积的专用热媒水箱，一般适用于较小的系统。（3）添加防冻液。在间接加热的热媒水中添加防冻剂，降低介质的冰点，使集热系统不冻结。（4）倒循环。利用集热循环泵倒循环，集热系统在冰冻时通过温度传感器控制集热水泵，将集热水箱中的热水返到集热器与管路，保持集热介质不冻。

结语：

太阳能集中热水系统的设计涉及到建筑、结构、电气等多个专业，涉及到选用品牌厂商等诸多工作，实际工程中应与业主及太阳能设备生产商紧密配合，因地制宜设计出一个真正高效实用的太阳能集中热水供应系统。否则盲目设置，不但没有起到节能的目的，反而会在使用后出现费电费水现象，既违背了设计初衷又造成新的资源浪费。