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第4章太阳能热水系统20世纪70年代能源危机的出现，全球环境污染的日益严重，加上各个领域新兴技术的迅猛发展，使得全球逐渐出现了太阳能利用的新高潮。太阳能热水系统一般由集热器、储热水箱和循环管道组成，根据需要还可以加配辅助能源，以供没有日照时使用。设置在屋顶的太阳能热水器可以将太阳能转化为热能并传递给液体，升温后的液体可以用做洗涮、淋浴或加热室内空间的生活用水。4.1太阳能热水器简介4.1.1太阳能热水器的发展状况1891年，美国马里州的肯普发明了世界上第一台闷晒式太阳能热水器，并命名为“顶峰”热水器，它的特点是集热器和贮水箱合二为一，水在容器中不能流动，依靠容器壁吸收太阳辐射能加热水。闷晒式太阳能热水器的优点是结构简单、成本低，缺点是装置保温性能差，热水必须在当天傍晚及时用完，因此应用范围受到很大限制。随着世界范围内天然气和石油的大规模开采，燃油价格大幅度下降，太阳能热水器的发展在一个相当长的时期缓慢下来。第二次世界大战结束后，人们的注意力又开始转向发展经济。直到20世纪70年代，随着世界性能源危机日趋严重，迫使人们对太阳能的利用又重新重视起来，许多国家花了不少物力和人力，用于研究和开发太阳能利用技术，尤其是太阳能热水器。作为平板型太阳能热水器的主要组成部分，平板集热器的设计不断得到改进。结构上从最早的管板式，到扁盒式、铝翼式、铜铝复合翅片式等。表面吸收涂层从最早的非选择性涂层黑板漆，发展到各种选择性吸收涂层，如铝阳极氧化、镀黑镍、镀黑铬等。透明盖板从普通平板玻璃发展到钢化玻璃。集热器的性能也随之不断提高。我国太阳能热水器的开发研究从20世纪60年代开始，并在平板太阳能热水器的开发上做了不少贡献。1958年，天津大学有12.6m2的太阳能浴室。1973年世界能源危机，为了寻求可再生能源，我国在20世纪70年代末起，加大了研发与生产太阳能集热器。1979年前后我国有些单位研发全玻璃真空管集热器，它的结构就是一个拉长的暖棚，并且在内玻璃管上有一层选择性吸收涂层。清华大学的发明专利就是铝-氮/铝太阳选择性吸收涂层，其在世界上开创性用单个铝阴极通过磁控溅射制备红外低发射率底层、铝-氮化铝吸收太阳光的陶瓷薄膜和氮化铝减反膜三个部分。这是一种选择性吸收涂层的结构，吸收层每层只有10～30nm，低发射层是到150nm，使得真空管集热器可在严寒、低太阳辐射下使用，适合多种气候。目前，全国已有几十家厂家生产全玻璃真空集热器和全玻璃真空管太阳能热水器。从总体上来说，无论是产量和质量均居世界领先水平。太阳能热利用产业的发展，在突破了太阳选择性吸收涂层的核心技术后，通过产学研结合，生产出了性价比较高的介质。21世纪以来，中国太阳能热水器进入成熟阶段，产量与市场保有量一直保持快速增长。2006年销售额近300亿元，提供就业机会60多万个。中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的2倍、北美的4倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场，并仍在以每年20％～30％的速度递增。4.1.2太阳能热水器的分类1．从结构来分类（1）紧凑式太阳能热水器：就是将真空玻璃管直接插入水箱中，利用加热水的循环，使得水箱中的水温升高，这是市场中最常规的太阳能热水器。（2）分体式热水器：分体式热水器是将集热器与水箱分开，可大大增加太阳能热水器的容量，不采用落水式工作方式，扩大了使用范围。2．从集热部分来分类（1）玻璃真空管太阳能热水器可细分为全玻璃真空管式、热管真空管式、U型管真空管式。常用的为全玻璃真空管式，其优点为结构简单易于制作、价格相对较低、环境温度低时效率仍然比较高，其缺点在于体积比较庞大、玻璃管易碎、管中容易集结水垢、不能承压运行。（2）平板型太阳能热水器平板型太阳能热水器特点：具有整体性好、寿命长、故障少、安全隐患低、能承压运行、安全可靠、吸热体面积大、易于与建筑相结合、耐无水空晒性强等优点，其热性能也很稳定；但对安装方向角度有较高的要求且成本高。平板式太阳能热水器由于盖板内为非真空、保温性能差，故环境温度较低时集热性能较差，环境温度低或要求出水温度高时热效率较低，适合冬天不结冰的南方地区选用。3．从水箱受压来分（1）承压式太阳能热水器：太阳能热水器的出水是有压力的。一般为顶水式工作，不一定采用承压式水箱。（2）非承压式太阳能热水器：普通太阳能热水器都是属于非承压式热水器，它的水箱有一根管子与大气相通，是利用屋顶和家里的高度落差，使用水时产生压力。其安全性、成本、使用寿命都比承压式要显著得多。4．从工质循环次数来分（1）一次循环热水器：直接循环或单回路循环。（2）二次循环热水器：间接循环或双回路循环。5.从热水的使用时间来分（1）季节性太阳能热水器：无辅助热源。（2）全年使用太阳能热水器：有辅助热源。（3）全天候太阳能热水器：有辅助热源及自动控制仪表。6．从工质循环特点来分目前大多数太阳能热水系统操作简单，按集热器工质的循环特点，主要分主动式和被动式两种类型，在此基础上衍生出其他一些种类。（1）主动式：需要泵和各种不同的控制装置促使传热介质在系统内部循环。（2）被动式：运行不依靠泵，仅依靠水的重力自然对流来提供动力。4.1.3太阳能热水器的优缺点及性能优势在这里，我们将太阳能热水器与电热水器和燃气热水器的性能作一个比较。（1）热水产量方面：燃气热水器有5L、7L、8L等不同的型号，是指在1分钟内将水温升高25℃时所产的热水量。电热水器的标注则是30L、60L、90L等，这是指电热水器的容水量。拿一个8L的燃气热水器与一个40L的电热水器相比较，8L的燃气热水器可连续不断地产生每分钟8L的热水，而电热水器需要间隔半小时加热一罐水。如果这一罐水用完，还要等半小时左右。太阳能热水器按照年平均气温15.7℃、年日照时数2014小时、太阳总辐射总量年均为111.59Cal/m2计算，如果集热面积为2m2，年吸收太阳辐射能量为9.37106kJ，按把水温升高35℃计算（基础水温10℃），全年可提供生活用热水（45℃）53.5吨，每人每次洗澡用热水约需50kg，则全年可洗1070人次，平均每天可洗2.93人次，也就是说，在24小时内平均8个小时能提供45℃洗澡用热水50kg。（2）加热速度方面：燃气热水器大多为快速热水器，只要想用热水，打开燃气阀和水龙头，热水就会流出来；而电热水器需要预先通电半小时左右，才能开始使用；太阳能热水器在天气晴朗的时候使用更好，最理想的楼层在6～8层。（3）使用费用方面：燃气热水器需要交纳燃气费与水费，电热水器也需要交纳电费与水费，而太阳能热水器仅耗水费，使用费用最少。（4）安全性方面：燃气热水器使用时要排出大量的废气，废气中除了二氧化碳以外，还有一氧化碳，如果使用时关闭门窗、通风不良，一氧化碳会增加，严重时会发生中毒事故；燃气热水器启动水压高，有些住高层的用户如果不装增压泵就无法启动；安装不方便，要在墙上打洞、安排气扇等。电热水器缺点是体积大、占用室内空间、易结水垢、对电能浪费大，最新型的电热水器内置了阳极镁棒除垢装置，解决了产品容易结垢的问题，但阳极镁棒需两年更换一次，给保养带来了麻烦。太阳能热水器安全、节能、环保、经济，尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主、电能为辅的能源利用方式，可全年、全天候使用。4.2家用太阳能热水器家用太阳能热水器根据集热器的不同，主要分为家用闷晒式太阳能热水器、家用平板式太阳能热水器、家用全玻璃真空管式太阳能热水器、家用热管真空管式太阳能热水器。下面对这四种家用太阳能热水器进行逐一介绍。4.2.1家用闷晒式太阳能热水器家用闷晒式太阳能热水器是一种结构比较简单、使用可靠及容易推广的太阳能热水器。其特点是集热器和水箱合为一体，冷热水的循环是在水箱内部进行的，经过一天的闷晒（内部自然循环）可将容器中的水加热到一定的温度。由于闷晒式太阳能热水器结构简单、物美价廉、一次投资、多年受益，从而深受城乡人民的欢迎。家用闷晒式太阳能热水器是一种结构比较简单、使用可靠及容易推广的太阳能热水器。其特点是集热器和水箱合为一体，冷热水的循环是在水箱内部进行的，经过一天的闷晒（内部自然循环）可将容器中的水加热到一定的温度。由于闷晒式太阳能热水器结构简单、物美价廉、一次投资、多年受益，从而深受城乡人民的欢迎。4.2.2家用平板太阳能热水器平板型太阳能热水器以其简单、价廉和安装方便在全世界都获得了广泛的应用。普通平板型太阳能集热器由透明盖板、吸热板、流体管道、保温层、箱体及支架等组成。当太阳照射到集热器时，集热器中的工质被加热，密度变低，产生“热虹吸”现象，系统中水流的循环运动完全依靠自身各部位温度不同而形成自然循环，即只要有太阳照射，就能实现这种循环。水在集热器中受热变轻，由集热器底部上升至顶部，再经上循环管流入保温水箱，水箱下部的冷水由下循环管流入集热器底部，如此循环，使整个水箱中的水温升高。家用平板太阳能热水器如图4-2所示。平板型太阳能集热器的基本结构如图4-3所示，主要由吸热面、透明盖板、隔热层和壳体4个部件组成。4.2.3家用全玻璃真空管太阳能热水器随着人们对太阳能热利用领域研究的深入，人们开始在平板型太阳集热器的基础上利用真空中热量不易散失的原理研制新一代太阳能集热部件——全玻璃真空集热管。将玻璃罩管和集热面之间的空气抽出后利用玻璃的热塑性进行收口，使玻璃罩管和集热面之间形成真空，起隔绝热传导的作用，玻璃良好的透光性又保证了集热面能最大限度地吸收太阳辐射的热能。家用全玻璃真空管太阳能热水器如图4-4所示。这种集热器的优点是结构简单、集热效率高、保温性能好、使用寿命长，缺点是价格昂贵、承压能力差、易在玻璃内结垢等，不易与太阳能建筑一体化。4.2.4家用热管真空管太阳能热水器热管真空管集热器是继闷晒式、平板式、全玻璃真空管集热器后的第四代太阳能集热产品，在太阳能领域得到了广泛的应用。该类型太阳能热水器如图4-6所示。目前，热管真空管有3种结构形式如图4-8所示。第一种采用热压封接技术将带有平板翼片的、具有抗冻性能的铜-水热管封装在单层真空管内；第二种将带有圆筒形翼片的热管封装在全玻璃真空管内，通过管内热空气向紧贴内管表面的翼片传热；第三种将热管封装在全玻璃真空管内，真空管内腔和热管外壁之间注入高沸点液态传热介质。热管真空管集热器及部件如图4-9所示，它由热管、保温箱、隔热体、吸热翼片、真空管、反射板、尾架组成。与闷晒型、平板型和全玻璃真空管集热器相比，热管真空管集热器具有下列特性：（1）热管传热，管内不进水，从根本上避免了平板集热器及全玻璃真空管内因结水垢而引起水道堵塞不能运行和管内结垢影响输出功率等问题；（2）特殊防冻技术，即使在50℃的严寒条件下，仍无冻坏之忧，避免管内长期存水，受严寒冰冻，在热胀冷缩情况下易碎管的问题；（3）热管式真空管热容小、启动快，在阳光下2分钟即可启动输出能量；（4）在天气阴晴多变的情况下，比其他热水器产生更多的热水；（5）高性能选择性吸收镀层及真空保温技术，保证在多云天气及相对温差大的地区仍有较高的热效率，所以在冬天性能尤为突出；（6）集热板封装于真空玻璃管内，即使在潮湿地区也不受腐蚀，使用寿命长；（7）承受力强，当连接成大面积集热系统时能承受循环泵的压力，因而在承压热水系统推广中独具优势；（8）热管式真空管太阳能集热管抗冷热冲击好，运行安全可靠，避免因一支集热管损坏而损坏整个系统。由于集热元件的限制，热管集热器也存在一定的不足：（1）单层真空管的连接形式对玻璃－金属的封接技术要求较高；（2）全玻璃真空管内插入热管，会因能量的多次转换而影响热效率；（3）热管和真空管为双真空复杂结构，造价较高。4.3太阳热水系统太阳能热水系统（如图4-10所示）一般由以下部分组成：安装在屋顶上的真空管集热系统、泵、储水箱和换热器。4.3.1热水系统数学模型的介绍前人对热水系统进行了大量研究，不少学者提出了许多有建设性的模型，并利用这些模