太阳能热水器与热水系统

第三章太阳能热水器与热水系统
第一节概述
太阳能热水器是一种利用太阳辐射能通过温室效应把水加热的装置。

那么，什么是温室效应呢?温室效应是指由于对流、反射损失减少使能量聚积、温度逐渐升高的一种自然现象。

温室效应又称为热箱原理，它是通过一个上
面盖有透明玻璃的封闭箱体来实现能量聚积的。

太阳光透过玻璃进人箱休内，被黑色表吸收，而向外反射和对流的能量受到玻璃和箱体的阻挡，被保留在箱内，这样箱体内的能量不断聚积，温度不断升高，甚至可达100℃~200℃。

利用聚积的高温来加热水，便成为太阳能热水器。

由于太阳能热水器在运行中不消耗任何常规能源(煤、电、气等)，所以有人把它形象地称为“不烧煤的锅炉”。

太阳能热水器不仅可以为家庭提供低温用热水(40℃~60℃)，还可以为建筑采暖、制冷和农业生产提供所需温度的热水。

由于太阳能热水器结构简单，运行可靠，技术成熟，具有节能、无污染等特点，近年来在我国发展迅速。

目前我国太阳能热水器已基本形成从产品研发、设计、材料加工、产品制造、检测认证、工程设计到营销服务的产业体系。

2005年总产量达到1500万m2，总保有量为7500万m2。

我国已成为名副其实的太阳能热水器生产和应用大国
本章侧重于向读者介绍太阳能热水器的结构，太阳能热水系统的安装。

而对于太阳能热水器的复杂传热过程不加以讨沦。

太阳能热水器一般由集热器、储热装置、循环管路和辅助装置组成。

（1）集热器集热器是吸收太阳辐射能并向工质(水)传递热量的装置。

它是热水器的“心脏”。

由于集热器中的工质(水)与远距离的太阳进行热交换，所以它又是一种热交换器根据收集太阳辐射能的形式，集热器可分为平
板型集热器、全玻璃真空管型集热器(含真空管热管)和聚光型集热器3种，如图3-1所示。

由图可知，平板型和全玻璃真空管型太阳能集热器是指透光面积与收集
太阳辐射面积相等的一种太阳能装置。

平板型和全玻璃真空管型太阳能集热
器不仅可以收集太阳的直射辐射，而且还可以收集太阳的散射辐射因此，它
一般采用固定安装。

聚光型集热器是利用抛物柱面或其他方向式将比较分散的太阳辐射会聚到接收器上，使接收器得到高密度的太阳辐射能，所以聚光型集热器的接收面往往大于收集面。

聚光型集热器通常用于太阳能热发电，为保证连续运行必须始终跟踪太阳。

(2)储热装置储热装置(水箱)是太阳能热水器储存热水并减少向周围环境散热的装置。

储热水箱的基本结构如图3-2所示。

(3)循环管路循环管路的作用是连接集热器和储热装置，使之形成循环加热系统。

(4)辅助装置辅助装置诸如支架、水位显示器、温度控制器、循环水泵、各种管件接头、夹具、阀门等，都是使太阳能热水器正常运行不可缺少的零部件。

某些在太阳能热水器上安装的辅助热源装置(如电加热器)，作为太阳能热水器上的一个组成部分，也是辅助装置。

第二节太阳热水器的分类及特点
国家标准《家用太阳能热水系统热性能实验方法》(TB/T 18708-2002)将家用太阳能热水器按7种特征分类，每种特征又分为2~3种。

本节将重点介绍闷晒式、循环式和直流式3种。

一、闷晒式热水器
闷晒式热水器把集热器和储热装置(水箱)合
为一体，是一种既集热又储水的热水装置。

(1)浅池式热水器浅池式热水器象一个浅
水池子，如图3-3所示。

浅池壁中间加保温
隔热材料，池底和四周加防水层并涂上黑色
涂料，池顶盖有透明玻璃并进行密封处理。

池内水深一般为10~15cm。

在池的一侧底部
安装进、出水管口，另一侧距底部10~15cm
高处安装溢流管控制水位。

浅池式热水器的特点是水平放置、结构
简单、成本低廉、可就地取材，便于安装和
制造。

缺点是由于水平放置，在高纬度地区
不能充分利用太阳能；玻璃内表面由于水蒸
气的作用，降低了玻璃的透过率，对热效率
有较大影响；此外，池内易长青苔，影响水
质，需定期清洗。

针对上述浅池的缺点和不足，人们经过改进，设计了一种改进型浅池热水器，如图3-4所示。

改进型浅池在原有浅池基础上增加了浮动集热板。

浮动集热板采用铜或铝箔制作，其上表面涂黑，四周边在1. 5~2cm处折成直角，四角铆严不漏水，以能浮在水面。

成型金属板与浅池内面积等大。

有的改进型浅池还在正立面和两个侧面分别装有表面涂黑的集热板，以增加集热效果。

改进型浅池热水器的制作与浅池式热水器基本一样，其外壳通常用砖和
水泥砂浆砌成双层，中间夹保温隔热材料(岩棉、矿渣棉、聚苯发泡板、锯末、稻壳、棉花等均可)，壳体内外用水泥细砂浆抹平达到不漏水即可。

外壳上口用水泥做出安装玻璃口，壳内侧最高处可留一小气孔，以平衡内外气压和放出水蒸气，或安装溢流管控制水位。

装入辅助吸热板并固定，放人浮动集热板，同时连接好出水软管，最后装上玻璃盖板，并用油灰抹平以防漏雨漏气。

改进型浅池热水器由于增加了浮动集热板和辅助吸热板，效率较浅池式热水器高20%左右，同时避免了藻类滋生，适合中纬度地区居住砖混平房的城乡家庭制作、使用。

(2)筒式热水器如图3-5所示，是一种全密闭式热水器。

它既可做成单筒或双筒热水器，也可以做成多筒式热水器。

此外，还可以根据不同的材料和工艺做成各种形状的热水器，如图3-6所示。

筒式热水器多采用0.5mm镀锌铁板经咬合焊接而成，也有采用塑料、陶瓷制作的。

它具有加工工艺简单、省工省料、成本低、热效率高、水质清洁卫生、适合于工厂化生产等优点，是一种典型的闷晒式热水器。

(3)箱式热水器方箱式热水器是筒式热水器的一种变型，如图3-7所示。

这种热水器多采用0.75~lmm厚镀锌钢板咬口制成，咬口处用锡焊防漏。

侧边设进出水管口。

为防止充水后箱体鼓胀，可事先在铁皮上滚压出波
纹状沟糟，以增加强度。

外壳和箱体间可充填岩棉或矿渣棉
保温。

上述几种闷晒式热水器由于其结构简单，成本低廉、易于制
作，在有条件的地方完全可以就地取材自己动手制作安装。

实际使用表明，一个三口之家用一个采光面积。

0. 6m2(容水
量为60kg)的闷晒式热水器，即可满足春、夏、秋三季家庭
洗浴用热水的需要。

（4）储热式真空管集热器一种商品化的集热储热合一的太
阳能集热装置。

储热式真空集热管主要由吸热管、内插管、外玻璃管等组成，
如图3-8所示。

吸热管内储存水，外表面有选择性吸收涂层。

白天，太阳辐射能被吸热管吸收转换成热能，直接加热吸热
管内的水；使用时，冷水通过内插管渐渐注入，同时将热水
从吸热管顶出；夜间，由于真空夹层隔热，吸热管内的热水
降温很慢。

储热式真空集热管组成的系统主要特点是真空管本身既是集热器，又是储水箱，因而由储热式真空管组成的热水器也可称为真空闷晒式热水器，不需要附加的储水箱，特别适合于家庭使用。

二、循环式热水器
循环式热水器按水循环方式分为自然循环式和强迫循环式两种。

(1)自然循环式热水器自然循环式热水器是依靠系统内的温差与压强差而形成的热虹吸压头使水流动，进而循环的装置，如图3-9所示。

其集热器有平板型、真空管型两种。

自然循环式热水器具有热效率高、运行安个可靠、管理方便、不需任何外部动力等特点。

需要注意的是，由于自然循环式热水器的压强差较小，为保证正常运行和防止夜间无辐
射时热水倒循环，水箱底部必须高于集热器。

常用的家用自然循环式热水器多为紧凑式，即集热器与储热水箱直接相连或相邻。

(2)强迫循环式热水器如图3-10所示。

它是一种利用外部动力（水泵）使水在集热器和储热装置(水箱)之间进行循环的热水装置。

水泵的起动与停止受控于控制装置。

热水器在运行中当集热器顶部水温(出口水温)比水箱底部水温(进口水温)高若干摄氏度（人为预先确定的水温）时，控制装置就起动水泵，使集热器顶部的热水流向水箱，水箱底部的冷水流入集热器。

而两者的温差低于预定温度值时，水泵则停止工作。

这样断断续续地循环，逐渐把水加热。

逆止阀的作用在于防止夜间水逆向流动。

强迫循环式热水器的特点是由于热水器依靠水泵循环，所以水箱不必置于集热器的上方，这就使整个系统的布置比较灵活；适用于大中型太阳能热水器工程和自来水压力比较低的地区采用。

缺点是需要耗费一定的电力，若停电则系统无法运行。

用于强迫循环的集热器有平板型、真空管型等多种，但都要求系统承压。

三、直流型热水器
直流型热水器也叫一次式热水器。

如图3-11所示，热水器上的控制装置
直接控制电动阀并与集热器上出口的
温度计相连。

当集热器内的水温达到
一定温度值后，控制装置即起动电磁
阀，使冷水进人集热器并将集热器内
的热水顶人蓄水箱中。

当水温低于预
定温度值时，控制装置关闭电磁阀，
冷水停止流动。

在这种运行方式中，
因水通过集热器一次就被加热到所需
温度，故此而得名。

为了增加水在集
热器中的加热时间，可以将数台集热器串联在一起使用。

直流型热水器的特点是取用水方便灵活，特别适用于零星分散用水作业的场合使用，如理发馆、餐厅、养殖业用热水等。

采用直流型热水器运行方式也需要消耗电力。

储热水箱
也不必器于集热器上方，但必须高于用水位置。

第三节平板型集热器
平板型太阳能集热器如图3-12所示，它由吸热体、透明盖板、隔热部件
(保温层)和外壳组成。

一、吸热体
平板型集热器的吸热体(又称集热板或板芯)是集热器将太阳辐射能转变为热能并传递给水的关键部件。

太阳辐射能一旦进入集热器箱体被吸热体所吸收，就以热传导方式将热量传递给水。

因此，吸热体传导性能的优劣直接影响到集热器效率的高低。

在这里，吸热体导热性能的优劣与其所用材料的导热性能、结构形式以及所用表面涂料的辐射特性有很大关系。

（1）吸热体的结构目前国内常用的吸热体结构有管板式、翼管式、扁盒式、瓦楞式等几种。

图3-13是几种典型吸热体的断面形状。

吸热体的结构必须与使用条件、材料、加工工艺以及成本等因素综合考虑，从使用条件上看，如用于采暖空调或工程热水系统，应采用竹板式或翼竹式吸热体。

是因为圆管或近似圆管的结构承压性能好，能适应在泵送条件下工作。

家庭洗浴用热水器的吸热体由于多在自然循环状态下运行，则可采用管板式、翼管式、扁盒式、瓦楞式等多种形式。

我国平板型太阳能集热器大多采用全铜管平板式或铜铝复合式，热水器具有寿命长、不生锈、无腐饰、水质清洁、热效率高等优点。

不管采用何种结构，吸热体都应满足具有一定的承压能力、具有，良好的导
热性能及与水的相容性好等要求。

（2）吸热体的材料一般说来，在通常的温度范围内，金属的热传导能力很强。

而非金属的热
传导能力较差。

所以，吸热体多采用金属材料，表3-1给出了几种主要吸热体材料的物理性能。

在金属材料中，铜、铝的导热性能又优于钢材，因此，目前国内大多数管板式、翼管式吸热体大都采用铜、铝作为吸热体材料。

这里需要说明的是，由于铝材(尤其是纯铝)易腐蚀，不宜在水中含碱高的地区作为管材使用。

钢材由于成本较低，具有较强的抗拉强度，多作为扁盒式、瓦楞式吸热体的主要材料。

(3)吸热体的表面涂层金属材料虽然比非金属材料具有较强的热传导性能，但是在通常的温度下，一般金属对光的吸收能力低于非金属，这是因为金属的反射率高于非金属。

为了降低金属表面的反射率，提高吸收率，需要在金属吸热体表面制备一层黑色涂层，叫做吸热体的表面涂层。

有了这层涂科可以使金属的光吸收率提高到90%以上，从而改善集热器的吸热效果。

吸热体的表面涂层有选择性和非选择性两种。

选择性涂层是一种对光的短波辐射「(0. 3~3) ×10-6m]具有高吸收率(>0. 90)，而对光的长波辐射(>3 ×10-6m)则具有低发射率(< 0. 3 )的涂层。

这也就是说。

选择性涂层几乎吸收全部太阳辐射，而发射出的能量却非常少。

非选择性涂层是一种表面呈黑色的吸光涂层。

它对光不具备选择性，亦即吸收的能量多，发射的能量也多。

例如黑板漆，它虽然具有高吸收率(>0.90)，但发射率也很高，通常在0. 50~0. 90之间。

商品太阳能集热器一般选用选择性表面涂料，自制低温太阳能集热器为了降低成本，通常可选用非选择性涂料。

例如，黑板漆或沥青漆加1%炭黑(农村也可用锅底烟灰代替炭黑)制备。

二、透明盖板
透明盖板是让太阳辐射透过，抑制吸热体表面反射损失和对流损失，形成温室效应的主要部件。

透明盖板还具有防止灰尘、雨雪损坏吸热体的作用。

常用的透明盖板有普通平板玻璃、钢化玻璃和玻璃钢。

对透明盖板的要求是：
(1)透过率高一般透过率应在0. 8以上。

(2)耐候性好透明盖板在空气中受紫外线、雨雪、冰雹和空气中有害气体和液体的作用会逐渐老化，使透过率下降。

因此，良好的耐候性对延长使用寿命至关重要。

(3)强度和刚性要求盖板应能承受冰雹和石子的撞击，不易破碎。

三、隔热体
隔热体又称保温层，它的作用是减少热水器吸热体底部和四周边的热损
失。

作为隔热体的材料应具有导热系数小、吸水性小、耐高温、不分解、便于安
装、价格低廉等特点，常用做隔热体的保温材料，详见表3-2。

四、外壳
集热器的外壳是使热水器形成温室效应的围护部件。

它的作用是将吸热体、透明盖板、隔热体组成一个有机整体，并具有一定的刚度和强度。

集热器外壳一般采用钢材、铝材、塑料等制成。

自制集热器的外壳也可采用木材、砖石、水泥等砌筑。

集热器的外壳应平整美观，无扭曲，无变形。

为确保集热器的使用寿命，壳体表面需进行喷涂处理。

外壳漆层要求薄而均匀，无污垢，无划痕，并具有较强的附着力、抗老化性和耐候、耐湿热、耐盐雾性。

金属壳体通常由底板、边框、盖板压条及其他零件组成。

图3-14为集热器总成图。

五、结构设计要点
同样结构类型、材料的集热器，效率高低、成本高低，与结构设计和制作工艺有直接关系。

（1）吸热体与透明盖板的间距吸热体与透明盖板之间需要有一个适当的距离。

图3-15示出了间距大小与热效率之间的关系。

从图中可见，间距越小，效率越低，这是因为热量被吸热体和盖板之间的空气层传到周围空气中去了。

吸热体和盖板之间的距离过大，不但增大了自然对流热损失，而且会增加整个集热器的厚度，使成本增加。

图3-14给出的间距范围为21~30
mm，一般取25mm较适宜。

(2)管板式(翼管式)吸热体的规格尺寸厂家可根据国家标准的规定，确定吸热体的规格尺寸。

表3-3中所列为我们推荐采用的铜铝复合集热太阳条的规格尺寸和性能指标。

四出口吸热体规格尺寸如图3-16和表3-4所示。

吸热体也可制成三出口内循环式，如图3-17所示。

内循环式吸热体更适合于制作家用太阳能集热器，1 m和1. 2m2集热器的集管直径可相应缩至φ16mm。

四出口和三出口的排管均为7~8根。

表3-5列出北京市太阳能研究所生产的平板型太阳能集热器的性能指标。

(3)集热器底边部保温层的最小厚度用足够厚的隔热体可以降低集热器底部和边缘产生的传导热损失。

但制造者往往从成本上考虑，追求理想的成本效益，要求隔热保温层足够薄。

集热器底部和边缘保温层的最小厚度δ(m)可由下式计算：
100
1.45λδ≥
式中λ100—保温层在100℃时所测定的导热系数，W/(m ℃)；
1. 45—经验数据，W/(m 2·℃)
经验表明，采用岩棉板、矿渣棉板、普通玻璃纤维板做隔热保温材料时，边缘厚度为25mm ，底部厚度以35~40mm 为宜。

六、管板式集热器的制造
(1)管与板的结合如前所述，管板式太阳能集热器的吸热体是由一排平行的排管和上下两个集管连接组成的。

为了增加吸热效果，降低传导热阻，排管与金属吸热板应紧密结合。

图
3-18为压槽焊接的结合方式。

在采用压槽焊接时，要注意槽的尺寸，在一般情况
下，槽深要大于排管的半径，而且加工尺寸要精确，成
品半径要略小于排管半径，使排管卧在其中达到紧密结
合，然后再经滚焊而成。

(2)集管与排管的焊接集管与排管的焊接，因材料不同，焊接工艺也不相同。

如采用铝材，焊接应采用氢弧焊;钢管焊接采用电气焊，一般强度较高，不易漏水;若采用紫铜管焊接，一般采用铜焊或无银焊。

目前国内不少集热器都采用紫铜材料，为保证焊接质量，集管应在打孔拔口后再焊。

图3-19所示为排管和集管的两种结合方法。

另外，在焊接时，要注意排管不应伸人集管过多，以1~2mm为宜，以避免产生不应有的流动阻力。

(3)铜铝复合集热器的制造采用铜铝复合集热太阳条作为吸热体时，由于太阳条的吸热面为铝板，排管采用φ8、φ12或φ15铜管，铝板与铜管经轧制紧密结合，再经吹胀工艺使铜管形成菱形截血，所以在与上下集管连接时，需要使用一段过渡联管。

过渡联管的管径应与太阳条的管径匹配。

一般长度为25mm，一端经模压加工成菱形，与太阳条焊接，另一端头为圆形，直接与集管焊接。

第四节真空管集热器
真空管集热器按照吸热体结构材料，可分为玻璃吸热体真空管(或称全玻璃真空管)集热器和金属吸热体真空管(玻璃一金属)集热器两大类。

一、全玻璃真空管集热器
(1)全玻璃真空管的基本结构全玻璃真空管其形状如一只细长的暖水瓶胆，由两根同心圆玻璃管组成，在内外圆
管间抽成真空，太阳
选择性吸收涂层沉积
在内管的外表面上，
如图3-2 0所示。

全玻璃真空管的
一端开口，将内玻璃
管和外玻璃管的管口
进行环状另一端封闭
成半球形圆头，内玻璃管用弹簧支架支撑于外玻璃管上，以缓胀冷缩引起的应力。

在外玻璃管尾端一般粘接一只金属保护帽，以保护抽空后封闭的排气嘴。

弹簧支架上装有消气剂，它在蒸散以后用于吸收真空热管产生的气体，起保持管内真空度的作用。

(2)全玻璃真空管集热器的基本结构若干支管按照一定规则排列成的真空管阵列与联集管(或称联箱)、尾托架和反光板等部件组成一台真空管集热器，如图3-21所示。

全玻璃真空管集热器的联箱一般有圆形和方形两种，多采用不锈钢板制作，集热器配管接头焊接在联箱的两端。

联箱的一面或两面按设计的真空管间距开孔，真空管的开口端直接插入联箱内，真空管与联箱之间通过硅橡胶密封圈密封。

反光板多为平面漫反射板，一般采用铝板、不锈钢板或涂白漆的平板制成。

反光板长期暴露在空气中，容易积聚灰尘和污垢，需要经常清理，以免影响反光效果。

所以，风沙比较大的地区不宜安装带反光板的集热器。

全玻璃真空管集热器可以竖直排列〔南北向)也可以水平排列(东西向)，水平排列又有单排和双排两种形式，如图3-22所示。

(3)全玻璃真空管集热器的性能特点用全玻璃真空管集热器与平板集热器比较，可以看出全玻璃真空管的外管相当于平板集热器的透玻璃盖板和外壳;内管和附着在内管外表面的选择性吸收涂层相当于平板集热器的吸热体;内外管之间的真空夹层相当于平板集热器的隔热材料(保温层)。

进一步比较会发现，以国家标准《全玻璃真空太阳集热管》( GB/T 17049-1997)
为依据生产的全玻璃真空管，具有更为优良的性能。

例如玻璃管材采用硼硅玻璃3. 3制造，太阳透射比高达0. 89 ；圆柱形吸热面使其在一天中接受的垂直光照较平面更多;采用磁控溅射工艺，形成的铝一氮一铝涂层的太阳吸收率在0. 86以上，发射率小于或等于0. 09 ；闷晒曝辐量达3. 8MJ/m2；平均热损系数仅为0. 90W/m2·℃；真空夹层的气体压强为5×10-2Pa。

上述指标保证了全玻璃真空管集热器具有较高的热性能，有效地避免了平板集热器的传导和，并且提高了集热器的抗低温能力，同时，还具有较高的抗雹(击打)能力。

通过上述比较可见，正是由于真空管集热器具有结构简单、性能优良、产工艺先进可靠、特别适合于大批量规模化生产的特点，所以自问世以来，短短的几年中就得到了长足的发展。

各种以玻璃为基材的新型真空管式集热器不断涌现，有力地推动了我国太阳能热水器行业的技术进步。

(4)全玻璃真空管的几种改进形式尽管全玻璃真空集热管有许多优点，但由于管内走水.在运行中若有一只破损，则整个系统就要停止工作，另外真空管的热容较友.太阳能要光把真空管内的水加热才能建立循环，到了夜间，如果热水不能被充分利用，则会造成一定的热量损失。

为了弥补这些缺陷，庄全玻璃真空管的基础上，产生了几种改进型的产品。

①带热管的全玻璃真空管。

它是将带有金属导热片的热管插入真空集热管中，使金属导热片紧紧靠在内玻璃管的表面，如图3-2 3所示，内玻璃管吸收的热量通过金属导热片传递给热管，再由热管传递给循环系统。

②带U形管的全玻璃真空管。

它是将带有金属导热片的U形管插入全玻璃真空集热管中，金属导热片紧紧靠在内玻璃管的内表面，如如3-24所示内玻璃管吸收的热量通过金属导热片传递给U形管中的循环工质。

上述两种改进形式的真空集热管，由于管内没有水，不会因一只管破损而影响整个系统的运行。

另外，由于管的热容大大减，在同样的条件下可以获得更多的热量，因而提高了产品的性能和运行的可靠性。

二、热管式真空管集热器
热管式真空管集热器是玻璃一金属真空集热器的一种主要形式，1986年由北京太阳能。