太陽能熱水系統(tǒng)的分類和優(yōu)缺點對比
1.太陽熱水系統(tǒng)的分類
太陽能熱水系統(tǒng)由四部分組成：集熱部分、儲熱部分、用熱部分、控制和輔助部分，根據(jù)這四部分的不同組合和集熱系統(tǒng)的不同運行方式進(jìn)行分類。
1.1按太陽熱水系統(tǒng)的集熱系統(tǒng)與儲熱水箱換熱方式分類
可分為：直接式熱水系統(tǒng)（一次循環(huán)系統(tǒng)）和間接式熱水系統(tǒng)（二次循環(huán)系統(tǒng)）。直接式熱水系統(tǒng)是指在太陽能集熱器中直接加熱儲熱水箱中的水；間接式熱水系統(tǒng)是指在太陽能集熱器加熱某種傳熱工質(zhì)，再利用該傳熱工質(zhì)通過熱交換器加熱儲熱水箱中的水。
1.2根據(jù)太陽能集熱器與儲熱水箱間集熱循環(huán)方式分類
可分為：直流系統(tǒng)、自然循環(huán)系統(tǒng)和強制循環(huán)系統(tǒng)。
直流式系統(tǒng)傳熱工質(zhì)一次通過集熱器加熱后，便進(jìn)入儲水箱或用熱水處非循環(huán)太陽熱水系統(tǒng)，儲水箱的作用僅為儲存集熱器所排放的熱水。直流式系統(tǒng)一般可采用機械式控溫控閥或電控溫控器控制方式，直流式系統(tǒng)都是直接系統(tǒng)。
自然循環(huán)系統(tǒng)是指利用傳熱工質(zhì)內(nèi)部的溫度梯度產(chǎn)生的密度差所形成的自然對流進(jìn)行循環(huán)的太陽能熱水系統(tǒng)。在自然循環(huán)系統(tǒng)中，為了保證必要的熱虹吸壓頭，儲水箱應(yīng)高于太陽能集熱器上部，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單不需要附加動力，屬于直接式太陽能熱水系統(tǒng)。
強制循環(huán)系統(tǒng)是利用機械設(shè)備等外部動力迫使傳熱工質(zhì)通過太陽能集熱器進(jìn)行循環(huán)加熱的太陽能熱水系統(tǒng)，它可以是直接式系統(tǒng)也可以是間接式系統(tǒng)。
1.3按太陽能集熱器中工質(zhì)是否承壓(是否和大氣相通)分類
可分為：開式集熱太陽能熱水系統(tǒng)和閉式集熱太陽能熱水系統(tǒng)。
1.4按有無輔助熱源分類
可分為：有輔助熱源太陽能熱水系統(tǒng)和無輔助熱源太陽能熱水系統(tǒng)。
有輔助熱源太陽能熱水系統(tǒng)是指太陽能和其他水加熱設(shè)備聯(lián)合使用提供熱水，在沒有太陽能時，僅依靠系統(tǒng)配備的其他能源的水加熱設(shè)備也能提供建筑物所需熱水的系統(tǒng)。隨著人們生活水平的提高，人們對生活熱水的供應(yīng)質(zhì)量要求越來越高，輔助熱源已經(jīng)是太陽能熱水必不可少的部分；無輔助熱源太陽能熱水系統(tǒng)是指僅依靠太陽能來提供熱水的系統(tǒng)。
1.5根據(jù)熱水使用情況分類
可分為：間歇供熱水太陽能熱水系統(tǒng)和連續(xù)供熱水太陽能熱水系統(tǒng)。
間歇供熱水太陽能熱水系統(tǒng)主要供應(yīng)那些定時用熱水的單位，例如部隊、學(xué)校、工廠等；連續(xù)供熱水太陽能熱水系統(tǒng)指那些24小時連續(xù)使用熱水的系統(tǒng)，例如醫(yī)院、賓館、酒店、生產(chǎn)線等。
2 各種強制循環(huán)熱水系統(tǒng)的組成與特點
2.1開式集熱器和開式水箱組成的直接熱水系統(tǒng)
圖1和圖2是開式集熱器和開式水箱強制循環(huán)直接熱水系統(tǒng)工作原理圖，它們的集熱器和水箱都是和大氣連通非承壓的，集熱器中流過的工質(zhì)是儲熱水箱中的熱水，可以直接用做生活熱水。兩者的區(qū)別是圖1所示系統(tǒng)中的輔助能源是通過內(nèi)置在太陽能儲熱水箱內(nèi)的盤管換熱器來給水箱中的水加熱，這樣可以提高輔助加熱裝置的壽命（輔助加熱裝置中的水可以是經(jīng)過軟化的水），圖2所示系統(tǒng)是輔助能源直接給儲熱水箱中的水加熱。
2.2開式集熱器和開式水箱組成的間接熱水系統(tǒng)
圖3和圖4是開式集熱器和開式水箱強制循環(huán)間接熱水系統(tǒng)，它們的集熱器和水箱是和大氣連通非承壓的，集熱器中流過的工質(zhì)可以是經(jīng)過軟化的軟化水，通過補水箱保證集熱器的水是滿水狀態(tài)，集熱器的水被太陽加熱后通過循環(huán)泵強制循環(huán)后經(jīng)過預(yù)置在水箱中的換熱器把水箱中的水加熱，換熱器也可以是外置式的，見圖5，圖6是圖5的改進(jìn)形式，輔助能源也可以通過板式換熱器對水箱進(jìn)行加熱。
圖3和圖4所示系統(tǒng)兩者的區(qū)別是圖3所示系統(tǒng)中的輔助能源是通過內(nèi)置在水箱內(nèi)的盤管換熱器來給水箱中的水加熱，圖4所示系統(tǒng)是輔助能源直接給儲熱水箱中的水加熱。而圖6所示系統(tǒng)是采用板換給水箱間接加熱。
2.3閉式集熱器和閉式水箱組成的直接熱水系統(tǒng)
圖7和圖8是閉式集熱器和閉式水箱強制循環(huán)直接熱水系統(tǒng)，它們的集熱器和水箱都不和大氣連通是承壓的，集熱器中流過的工質(zhì)就是儲熱水箱中的水，儲熱水箱既用來儲熱也作為系統(tǒng)的膨脹水箱，當(dāng)水溫升高，水的密度變小，體積膨脹時儲熱水箱間接起到膨脹水箱的作用。兩者的區(qū)別是圖7所示系統(tǒng)中的輔助能源是通過內(nèi)置在水箱內(nèi)的盤管換熱器來給水箱中的水加熱，圖8所示系統(tǒng)是輔助能源直接給儲熱水箱中的水加熱。
2.4閉式集熱器和閉式水箱組成的間接熱水系統(tǒng)
圖9和圖10是閉式集熱器和閉式水箱強制循環(huán)間接熱水系統(tǒng)，它們的集熱器和水箱都不和大氣連通是承壓的，太陽能集熱器中流過的工質(zhì)可以是經(jīng)過軟化的軟化水，也可以是低冰點高沸點的其他工質(zhì)。太陽能集熱器中的工質(zhì)被太陽加熱后通過循環(huán)泵強制循環(huán)后經(jīng)過預(yù)置在水箱中的換熱器把水箱中的水加熱，換熱器也可以是外置式的，見圖11。兩者的區(qū)別是圖9所示系統(tǒng)中的輔助能源是通過內(nèi)置在水箱內(nèi)的盤管換熱器來給水箱中的水加熱，圖10所示系統(tǒng)是輔助能源直接給儲熱水箱中的水加熱。
2.5閉式集熱器和開式水箱組成的間接熱水系統(tǒng)
閉式集熱器和閉式水箱組成的間接熱水系統(tǒng)的水箱系統(tǒng)造價比較高，為降低系統(tǒng)造價我們可以利用閉式集熱器和開式水箱組成間接式熱水系統(tǒng)。圖12和圖13是系統(tǒng)原理圖。
圖12和圖13的所示系統(tǒng)是圖9和圖10所示系統(tǒng)的改進(jìn)，它們的集熱部分和換熱部分的工作原理完全相同，只是水箱不同，圖9和圖10所示系統(tǒng)的水箱是承壓閉式系統(tǒng)，圖12和圖13所示系統(tǒng)的水箱是非承壓開式系統(tǒng)。
從以上強制循環(huán)熱水系統(tǒng)的組成形式我們可以看出，不同形式的集熱器系統(tǒng)（開式系統(tǒng)或閉式系統(tǒng)）、不同的儲熱水箱(開式非承壓水箱和閉式承壓水箱、單盤管水箱、雙盤管水箱)都可以組成不同的熱水系統(tǒng)，一切要根據(jù)實際出發(fā)，只要能滿足系統(tǒng)使用要求，最簡單的配置才是最好的系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)造價低廉而且安裝及系統(tǒng)維護(hù)都方便。
3三種不同傳熱工質(zhì)流動方式太陽能熱水系統(tǒng)的比較
3.1直流式系統(tǒng)
直流式系統(tǒng)運行原理如圖14所示，其結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)運行簡單可靠，如果我們能控制好系統(tǒng)流量，就可以保證流進(jìn)水箱的是滿足使用溫度要求的熱水。這種系統(tǒng)安全可靠，造價低廉，節(jié)約運行費用，而且儲熱水箱內(nèi)始終有滿足使用要求的熱水，這種系統(tǒng)稱為定溫放水系統(tǒng)。
3.2自然循環(huán)型太陽能熱水系統(tǒng)
自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)一般可分為兩種類型：純粹自然循環(huán)式和自然循環(huán)定溫放水形式，圖15所示是純粹自然循環(huán)式，圖16所示是自然循環(huán)定溫放水式。自然循環(huán)加定溫放水式是自然循環(huán)式熱水系統(tǒng)的改進(jìn)，它把自然循環(huán)系統(tǒng)的儲熱水箱分成兩個水箱，用來集熱循環(huán)的水箱體積較小，比較容易加熱，待該小水箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度時再放到大水箱中，它的大水箱中一直是熱水。
3.3強制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)
強制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)運行原理圖如17所示，自來水加入到儲熱水箱中，當(dāng)集熱器頂部溫度比水箱內(nèi)水溫度高一定值時啟動循環(huán)泵把水箱內(nèi)的熱水循環(huán)到集熱器中把集熱器中的熱水循環(huán)進(jìn)水箱，如此往復(fù)就把水箱中的水加熱了，這種加熱方式也稱為溫差循環(huán)。
3.4三種太陽熱水系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較
三種系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較見表2，從表中比較我們可以看出應(yīng)盡量選用直流式（定溫放水）工作方式，盡量少采用或不用強制循環(huán)模式（溫差循環(huán)模式）。
3.5熱水系統(tǒng)改進(jìn)
為提高太陽能熱水系統(tǒng)的可靠性，保證24小時有滿足使用溫度要求的太陽能熱水供應(yīng)，上述三種模式都不能滿足使用要求，要對他們進(jìn)行改進(jìn)，圖18是改進(jìn)后的太陽能熱水系統(tǒng)運行原理。該系統(tǒng)包括定溫放水（直流式系統(tǒng)）和溫差循環(huán)（強制循環(huán)）兩種工作方式，還包括輔助能源系統(tǒng)。
其工作原理是：
（1）當(dāng)光照充足而水箱內(nèi)尚未儲滿熱水時，系統(tǒng)為定溫出水運行，當(dāng)集熱器出口溫度T2（溫度傳感器2）達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)打開電磁閥E1，自來水進(jìn)入管路，把高溫水頂入水箱，當(dāng)出口溫度T2低于設(shè)定溫度時，控制系統(tǒng)關(guān)閉電磁閥E1，太陽能集熱器吸收太陽熱量儲存于集熱器內(nèi)水中，使水溫繼續(xù)升高；如此往復(fù)循環(huán)。
（2）當(dāng)水箱內(nèi)水位達(dá)到設(shè)定位置時（水箱已滿）或水箱內(nèi)水溫低于使用溫度T3時，這是系統(tǒng)處于溫差循環(huán)工作模式，當(dāng)集熱器內(nèi)水溫不水箱中水溫高一定值時控制系統(tǒng)打開循環(huán)泵P1，儲熱水箱內(nèi)水和集熱器中水行進(jìn)溫差循環(huán)，當(dāng)水箱內(nèi)水溫和集熱器水溫接近時停止循環(huán)泵P1。
（3）冬天集熱器和管道內(nèi)水溫度T2降低到一定值時，系統(tǒng)會打開水泵P1將水箱里的熱水循環(huán)進(jìn)太陽能集熱器和循環(huán)管道對系統(tǒng)進(jìn)行防凍保護(hù)。
（4）在用水過程中系統(tǒng)通過熱水管道和管道泵P3，把熱水通過管網(wǎng)送到用戶的各個用水點，如P3為變頻控制可以實現(xiàn)恒壓供水。打開電磁閥E3,可實現(xiàn)管道的定溫循環(huán)。
（5）當(dāng)供熱水系統(tǒng)為恒壓供水時，可以很容易實現(xiàn)熱水管路管路循環(huán)功能，當(dāng)供熱水管路末端溫度T4低于設(shè)定值時打開電磁閥E3，管路壓力降低，循環(huán)泵自動啟動從而實現(xiàn)熱水管路的的定溫循環(huán)。
（6）陰雨天氣太陽能不能滿足熱水供應(yīng)時輔助能源系統(tǒng)可以實現(xiàn)對太陽能熱水系統(tǒng)的加熱，保證有熱水供應(yīng)。
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