1.1 太陽能熱水系統組成

太陽能熱水系統的形式多種多樣，系統組成也千差萬別。典型的太陽能熱水系統構成主要包括：太陽能集熱系統，貯熱系統，輔助加熱系統，末端熱水系統，管道、水泵及附屬配件系統，自動控制系統等。

圖1-1是太陽能熱水系統組成示意圖，本圖基本反映了太陽能熱水系統的結構組成和各組成部分之間的相互關系。

太陽能集熱系統的主要作用是把太陽輻射能轉變成熱能，一般由集熱器陣列、集熱器支架、集熱器與集熱器之間的連接等組成。

貯熱系統的主要作用是把太陽能集熱系統從太陽輻射中獲得的熱能儲存起來，以備需要時使用。在太陽能熱水系統中，通常情況是采用貯熱水箱儲存熱水的方式來實現熱能儲存的。它一般由貯熱水箱、支架等部分組成。

輔助加熱系統的主要作用是彌補太陽能產熱水不足時的熱能補充，以保證熱水或熱能供應。它一般采用燃氣鍋爐、電鍋爐或蒸汽鍋爐、電加熱器、熱泵、熱力或蒸汽管道及其他供熱可靠的設備或裝置作為輔助加熱器。

末端熱水系統的主要作用是滿足終端用戶使用熱水或熱能的需求。末端熱水系統主要為熱水淋浴裝置，主要為雙管冷熱水淋浴系統或單管恒溫淋浴系統等。

管路、水泵及附屬配件系統的主要作用是建立熱能或熱水傳輸通路，把太陽能集熱系統和輔助加熱系統的熱能或熱水傳輸到貯熱系統，把貯熱系統的熱能或熱水輸送到末端熱水系統。它一般由熱水循環管路、循環泵、供水增壓泵、起調節或關斷作用的閥門、管道保溫等部分組成。

自動控制系統的主要作用是通過對太陽能熱水系統運行狀態參數的監測和收集，自動控制水泵的啟停、輔助加熱的投入、管道閥門的調節關斷等。使系統按照事先設定的邏輯關系實現自動運行。監測的太陽能熱水系統運行狀態參數主要有溫度、水位、水壓，監測的參數通過信號傳輸系統、信號采集系統、數據顯示系統進行處理后發出指令，完成對太陽能熱水系統自動運行的控制動作。為保證太陽能熱水系統安全運行，自動控制系統還需配置應急手動開關按鈕，當自動控制系統失效后可立即起動手動開關按鈕控制太陽能熱水系統繼續運行或停止。為方便集中操作，還可對系統采取就地或遠程監控的方式。

1.1.1 太陽能集熱器

太陽能集熱器是太陽能熱水系統的核心部件。不同類型的太陽能集熱器都有各自的結構形式和性能特點。

目前常用的太陽能集熱器主要有平板集熱器和真空管集熱器。真空管集熱器又可分為全玻璃真空管集熱器、U形管集熱器、全玻璃真空管內插熱管集熱器、玻璃-金屬熱管集熱器、全玻璃熱管集熱器等。

1．平板集熱器

平板集熱器具有可靠、耐壓、低溫區熱效率高，易于與建筑一體化，壽命可達25年以上等優點。近年來，隨著人們對可靠性和與建筑一體化的重視，采用平板集熱器的工程越來越多，預計在未來多年，平板集熱器在我國的需求量仍將保持持續增長的趨勢。

平板集熱器不抗凍，在結冰地區使用，目前主要有兩種防凍做法：一種是采用防凍液作傳熱工質解決抗凍問題；另一種是采用直接加熱水但采取回流防凍方式解決防凍問題。

國家標準《平板型太陽能集熱器》（GB/T 6424—2007）規定：平板集熱器的瞬時效率截距應不低于0.72，總熱損系數應不大于6.0W/（m2·℃）。近幾年，平板集熱器在吸熱膜層、透光蓋板、保溫和密封技術方面的技術水平都有顯著提高，高性能平板集熱器的瞬時效率截距已達到0.80，總熱損系數已降低至4.5W/（m2·℃）以下。目前，國內正規廠家常規平板集熱器的瞬時效率截距一般在0.75以上，總熱損系數一般在5.5W/（m2·℃）以下。

平板集熱器的吸熱膜層基材主要有銅和鋁兩種，受成本影響，目前多選用鋁基材。吸熱膜層有陽極氧化、黑鎳、藍膜等多種，各種膜層的吸收率多在0.90～0.95之間，發射率在0.06～0.2之間。其中藍膜的發射率最低，性能最好，但價格也最貴。工質流道主要是銅管，排管外徑一般在8～10mm之間，集管外徑多為22mm。

平板集熱器示意圖如圖1-2所示。

2．真空管集熱器

真空管集熱器具有熱損低、中溫區熱效率高、冬季產熱水溫度高等優點。國家標準《真空管型太陽能集熱器》（GB/T 17581—2007）規定：無反射器的真空管集熱器的瞬時效率截距應不低于0.62，總熱損系數應不大于3.0W/（m2·℃）。

（1）全玻璃真空管集熱器 全玻璃真空管具有熱效率高、成本低，在結冰地區也可以直接采用水作為傳熱工質而不會結冰。它是目前我國應用量最大的太陽能集熱器。預計在今后一個時期內，仍將是應用量最大的集熱器品種。

普通全玻璃真空管集熱器一般只能承受5mH2O的壓力，且多存在炸管漏水問題，在進行集熱系統設計和安裝時應特別注意。

全玻璃真空管集熱器示意圖如圖1-3所示。

（2）U形管集熱器 U形管集熱器是在全玻璃真空管集熱器的每根真空管內放置了一個U形銅管流道，傳熱工質在U形銅管內流動，從而徹底解決了全玻璃真空管存在的炸管漏水問題。U形管集熱器最高可承受20MPa以上的試驗壓力。工作壓力一般控制在0.6MPa以下。

U形管集熱器成本較高，集熱器阻力大，容易出現局部過熱問題。設計時需加以注意。

U形管集熱器示意圖如圖1-4所示。

（3）全玻璃真空管內插熱管集熱器 全玻璃真空管內插熱管集熱器是在全玻璃真空管集熱器的每根真空管內放置了一個熱管，通過熱管把全玻璃真空管吸收太陽光后轉變的熱能傳到上部熱管冷凝端，再通過冷凝端傳給集熱器聯集箱內流道的傳熱工質，通過工質循環流動，再把熱能傳送到需要的地方。這種方式也解決了全玻璃真空管存在的炸管漏水問題。全玻璃真空管內插熱管集熱器也可以承受較高的工作壓力，但一般控制在0.6MPa以下。

全玻璃真空管內插熱管集熱器的熱管存在熱效逐年衰減問題。設計時和運營后需要考慮這部分熱效衰減后的補救措施，做好預留。

全玻璃真空管內插熱管集熱器示意圖如圖1-5所示。

（4）玻璃-金屬熱管集熱器 玻璃-金屬熱管集熱管內的太陽能吸熱片把吸收的太陽能轉變成熱能，并通過熱管傳到上部熱管冷凝端，再通過冷凝端傳給集熱器聯集箱內流道的傳熱工質，通過工質循環流動，再把熱能傳送到需要的地方。這種方式也不存在真空管炸管漏水問題。可以承受較大的工作壓力（一般在0.6MPa以下），因此系統可靠性較高。

玻璃-金屬熱管集熱器結構組成示意圖如圖1-6所示。

玻璃-金屬熱管集熱器的熱管冷凝端與集熱器集管換熱效果的好壞，受現場安裝因素影響很大。圖1-6a的連接方式阻力小，但傳熱效果差。圖1-6b的連接方式阻力大。熱管集熱管與聯集管拆卸困難，這種集熱器還存在造價較高的問題。

（5）全玻璃熱管集熱器 全玻璃熱管集熱器與其他兩種熱管集熱器相比，是把全玻璃熱管冷凝端直接插入并浸沒在集熱器聯集箱的工質（一般為水）中，把聯集箱內的水直接加熱。而其他種類的熱管集熱器的熱管冷凝端則需要通過一個銅套或者導熱鋁塊傳熱，才能把聯集箱內的工質加熱。因而全玻璃熱管集熱器冷凝端對聯集箱的傳熱效率高，聯集箱結構簡單，全玻璃熱管的成本也較其他熱管低。

全玻璃熱管集熱器示意圖如圖1-7所示。

全玻璃熱管集熱器可以解決全玻璃真空管集熱器炸管漏水等問題，且比全玻璃真空管集熱器增加成本有限，是其最大優點。

因為全玻璃熱管集熱器的玻璃熱管冷凝端較長，所以集熱器聯集箱內的工質內膽上下較寬，聯集箱耐壓性能最差，最容易受壓變形。因此，提高全玻璃熱管集熱器聯集箱的承壓能力，是當前全玻璃熱管集熱器急需解決的問題之一。

3．不同類型單臺太陽能熱水器特點

實際工程中，會時常遇到采用多臺太陽能熱水器串并聯的太陽能熱水系統工程。為此，在這里也順便介紹一下常用于多臺串并聯系統的單臺太陽能熱水器。

根據采用單臺太陽能熱水器串并聯的工程需要，可以把單臺太陽能熱水器分為普通開式太陽能熱水器、水箱內置換熱器的開式太陽能熱水器、水箱承壓太陽能熱水器、模塊化大容量太陽能熱水器等。

三種類型的單臺太陽能熱水器示意圖如圖1-8所示。

（1）普通開式太陽能熱水器 普通開式太陽能熱水器是指太陽能熱水器的貯熱水箱與大氣相通，必須按照開式不承壓系統進行安裝使用的太陽能熱水器。使用時，多將太陽能熱水器放置在高處，利用貯熱水箱與末端熱水點高差產生的壓力，作為淋浴裝置熱水壓力來源。因此，這種系統形式的熱水壓力取決于太陽能熱水器安裝位置與末端熱水點的高差。高差不同，熱水壓力也不同。當太陽能熱水器安裝位置低于末端熱水點時，需要通過增壓泵解決向高處供熱水的問題。目前這種太陽能熱水器以全玻璃真空管太陽能熱水器居多。

普通開式太陽能熱水器成本低，經濟實惠，但當使用熱水后，需要及時向貯熱水箱補充自來水，且熱水壓力偏低，與自來水的壓差大，冷熱水混合時不易調溫。開式貯熱水箱內的熱水與大氣相通。理論上講，水質存在被污染的可能。

（2）水箱承壓太陽能熱水器 水箱承壓太陽能熱水器是指太陽能熱水器貯熱水箱是閉式承壓水箱，貯熱水箱內的水不與大氣相通，處于封閉狀態。自來水壓力不被釋放，直接傳遞到熱水系統內。熱水壓力依靠自來水壓力將熱水輸送到各末端熱水點。

由于水箱封閉承壓，系統壓力不被釋放，不會像與大氣相通的開式水箱泄壓后需要再重新增壓向高處供熱水，因此可以達到最大程度的節能效果。承壓水箱內熱水與自來水等壓，冷熱水混合時調溫方便，每次用完熱水也不需要向水箱補充自來水。水箱內的熱水處于封閉狀態，水質不易被污染，安全性高，能更好地滿足生活飲用水規范對水質的要求。因此，隨著我國生活水平的提高，閉式承壓太陽能熱水系統將在今后得到越來越普遍的應用。

水箱承壓太陽能熱水器需考慮承壓和水箱內的水受熱膨脹過熱等問題，因此系統成本較高。

（3）水箱內置換熱器的開式太陽能熱水器 水箱內置換熱器的開式太陽能熱水器是指在普通開式太陽能熱水器的貯熱水箱內設置換熱器，使用時，自來水沿浸泡在水箱內的換熱器通道流過，被快速加熱后直接輸送到各末端熱水點。這種形式水箱里的水僅僅作為貯熱工質。

這種太陽能熱水器巧妙地解決了普通開式太陽能熱水器存在的問題。熱水供應具有水箱承壓太陽能熱水器的熱水供應優點，且自來水流經水箱內換熱器后，直接被加熱使用，因此熱水水質健康。這種太陽能熱水器的成本比水箱承壓太陽能熱水器低，比普通開式太陽能熱水器高，是一種綜合性能較好的太陽能熱水器。這種太陽能熱水器水箱內的水溫加熱區間比其他類型產品高20～30℃，因此，在同等條件下，效率稍低，且要處理好使用過程中水箱內換熱盤管通道結垢、泥沙堵塞等問題。

（4）模塊化大容量太陽能熱水器 圖1-9所示的幾種太陽能熱水器，是容量在500～2000L的模塊化大容量太陽能熱水器。這種類型的產品是近幾年涌現出的一種新產品。這種太陽能熱水器既有普通開式太陽能熱水器形式，也有水箱內置換熱器的開式太陽能熱水器形式。

這種太陽能熱水器既可以單臺獨立使用，也可以多臺并聯使用。與前幾種小容量單臺太陽能熱水器相比，這種產品采用多臺并聯組成太陽能熱水系統，可以顯著減少單臺太陽能熱水器的數量。成本更低，安裝更方便。

受大容量承壓水箱制作和運輸安裝等因素制約，目前這種太陽能熱水器尚沒有水箱承壓太陽能熱水器類型。

1.1.2 太陽能集熱器選型原則

通過上面對各種太陽能集熱器和單臺太陽能熱水器優缺點的分析可以看出，不同種類形式的太陽能集熱器和太陽能熱水器各有各的優點，也各有各的不足。太陽能集熱器和太陽能熱水器選型時應根據工程實際情況和用戶需求進行選擇。只有最符合實際需要的才是最好的。這是太陽能集熱器和太陽能熱水器選型的關鍵。

在實際應用中，由于設計者或者用戶對不同太陽能集熱器和太陽能熱水器的特點認識不足，導致太陽能集熱器和太陽能熱水器選擇不當的情況時有發生，所選擇的太陽能集熱器和太陽能熱水器的優勢不能充分發揮，人為造成了不少揚短避長的失敗案例，這些失敗的案例是很值得設計者汲取教訓和認真總結的。