太阳能热水系统的探讨

许斌甲

【摘要】随着社会的发展，能源危机的日益加重以及地球气候变暖，全国各地基本都在制定相应的法律法规来推广使用免费的、无污染的绿色能源——太阳能，以缓解能源、环境危机。在光热利用的设计过程中，我们应根据自身的使用需求和现场情况，选择最合适的太阳能热水系统。而且，在设计过程中，应充分考虑太阳能与建筑一体化，使太阳能与建筑完美的融合在一起，成为建筑的一部分。

【关键词】太阳能;真空管集热器;平板集热器;太阳能建筑一体化

1、前言

我国人口众多，资源相对不足，环境污染严重，能源问题已成为经济和社会发展的重要制约因素。大力开发利用新能源和可再生能源，对于改善以煤炭为主的能源结构、缓解能源生产和使用造成的环境污染、促进经济社会可持续发展具有十分重要的意义。

我国具有非常丰富的太阳能资源。太阳能年辐照总量每平方米超过5000兆焦耳、年日照时数超过2200小时以上的地区约占我国国土面积的三分之二以上;若将全国太阳能年辐照总量的百分之一转化为可利用能源，就能满足我国全部的能源需求;丰富的太阳能资源为太阳能产业的发展提供了良好的资源保障。

据相关统计，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能量约为5.0×1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ/cm2·a。从全国各地太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量较大，而其他地区则较小。

因此，我们有大力推广太阳能光热运用的先天条件，以缓解日益加重的能源危机，以及减少温室气体的排放量。

2、集热面积计算

太阳集热器的总面积是太阳能热水系统中的一个重要参数，它与系统的节能特性和经济性紧密相关。一般来说，全年使用的太阳能热水系统在计算时采用全年平均气象参数，侧重于春、夏、秋季使用的太阳能热水系统，在计算时采用春分或秋分所在月的月平均气象参数，侧重于冬季使用的太阳能热水系统在计算时采用12月的月平均气象参数。而且，在计算集热面积时还应先确定系统的形式，是直接系统还是间接系统。

2.1直接系統

直接系统（又称一次循环系统），见图2-1。其集热面积计算公式如下：

2.2 间接系统

间接系统（又称二次循环系统），见图2-2。其集热面积计算公式如下：

2.3 两种系统相互比较

2.3.1直接式系统的优缺点：

由于是一次循环，热转移因子FR高，一般可取0.9左右，而间接式系统中间需要进行换热，热量损失较大，且由于二次系统要提高集热板的温度，故降低了集热板的效率，一般FR可取0.8左右。故间接系统的集热面积需要补偿。其次，一般间接系统传热工质使用防冻液，如乙二醇等，其黏度μ较水大，热工性能比水差，故会增加循环泵的扬程，降低集热器的热性能等。但是，直接系统也存在不足的地方。首先，在会出现冰冻的区域，需要采取防冻措施，如排空管道内的水等，如此则当环境温度小于0度时，整个系统停止工作。其次，在水质较硬的地方使用，水箱及管道内容易结水垢。

2.3.2 间接系统的优缺点

间接系统的传热工质不和水箱内的水直接接触，这样，不会影响水箱内的水质。其次，间接系统可以不受当地水质的影响，集热器内不易结水垢。在冰冻区域可以直接使用，而不采取其他措施。

间接系统存在如下不足之处。首先，会增加初投资成本，其次，会降低系统的热效率。

3、太阳能与建筑一体化设计

太阳能热水系统与建筑结合是一个系统工程。从规划和建筑设计一开始就应该将太阳能热水系统所包含的所有内容作为建筑不可缺少的元素加以考虑，从内部管线到外观形象整合，使之成为建筑组成的一部分，而不是对于的附加构件，做到统一规划、同步设计、同步施工、与建筑同时投入使用。一般认为一体化设计应达到：

3.1在外观上，实现太阳能热水系统与建筑完美结合;设计应把集热器作为建筑组成部分，融入整个设计中，并应综合考虑日照、建筑造型、风格。平屋面对建筑形象影响较小，布置方面更倾向于技术要求。现在设计中经常会设计屋顶构架，可以结合构架设计布置。坡尾面时集热器—般与斜屋面结合，尽量采用嵌入式安装方式，减少太阳能集热器对建筑立面效果的影响。另外在高层居住建筑设计中，由于屋面空间小，热水需求量大，集热器也可选择分户设置于阳台栏板（或栏杆）处、外墙，但需考虑设备装的安全、可靠性。

3.2在结构上，妥善解决太阳能热水系统安装，确保建筑物的承重、防水等不受影响，太阳能集热器应具有抗强风、暴雪、冰雹等能力。

3.3管路布置做到合理化;集中式太阳能热水系统干管一般设于公共空间的管道井，入户支管敷设于建筑地面找平层或穿梁敷设于吊顶内。

3.4系统运行，要求可靠、稳定、安全、便于安装、维修，集中供热水系统，必须实现系统的智能化和自动控制。

3.5在能源利用上，太阳能需要同其它多种能源相互结合，综合利用。如采用太阳能+空气源热泵组合、太阳能+燃气锅炉组合等。

4、太阳能热水系统的经济性分析

我国人口众多，人均能源资源占有量低于世界人均值，据相关资料显示，中国能源经济可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为129.7年，其中：原煤114.5年，石油：20.1年，天然气49.3年。因此，必须寻求新的替代能源。太阳能是永不枯竭的清洁可再生能源，使用过程中是完全免费的，无污染的，是理想的替代能源。下面以100m2集热面积太阳能热水系统为例，介绍下太阳能热水系统产生的环保效益。

从公式4-1、4-2可以计算出100m2集热面积太阳能热水系统在使用寿命期限内，CO2减排量QCO2为307T，为地球的环保减排贡献了一份力量同时又在治理环境方面减少了经济投入。

结论：

（1）在设计集中太阳能热水系统时应根据现场情况，选择合适的热水系统及集热器，使热水系统的性价比最佳。

（2）如果在中国南方，没有冰冻隐患的地区应优先采用直接系统;在需要防冻的区域宜采用间接系统，以防系统被冻坏。

（3）太阳能热水系统在建筑设计时就予以考虑，与建筑设计、施工、使用同步化，减少后加时对建筑的破坏。

（4）太阳能热水系统具有较好的经济、环保效益，在新建、改建、扩建的居住建筑及公共建筑在条件允许的情况下均应设计太阳能热水系统。

参考文献：

[1]建筑给水排水设计标准：GB50015-2019[S].北京：中国计划出版社，2019.

[2]民用建筑太阳能热水系统应用技术规范：GB50364-2005[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3]太阳能集中热水系统选用与安装：06SS128[S].北京：中国计划出版社，2016.

[4]平板型太阳能集热器：GB/T6424-2007[S].北京：中国标准出版社，2007.

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[6]张留霞，李云贺，朱东红.集中式太阳能热水系统在某住宅建筑中的一体化设计研究[J].给水排水，2013，（4）：76-80.