（模式识别与智能系统专业论文）武汉市太阳能热水系统优化探讨和设计参数的合理确定.pdf

武汉理丁大学硕十学位论文 摘要 本文对太阳能辐射热计算、太阳能热水系统形式、太阳能热水系统设计现状 等作了介绍；并根据武汉地区的气象资料、地理资料、各月太阳能辐射热的资料， 推荐适合武汉的太阳能热水系统的设计参数；并将分析结果应用于一工程实例的 太阳能热水系统的设计，同时对其做了节能效益分析。主要分析方法及结论如下。 本文根据武汉地区的设计资料，在方位角为0 。时，通过计算不同倾角下年 平均日辐射量及全年总辐射量，来推出武汉地区太阳能集热器最佳倾角。文章是 通过缩小步迸的方法将最佳倾角的精度精确到o 1 。，经分析计算最后得出武汉 地区的全年太阳能集热器的最佳安装倾角为1 9 8 。；建议受实际情况限制不能 采用最佳倾角时，集热器安装倾角最好不要超过3 0 。 同时笔者分别在倾角2 0 。和倾角3 0 6 。时计算武汉地区各方位角下集热器 倾斜面上太阳辐射量，通过计算及分析发现在方位角偏离不大时，武汉地区全年 太阳能辐射量变化的量很小，倾角为3 0 6 。时比倾角为2 0 。时的全年太阳能辐 射量随着方位角变化的变化率要大。受实际情况限制太阳能集热器的方位角不能 为正南时，方位角偏离量最好控制在2 0 。内。 通过分析和计算，本文给出了太阳能集热器的面积计算中的主要参数的取 值。 根据研究成果，本文以武汉地区一住宅为实例，进行了太阳能热水系统设计， 并对该系统进行了经济及节能分析。工程的太阳能系统设计与建筑设计同步，采 用与建筑一体化的形式，集热器安装在南面的坡屋面上，通过方案比较后，确定 太阳能热水系统采用集中集热一分户储能的形式。从分析结果看，集中集热系统 的每户投资与独立式家用太阳能热水器的每户的投资相差不大。对太阳能系统进 行节能效益分析后，发现太阳能系统在减少二氧化碳排放，保护环境方面具有积 极的意义。 关键词：太阳能热水系统；安装倾角；方位角；节能分析。 a b s t r a c t a tt h eb e g i n n i n go ft h i sp a p e r , i ti n t r o d u c e st h ef o r m u l ao fs o l a rr a d i a t i o n ，s o l a r h o tw a t e rs y s t e mf o r m s ，s o l a rh o tw a t e rs y s t e ms t a t u s ，a n ds oo n t h e n ，b ya n a l y z i n g m e t e o r o l o g i c a ld a t a , g e o g r a p h i c a ld a t a , a n dt h es o l a rr a d i a t i o ni nw u h a na r e a ， a p p r o p r i a t ed e s i g np a r a m e t e r sf o rt h es o l a rh o tw a t e rs y s t e mo fw u h a na r e aa r e p r o p s e d a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h er e s u l to ft h er e s e a r c hi sa p p l i e dt oad e s i g no f s o l a rh o tw a t e rs y s t e mi nab u i l d i n ga n dt h ee f f i c i e n c yo ft h i ss y s t e mw a s a n a l y z e d s o m e w a y sf o ra n a l y s i sa n ds o m ec o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s t h eb e s ti n c l i n a t i o na n g l eo fs o l a rc o l l e c t o rf o rw u h a na r e ai sr e s e a r c h e di nt h e p r i n c i p l eo fs o l a rc o l l e c t o rg e t t i n gm a x i m u ma m o u n to fs o l a rr a d i a t i o n t h r o u g hay e a r f i r s t l y , t h ea v e r a g ea n n u a ls o l a rr a d i a t i o na n dt h et o t a la n n u a la m o u n to fr a d i a t i o na r e c a l c u l a t e d ，a c c o r d i n gt ot h et o t a la m o u n to f r a d i a t i o na n dd i r e c ts o l a rr 习l d i a t i o no fe a c h m o n t hi nw u h a na r e a a tt h es a m e ，t h ec h a n g i n go ft o t a la n n u a la m o u n to f r a d i a t i o ni s d e s c r i b e di naf i g u r e a f t e rc a l c u l a t i o na n da n a l y s i st h eb e s ti n c l i n a t i o na n g l eo fs o l a r c o l l e c t o ri nw u h a ni s19 8 0 a n di ft h ei n c l i n a t i o no ft h ec o l l e c t o ri sl i m i t e db yt h e b u i l d i n g sc i r c u m s t a n c e s t h ep r o p o s e di n c l i n a t i o no fc o l l e c t o ra n g l ep r e f e r a b l yn o t m o r et h a n3 0o t h ea m o u n to fs o l a rr a d i a t i o nh a sb e e nc a l c u l a t e dw h e nt h ea z i m u t hi sc h a n g i n g i nt h ec o n d i t i o no fi n c l i n a t i o na n g l e2 0 。a n d3 0 6 。t h r o u g h c a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n g ， t h ea n n u a la m o u n to fs o l a rr a d i a t i o nc h a n g e s s l o w l y , w h e nt h ea z i m u t hi sc h a n g i n ga t ac e r t a i nr a n g e a n di ti sa l s of o u n dt h a tt h ea n n u a la m o u n to fs o l a rr a d i a t i o nc h a n g e s s l o w e rw h e nt h ea z i m u t hi s3 0 6 0t h a n2 0 0 a n di ft h ea z i m u t ho ft h ec o l l e c t o ri s l i m i t e db yt h eb u i l d i n g sc i r c u m s t a n c e s t h ep r o p o s e da z i m u t ho fc o l l e c t o rp r e f e r a b l v 2 0ot o + 2 0o t h ev a l u e so ft h em a i np a r a m e t e r so ft h ea r e ac a l c u l a t i o no f t h es o l a rc o i l e c t o r a r es u g g e s t e di nt h i sp a p e r i tc a r lb e a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h e r ei sa ne x a m p l eo far e s i d e n c ei nw u h a n t h es o l a r h o tw a t e r s y s t e mo ft h i sb u i l d i n gi sd e s i g n e d t h ee c o n o m i ca n de n e r g ys a v i n go ft h i s s y s t e mi sa n a l y z e da tt h es a m et i m e i nt h i sp r o j e c t ，t h es o l a rh o tw a t e r s y s t e ma n dt h e 武汉理1 ：人学硕十学位论文 a r c h i t e c t u r a la r ed e s i g n e da ts a m et i m e t h ec o l l e c t o r sa r eg o i n gt ob ei n s t a l l e di nt h e s o u t ho ft h es l o p i n gr o o f a n dac e n t r a l i z e dc o l l e c t i n ga n dh o u s e h o l de n e r g ys t o r a g e s y s t e mi ss e l e c t e d t h r o u g ha n a l y z i n ge n e r g ye f f i c i e n c yo ft h es o l a rs y s t e m ，i ti s f o u n dt h a ti th a sap o s i t i v es i g n i f i c a n c eo nr e d u c i n gc a r b o nd i o x i d ee m i s s i o n sa n d p r o t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n t k e yw o r d s ： s o l a rw a t e rh e a t i n gs y s t e m ；i n c l i n a t i o na n g l e ；a z i m u t h ；e n e r g y e f f i c i e n c ya n a l y z i n g i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得武汉理【大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：奎盘：日期拉! 呈：互弓j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论 文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 苍十 研究生签名：至建 导师签名： 武汉理t ：人学硕士学位论文 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 目前，太阳能在建筑中得到越来越多的应用，我国也制定了一系列相关政 策来积极推广太阳能在建筑中的应用，从而达到建筑节能的目的。在能源和环 境问题同益凸现的今天，太阳能作为一种可再生的清洁能源已经被人们誉为了 2 1 世纪最有希望的能源担1 。目前我国建筑能耗已约占全国能源消费总量的2 5 以 上口】。在太阳能应用的众多领域中，最具潜力的发展领域就是在建筑中的利用， 太阳能热水系统又是太阳能在建筑中应用的主要方面之一h 儿引。 我国太阳能资源虽然丰富，但是我国在太阳能热水系统设计现在还不很完 善。我国的太阳能热水系统应用存在如管道复杂、占用空间资源、影响美观等一 些问题陋。因此在新建建筑的设计阶段，就应统筹考虑设置太阳热水系统的设计， 合理选择设计参数，合理配置太阳热水器的安装位置、预留循环管道、管井及相 关设施，避免把太阳热水器仅仅作为一个后置部件，在房屋建成后才装到建筑上 的做法。建筑的太阳能热水供应系统设计需要走向完善系统设计和建筑一体化的 方向引。 1 2 课题研究的目的、意义 在设计阶段就考虑太阳能的利用和太阳能热水系统安装使用的问题，不仅 可以满足建筑美观，而且有利于使用的功能完善和效率的提高哺。本课题是针对 太阳能热水系统设计以及太阳能系统与建筑一体化进行研究，主要目标是根据武 汉地区的气象及地理等参数，推荐适合武汉的太阳能热水系统的设计参数，并结 合建筑屋面构造，从建筑设计的角度分析，设计出更优化的太阳能热水系统，使 民用建筑的太阳能热水供应系统设计走向完善，实现太阳能供热系统与建筑一体 化，促进太阳能热水系统在建筑中的应用推广和普及，对缓解我国紧张的能源形 势有重大和积极的意义归1 。 1 3 课题研究的内容 ( 1 ) 武汉市地区太阳能资源情况； ( 2 ) 讨论及确定武汉市太阳能集热器的设计参数，包括太阳能集热器的方位、倾 角、集热面积等。 ( 3 ) 研究太阳能热水系统与不同建筑形式的集成设计，进行武汉市太阳能热水系 武汉理1 ：大学硕士学位论文 统与建筑集成设计的实例分析。 ( 4 ) 研究太阳能热水系统不同形式和特点，从节能、运行管理、计量等方面确定 适合不同建筑形式的太阳能热水系统的形式。 ( 5 ) 分析太阳能热水利用的的经济效益和环境收益，并结合实例分析太阳能热水 系统的节能收益。 1 4 课题的研究方法、技术路线； ( 1 ) 调查研究：调查并研究武汉地区气象地理资料和现在的太阳能应用状况。 ( 2 ) 理论研究：研究太阳能热水系统的各种形式、优缺点以及应用的范围等。 ( 3 ) 计算和分析：利用武汉地区的太阳辐射资料计算武汉地区的几个典型方位的 太阳辐射量，并分析适合武汉地区的太阳能集热器安装方位的范围；根据武汉的 气象数据，计算武汉地区不同安装倾角和朝向条件下太阳辐射量，确定不同建筑 环境下较佳的倾角和方位角。 ( 4 ) 实际应用分析：将分析结果应用于实例进行分析。 2 武汉理l ：人学硕士学位论文 第二章太阳能概述 太阳是个表面辐射温度大约为5 7 6 0 k 的巨大的炙热球体。太阳中心的温度约 为8 x1 0 6 4 0 1 0 6 k ，内部压强约为3 1 0 p a 。在其中心高温高压条件下进行着 激烈的热核反应，使得4 个氢原子聚变成为一个氦原予，同时释放出大量的能量 ( 每l g 氢原子聚变为氦时放出的能量为6 5 1 0 j ) ，以电磁波的形式不断向宇 宙空间辐射能量n 0 1 。 太阳辐射通过地球的大气层时，其中部分被云层反射到宇宙空间，还有一 部分因为天空中各种气体分子而形成散射，一部分受到大气中的臭氧、氧、水蒸 气和二氧化碳等的吸收。在反射、散射和吸收的影响下，到达地球表面的辐射能 量大量的减弱。经测算表明n 引，太阳每秒能够释放出3 9 1x1 0 2 3 k w 的能量，而到 达地球表面的能量只有它的二十二亿分之一，然而也相当于目前全世界发电总量 的8 万倍。由此可见，太阳能资源还是十分丰富的，具有很可观的开发前景。 2 1 太阳能储存形式 太阳能有其他能源无法相比的优点，不过它也有一定的局限性，比如能量密 度低、能量的不稳定性等，在地面上接收到的太阳能会受到气候、昼夜、季节、 地理位置、被物体遮挡等因素影响，数量不断变化，因此利用太阳能时会出现“供” 和“需”之间的矛盾。为了更好地利用太阳能，通过转换将其变成其他形式的能 量，同时进行能量储存，需要使用时进行能量传输。通常利用储存达到日间储存 夜间用；晴天储存阴天用；夏季储存冬季用。大容量、长时间、较为经济的储存 太阳能在技术上还较困难，比较小的规模，如在建筑中应用的太阳能热水系统的 技术已经取得了很大的进展，现在已经可以较为经济的应用了n 。 太阳能储存能量形式有多种，比如以热能形式储存、以电能形式储存、以机 械能形式储存等，其中应用最广的还是以热能形式储存。按储热的表现形式，可 分为显热储存、潜热储存、化学反应热储存等；按储热时间长短，可分为短期储 热( 一般为十几个小时) 、中期储热( 3 - 5 天) 、长期储热( 可达数月) ；按热源 温度储热，可分为低温储热( 低于1 0 0 ) 、中温储热( 1 0 0 - 2 0 0 ) 、高温储热 ( 2 0 0 以匕) 引。 2 1 1太阳能以热能方式储存 热能储能是指将短期内不需要用的多余热量通过某种方式收集并储存起来， 等到需要时在释放出来。几种形式的热能储能方式介绍如下： 3 武汉理一i ：人学硕十学位论文 2 1 2 显热储存 2 1 2 1 原理 每一种物质均具有一定的热容，在物质形态不变的情况下随着温度的变化， 会吸收或放出热量。一般来说，某物质的储热效果和材料的比热容、密度等因素 有关，理论上所有物质都具有显热储热能的能力，但实际用于储热的材料都是比 热容较大的物质，如水、卵石( 岩石) 、混凝土或土壤等。 2 1 2 2 液体储热系统 液体储热系统是显热储热中应用最广泛的。液体储热中，水又是最早用于储 热系统的介质。由于水的单位质量热容量高，l k g 水可储存4 1 9 k j c ，水的价 格又很便宜，技术上相对较简单，在工业上应用的历史已经比较久了。在太阳能 热水系统中，水可作为太阳能集热器的吸热流体，也可作传热介质。 水作为介质用于储热系统的优、缺点如下： 优点： ( 1 ) 相对于太阳能热水器提供生活用水常用储热温度( 4 0 - - 一7 0 。c ) ，水的 汽化温度较高( 1 0 0 ) ，完全满足需要。 ( 2 ) 水的传热性和流动性很好，黏性、传热导性、密度及膨胀系数均满足 储水箱自然循环和强迫循环要求，而且它的流动性能和传热性能都很 容易测量。 ( 3 ) 水用作太阳能热水系统的储热介质，投资省、维修方便、安装技术要 求低。 ( 4 ) 水清洁、无毒。 缺点： ( 1 ) 水是种电解腐蚀性物质，一旦水中溶入氧气，会引起水箱的腐蚀。 ( 2 ) 水在低温结冰时，体积会膨胀，易破坏热水器系统的管路和结构。 比较其优缺点，水仍是既方便又便宜的良好储热介质，因此现在大多数建筑 中的太阳能集热系统是用水做储热介质。 2 1 2 3 固体储热系统 混凝土、卵石、土壤、岩石等都是固体储热材料。 利用固体储热，如储热墙，通常都是以空气作介质，在空气的流动过程中， 对储热体加热或从中提取热量。岩石是用的最多的材料，例如在有些太阳能建筑 4 武汉理t 大学硕十学位论文 中用卵石床来做储热装置。除了岩石，沙、混凝土、土壤、金属罐、钢珠和玻璃 球等固体材料可作为储热材料。 2 1 2 相变储存 利用物质在凝固熔化、凝结一气化、凝华一升华等相变过程中都要吸收或 放出相变潜热的原理进行储热，因此，潜热储能又被称为相变储能。 潜热储热的特点是储存能量大，而且可在温度不变的情况下放热，因此可以 设计出温度变化小、热容量高、设备体积和重量较小的相变储热系统。 在太阳能低温存储中常用含结晶水的盐类储能，如十水硫酸钠、水氯化钙、 十二水磷酸氢钠等，不过在使用中要解决过冷和分层问题，以保证工作温度和使 用寿命。太阳能中温储存一般在3 0 0 左右。适宜于中温储存的物质有：高温热 水、有机流体、共晶盐等u3 1 。太阳能高温储存温度一般在5 0 0 以上，目前正在 试验的材料有：金属钠、熔融盐等。1 0 0 0 。c 以上极高温储存，可以采用氧化铝和 氧化锗耐火球。 2 2 倾斜面上的太阳辐射量的计算 对于太阳能应用，我们最关心的是到达地球表面的太阳能的大小，由于太阳 能辐射穿过大气时被吸收和散射，所以到达地球表面的太阳辐射包括直射和散射 两个部分n 4 1 。 到达集热器上的太阳辐射量受许多因素的影响，一般有以下几个方面： ( 1 )天文地理因素：日地距离的变化、太阳赤纬、太阳时角、地理经纬度、海 拔高度和气候等； ( 2 )大气状况：云量、大气透明度、大气组成及污染程度等； ( 3 )集热器：集热器的倾斜角、方位角、集热器类型等。 由于太阳辐射量的影响因素众多，随机性很强，完全依靠理论计算取得精确 结果的方法几乎没有。目自订在工程上常用已测得的各月设计用气象参数及各月水 平面平均日辐照量来计算集热器所在倾斜面的太阳辐射量。 2 2 1 太阳辐射有关的角度 在赤道坐标系中( 如图2 1 ) ，太阳s 的位置由两个坐标决定： ( 1 ) 太阳时角，圆弧q b ，从天子子午圈上的q 点算起，即从太阳时的正午 算起，顺时针方向为j 下，逆时针方向为负，即上午为负，下午为正。它的 数值为离正午的时问( 小时) 乘以1 5 。 武汉理l 人学硕七学伸论文 ( 2 ) 太阳赤纬地6 ，圆弧q s ，地心与太阳中心连线与地球赤道平面的夹角。 变化范围为：2 32 7 。2 32 7 。太阳赤纬角可由下式计算： j ：2 31 5e i n f3 6 0 2 8 4 + n 1( 2 1 ) l3 6 5 ， 式中n 为所求日期在一年中的的序号，元旦的序号为l ，1 2 月最后一天为3 6 5 。 在地平坐标系中( 如图2 2 ) ，太阳位置是由两个坐标决定： ( 1 ) 太阳天项角oz ：太阳高度角射线与地面法线的夹角。其与太阳高度角互为 余角。 ( 2 ) 太阳高度角n ：从地面某一观察点向太阳中心作一射线。该射线在地而有一 投影线，这两条线的夹角叫太阳高度角。可用下式计算： s i n 口, = s i n p s i n # + c o s 口c o s 占c o s m ( 22 ) 式中p 当地纬度，。； 6 太阳赤纬。： u 太阳时角用角度表示的太阳时叫太阳时角。它是咀一昼夜为变化 周期的量，太阳午时取零度，上午取正值，下午取负值，范围为一1 8 0 。1 8 0 。 吐) = ( 太阳时一1 2 ) x 1 5 图2l 赤道坐标系图2 - 2 地。f 坐标系 ( 2 3 ) 其他集热器设计计算设计到的角度： 太阳方位角y 。：太阳入射线在地面的投影与正南方的央角。并规定j 下南方向 为零度，向西为正，向东为负，变化范围为( 一1 8 0 。1 8 0 。) 。 集热器方位角y 。：集热器表面法线在地平面上投影与f 南方向的央角。度量 武汉理：r = 人学硕十学位论文 方法同太阳方位角。 集热器倾斜角s ：集热器平面与水平面的夹角。 2 2 2 倾斜面上的太阳能直射辐射通量的计算 到达地表水平面上太阳直射辐射通量与垂直于太阳光线表面上的直射辐射 强度的关系如图2 1 。 lr b = i n c o s b ， 其中：i ，r 倾斜面上直射辐射通量，w m 2 ； i ，1 一垂直于太阳光线的表面上直射辐射通量，w m 2 ； 0 ，斜面上太阳光线的入射角。 0 ，斜面上太阳光线的入射角可由以下公式n 铂得出： ( 2 4 ) c 。s e = c 。s s s i n c p s i n 8 + c o s s c o s 缈c 。s 艿c 。s 缈+ s i n s s i n 以c o s 万c o 蚴 ( 2 5 ) + s i n s s i n 缈c o s 万c o s 缈c o s 以一s i n s c o s y s i n 8 c o s 8 其中：0 _ 斜面上太阳光线的入射角，。： c p 当地纬度，。； s 颔斜面与水平面的夹角，。； y 。斜面方位角，。，为斜面的法线在水平面上的投影与当地南北向之 间的夹角。同太阳方位角一样，顺时针方向为正，逆时针为负； 6 太阳赤纬，。； ( i ) 时角，。； 将( 2 5 ) 代入( 2 4 ) 可得： b 2 1 ( c o s s s i n 缈s i n 万+ c o s s c 。s 缈c o s 万c 。s 国+ s i n s s i n 以c o s 艿s i n 国 ( 2 6 ) + s i n ss i n 妒c o s s c o s c o c o s t - s i n s c o s y s i n 8 c o s , 罗) 又水平面上直射通量i 。与i 。有如下关系： 厶= ls i n o r , ( 2 7 ) i 。水平面直射辐射通量，w m 2 ： i 。垂直于太阳光线的表面上直射辐射通量，w m 2 ； a 。太阳高度角，。 由( 2 2 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 可得： ， 山5 面丙而磊蕞忑五忑沁0 s 风i n 妒s i n 8 + c o s s c o s 妒c o s 乳0 8 彩 ( 2 8 ) + s i n s s i n 以c o s 8 s i n 缈+ s i n s s i n 孕, c o s 8 c o s c o c o s 7 - s i n s c o s y s i n 8 c o s 8 ) 7 武汉理1 ：人学硕七学位论文 上式即是由水平面直射辐射通量得出斜面上太阳直射辐射通量的通用公式， 由2 8 式可见斜面上太阳直射辐射通量与斜面的倾角、方位角有关，适用于不同 地方、不同季节和时间。 2 2 3 倾斜面上的散射辐射的通量 倾斜面上散射辐射通量可用下式计算： d ：厶t 1 + c o ss ：lc o s 2 ( 要) ( 2 9 ) 其中：i ，厂斜面上散射辐射通量，w m 2 ； i 广水平面上散射辐射通量，w m 2 ； s 倾斜面与水平面的夹角，。 2 2 4 太阳的总辐射 到达地表太阳的总辐射为： i = i b + i d ( 2 1 0 ) 其中：i 太阳总射辐射通量，w m 2 ： i 。_ 一直射辐射通量，w m 2 ： i 广散射辐射通量，w m 2 。 上式是斜面上太阳直射辐射通量的通用公式，由( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 式 可见斜面上太阳总辐射通量与斜面的倾角、方位角有关，适用于不同地方、不同 季节和时间。 武汉理一r 人学硕十学位论文 第三章太阳能热水系统分类及应用形式 3 1 太阳能热水系统概述 太阳能热水系统是目前太阳能利用领域中技术发展最成熟、经济上也已具有 竞争力的绿色能源技术【1 4 1 。从建筑给排水系统设计的角度，太阳能热水系统是指 以太阳能为热源，或与其他能源组合，自备生活热水，并通过管路将热水输送到 用水点的系统。它主要是由太阳能集热系统和热水供应系统构成，包括了太阳集 热器、贮水水箱、循环管道、控制系统、热交换器和水泵等设备和附件，根据需 要还可以加配辅助能源( 如电热器等) ，以供没有日照时使用n5 1 。太阳能集热系统 是太阳能热水系统特有的组成部分，也是太阳能是否得到合理利用的关键【8 1 。热 水供应系统与常规的生活热水供应系统类似，主要负责将集热系统制成的热水供 给用户使用6 1 。 3 2 太阳能热水系统的分类 太阳能热水系统主要是由太阳能集热系统和热水供应系统构成，根据不同的 要素分类，太阳能集热系统可以分成以下不同的形式。 3 2 - 1 传热类型 按照太阳能集热系统与太阳能热水供应系统的关系及传热类型可将太阳能 热水系统分为直接式系统( 也称一次循环系统) 和间接式系统( 也称二次循环系 统) n 7 。 直接系统是指在太阳能集热器中直接将水加热并供给用户的系统。 间接系统是指在太阳能集热器中加热传热介质，再利用该传热介质通过换热 器加热水供给用户的太阳能热水系统。 与直接系统比起来，间接系统多了一个热换热器，热交换器的阻力一般又是 比较大的，相对来说间接系统的水头损失也是比较大的，所以间接系统一般要采 用强制循环系统。与间接系统比起来，直接系统中直接用自来水作为集热器的传 热介质，这样可能会加速集热器结垢n 引。 3 2 2 太阳能集热运行方式 按太阳能集热运行方式可分为：自然循环系统( 见图3 1 ) 、直流式系统( 见 图3 2 ) 和强制循环系统( 见图3 3 ) 。 9 武汉理1 人学硕士学位论文 3 2 2 1 自然循环系统 自然循环系统的特点是贮水箱必须置于集热器的上方，水在集热器中被太阳 辐射加热后，温度升高，此时集热器中的水与贮水箱中的水的温度不同，产生了 密度差，从而形成了热虹吸压头，使热水由上循环管进入水箱上部，同时水箱底 部的冷水由下循环管流入集热器，形成循环流；随着系统水温逐渐升高，一段时 间后水箱上部的热水即可供给使用”。这种系统的循环不需要外加动力，所以被 称为自然循环系统；自然循环系统可以采用非承压的太阳能集热器，造价较低。 示意图如图3 1 。 r 图3 l 自然循环系统 在自然循环系统中，贮水箱与集热器的高差越大，热虹吸压头越大，但水的 温差和贮水箱与集热器之间的高差不可能很大，而依靠水的密度差作为动力终究 是非常有限的，因此在自然循环系统中要就尽可能减少各部分的阻力。自然循环 的单体装置一般只适用于3 0m 2 以下集热面积，它对集热器的布列也有一定要求， 即要从系统循环着眼，不能使下循环管太长，影响循环速度。 3 2 2 2 直流式系统 直流式系统是利用温度控制器等控制装置使传热介质在供水系统进承压力 或其他附加的动力的作用之下，直接流过集热器加热系统，即贮热水箱和集热器 加热系统之间设有进行循环”“。变流量定温放水足直流式系统巾使用普遍的一种 控制方式，当集热系统出水温度达l u 温度控制器设定温度的时候，水阀丌启。热 水从集热系统中流入热水贮水箱；当集热系统出水温度低十温度控制器时，水阀 关闭，集热系统中的冷水将停留其中吸收太阳能热直至温度升高到温度控制器设 定的温度。山于直流式是直接加热水给用户，故该系统为直接式系统。 由于壹流式可采用非承压集热器，所以它的集热系统造价比采用承压集热器 武汉理j 太学碗士学位论文 的系统造价低，在我国一些中，j 、型的建筑中使用较多；由于直流系统的传热介质 是自来水，而且是直接加热水供用户使用所以直流系统也存在直接加热系统的 缺点，如集热器易结垢，防冻问题不易解决，生活用水可9 被污染等，在国外使 用很少。 3 223 强制循环系统 国3 2 直流式系统 强制循环系统是指利用水泵使得传热介质在集热系统中循环加热的系统控 制方式以温差控制方式居多。集热系统出水与回水的温差高于设定的温差( 如 1 5 。c ) 时，循环水泵开启；集热系统出水与回水温差小于设定的温差( 如5 c ) 时，循环水泵关闭。强制循环系统是与建筑结合的太阳能热水系统的发展方向“。 乏二二 i 图3 3 强制循环直接式系统 3 2 3 贮热水箱与羹热器的放置关系方式 按贮热水箱与集热器的放黄关系方式可分为分离式系统、紧凑式系统和闷晒 式系统。分离式系统是指集热器和贮热水箱分丌一定距离的安装系统：紧凑式系 _-_li 武汉理l ：人学硕士学位论文 统是指集热器和贮热水箱之间相互独立，但是贮热水箱安放在太阳能集热器相邻 的位置或直接安装在集热器上；闷晒式系统是贮热水箱和集热器结合为一体的系 统2 副。 3 2 4 热水供应范围 按热水供应范围可分为分散供热水系统和集中供热水系统。 分散供热水系统是为单户供热水系统或为建筑物内某一局部单元供热水的 系统。分散局部供热水系统多适用于居住建筑，如独立式小住宅，底层联排式住 宅、多层公寓住宅等 集中供热水系统是指为几栋建筑、单栋建筑中多个用户供热水的系统。集中 供热水系统构造比分散供热水系统复杂，但是供水量充足，供水压力、供水温度 稳定，热效率高瞳引。集中供热水系统适用于居住建筑，餐饮洗浴、旅馆、商业服 务性建筑，医疗、学校公共建筑，游泳馆等体育建筑中。 3 2 5 有无辅助热源 按有无辅助热源可以分为有辅助热源系统和无辅助热源系统。 3 2 5 1 有辅助热源系统 有辅助热源系统是指除了太阳能加热系统外该系统还配备有其他能源加热 设备的系统，这是为了保证在太阳能加热系统不能提供热水或提供的热水不够 时，依靠配备的其他能源加热设备提供建筑物所需的热水。辅助热源在需要保证 热水供应质量的系统中必不可少的。 辅助热源的系统按不同的分类方式可分成不同的形式。如：按辅助能源加热 设备的安装位置可分为内置加热系统和外置加热系统；按辅助能源启动方式可分 为全同自动启动系统、定时自动启动系统和按需手动启动系统。 其中内置加热系统运用比较多，在要求全天2 4 h 供应热水的建筑内，如高级 宾馆等，是采用全日自动启动系统。手动启动系统，一般是家用比较多。 3 2 5 2 无辅助热源系统 无辅助热源系统是指仅仅依靠太阳能来提供热水的系统。因为没有其他的辅 助加热设备，在太阳辐射量不足的情况下，系统无法产出足够的热水。 1 2 武汉理1 人学硕士学位论文 3 3 太阳能热水系统的应用分析 3 3 1 集热器类型 3 , 3 1 1 集热器的主要类型 集热器是太阳能集热系统中最关键的部分，它是吸收太阳辐射并向载热工质 传递热量的装置。现在民用建筑中使用的太阳能集热器主要有两类，平板型和真 空型。真空型又有两种，全玻璃真空管集热器、金属一玻璃结构真空管集热器。 依照集热器出现的先后次序分别将平板型太阳能集热器、全玻璃真空管集热器、 金属一玻璃结构真空管集热器称为第一代产品、第二代产品、第三代产品“。 1 ) 平板型太阳能集热器 平板型太阳能集热器为非聚光式集热器，是利用热箱原理( 也称温室效应) 将太阳能转变为内能的设备。因其集热体为平扳状而被称为平板型。 平板型太阳能集热器是金属管板式结构，其构造如图3 4 ，由图可见主要 由透明盖板、隔热材料、吸热板、排管、外壳五个部件组成。平板型集热器的透 明盖板通常采用单层或多层玻璃、玻璃锅或高分子透明材料、透明隔热材料等。 吸热板上的涂料通常是丙烯酸黑裱或用阳极氧化着色的选择性涂料。集热器的绝 热材料有矿棉、聚苯乙烯板和发泡聚氯酯。 平板型太阳能集热器的工作原理，阳光透过透光盖板照射在表面涂有高太阳 能吸收率涂层的吸收板l 吸热板吸收太阳辐射能量后温度升高一方而将热浪 传递给集热器内的工质，使工质温度升高；另一方面也向四周散热。由于吸热板 与盖板之问存在着空气夹层，会产生对流散热金属吸热板与金属边框产生传到 散热，因此平板型集热器存在着集热快，敞热也快，效率受环境温度影响大等问 题擗3 。 圈3 - - 4 平板型太阳能集热器构造 透明盖屡；2 隔热材料：3 一吸热扳；4 一_ f e 管；5 一外党： 6 一敞射太阳能辐射：7 一直射杰刚能辐射： 武汉理i 人学硕七学位论文 2 ) 真空管集热器 真空管集热器是在玻璃壁与吸热体之间抽成一定的真空度，以抑制空气的对 流和传导热损。吸热体表面镀上一种特殊的涂层代替黑色的吸热板，还可抑制吸 热体的辐射热损。因此，真空管集热器具有比普通平板型集熟器更优岛的热性能。 在高温和低温环境下均有较高的集热效率。根掘真空管吸热体的材料，真空管集 热器又可以分为全玻璃真空管集热器和金属玻璃结构真空管集热器o “。 全玻璃真空管集热器的构造如图3 5 ，集热器主要由内、外两层的玻璃管 构成，内管外表面涂有具有高吸收率和低发射率的选择性吸收膜，夹层之间抽成 高真空，其形状像一个细长的暖水瓶胆；水注满在内管内被加热。全玻璃真空太 阳能集热管具有透过率和吸收率高、热反射率低、对流热损小以及全年使用时间 长等优良特性，同时制造工艺简便，技术成熟可靠，成本较低，全玻璃真空管热 水器的使用几益广泛”1 。 图3 - 5 全玻璃真空集热管 内玻璃管：2 一外玻璃管：3 一真空；4 一有支架的消气剂：5 一选择性吸收表面 近年来，金属一玻璃结构真空管集热器有两种，即热管式真空管和u 形管式 真空管。这两种类型的真空集热管既保留了真空敞热少的特性，又提高了产品 运行的可靠性。 u 形管式真空管构造如图3 - 6 。盒属翼片与u 形管焊接在一起，吸热翼片表 面涂有选择性涂料管内抽真空，一般采用u 形管与保温堵盖的结合方式引h 集热 管外，作为传热工质的出、 口端“”。 热管式真空管构造如图37 。主要由热管、设热板、真空驶璃管三部分组 成。根据吸热板的不同，热管式真空集热管可分为两类：热管一平板翼片式和热 管一圆筒翼片式。热管式真空管集热器的工作原理：太阳光透过玻璃照射到吸热 板上，吸热板吸收的热量使热管内的工质汽化，被汽化的工质升到热管冷凝端， 放出汽化潜热后玲凝成液体，同时加热水箱中的水，工质又在重力作用下流回热 武汉理【大学硕士学位论文 管的下端，如此重复工作，不断地吸收的辐射能传递给需要加热的介质( 一般为 水) 。这种单方向传热的特点是热管性能决定的，为确保热管的正常工作，热管 真空管与地面倾角应大于1 0 。 图3 6 全玻璃u 形管式真空管图3 7 全玻璃热管式真空管 3 3 1 2 集热器的性能比较 太阳能集热器的类型选用应与太阳能热水系统、当地的太阳能资源、气候条 件相适应，在保证系统全年安全稳定运行的前提下，应使所选太阳能集热器的性 能价格比堆优”。平板型和真空型太阳能集搀器性能比较如下表： 表3 1 平扳型和真空型太阳能集热器性能比较表 比较要素平板型集热器真空型集热器 集热性能在太阳辐射强度比较低时，平在太阳辐射强度比较低时，真空型 板型热效率比真空型的低： 热效率比平板型的高： 在太阳辐射强度比较高时，平在太阳辐射强度比较高时，真空型 板型热效率比真空型的高： 热效率比平板型的商； 开产水量( 普通平板型) 8 0 1 1 0( 全玻璃真空管) 7 0 1 0 0 ( k g m ) 产水温度( 普通平板型) 4 0 6 0 ( )( 全玻璃真空管) 4 0 6 0 ( ) 武汉理r 大学硕十学位论文 续表3 1 平板型和真空型太阳能集热器性能比较表 比较要素平板型集热器真空型集热器 防冻性能传统的平板型集热器的吸热排全玻璃真空管防冻性能好，在南方 管为圆形，口径较小，当环境或北方都能使用，但对于环境温度 温度低于o c 以下时，管内的水低于- 1 5 的地方，全玻璃真空管也 结冰膨胀而材料无法得到变形存在冻裂的问题，因此真空管在不 补偿，发生炸裂现象。因此在采用防冻措施时，应注意最低环境 北方地区应用困难，但采用防温度值和阴天持续时间。 冻措施后可以用于北方地区。 运行方式承压、非承压集热系统均可。全玻璃只能用于非承压集热系统； 金属玻璃真空管承压、非承压均可。 使用寿命可达2 0 年 1 5 年左右 与建筑的平板集热器与建筑外观结合容管式集热器与建筑的结合，与平板 外观的结易，甚至可以作为屋面板、墙集热器比较困难一些，需建筑师与 合程度板等建筑构建使用。生产单位的密切配合、精心设计。 维修方面结构简单，由金属构成，在正管式集热器的玻璃结构使得这类产 常使用的情况下几乎没有维修品容易破损，有时会出现炸管现象， 的问题，即使有泄漏可以补焊，因此管式集热器在供货时会增加一 维修方便。定的备用管，更换方式简单。 价格价格低，但近年来随着金属价金属玻璃真空管集热器在三种集热 格的上涨，平板型集热器功能器之中价格最高，其造价一般为 的日益完善，其价格也有增高，1 7 0 0 1 8 0 0 元m 2 ；全玻璃真空管集 出现与全玻璃真空管持平的趋热器比金属玻璃真空管价格低一 势。其造价( 包括集热器、控点，三种集热器中价格居中，其造 制系统、集热管路等) 一般为价一般为1 2 0 0 1 5 0 0 元m 2 。 1 0 0 0 1 3 0 0 元m 2 。 3 3 2 各类太阳能热水系统的特点分析 常规热水供应系统和太阳能集热系统可以组合成不同的太阳能热水系统，设 计人员可以根据实际情况和具体要求，选择合适的系统形式；也可以根据太阳能 集热系统和热水供应系统的特点，按实际需要组合出新的系统形式n8 1 。现对常用 的一些太阳能热水系统的特点、流程和适用性介绍如下。 1 6 武汉理】：太学硕七学位论文 3 3 21分散供热水太阳蘸热水系统 分散供热水系统常用于居住建筑，如独立式小住宅，底层联排式住宅、多层 公寓住宅局部供热水等。常用的分散供热水太阳能热水系统介绍如下： 1 ) 直流式单水箱系统 其图示如下： 圈3 8 直流式单水箱系统 优点：水箱可放在储藏间、技术夹层或阁楼，不影响建筑外观设计：热水供 应采用开式系统，不需要安全阀，运行安全可靠。 缺点：系统自用压头受自来水上水压力限制；水箱底部须高于用水点至少 5 m ；热水与外界空气相连，水质易受污染；采用定温放水方式，放水点温度设置 需随太阳辐照变化调节，运行管理较麻烦；热水供应系统没有循环管路，不利于 节水和提高热水供应质量优缺点。 适用条件：对建筑物外观要求严格，对水质和防冻要求不高的场合。 2 ) 自然循环单水箱系统 其图示如下： 一 乏二 图3 一g 臼然循环单水箱系统 武汉理【大学硕七学位论文 优点：除辅助热源外，没有电力需求，系统不需要专门的维护管理：热水供 应采用开式系统，不需要安全阀，运行安全可靠。 缺点：采用开式系统时，热水与外界空气连接，水质易受污染：贮热水箱位 置必须高于集热器系统，建筑外立面较难处理；热水供应系统设有循环管路，不 利于节水和提高热水供应质量；但水箱底部须高于用水点至少5 m ，否则应采用 闭式