1.1 太阳能热水系统组成

太阳能热水系统的形式多种多样，系统组成也千差万别。典型的太阳能热水系统构成主要包括：太阳能集热系统，贮热系统，辅助加热系统，末端热水系统，管道、水泵及附属配件系统，自动控制系统等。

图1-1是太阳能热水系统组成示意图，本图基本反映了太阳能热水系统的结构组成和各组成部分之间的相互关系。

太阳能集热系统的主要作用是把太阳辐射能转变成热能，一般由集热器阵列、集热器支架、集热器与集热器之间的连接等组成。

贮热系统的主要作用是把太阳能集热系统从太阳辐射中获得的热能储存起来，以备需要时使用。在太阳能热水系统中，通常情况是采用贮热水箱储存热水的方式来实现热能储存的。它一般由贮热水箱、支架等部分组成。

辅助加热系统的主要作用是弥补太阳能产热水不足时的热能补充，以保证热水或热能供应。它一般采用燃气锅炉、电锅炉或蒸汽锅炉、电加热器、热泵、热力或蒸汽管道及其他供热可靠的设备或装置作为辅助加热器。

末端热水系统的主要作用是满足终端用户使用热水或热能的需求。末端热水系统主要为热水淋浴装置，主要为双管冷热水淋浴系统或单管恒温淋浴系统等。

管路、水泵及附属配件系统的主要作用是建立热能或热水传输通路，把太阳能集热系统和辅助加热系统的热能或热水传输到贮热系统，把贮热系统的热能或热水输送到末端热水系统。它一般由热水循环管路、循环泵、供水增压泵、起调节或关断作用的阀门、管道保温等部分组成。

自动控制系统的主要作用是通过对太阳能热水系统运行状态参数的监测和收集，自动控制水泵的启停、辅助加热的投入、管道阀门的调节关断等。使系统按照事先设定的逻辑关系实现自动运行。监测的太阳能热水系统运行状态参数主要有温度、水位、水压，监测的参数通过信号传输系统、信号采集系统、数据显示系统进行处理后发出指令，完成对太阳能热水系统自动运行的控制动作。为保证太阳能热水系统安全运行，自动控制系统还需配置应急手动开关按钮，当自动控制系统失效后可立即起动手动开关按钮控制太阳能热水系统继续运行或停止。为方便集中操作，还可对系统采取就地或远程监控的方式。

1.1.1 太阳能集热器

太阳能集热器是太阳能热水系统的核心部件。不同类型的太阳能集热器都有各自的结构形式和性能特点。

目前常用的太阳能集热器主要有平板集热器和真空管集热器。真空管集热器又可分为全玻璃真空管集热器、U形管集热器、全玻璃真空管内插热管集热器、玻璃-金属热管集热器、全玻璃热管集热器等。

1．平板集热器

平板集热器具有可靠、耐压、低温区热效率高，易于与建筑一体化，寿命可达25年以上等优点。近年来，随着人们对可靠性和与建筑一体化的重视，采用平板集热器的工程越来越多，预计在未来多年，平板集热器在我国的需求量仍将保持持续增长的趋势。

平板集热器不抗冻，在结冰地区使用，目前主要有两种防冻做法：一种是采用防冻液作传热工质解决抗冻问题；另一种是采用直接加热水但采取回流防冻方式解决防冻问题。

国家标准《平板型太阳能集热器》（GB/T 6424—2007）规定：平板集热器的瞬时效率截距应不低于0.72，总热损系数应不大于6.0W/（m2·℃）。近几年，平板集热器在吸热膜层、透光盖板、保温和密封技术方面的技术水平都有显著提高，高性能平板集热器的瞬时效率截距已达到0.80，总热损系数已降低至4.5W/（m2·℃）以下。目前，国内正规厂家常规平板集热器的瞬时效率截距一般在0.75以上，总热损系数一般在5.5W/（m2·℃）以下。

平板集热器的吸热膜层基材主要有铜和铝两种，受成本影响，目前多选用铝基材。吸热膜层有阳极氧化、黑镍、蓝膜等多种，各种膜层的吸收率多在0.90～0.95之间，发射率在0.06～0.2之间。其中蓝膜的发射率最低，性能最好，但价格也最贵。工质流道主要是铜管，排管外径一般在8～10mm之间，集管外径多为22mm。

平板集热器示意图如图1-2所示。

2．真空管集热器

真空管集热器具有热损低、中温区热效率高、冬季产热水温度高等优点。国家标准《真空管型太阳能集热器》（GB/T 17581—2007）规定：无反射器的真空管集热器的瞬时效率截距应不低于0.62，总热损系数应不大于3.0W/（m2·℃）。

（1）全玻璃真空管集热器 全玻璃真空管具有热效率高、成本低，在结冰地区也可以直接采用水作为传热工质而不会结冰。它是目前我国应用量最大的太阳能集热器。预计在今后一个时期内，仍将是应用量最大的集热器品种。

普通全玻璃真空管集热器一般只能承受5mH2O的压力，且多存在炸管漏水问题，在进行集热系统设计和安装时应特别注意。

全玻璃真空管集热器示意图如图1-3所示。

（2）U形管集热器 U形管集热器是在全玻璃真空管集热器的每根真空管内放置了一个U形铜管流道，传热工质在U形铜管内流动，从而彻底解决了全玻璃真空管存在的炸管漏水问题。U形管集热器最高可承受20MPa以上的试验压力。工作压力一般控制在0.6MPa以下。

U形管集热器成本较高，集热器阻力大，容易出现局部过热问题。设计时需加以注意。

U形管集热器示意图如图1-4所示。

（3）全玻璃真空管内插热管集热器 全玻璃真空管内插热管集热器是在全玻璃真空管集热器的每根真空管内放置了一个热管，通过热管把全玻璃真空管吸收太阳光后转变的热能传到上部热管冷凝端，再通过冷凝端传给集热器联集箱内流道的传热工质，通过工质循环流动，再把热能传送到需要的地方。这种方式也解决了全玻璃真空管存在的炸管漏水问题。全玻璃真空管内插热管集热器也可以承受较高的工作压力，但一般控制在0.6MPa以下。

全玻璃真空管内插热管集热器的热管存在热效逐年衰减问题。设计时和运营后需要考虑这部分热效衰减后的补救措施，做好预留。

全玻璃真空管内插热管集热器示意图如图1-5所示。

（4）玻璃-金属热管集热器 玻璃-金属热管集热管内的太阳能吸热片把吸收的太阳能转变成热能，并通过热管传到上部热管冷凝端，再通过冷凝端传给集热器联集箱内流道的传热工质，通过工质循环流动，再把热能传送到需要的地方。这种方式也不存在真空管炸管漏水问题。可以承受较大的工作压力（一般在0.6MPa以下），因此系统可靠性较高。

玻璃-金属热管集热器结构组成示意图如图1-6所示。

玻璃-金属热管集热器的热管冷凝端与集热器集管换热效果的好坏，受现场安装因素影响很大。图1-6a的连接方式阻力小，但传热效果差。图1-6b的连接方式阻力大。热管集热管与联集管拆卸困难，这种集热器还存在造价较高的问题。

（5）全玻璃热管集热器 全玻璃热管集热器与其他两种热管集热器相比，是把全玻璃热管冷凝端直接插入并浸没在集热器联集箱的工质（一般为水）中，把联集箱内的水直接加热。而其他种类的热管集热器的热管冷凝端则需要通过一个铜套或者导热铝块传热，才能把联集箱内的工质加热。因而全玻璃热管集热器冷凝端对联集箱的传热效率高，联集箱结构简单，全玻璃热管的成本也较其他热管低。

全玻璃热管集热器示意图如图1-7所示。

全玻璃热管集热器可以解决全玻璃真空管集热器炸管漏水等问题，且比全玻璃真空管集热器增加成本有限，是其最大优点。

因为全玻璃热管集热器的玻璃热管冷凝端较长，所以集热器联集箱内的工质内胆上下较宽，联集箱耐压性能最差，最容易受压变形。因此，提高全玻璃热管集热器联集箱的承压能力，是当前全玻璃热管集热器急需解决的问题之一。

3．不同类型单台太阳能热水器特点

实际工程中，会时常遇到采用多台太阳能热水器串并联的太阳能热水系统工程。为此，在这里也顺便介绍一下常用于多台串并联系统的单台太阳能热水器。

根据采用单台太阳能热水器串并联的工程需要，可以把单台太阳能热水器分为普通开式太阳能热水器、水箱内置换热器的开式太阳能热水器、水箱承压太阳能热水器、模块化大容量太阳能热水器等。

三种类型的单台太阳能热水器示意图如图1-8所示。

（1）普通开式太阳能热水器 普通开式太阳能热水器是指太阳能热水器的贮热水箱与大气相通，必须按照开式不承压系统进行安装使用的太阳能热水器。使用时，多将太阳能热水器放置在高处，利用贮热水箱与末端热水点高差产生的压力，作为淋浴装置热水压力来源。因此，这种系统形式的热水压力取决于太阳能热水器安装位置与末端热水点的高差。高差不同，热水压力也不同。当太阳能热水器安装位置低于末端热水点时，需要通过增压泵解决向高处供热水的问题。目前这种太阳能热水器以全玻璃真空管太阳能热水器居多。

普通开式太阳能热水器成本低，经济实惠，但当使用热水后，需要及时向贮热水箱补充自来水，且热水压力偏低，与自来水的压差大，冷热水混合时不易调温。开式贮热水箱内的热水与大气相通。理论上讲，水质存在被污染的可能。

（2）水箱承压太阳能热水器 水箱承压太阳能热水器是指太阳能热水器贮热水箱是闭式承压水箱，贮热水箱内的水不与大气相通，处于封闭状态。自来水压力不被释放，直接传递到热水系统内。热水压力依靠自来水压力将热水输送到各末端热水点。

由于水箱封闭承压，系统压力不被释放，不会像与大气相通的开式水箱泄压后需要再重新增压向高处供热水，因此可以达到最大程度的节能效果。承压水箱内热水与自来水等压，冷热水混合时调温方便，每次用完热水也不需要向水箱补充自来水。水箱内的热水处于封闭状态，水质不易被污染，安全性高，能更好地满足生活饮用水规范对水质的要求。因此，随着我国生活水平的提高，闭式承压太阳能热水系统将在今后得到越来越普遍的应用。

水箱承压太阳能热水器需考虑承压和水箱内的水受热膨胀过热等问题，因此系统成本较高。

（3）水箱内置换热器的开式太阳能热水器 水箱内置换热器的开式太阳能热水器是指在普通开式太阳能热水器的贮热水箱内设置换热器，使用时，自来水沿浸泡在水箱内的换热器通道流过，被快速加热后直接输送到各末端热水点。这种形式水箱里的水仅仅作为贮热工质。

这种太阳能热水器巧妙地解决了普通开式太阳能热水器存在的问题。热水供应具有水箱承压太阳能热水器的热水供应优点，且自来水流经水箱内换热器后，直接被加热使用，因此热水水质健康。这种太阳能热水器的成本比水箱承压太阳能热水器低，比普通开式太阳能热水器高，是一种综合性能较好的太阳能热水器。这种太阳能热水器水箱内的水温加热区间比其他类型产品高20～30℃，因此，在同等条件下，效率稍低，且要处理好使用过程中水箱内换热盘管通道结垢、泥沙堵塞等问题。

（4）模块化大容量太阳能热水器 图1-9所示的几种太阳能热水器，是容量在500～2000L的模块化大容量太阳能热水器。这种类型的产品是近几年涌现出的一种新产品。这种太阳能热水器既有普通开式太阳能热水器形式，也有水箱内置换热器的开式太阳能热水器形式。

这种太阳能热水器既可以单台独立使用，也可以多台并联使用。与前几种小容量单台太阳能热水器相比，这种产品采用多台并联组成太阳能热水系统，可以显著减少单台太阳能热水器的数量。成本更低，安装更方便。

受大容量承压水箱制作和运输安装等因素制约，目前这种太阳能热水器尚没有水箱承压太阳能热水器类型。

1.1.2 太阳能集热器选型原则

通过上面对各种太阳能集热器和单台太阳能热水器优缺点的分析可以看出，不同种类形式的太阳能集热器和太阳能热水器各有各的优点，也各有各的不足。太阳能集热器和太阳能热水器选型时应根据工程实际情况和用户需求进行选择。只有最符合实际需要的才是最好的。这是太阳能集热器和太阳能热水器选型的关键。

在实际应用中，由于设计者或者用户对不同太阳能集热器和太阳能热水器的特点认识不足，导致太阳能集热器和太阳能热水器选择不当的情况时有发生，所选择的太阳能集热器和太阳能热水器的优势不能充分发挥，人为造成了不少扬短避长的失败案例，这些失败的案例是很值得设计者汲取教训和认真总结的。