太阳能热水系统

新能源综合报告实验题目：太阳能热水系统的热性能

学院：物理与能源学院

专业：新能源科学与工程

学号：

汇报人：

指导老师：黄志平

一、预习部分（课前完成）

1.了解太阳能热水系统的基本知识及应用；

2.了解并掌握太阳能热水系统的特性能测试原理及生产工艺；

[仪器]：(名称、规格或型号)

二、实验原理

1、太阳能热水系统的分类

国际标准 ISO 9459 对太阳能热水系统提出了科学的分类方法，按照太阳能热水系统的7个特征进行分类，其中每个特征又都可分为2~ 3 种类型，从而构成一个严谨的太阳能热水系统分类体系（如表1所示）。

表1 太阳能热水系统的分类

太阳热水系统在实际应用中是以自然循环系统、强制循环系统、直流系统中某一种基本运行方式或某种方式为主的为主的多种运行方式的组合，根据现场的情况不同和用户的具体要求，在设计中要灵活应用，以实现太阳能热水系统的经济、节能的目的。这三种方式是以工质的流动方式分类。本次调研报告着重研究这三种太阳能热水系统。

⑴、自然循环系统

自然循环太阳能热水系统是依靠集热器和贮水箱中水的温差, 形成系统的热虹吸压头, 使水在系统中循环；与此同时，将集热器的有用能量收益通过加热水，不断储存在储水箱内，如图1所示。取用热水时，有两种方法。

一种是有补水箱（顶水法），如图(1-a)所示，由补水箱向贮水箱底部补充冷水，将贮水箱上层热水顶出使用，其水位由补水箱内的

浮球阀控制；顶水法充分利用水箱上层水温高的特点，使用者一开始就可以取到热水。但是，从贮水箱底部进入的冷水会与贮水箱内的热水掺混，减少可利用的热水。

另一种是无补水箱（落水法），如图(1-b)所示，热水依靠本身重力从贮水箱底部落下使用。其虽然没有冷热水掺杂，但是必须将贮水箱底部及管路中温度较低的热水放掉后才能使取到热水。

图1 自然循环太阳能热水系统（直接系统）示意图

自然循环系统

优点: 结构简单，运行可靠，无需动力,成本较低；

缺点: 是为了维持必要的热虹吸压头，储水箱必须置于集热器的上方，这有时会给建筑布置、结构承重和系统安装等带来一些麻烦。

主要适用: 家用太阳能热水器和中小型太阳能热水系统。

自然循环系统的循环水箱底必须高于太阳集热器顶0.30m至0.5m；—由于系统流体本身的密度差形成的动力很小，因此必须采取

多种措施减小系统循环阻力（如：选用较大的管径，管路尽量短，尽量少拐弯）；防止出现反坡，造成气堵等；自然循环系统的规模一般较小，较大规模的自然循环系统常常分解成多个并联的小系统(2)、强制循环系统

强制循环太阳能热水系统是在集热器和储水箱之间管路上设置水泵，作为系统中水的循环动力；与此同时，集热器的有用能量收益通过加热水，不断储存在储水箱内。

系统运行过程中，循环泵的启动和关闭必须要有控制，否则既浪费电能又损失热能。通常有温差控制和光电控制两种控制方法，其中温差控制较为普及，有时还同时应用温差控制和光电控制两种。

温差控制是利用集热器出口处水温和储水箱底部水温之间的温差来控制循环泵的运行，如图1-2所示。

图1-2 温差控制的强制循环系统示意图

早晨日出后，集热器内的水受太阳辐射能加热，温度逐步升高，

一旦集热器出口处水温和储水箱底部水温之间的温差达到设定值(一般8 ℃～10 ℃)时，温差控制器给出信号,动循环泵，系统开始运行；遇到云遮日或下午日落前，太阳辐照度降低，集热器温度逐步下降，一旦集热器出口处水温和储水箱底部水温之间的温差达到另一设定值 ( 一般 3 ℃~ 4 ℃) 时，温差控制器给出信号，关闭循环泵，系统停止运行。

落水法是依靠热水本身重力从储水箱底部落下使用。在强制循环条件下，由于储水箱内的水得到充分的混合，不出现明显的温度分层，所以顶水法和落水法都一开始就可以取到热水。顶水法与落水法相比，其优点是热水在压力下的喷淋可提高使用者的舒适度，而且不必考虑向储水箱补水的问题；缺点也是从储水箱底部进人的冷水会与储水箱内的热水掺混。

落水法

优点; 没有冷热水的掺混

缺点: 是热水靠重力落下而影响使用者的舒适度，而且必须每天考虑向储水箱补水的问题。

强制循环太阳能热水系统

优点：系统的动力来自于循环水泵，单个系统可以不受采光面积的限制，可以做到上百甚至上千平方米；储热水箱放置位置不受限制，可以根据现场情况，摆放在任一安全的位置。

缺点：需要配置循环水泵、电控装置等，工程成本较高；应注意选用可靠的控制系统，以确保系统运行得可靠性；要求较高的施工技

术。

⑶、直流系统

直流式太阳能热水系统是使水一次通过集热器就被加热到所需的温度，被加热的热水陆续进入储水箱中。系统运行过程中，为了得到温度符合用户要求的热水，通常采用定温放水的方法，如图 3 所示。集热器进口管与自来水管连接。集热器内的水受太阳辐射能加热后，温度逐步升高。

这种定温放水的方法虽然比较简单，但由于电动阀关闭有滞后现象，所以得到的热水温度会比设定值低一些。其优点：该系统可随时将达到设定温度的热水顶入储水箱储存。水箱内储存的是达到温度的热水。可以实现随时使用热水；储热水箱可以根据现场情况，摆放在任一安全的位置；容易实现冬季夜间系统排空防冻的设计。缺点有：定温放水系统需要解决储热水箱水满溢流的问题；

同时也需要配置控

图3 定温放水直流式系统示意图

温装置等。工程成本较高；应注意选用可靠的控制装置，以确保系统运行的可靠性；要求较高的施工技术。

2、太阳能热水系统设计

(1)、系统日耗热量：

全天供应生活热水的日耗热量、热水量计算公式：

日耗热量：Q d=q r cρ(t r-t L)m/86400

设计日热水量:

q rd=86400Q d/cρ(t r'-t L’) （q rd= q r m）

其中：Q d—日耗热量,W ；q r—热水用水定额L/（人或床·d）; c —水的热容比4187J/(kg·℃) ；ρ—水的密度，kg/L ；t r、t L—热、冷水温度； m—用水计算单位数（人数或床位）；q r—热水用水定额。

(2)、太阳集热器选型与摆放方位

1、集热器朝向与倾角的确定主要使集热器得到最大的太阳辐射能。当采光面与太阳光线垂直时，就能得到最大的太阳辐射能；

2、对于跟踪式太阳集热器，通过自动跟踪使集热器的采光面与太阳的入射光线垂直就可以。但跟踪装置复杂，成本太高，一般采用固定朝向与倾角。

3、对于固定式集热器，为了得到最大的太阳辐射量，应尽可能使当地正午的太阳光线与集热器的采光面垂直。因此，对于在北半球使用的集热器，应正南、南偏西、南偏东放置。