几种循环系统

自然循环系统的设计
一、系统水流阻力
自然循环系统对输水管路要求比较严格，尽量避免产生较大沿程摩擦阻力（直观内壁的摩擦阻力）和局部阻力（非直管管件的形状性阻力），因为阻力是消耗水流（压头）能量和降低循环速度的重要因素。

运行系统既有沿程摩擦阻力又有局部阻力，这两种阻力之和称为水头损失。

管路内径的选取可
自然循环系统的连接管路比其他系统要求严格，因为它以密度差（热虹吸压头）为动力进行循环，动能很小，不能在系统中人为克服水流阻力，所以不仅管道内径、形状有要求，而且对其长度也要有要求。

其集热器与储水箱连接的上循环管在限定的距离内愈短愈好，因为缩短这部分管路可避免管道热损失，也可使集热器经太阳辐射的水能很快进入储水箱，提高集热器效率。

下循环管除要求管道尽量短外，还要求连接形状严格避免直角弯。

因为即使上循环管缩短、设计得当，下循环管如果阻力大，对整个系统的运行也很不利。

上下循环与储水箱、集热器的连接绝对不能出现反坡。

反坡是循环系统的大害，会造成不必要的损失。

三、自然循环系统中集热器与储水箱的安放
自然循环系统的水流动力是密度差，不需要任何外界动力。

但夜间没有太阳辐射，集热器的温度变得与环境温度一样，储水箱内的水温明显高于集热器，产生了“倒流现象（或称倒循环）”，为了防止这种现象的出现只要将储水箱底部与集热器顶部垂直拉开0.3m以上的距离就可以了。

四、自然循环系统用水箱
自然循环系统中，储水箱与补水箱也是太阳热水装置中的主要部件。

不论是圆柱形还是方形箱，其开口位置皆与循环。

使用相关联。

此外，储水箱与补水箱的位置也有影响，所以确定储水箱的开口位置和这两个水箱的安装位置应引起足够重视。

（一）储水箱
储水箱共有五个开口位置，连接上、下循环管的两个管口，呈对角线分布上循环管口。

对1t水容量的蓄水箱应设计在（距水箱顶端）10cm处；2t水容量的水箱应设计在15cm处；3t 水容量的水箱应设计在20cm处。

上循环管口的开口距离还以补水流量为依据，如补水水压较大，可适当缩短距水箱顶部的距离。

对下循环管口的设置虽不受容水量限制，但为防止水箱发生结垢而阻塞循环系统，一般设计在距水箱底部5cm处，并在此管口的垂直方向距水箱侧壁面5cm处设置排污管口，此排污管口同时作为补水箱向蓄水箱补水的管口。

溢水管口的设置是为了在系统循环时，水箱的水逐渐升温产生体膨胀，发生溢水而排水的流道，一般设置在距水箱顶部2cm处（也可根据水的膨胀量设定溢水管口位置）。

用水管口的设计是根据使用水温确定的。

温度高的水在温度低的水的上面，因此，用水管口设在上循环管口以上，用水的温度较高；而设在此管口以下水温较低，取用水的温度高低以上循环过口为依据。

此外，如果水源的水压只能在夜间补水，就必须将用水管设置在更低的位置，以便使用补水箱的输水管作为用水管白天一次将水用完。

这种白天一次用完、夜间补水的方法称为“自然循环一次性使用”。

（二）补水箱
补水箱的外形一般为矩形立方体，除对容积有要求外，一般没有特殊规定。

补水箱的容积根据取用水量、补水水源可供流量（压力）和浮球截止阀的流量来确定。

取用水量是浴用喷头在单位时间内的流量乘以个数的总和流量。

经验值为每个喷头每小时流出400kg(L)水。

如果取用水量（喷头输出水量）与补水量相等，可将补水量的容积设计的小些，在能容下浮球截止阀的空间稍加一些容积即可。

但这种完全满足输出与输入平衡的情况并不多见，因此就要根据计算加上估算来设定容积。

一般补水箱的容积估算，以储水箱容积的1/30来考虑。

浮球截止阀接口位置在截止阀关闭位置时浮球顶端不应该接触补水箱顶盖，并以此点向上留有2cm间隙为好；向储水箱补水的输水管口位置在下部一侧距补水箱底2cm处。

这2cm的容积是为了防止垢物阻塞输水管设置的。

配水管口的位置可开在补水的输水管一侧，为避免取用水温度过高设置，可调节水温，也可与输水管公用；为了排污和入冬之前排净余水，排污管口位置设在补水箱底部。

四个关口的管径除排污管口没有要求外，其余均应以流量而确定。

（三）补水箱与储水箱水平位置的确定
补水箱的浮球截止阀关闭后的液面应与储水箱于储水箱距其钉扣5cm的位置上，这个位置也是储水箱水满位置。

如果水箱过高，储水箱溢水管口会因水箱内水温提高而排出热水；补水箱过低，很可能造成上循环管脱离液面而使系统无法循环。

五、自然循环系统的集热器布列
自然循环运行系统中储水箱与集热器的高差越大热虹吸压头越大，但因水温和储水箱与集热器之间的高差不可能很大，依靠水的密度差作为动力又非常有限，因此在系统中要求尽可能减少各部分阻力。

一般说10m2的集热面积可由5块集热器并联为一排布列。

20 m2集热面积可由10块集热器串并联前后两排布列，也可做成：“一”字形横排布列两个循环系统。

30m2集热面积可由15块集热器串并联成三排布列，或像20m2集热面积的两排布列，但决不允许做成一排布列，这样会影响循环速度。

自然循环系统至适合30m2一下的集热面积，主要是从系统循环着眼，但可柑橘上述并联布列“举一反三”，只要条件允许，再大的集热面积也可应用。

强迫循环系统只要集热器能够承受系统内压，面积可以做得很大，但对集热器布列，特别是管路连接和集热器的连接要求较高。

其原则是，当水泵运行后集热器布列内的水，管路中的水应基本循环起来，避免产生过多死水（不能利用的水）而影响循环效率。

定流量式强迫循环的水泵一定要依据系统阻力确定扬程或压力。

其流量的确定以储水箱和集热器布列、管道容水总量能在有效时间内循环一周为准，但要求设计流量可大于10%，决不可小于实际流量。

温差式强迫循环系统的水泵只对扬程或压力有要求，对流量的选择取值不太严格。

系统通径（内径）一般以集热器出入接口尺寸计算流量。

强迫循环太阳热水系统有多种设计控制方案，其中比较典型的有温差控制直接强迫循环系统、光电控制直接强迫循环系统、定时器控制直接强迫循环系统、温差控制间接强迫循环系统和温差控制间接强迫循环回排系统等。

定温放水系统实际上是将强迫循环系统西欧那个储水箱下循环管断开形成的系统。

在集热器布列的最后一块集热器的出口管口，温度反应敏感的地方装上感温元件，将测温信号传给温差控制器。

系统动力如果自给水压（自来水自身压力）不能推动输水至储水箱，温差控制器将驱动水泵加压，但一般情况皆以自来水水压为动力。

定温放水系统的运行：集热器内的水到达设定温度后，感温元件输出信号给控制器，温差控制器控制电磁阀或水泵输水至储水箱；当感温元件测得低温并给控制器信号，温差控制器控制电磁阀或水泵停止输水。

这样周而复始。

1.家用太阳能热水系统设计有两种。

（1）一种是建房时把热水器作为固定设备进行设计和施工用户迁入新居时就可以使用。

（2）另一种是在现在的房屋上在增加集热器，蓄热水箱和其它装置。

比较麻烦的是管道安装时墙壁和地板需要开孔，但要防止损坏建筑结构。

2.设计方案有两种类型。

（1）一种是分户安装，即一家一个热水器。

（2）另一种是集体安装，即一个单元，几个单元或整栋楼房合用一个热水系统。

合用热水系统设集中水箱。

可大大降低造价，并便于统一维修。

但从节约用水，便于管理及减少各家间不必要的人员纠纷考虑，应当为每户安装热水表进行热水计量。

一家一个热水器可较好的避免以上矛盾。

但在家高，和建筑界和比较困难，维修极不方便，水箱放在户内占据较大空间。

所以采用哪种方案应根据具体情况和用户要求加以确定。

不论哪种方案，如果用户有需要，均可以设辅助热源，以保证全天候热水供应。

3.从我国建筑节能规划考虑，板楼住宅设计安装大型全天候太阳热水工程有如下优点。

（1）统一安装有利于建筑结合和建筑节能。

（2）造价成本比较低。

（3）维修管理有物业统一安排，用户无维修之忧。

（4）每户采用热水计量不会发生用户之间的用水矛盾。

（5）由于有辅助热源，用户可全天候使用热水，这种系统应成为今后推广应用的方向。

4.一般季节性使用生活热水或我国南方的热带，亚热带气候区，可采用单层玻璃盖板，非选择性涂层的普通平板型太阳集热器。

而要求全年使用生活热水或中、高温热水，则应采用选择性吸收涂层的平板型太阳集热器和真空管太阳集热器。

5.关于太阳热水系统的类型，可根据负荷特点，集热器面积大小管理条件等因地制宜加以选择。

6.太阳热水装置的产热水量，节煤量和工程费用预算。

北京地区一般的太阳热水器，在试用期间的晴天，每平方米采光面积平均每天可以产40
以上的热水约80公斤左右，一年可以节约标准煤200公斤左右。

太阳热水工程造价大体可参照以下比例进行预算：即集热器费用占50%，出热水箱费用占10%，管道、支架、保温及控制系统费用占20%，安装费占10%，设计咨询费占10%。

无论是全玻璃真空集热管还是热管真空集热管，其管子和水箱的连接方式是一样的，即将水箱内胆开孔，翻边，套人硅枸胶密封圈，然后真空管或热管直接扦入，外口加挡风圈以防止风沙进入。

家用热水器的设计
1.选择加用热水器的原则
（1）根据家庭人口数和国家有关规范，如表1所示估计用水量，然后选择相应产水量的热水器。

目前，国内家用热水器一般有闷晒式，平板式和真空管三大基本类型，采光面积和产水量其规格有：采光面积1-8M2，水相容水量为80-600公斤。

热器的类型，然后确定采用哪一类系统。

任何一种系统都可配辅助加热装置。

（3）为了使太阳热水器与建筑很好结合，集体式太阳热水器，已远远不能满足太阳热水器与建筑一体化的需要，必须研制生产各种类型的集热器和水箱的太阳热水器。

（4）价格合理。

选择热水器时，价格是一个不可忽视的因素，人们总会把太阳热水器与其它种类的热水器作比较，觉得物有所值才会购买使用。

2.取放热水方式的选择。

3.水位和水温测控方式的选择。

一般水位指示有溢流管式，单管上水及水位显示器，浮球式和自动水位测控仪等。

具体根据安装场所和用户要求选择之。

太阳热水系统的设计要点
太阳热水系统部分优化设计选用对系统性能、系统造价影响较大，应综合考虑多方面因素，遵循“匹配适用性”原则选型。

从太阳能建筑一体化角度相出发，对于别墅型建筑宜选择分离式系统；对于多层建筑宜选择集中式系统，以栋或单元为单位设置；对于高层建筑宜选择集中式太阳预热系统。

其集热装置产品宜选择平板式、热管式、U形管真空管式、导管真空管式等高可靠、免维护型。

从用户使用特点角度出发，对于定温即时用水客户，宜选用强制循环或直流式热水系统；对于定时定量用水客户，可选用自然循环热水系统。

太阳热水系统的防冻措施，可采用低温排空法、防冻循环法、电伴热带防冻法及防冻液集热循环二次换热法等。

太阳热水系统的避雷、抗风雪，防沙尘、防冰雹要求，由相应的集热器选型设计决定。

为保证太阳热水系统集热性能的稳定性，在选型时需考虑水质对集热装置的影响，水中悬浮颗粒及水垢易沉积附着在集热管内，导致系统集热性能衰减。

因此，大面积太阳热水系统的集热装置宜选择有效防垢措施的产品，如热管式、导管式集热管，或设计为间接系统。

对于水垢的影响，可在设计系统时合理配置储水箱和集热器面积的比例，使系统在一天运行中最高温度不超过60°C；对于直流式系统，设定获得的水温不超过60°C；也可在系统中加装有效的防垢设施。

为保证太阳热水系统运行的可靠性，对于全玻璃真空管集热装置需高于储热装置设置，以防止真空管破损后系统大面积跑水，并应在系统中设计自控报警装置，提高系统的安全可靠性。

空管式集热器安装角度可为0°~90°任意设置。

由于太阳集热装置安装角度不同，系统有效集热面积与集热装置面积会产生差异，设计选型时应予以修整。

为避免遮挡，集热器离遮光物的最小距离可按GB/T 18713—2002《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》
计算。

实际应用中，全年运行的太阳热水系统的集热器前后排的安装距离可按集热器安装高度的3倍左右设计；夏季运行、兼顾春秋使用的太阳热水系统的集热器前后排的安装距离可按集热器安装高度的0.8倍左右设计；完全水平放置的集热器前后排的安装距离为零，可形成密排布列，占地面积较小。

3.集热器布列
集热器布列可通过串联、并联和串并联方式组成，通过管路同程连接或异程连接实现。

系统管路设计原则
1.在自然循环系统中，应使循环管路朝储水箱方向有向上坡度，不允许有反坡，坡向应能使管内任何部位的集气均可升入储水箱内自然排出，管道在接装过程中应尽量避免转弯或有90°弯头，严禁在管道连接中用Ω形或n形转弯；为了保证循环流畅，循环管路应力求转弯少，必须转弯时应尽量采用缓弯。

2.系统循环管路应有0.3%~0.5%的坡度，以避免气塞现象，也可满足循环、排空或回流的要求。

在有水回流的防冻系统中，管路的坡度应使系统中的水自动回流，不应积存。

为了达到流量平衡和减少管路热损，绕行的管路应是冷水管或低温管。

管路的路径面积应与并联的集热器或集热器组管路通径面积的总和相适应。

3.在循环管路中，易发生气塞的位置应设有排气阀；需要排空和防冻回流的系统应设有吸气阀。

在系统各回路及系要防冻排空部分的管路的最低点及易积存的位置应设有排空阀，以保证系统排空。

4.集热器布列为多排或多层集热器组并联时，为了调试、维修方便，每排或每层集热器组的进出口管道应设有辅助阀门，以获得均匀的流量分布，实现系统流量平衡。

5.间接系统的循环管路上应设膨胀箱。

闭式间接系统的循环管路上，同时还应设有压力安全阀和压力表，从集热器到压力安全阀和膨胀箱之间的管路应是畅通的，不应设有单向阀和其他可关闭的阀门。

6.系统中的换热器一般应按逆流方式连接，储水箱内的单循环换热器位于高处的进口与系统高温管路相连，位于低处的出口与低温管路相连。

7.强制循环系统中循环水泵的选型：水泵流量按每平方米集热面积流量40~80kg/h，水泵扬程为（1.3~1.5）*系统总阻力（计算值）。

1.直接系统的低温排空防冻
冬季系统低温探点达到设定警戒值时，温控电磁阀开启，系统室外部分的水被排放或回流至储热水箱内，实现系统防冻。

2.直接系统的低温循环防冻
冬季系统低温探点达到设定警戒值时，温控循环泵开启，系统向室外管路内送入热水推回凉水实现系统防冻，系统低温探测点超过设定警戒值时，温控循环泵关闭。

3.直接系统的电伴热带防冻
冬季系统低温探点达到设定警戒值时，温控电伴热带输出，加热室外管路实现防冻。

4.间接系统的防冻工质防冻
在间接系统中使用防冻传热工质进行防冻，传热工质的凝固点应低于系统使用期内最低环境温度，沸点应高于集热器的最高闷晒温度。

以上内容均摘自：《太阳热水器原理、制造与施工》（９９）。