太阳能串联

-1-1第一章热量传递热量传递有三种基本方式：导热、对流和辐射。1导热导热（又称热传导）是指热量从物体中温度较高的部分传递到温度较低部分，或者从温度较高的物体传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程。在导热过程中，物体各部分之间不发生相对的位移。导热过程在固体、液体和气体中均可以发生。在导热过程中，热量从物体的高温端传导到低温端。单位时间内通过单位横断面积的热量叫做“热流密度”，用q表示，单位是瓦/米2。热流密度的大小与导热两端的温度差成正比，与热量经过的路程长短（两端间的距离，也就是物体的厚度）成反比，即q＝λΔt/δ式中Δt－高温端温度t1与低温端温度t2之差，即Δt＝t1－t2，℃δ－物体厚度，米λ－比例系数，与物体材料的性质有关，称为导热系数（或导热率），瓦/（米·℃）2对流对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅能在流体（气体、液体）中发生，而且必然伴随有导热现象。液体的运动可以靠风机、水泵等机具驱动，也可以是由于流体各部分冷热不同、密度不同所引起。前一种情况叫做强制流动；后一种情况称为自然对流，流体中温度高的部分密度小，温度低的部分密度大，轻者上浮、重者下沉，就发生流体内各部分的相对位移。如果上浮的高温部分收到冷却，就会下降；而若下沉的低温部分得到加热，则要上升。这样就会持续地发生循环流动，也就是自然对流。工程技术上大量遇到的是流体流过另一物体（通常是固体）的表面时发生的两者之间热量传递过程，称为“对流换热”过程。对流换热是流体的对流与导热联合作用的结果。对流换热时，单位时间内单位面积（固体表面积）传递的热量q（即热流密度）与温差成正比：q＝μdΔt＝Δt/Rd-2-2式中Δt－换热的温差，即流体温度与固体表面温度之差，℃；μd－比例系数，即对流换热系数，瓦/（米2·℃）；Rd－对流换热的热阻，米2·℃/瓦，它是对流换热系数的倒数。单位时间内的对流换热量为Q＝Fq＝FΔt/Rd＝FμdΔt式中F－换热表面的面积，米23辐射物体通过电磁波来传递热量的过程称为辐射。辐射能可以在真空中传播，而导热和对流则只能在存在着气体、液体或固体介质时才能进行。自然界中所有物体都在不停地向四周发出热辐射能，同时又不断地吸收着其他物体发出的热辐射能。辐射与吸收的综合结果是以辐射方式实现了物体之间的热量转移，即发生了“辐射换热”。当物体与周围环境处于热平衡时，辐射换热量为零，但辐射与吸收过程仍在不停地进行，只是辐射量与吸收量相抵消而已。进行辐射换热时，不仅发生热量传递，而且伴随着能量形式的转换，即热能转换成辐射能发出去和吸收到的辐射能转换成热能。-3-3第二章太阳热水系统概述太阳热水系统是利用太阳辐射能加热水的装置，它由集热器、贮水箱、管道、控制设备四部分组成。作为利用太阳能的一个设备整体，也称为太阳热水装置。目前，在市场上广为销售的家用太阳热水器，同样由上述的集热器等四个部分组成。所以家用太阳热水器，实质上是一个最小的太阳热水系统，和采光面积几千平方米的大型太阳热水系统原则上是一样的。在本书中所提到的热水系统，不包括家用单台太阳能热水器。太阳热水系统按运行方式可分为三种：自然循环系统、直流式系统(储水箱只有热水)和主动循环系统（温差循环有泵）。太阳热水系统按有无换热器可分为：直接系统和间接系统。直接系统在集热器中直接加热供水，间接系统是利用换热器间接加热供水，间接系统同时也是主动循环系统。第一节自然循环式太阳热水系统自然循环系统是利用传热工质内部的温度梯度产生的密度差所形成的自然对流进行循环的热水系统。这种系统结构简单不需要附加动力，在自然循环中，为了保证必要的热虹吸压头，贮水箱应置于集热器上方，如图2－1所示。运行过程是水在集热器中受太阳辐射能加热，温度升高，加热后的水从集热器的上循环管进入贮水箱的上部，与此同时，贮水箱底部的冷水由下循环管流入集热器，经过-4-4一段时间后，水箱中的水形成明显的温度分层，上层水达到可使用温度。用热水时，由补给水箱向贮水箱底部补充冷水，将贮水箱上层热水顶出使用，其水位由补给水箱内的浮球阀控制。图2－1自然循环式热水系统这是国内最早采用的一种太阳热水系统。其优点是系统结构简单，运行安全可靠，不需要辅助能源，管理方便。其缺点是为了维持必要的热虹吸压头，并防止系统在夜间产生倒流现象，贮水箱必须置于集热器的上方。这正是我国目前大量推广应用的热水系统设计。大型太阳热水系统，不适宜采用这种自然循环方式。因为大型系统的贮水箱很大，要将贮水箱置于集热器上方，在建筑布置和荷重设计上都会带来很多问题。第二节直流式太阳热水系统直流式太阳热水系统是传热工质一次流过集热器加热后便进入储水箱或用水点的非循环热水系统，储水箱的作用仅为储存集热器所排出的热水，直流式系统有热虹吸型和定温放水型两种。热虹吸型：热虹吸型直流式太阳热水系统由集热器、贮水箱、补给水箱和连接管道组成，如图2－2所示。补给水箱的水位由箱中的浮球阀控制，使之与集热器出口（上升管）的最高位置一致。根据连通管的原理，在集热器无阳光照射时，集热器、上升管和下降管均充满水，但不流动。当集热器受到阳光照射后，其内部的水温升高，在系统中形成热虹吸压力，从而使热水由上升管流入储水箱，同时补给水箱的冷水则自动经下降管进入集热器。太阳辐射愈强，则所得的热水温度愈高，数量也愈多。早晨太阳升起一段时间以后，在储水箱中便开始收集到热水。这种虹吸型直流式太阳热水系统的流量具有自动调节功能，图2－2热虹吸型直流式热水系统图2－3定温放水型直流式热水系统-5-5但供水温度不能按用户要求自行调节。这种系统目前应用的较少。定温放水型：为了得到温度符合于用户要求的热水，通常采用定温放水型直流式太阳热水系统，如图2－3所示。该系统在集热器出口处安装测温元件，通过温度控制器，控制安装在集热器入口管道上的开度，达到根据温度调节水流量，使出口水温始终保持恒定。这种系统不用补给水箱，补给水管直接与自来水管连接。系统运行的可靠性，同样决定于电动阀和控制器的工作质量。直流式太阳热水系统具有很多优点：A由于系统的补冷水由自来水直接供给，自来水具有一定的压头，保证了系统的水循环动力，因此系统中不需设置水泵。B储水箱可以因地制宜地放在室内，既减轻了屋顶载荷，也有利于储水箱保温，减少热损失。C完全避免了热水与集热器入口冷水的掺混。D可以取消补给水箱。E系统管理得到大大简化。F阴天，只要有一段见晴的时刻，就可以得到一定量的适用热水。所以，直流式太阳热水系统特别适合于大型太阳热水装置，布置也较为灵活。缺点是要求性能可靠的电磁阀和控制器，从而使系统较为复杂。但由于它具有很多优点，在能够得到性能可靠的电磁阀的条件下，应是一种结构合理、值得推广的太阳热水系统。目前国内有一定的应用。第三节主动循环式太阳热水系统主动循环式太阳热水系统（又称强制循环太阳热水系统）是利用机械设备等外部动力迫使传热工质通过集热器或换热器进行循环的热水系统。图2－4表示主动循环式太阳热水系统。这种系统在集热器和贮水箱之间管路上设置水泵，作系统中的水循环动力。系统中设有控制装置，根据集热器出口与贮水箱之间的温差控制水泵运转。在水泵入口处，装止回阀，防止夜间系统中发生水倒流而引起热损失。主动循环式太阳热水系统使循环动力大大增加，有利于提高热效率，实现热水系统的多种功能及控制，是目前应用较广泛的一种热水系统形式。目前在大型太阳热水工程-6-6中，可以用普通太阳热水器串并联组成上述的各种系统，但更常用的是联集管集热器组成各种形式的热水系统。在后面的章节中将根据所用的集热装置的不同来分别叙述。图2－4主动循环式热水系统第三章系统设计第一节家用太阳热水器串并联系统3.1系统原理普通太阳热水器串并联系统，即通过普通家用太阳热水器串并联的组合加以控制器组成的系统。目前，皇明公司对这种热水系统应用的比较普遍，实践证明这种热水系统的运行可靠，故障率低，效果良好，值得推广。其典型的原理图如图3－1所示：太阳热水器太阳热水器TRJT1保温水箱J控制柜F1F1F2-7-7图3－1普通太阳热水器串并联系统系统运行过程如下：a第一次上水时，手动将浮球箱前的阀门F1打开，冷水进入浮球箱，然后进入太阳热水器中，由于太阳热水器和水位控制箱是连通的，故太阳能热水器水满之后，浮球箱中的浮球阀会自动关闭，停止进水；b当经过一天的阳光照射后，打开水箱前的阀门F2，太阳热水器中的热水会进入到工程保温水箱中，冷水再补充到太阳热水器中，这样第二天晚上即可以使用热水，阀门F2以后将永远打开，这样就形成良性循环。即晚上将保温水箱中的热水使用后太阳能热水器中的热水补充进水箱，冷水再补充进太阳能热水器，到了第二天晚上太阳能热水器中的冷水又成了热水，周而复始，实现了热水的供应；c工程水箱具有很好的保温效果，保证了热水长期存放而不致使热量散失很多，因而温度不会下降过多。同时工程水箱装有电加热装置，可以通过控制器来控制电加热的工作与停止，保证阴雨天也能供应热水，控制器还有显示水位、水温的功能，便于对热水情况进行了解。通过对以上典型系统的介绍可以看出，该太阳热水器串并联系统包含有自然循环系统和直流式系统，只不过该直流式系统不是温度控制型的，而是水量控制型的，即保证工程水箱的水常满，下面将对太阳热水器串并联系统应用型式作详细的介绍。3.2太阳热水器串并联系统常用型式太阳热水器串并联系统根据使用的具体情况的不同而有所不同：3.2.1简单小型串并联系统，如图3－2所示图3－2简易小型串并联系统原理图此种系统一般为3～5台太阳热水器串并联组成，通过水位控制箱控制上水，往往太阳热水器J控制仪-8-8可带有单独的工程水箱，最后一台热水器带有电加热装置，通过控制仪控制水温水位，并控制电加热。其控制上水也可以由控制仪和电磁阀通过设定水位来实现。这种系统一般应用于供水量少，热水使用不严格的场合。3.2.2一般太阳热水器串并联系统，如图3－1所示其详细组成及运行见图3－1的运行介绍，目前这种型式的太阳热水系统应用较普遍，故障率低，使用可靠。3.2.3具有多种功能的串并联太阳热水系统，如图3－3、图3－4所示。这种热水系统的集热部分与前两种相同，不同的是控制系统中增加了许多功能，其功能如下：（a）水温水位显示；（b）水位控制箱自动上水控制系统；（c）自动电加热；（d）出水断电；（e）出水增压（自由落水压不足时，可增加增压泵进行自动控制）；（f）辅助能源换热（可采用除电以外的油、气辅助能源等）；（g）管道定温循环或定时循环（保证一开即有热水）。图3－3定时太阳热水系统图3－4全日制太阳热水系统3.3串并联式太阳热水系统设计原则在进行串并联式太阳热水系统设计时，一般遵循下面的设计思路和原则：3.3.1调查用户基本情况（1）环境条件：包括月均日辐照量、地处纬度、日照时间、环境温度等。（2）用水条件：用水量（总用水量/天），用水方式（用水时间，用水次数），用水温太阳热水器太阳热水器JTT1恒温水箱RJTP1RHT2控制柜TRJT1太阳热水器太阳热水器P2保温水箱RHJ控制柜P1（DCF）-9-9度，用水位置（水位落差），用水流量。量（3）场地情况：场地面积、场地形状、建筑物承载能力，遮挡情况。（4）水电情况：水压、电压、供应情况、冷水水温。3.3.2确定系统的用水量及温度要求（见附页）一般家庭用水可根据《热水供应设计规范》，按淋浴用水每天每人次40升（40℃）、盆浴用水每人次100升（40℃）选择。对于其它用水场合如学校、宾馆、医院等集体用水，可根据用水频次、用水方式，参考相应的规范标准和用户共同确定。3.3.3确定热水器的规格及数量热水器台数＝每日用水量/热水器容量（1）设计热水系统时，应根据所选产品的型号、容量和热效率情况而适当的调整；（2）在能保证安装、摆放的前提下，优先选择大容量的热水器。3.3.4热水器的摆放和陈列（1）方向：集热器摆放面向正南或正南偏西5°；（2）集热器东西方向之间间隔一般为200mm，以便连接管路；（3）热水器通过串并联组成系统，考虑到水流阻力因素，串联的热水器一般不超过四台；（4）