分体式真空管太阳能热水系统设计.docx

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分体式真空管太阳能热水系统设计

1设计背景意义

随着社会不断发展，能源使用带来的环境问题及其诱因逐渐为人所认识，如何很好的节约和利用能源，特别是可持续能源，已经成为一个重要的环保课题。

当今，世界都在宣传低碳环保的思想。

人们开始大力发展太阳能产业。

太阳能具有：

（1）储量的“无限性”。

（2）太阳能对于地球上的绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。

（3）开发利用时几乎不产生任何污染。

家用太阳能热水器就是一个节约能源，绿色环保经济。

所以研究智能化家庭住宅里的能源如何被更有效地节约和利用，也有着十分现实和长远的意义。

本设计旨在利用能源知识设计出家庭实用型的热水系统，实现以下目的与功用。

环保效益——相对于使用化石燃料制造热水，能减少二氧化碳的产生。

节省能源——太阳能是属于每个人的能源，只要有场地与设备，任何人

都可免费使用它。

安全——不像使用瓦斯有爆炸或中毒的危险，或使用燃料油锅炉有爆炸的顾虑，或使用电力会有漏电的可能。

不占空间——不需专人操作自动运转。

另外，太阳能热水器装在屋顶上，不会占用任何室内空间。

具经济效益——正常的太阳能热水器是不易损坏，基本热源为免费的

太阳能，所以使用它十分符合经济成本效益。

2.发展历史、现状及前景

2.1太阳能热水器发展史

（1）闷晒式太阳能热水器

20世纪70-80年代，居民多用闷晒式热水器。

由于存在效率低，散热快，储水量少，冬季无法使用等缺点。

（2）平板式太阳能热水器

20世纪80—90年代，逐步发展了真空管型太阳能热水器，并逐渐成为市场主导产品。

（3）热管真空管式。

2000年后，太阳能行业进入高速发展时期。

我国发展的新一代热管真空管式太阳能热水器，导热快，热效力高，特殊实用于阳光不足或天天日照时光短的地域。

2000年，分体式太阳能热水器逐渐开始面世，太阳能与建筑一体化也成为了行业的热点；通过技术上的开发研究，太阳能热水器

功能日趋完善，整机实现自动防冻、自动上水、电辅助加热、水温水位显示、安全自检等全套功能，引领太阳能热水器全面进入数字化时代。

2.2国内外发展现状。

太阳能热水器的利用，以其易于实现而在世界各地得到迅速发展，应用规模越来越大。

在欧洲，过去10年来太阳能热水器的增长率一直保持在18%左右，预计未来十年增长率会达到23%。

中国的太阳能热水器市场发展很快，总的保有量和年生产能力世界第一。

中国主要是以真空管直插式的简易产品为主，工程也以非承压单循环为主。

而欧洲以平板式承压双循环为主，且多以生活热水和采暖相结合的复合系统，很少以单一热水供应为主，并且产业化水平已到了非常高的地步。

太阳能热水器作为可再生能源利用的重要组成部分，在中国市场的发展取得了长足的进步。

截止到2005 年底，我国太阳能热水器保有面积达

7500万m2，居世界第一；年生产量达1500万m2，总产值150亿元，已经形成了从全玻璃真空集热管、主机到配件的太阳能热水器产业链。

2.3住宅太阳能热水系统的发展方向

太阳能热水器产业发展至今，已经形成各种类型的较完整的产品体系为我国建筑中的太阳能应用的普及奠定了基础。

近年来，我国住宅建筑中太阳能热水器的应用发生了较大变化，太阳能热水器行业为热水进入普通家庭做出了很大的贡献。

（1）范围的变化：

从农村---城市，从小城市---大城市

太阳能热水器是从我国农村新能源的寻求和开发中发展起来的，随着太阳能热水器质量的提高和自身系统的完善，以及低碳生活的时代主题下，

太阳能热水将成为城市住宅热水供应的重要组成部分。

（2）用户的变化：

从零星住户---住宅小区

太阳能热水器最初是在村镇住宅中使用，采用分散式供热水系统，一家一个热水器，逐渐发展到城市住宅中个别住户安装，再到多数住户自行安装。

（3）系统的变化：

从分户供应---集中供应

集中式相对于分散式有节约初投资、集成化高、热利用效率高的优势，外观处理也较容易。

（4）能源的变化：

从太阳能---太阳能辅助加热

太阳能热水系统的能源已经逐步从只利用太阳能，发展为与辅助热源组合供热水，为建筑提供稳定的热水供应。

（5）太阳能产品的变化:

开式系统 闭式系统

目前国内大部分使用的太阳能热水系统，都是开式系统，造价低廉，但水压问题和水质问题先天性不足，影响了用户的使用效果，更好的闭式承压新鲜水太阳能将会越来越多的被百姓认可。

3太阳能热水系统组成、形式

3.1太阳能热水系统组成

（1）太阳能集热器：

系统中的集热元件，其功能相当于电热水器中的电加

热管。

和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利 用的是太阳的辐射热量，

（2）保温水箱：

储存热水的容器。

通过保温水箱把集热器在白天产出的热水储存起来。

容积是每天晚上用热水量的总和。

（3）连接管路：

将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。

设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。

热水管道必须做保温处理。

管道必须有很高的质量，保证有20年以上的使用寿命。

（4）控制中心：

太阳能热水系统与普通太阳能热水器的区别就是控制中心。

作为一个系统，控制中心负责整个系统的监控、运行、调节等功能。

比较

高级的太阳能热水系统控制中心主要由电脑软件及变电箱、循环泵组成。

3.2太阳能热水形式分类

（1）从集热部分来分

真空玻璃管太阳能热水器：

目前吸热效率最高的集热部分，优点在于不需要在集热部分在增加保温层，而且现在的真空玻璃管无论在抗高温，抗打击和保温上，性能都是一流的，也被绝大部分太阳能热水器生产厂家所采用。

其缺点在于体积比较庞大，管中容易集结水垢。

金属平板太阳能热水器：

是在传热性能极佳的金属片上，覆盖上吸热涂层，利用金属的传热性，将吸收的热量传于水箱中。

其有点是外观美观，安装方便，可以做成平板，而且不容易损坏。

缺点在于：

保温要花很大的代价，成本高，间接的就是增加消费者负担。

U型管太阳能热水系统：

采用U型管集热器的太阳能热水系统

（2）从结构分

普通式太阳能热水器：

就是将真空玻璃管直接插入水箱中，利用加热水的循环，使得水箱中的水温升高，这是目前厂家都采用的。

也是一只流行到现在的最常规的热水器。

一般改类热水器只有顶层能用，除非顶层用户和你楼下的关系特铁，而且屋顶的面积是有限的。

分体式热水器：

分体式热水器是为了解决不是顶层用户也能使用太阳能热水器而诞生的。

分体式循环有2种，一种是靠水的自然循环，这种热

水器热交换效率很低，远远不能满足用水要求；另一种是靠泵循环热交换，这也是为了解决自然循环效率低的问题，使用泵循环，可以明显改善水的热交换。

（3）丛循环特性来分

无动力循环即热式太阳能热水系统

自然循环太阳能热水系统：

自然循环太阳能热水系统是依靠集热器和储水箱中的温差，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。

强制循环太阳能热水系统：

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。

强制循环系统可适用于大、中、小型各种规模的太阳能热水系统。

直流式太阳能热水系统：

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贮水箱中。

直流式系统主要适用于大型太阳能热水系统。

4内容（计算、图纸）

4.1用户基本情况

（1）环境条件

安装地点：

湖北一普通居民用户（4人）经纬度经度：

114.31纬度30.52

日均辐照量：

日照时间，环境温度如下表。

全国各地太阳能总辐射量与年平均日照当量

地区类别

地区

太阳能年辐射量

年日照时数

标准光照下年平均日照时间

（时）

MJ/m2·年

kWh/m2·年

湖北

4190-5016

1163-1393

1400-2200

3.1-3.8

（2）用水情况

日均用水量 家庭每人每日热水使用量平均约40L，4人共用160L

用水方式全年用水温度60℃

用水位置一楼和二楼室内，距楼顶楼顶安装集热器垂直距离约4m和

8米m

（3）场地情况

集热器放在楼顶房子长12m宽8m高10m

遮挡情况无遮挡

（4）水电情况

水压自来水压力水头20m

电压家庭用电220V —水、电供应情况稳定

4.2系统集热面积计算

将已知条件“用户设计热水用量160L，日平均辐射量13.66 MJ/m2，设计热水温度为60℃，初始水温6℃。

，太阳能保证率取0.5（系统要求全年使用）”等参数代入国家标准GB50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中直接循环系统计算公式

集热面积 为：

——直接系统集热器采光面积， ； ——日均用水量Kg；

——储水箱内水的终止温度（用水温度）；

——水的定压比热容， ；

——自来水的初始温度， ；

——集热器受热面上春分时节日辐照量，取

——太阳能保证率，无量纲；根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确 定，宜为30%～80%；取

——集热器全日集热效率，无量纲，根据经验取值宜为0.25～0.50，取

—管路及储水箱热损失率（按最寒冷季节取值），无量纲,取

4.3集热器类型选择

选用采用真空管型集热器.

集热器内的水受太阳能辐射能加热，温度升高，密度降低，加热后的水在集热器内逐步上升，从集热器的上循环管进入储水箱的上部；与此同时，

储水箱底部的冷水由下循环管流入集热器的底部。

密度差支持自然循环的高度。

真空管型集热器的吸热部件是真空管，具有以下特点：

真空集热管具有真空夹层，空气对流和传导几乎为0，保温性能非常好

（就象保温瓶一样），热损系数非常小，全玻璃真空管的热损系数都在以下，远小于平板集热器。

空晒温度达到200℃以上，部分达到

280℃左右。

真空集热管是圆柱形的管状，太阳从不同方向入射时其截面不变，因此具有准跟踪性能，即早晚阳光较偏时得热量也较高。

同时对各个角度的光线都有吸收，对散射光吸收也较 好，因此在散射光较多的多云天气和略阴的天气，效率也较高。

真空管接收光照示意图方案一全玻璃真空管集热器

太阳能集热效率高、成本低。

当太阳光透过外管，照射到内管外壁时，

镀有选择性涂层的内管外壁将太阳能转变成热能，并传给内管中的工质。

由于内、外管之间被抽成了真空，再加上选择性涂层对太阳光的高吸收率、低红外发射率，从而最大限度的减小了散热损失。

全玻璃真空管的空晒温度可以达到200℃ 以上，能轻松的将冷水烧开。

全玻璃真空管在中、高温区域具有较高的集热效率，同时在一18℃的温度下，仍能正常产生热水。

全玻璃真空管集热器有它的缺点：

真空管破碎后管内介质泄漏；真空管与联集管采用橡胶密封，不能承压运行。

方案二U型管式全玻璃真空管集热器

U形管全玻璃真空管集热器工作原理是：

在太阳光照射下，全玻璃真空管内管吸收太阳辐射能，内管内壁及内管内的空气被加热达到较高的温度，铝翼片将热能传递给U形铜管外壁，再传给U形铜管内的液体介质（一般为防冻液），通过联集管内液体介质的循环流动，将热能带走。

U形管集热器的优缺点如下：

优点：

1．真空管内不走水，不存在炸管泄漏问题；2．可以承压运行；3.可

以任意摆放。

缺点：

1．热效率显著下降；2．成本显著增加；3．系统阻力大，循环介质容易过热汽化。