太阳能和锅炉的结合利用

太阳能与锅炉结合使用的热水及供暖系统
MARIO DONINELLI
一、太阳及太阳能
1.1 太阳能
作为清洁的可持续利用且用之不尽的能源，太阳能的重要性越来越得到了广泛的认识。

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，如图1所示， 4个氢原子在核聚变为一个氦原子时释放出巨大的能量。

这个能量通过辐射的形式到达地球， 其每秒钟照射到地球上的能量相当于燃烧500万吨煤。

在进入地球大气层前太阳辐射能量大约为1350w/m2，经过大气层过滤后达到地球表面其能量减低，在晴天时约1000w/m2，阴天时约100-150w/m2。

4个氢原子 1个氦原子 能量
图1 太阳内部的核聚变图示
1.2 日照热量的分布
年均日照热量指一年时间内每个朝南的单位面积所能够收集到的热量，了解这个数据有助于对太阳能光热系统的实施进行准确的预算评估。

图2表明了欧 洲的年均日照分布情况，此数据不仅与经纬度有关，还同时考虑到了朝向、表面的倾斜度等因素。

图2 欧洲年均日照分布情况
1.3被动及主动利用太阳能光热的方式
人类利用太阳能光热分为被动及主动两种方式:被动方式指不需要借助其它能源就可获得太阳能的方式，如温室、农作物干燥等，见图3 a。

主动方式指需要通过其它能源，制造相应的设备将太阳能转换为热能的方式,见图3 b。

图3a 太阳能被动利用方式图3b 太阳能主动利用方式
二、太阳能集热板的种类及用途
2.1 无遮板液体式集热板
由塑料集热管构成。

由于无遮盖，其加热水温只到40℃—45℃。

因此它主要用于加热泳池。

它最大的优势为造价低。

但由于其材质和加工工艺的原因，其使用寿命短。

见图4
图4 无遮板式液体集热板 图5平板镜面式液体集热板
2.2 平板镜面液体式集热板
它由以下几部分构成：
——金属集热器（铜、铝或钢），此集热器与通水的管道为一体。

——玻璃或塑料材质的反光板，对于阳光有极强的吸收性，同时对于集热板内部吸收热源的反射有极强的不透光性。

——隔热板：在集热板后面用于防止热量损失。

——箱体：以上元件的外壳，起到保温的作用。

这种集热板能产生90℃—95℃的热水，但在水温超过65℃—70℃后其热效率降低。

它们的安装使用较简便，费用也适中，因此较多地使用于民用建筑。

对于小型家用热水系统，它们还可与水箱配备为一体。

见图5
2.3 真空管液体式集热板
集热板由真空的玻璃管组成，其内部装有集热条。

这类集热板的技术较为成熟。

能有效防止集热板本身的散热，同时保证较高的热效率，这非常适合于较为寒冷的区域。

真空管的集热板能产生115℃——120℃的热水。

因此不仅适合于民用生活热水，还可用于采暖，制冷等。

其造价也较为昂贵。

见图6
图6 玻璃真空管式液体集热板 图7 箱式空气集热板
2.4 箱体空气式集热板
它的表面为透明的集热板（玻璃或塑料），四周底部为隔热材料。

集热器为普通的金属板（铜或钢），在其上下部为空气滚动而非水。

这类集热板的热效率低，因为空气作为传递和换热的热媒是不理想的。

但是其造价低，重量小的特点是其相对的优势，而且不用考虑防冻的问题。

其主要用于农业加热和干燥农作物。

见图7
三、太阳能的热能储存方式
太阳能并不是随时可取。

因此，需要通过储存的方式将其热量收集起来连续使用。

储存的方式有多种，我们在本章节里只讨论运用于热水系统的水热储存方式。

3.1 被动储热方式
太阳能集热板收集到的热量加热内部的水，水加热后上升形成自然的循环因此加热储水水箱，图8a是夹套式水箱，即太阳能集热系统的水不与水箱内的水接触，而是在水箱外侧循环加热；而图8b集热系统的水与水箱为一体，这种与集热板分离的水箱在安装时更美观，不影响屋顶的外观。

被动储热水箱又分为开放式和承压式：开放式水箱由于其用水压力为安装位置的高度静压，因此往往偏低，影响用户的用水舒适度；承压式水箱的出水压力为冷水进水压力，更能满足用户用水的需求。

接下来我们将只讨论承压式储水水箱。

图8a 夹套式热水水箱 图8b 隐藏式热水水箱
3.2 主动储热方式
¾夹套式储热水箱：水箱外侧为集热系统的循环热水，主要用于小型系统。

见图9
图9 夹套式储热水箱 图10 单盘管式储热水箱
¾单盘管式储热水箱：水箱内置的换热盘管将集热系统的热能转换到水箱内，它主要用于小型系统。

见图10
¾双盘管式储热水箱：水箱下部的换热盘管连接太阳能集热系统，上部的盘管连接锅炉系统，这种通过另外的热源盘管换热方式可以实现水箱的
热水随时性，它主要用于大中型系统。

见图11
图11双盘管式储热水箱 图12 子母型储热水箱 ¾子母型储热水箱：由一个内置水箱构成，又称为“子母箱”。

它大多用于
“混合型”系统，即同时提供生活热水和采暖的系统。

外面的大水箱储存的热水用于采暖，而内置的小水箱则用于生活热水。

子母箱非常适合于混合型系统，因为它能直接与以下系统连接。

——太阳能集热板系统
——锅炉热源系统
——采暖系统
——热水系统
这类水箱大多运用于中小型系统。

见图12
四、太阳能集热系统的调节
太阳能集热系统，又称为一次系统，它的调节核心为温差型热力调节，其主
要构成元件为：
——调节器：用于设定所需要的温差值△t，根据温度传感反馈的信号启停被控
元件如水泵，阀门等。

——两个温度传感器：用于传递集热板和储热水箱的温度。

当太阳能集热板与储热水箱的温差超过设定值时，太阳能一次系统的循环泵
启动；反之，循环泵停止。

4.1温差型热力调节方式
当感温器1和2之间的温差超过设定值时，调节器给予水泵启动提示；反之
水泵停止工作。

见图13
图13 温差型热力调节方式 图14 温差调节器结合模拟旁通阀调节方式
4.2温差型热力调节及模拟旁通阀结合方式
当感温器1和2之间的温差超过设定值△t时，调节器不仅开启水泵循环，同时调节模拟旁通阀，使温差始终稳定。

这种方式优化了集热板和水箱之间的换热，更加完全地利用了太阳能。

但是其成本较高，因此更多适合于大中型系统。

见图14
4.3 外置换热器及温差型热力调节方式
当感温器1和2之间的温差超过设定值△t1时，调节器1指示循环泵A开启；当感温器3和4之间的温差超过设定值△t2时，调节器2指示循环泵B开启。

见图15
4.4 温差型双调节器及双储热水箱调节方式
当感温器1和2之间的温差超过设定值△t1时，调节器1指示循环泵开启，同时调节模拟旁通阀，使温差始终稳定。

当感温器3和4之间的温差超过设定值△t2时，调节器2打开三通分流阀，使集热板的一次系统水进入高温储热水箱。

反之，集热系统的水通过三通阀进入中温水箱。

见图16
图15 双温差调节器和外置换热 器调节方式
图16 双温差调节器、模拟旁通阀、三通分流及双水温储热水箱调节方式
模拟旁通阀
三通分流阀
五、 太阳能与锅炉结合使用的热水解决方案
5.1壁挂炉及分流阀结合的热水系统
如果储热水箱的温度低
于其温控器设定的温度。

分
流阀朝向壁挂炉的一端打
开，从储热水箱出来的热水
进入壁挂炉的冷水接口，通
过加热后进入恒温混合阀。

反之，分流阀直接将储热水
箱的热水输送到恒温混合
阀。

注：为避免过热现象出
现，壁挂炉应该选用直接调
节出水温度（即不是通过调
节流量来调节温度的）的类
型。

见图17
图17 太阳能与壁挂炉结合的使用方案
5.2 与落地炉及分流阀结
合的热水系统
其调节方式与图17相
同，区别在于落地锅炉内部
带储热水箱，水箱温度由温
控器直接控制，因此，不会
出现壁挂炉的过热现象。

见
图18
图18 太阳能与落地锅炉结合使用的热水方案
5.3 与锅炉热源的水力分压器支路结合使用的热水系统
当储热水箱的水温低于温控器设定的温度时，锅炉热源的水力分压器换热盘管支路的循环泵启动，以锅炉出来的热源经换热盘管加热水箱使其到达设顶的温度。

这样达到了太阳能辅助加热的功能。

换热盘管置于水箱上部分有利于利用水的分层加热。

水力分压器的作用在于避免了锅炉热源的各个支路之间不会相互影响，诸如，在加热水箱时，其它供暖支路不被‘抢’水。

但值得考虑的是，由于换热盘管置于水箱中，自然水箱下部分的水温也随之升高。

这样会造成太阳能集热系统的换热效率降低。

不能做到完全地利用太阳能。

见图19，20
图19 与锅炉热源的水力分压器支路结合使用的热水系统
图20 水力分压器工作图示
5.4双储热水箱及分流阀结合使用的热水系统
与图示17、18相同，分流阀的作用在于将储热水箱的水根据其水温情况或者直接送到恒温混合阀（水温高于设定温度时）或者将水送到锅炉热源换热的储
热水箱加热后再到恒温
混合阀。

第一个太阳能的储
热水箱能够完全利用太
阳能的热量。

避免了图示
19中出现的热效率降低
的问题。

这种调节方式适合
于大中型系统。

见图21
图21 双储热水箱及分流阀结合使用的热水系统 5.5太阳能中央储水，壁挂炉独立供应热水的系统
这种解决方案采用太阳能的储热水箱为中央热源，将储热水箱的热水通过恒温混合阀输送到每个壁挂炉的冷水入水口，然后再由壁挂炉加热到所需的热水温度，这种方式下，使用的太阳能储热热水能有效降低壁挂炉的燃气消耗量。

见图22
图22 太阳能中央储水，壁挂炉独立供应热水的系统
六、热水及供暖结合使用的系统调节方式
在使用太阳能作为热源的热水和采暖系统中，应该尽量降低辅助加热，这样才能更多地利用太阳能进行储热。

在这种情况下，不仅需要对采暖的围护结构进行良好的保温，同时在采暖方式上也应选择低温供暖的系统，如辐射地板采暖系统。

6.1 子母箱的供暖及生活热水调节方式
子母箱的大水箱用于采暖，内置小水箱用于生活热水。

大水箱上配置的温控器在水箱温度低于设定温度时启动壁挂炉加热水箱。

在大水箱的温度得到保证的同时，用于生活热水的小水箱也同步得到加热。

这种方式适合于中小型的系统。

见图23
图23 子母箱的供暖及生活热水调节方式
6.2 双储热水箱及分流阀结合使用方式
这种解决方案里的两个储热水箱形式为：第一个储热水箱内有两个盘管，底部的盘管是太阳能集热系统换热盘管，顶部的换热盘管为地板采暖热量补充盘
管；第二个储热水箱为锅炉热源加热水箱，内置的换热盘管与锅炉热源连接，在其温度低于温控器设定温度时启动循环泵换热。

两个水箱均提供生活热水：从第一个水箱出来的水进入第二个水箱，这样能完全地利用太阳能的储存热量。

地板辐射采暖系统由锅炉热源提供，通过气候补偿器控制供水温度；这个系统最大的特点是利用太阳能储热提高供暖回水温度，从而提高锅炉热效率的方式：当感温器1的温度超过感温器2时，即储热水箱的温度超过采暖回水温度时，调节器给分流阀开启信号，使地板采暖回水从盘管中换来热量在再回到锅炉，有效地提高锅炉回水温度。

见图24
图24 双储热水箱及分流阀结合使用方式
6.3 冷凝式锅炉及双储热水箱结合的调节方式
图24的解决方案存在以下一个隐患：当热负荷很大的时候，如寒冷的阴天，热水用水量大，供暖开启初期等，这时候回水温度有可能会低于烟道冷凝温度造成传统锅炉冷凝，减低锅炉使用寿命。

使用冷凝式锅炉就能够有效解决这个问题，越是低的回水温度锅炉的热效率越高。

见图25
图25 冷凝式锅炉及双储热水箱结合的调节方式
七、系统的设计、计算
7.1 太阳能集热系统的设计
在设计太阳能集热系统时需要考虑以下几个因素:
¾集热板的面积
¾集热系统的功率
¾集热系统的温差
¾储热水箱的容积
集热板面积的设计
集热板面积的选择取决于多种因素, 而有些因素很难界定,比如说集热板的有效功率,调节系统的性能, 系统实际使用的特征等等. 所以我们根据经验提供出以下一些平均值以供参考:
集热板面积与用水量对比: 按热水温度40摄氏度, 光面式集热板为设计标准,
如果是真空管式集热板, 面积可以相应缩小20%.
区域 集热板面积 热水用水量
意大利北部 1.2平方米 50升/每天
意大利中部 1.0平方米 50升/每天
意大利南部 0.8平方米 50升/每天
集热板面积与供暖面积对比: 按低温辐射供暖且房屋保温效果良好、 光面式集热板为设计标准, 如果是真空管式集热板, 面积可以相应缩小20%.
区域 集热板面积 供暖面积
意大利北部 0.7-0.9平方米 10平方米
意大利中部 0.6-0.75平方米 10平方米
意大利南部 0.50-0.65平方米 10平方米
露天泳池 0.40-0.60平方米 1平方米
室内泳池 0.30-0.40平方米 1平方米
集热系统的功率Q
指每一平方米的集热板在最强的日照下能给予循环系统的热量.这个数据利于选择循环系统的水泵及换热盘管的面积. 集热系统的功率与很多因素有关, 诸如: 所在区域的日照、集热板的构造方式、集热板安装的方向和倾斜度、室外温度、系统的运行情况等。

总的说来，光面式集热板的平均功率大致为：
Q=400千卡/每小时/每平方米
集热系统的温差
指集热系统供水和回水的温度差，就如前面所述，这个温差值用于决定集热循环系统需要选择的水泵大小。

根据太阳能集热系统的特征，温差值一般都选择为 10℃
储热水箱的容积
容积的选择可遵循以下公式：
V=（50-60）X S
V= 储热水箱容积 立方米
S= 集热板面积 平方米
7.2 太阳能集热板的连接方式及其流量平衡
在多个集热板进行连接的时候，需要保证流量平衡及低压损：压力损失低有助于水泵的节能。

串联式连接的集
热板流量是均衡的，
但是在串联超过4-5
个集热板时，其压力
损失升高，从图26
可以看出，单个集热
板流量80升/每小时
压损为20毫米水柱，
而在5个集热板串联
时流量为400升/每
小时， 而压损却达到
了2500毫米水柱（以
集热板面积2平方
米、 单个流量， 单
个压损20毫米水柱
为实验条件）。

图26太阳能集热板的连接方式
每组串联起来的集热板又可以通过同程系统，或者用手动/自动流量平衡阀来平衡每组流量，见图27：
图27 太阳能集热板的流量平衡
7.3 换热盘管的设计
换热盘管分为内置式的和外置式两种：
内置换热盘管的设计可以根据换热盘管面积等于集热板面积的35-40%的原则计算。

外置换热盘管或板式换热器的设计则需要制造厂家的技术规格或计算软件进行计算，不能通过简单的比例估算。

7.4 膨胀罐的选型
在集热循环系统内，为了避免液体加热膨胀从安全阀泄漏及防止汽化，膨胀罐是必不可少的元件，其容积的选择遵循以下公式：
公式1
Vu=(Vc x e + Vp) x k
Vu= 膨胀罐有效容积 升
Vc= 集热循环系统液体量 升
e= 液体膨胀系数：水0.045; 水/乙二醇溶液0.07
Vp= 集热板液体量 升
k= 安全系数： 通常取1.1
公式2
Vn=Vu x (Pf + 1) / (Pf - Pi)
Vn= 膨胀罐额定容积 升
Vu= 膨胀罐有效容积 升
Pi= 起始压力，又称为预充压力 巴
Pf= 最高压力，巴。

建议为安全阀开启压力—0.5巴
7.5 太阳能系统元件
9温差型调节器：用于设定集热系统供回水温差值，根据温度传感器反馈的信号指示执行机构如水泵、阀门的开闭。

见图28
9一次循环系统组件：这套组件包含：循环泵、供回水温度表、压力表、流量计、流量调节阀、注水/泄水阀、膨胀罐及连接软管、安全阀。

循环组件是整个集热系统的核心。

见图29
9高温排气阀：安装在集热系统顶端，用于排除集热系统中存在的空气，它需要具备耐高温的特征。

见图30
图 28 温差型调节器图29 一次循环系统组件
9三通分流阀：其作用在前面的图示里已经谈到，它用于太阳能和锅炉热源的切换。

见图31
图30 太阳能自动排气阀图31 三通分流阀
9恒温混合阀：用于生活热水系统，保证储
水箱内的高温水经过阀门与冷水恒温混
合后输送到用户端，避免造成烫伤以及保
证了热水的恒温舒适性。

见图32
图32 太阳能恒温混合阀
八、总结
尽管太阳能的重要性得到了全世界广泛的认可，但真正有效可行的光热设备还是只占据能源供应的很小一部分，其主要原因为：
太阳能的热能利用技术，包括系统的设计及构造，还不是非常成熟，很多在使用中的太阳能热水器实际上没有完全利用到太阳能，而是在利用电作为辅助加热，甚至不必要地造成反向加热。

承压式、分体式太阳能热水系统， 尤其是与锅炉热源一体式的系统，其初次投资较大。

如果没有政府相应的鼓励政策，很难得到用户的认可。

节能意识：随着经济水平的不断提高，才能使人们的节能环保意识得到提高。

但是我们确信，随着本行业技术的不断发展，各国政府对于使用新能源的政策鼓励，老百姓节能意识的提高，太阳能的利用会越来越广泛。

参考文献：CALEFFI IDRAULICA 29 — GLI IMPIANTI A PANNELLI SOLARI—MARIO DONINELLI。