摘要：阐述无动力太阳能热水系统的技术特点，介绍无动力太阳能热水系统在中美清洁能源研发中心4#楼的应用。

关键词：无动力循环太阳能热水系统 传统太阳能系统 无动力循环

前言：传统太阳能热水系统集热效率低、系统相对复杂、运行中节能差、投资成本高；集热器容易出现冻裂、爆管等现象；集热系统组件易损坏；管理和运行费用较高。以上问题影响了传统太阳能热水系统的正常使用。而无动力太阳能热水系统能较好地解决以上问题。

（一）传统太阳能热水系统的问题分析

1. 集热系统复杂、集热效率低

传统太阳能热水系统集热系统组件多，相应的控制增加难度。集热器采用串联和并联相结合，集热器串联方式热量收集逐级降低，第一组集热器换热效果最好，最后一组集热器换热效果最差。集热器并联方式部分集热器结垢或堵塞，通过流量较少，每组集热器流动阻力难以平衡，导致循环效果差。图1为某项目传统太阳能热水系统原理图。从图中可以看出，太阳能集热系统组件多，集热系统复杂。集热水箱容积大，增加了结构荷载。集热系统设置了热水循环泵，增加了能耗。系统控制复杂，增大运行管理难度。

图1 某项目传统太阳能集中热水系统原理图

2. 集热系统、供热系统能耗大

集热系统能耗主要体现在循环泵的运行，当集热循环管路较长时，热量损失也相应增大。供热系统能耗主要是不能充分利用冷水压力，设置了热水加压泵，造成了能耗加大。传统的集热器循环管道布置图如图2所示。图中可以看出，热水循环管路长，热量损失大。集热水温较高，管道内容易形成结垢。也会因水中的气体形成堵塞，减小了管道断面。热水循环时，部分集热器流量小或者没有流量。每组集热器之间的阻力不平衡，导致热水循环效果差。

图2 传统集热器集热循环管路示意图

3. 运行中易出现事故

玻璃真空管承压运行造成爆管；热管真空管真空度降低，集热效果变差；U型金属玻璃管由于气堵造成集热失效。图3为某工程玻璃真空管爆管损坏照片。

图3 全玻璃真空管爆管工程案例

4. 出现防冻、防过热问题

位于寒冷和严寒地区的太阳能系统防冻问题突出，为解决防冻问题会增大能耗，增加成本；传统太阳能热水系统没有好的防过热措施。图4为某工程太阳能集热器冻裂的事故。

图4 集热器冻坏造成的工程事故

5. 配件容易损坏，维护管理成本高

集热系统阀门及配件由于高温容易损坏；温度控制难以满足正常运行要求；维护管理要求高。

（二）无动力太阳能热水系统的优点

无动力太阳能热水系统是在一台设备内自然实现太阳能的收集、储存和热量的交换。集储热采用热传导方式代替传统的对流换热方式。系统运行过程中不需使用水泵驱动。屋面集热板收集的太阳辐射能量储存到热水箱中，通过管网冷水自带压力完成热水热量交换的太阳能热水系统。系统原理见图5。

图5 无动力循环太阳能热水系统原理

1. 系统的集热、储热和换热在一台设备内完成。设备占地面积小，储热水箱容积小，换热过程能耗小。系统简化，运行安全，性能可靠，不易结垢，土建、维护、运行费用均较低。

2. 热效率能达到60%，无动力太阳能热水系统和普通太阳能系统比较，节电效果明显。

（三）无动力太阳能热水系统的主要技术

1. 冷水靠管网自身压力流过不锈钢波纹管换热器20秒，快速将冷水变成热水，热媒水与热水的温差为2-5度。

2. 系统实行定量化控制，形成最优化的集成系统。

3. 不使用常规动力换热，系统的集热、换热和储热在一台设备内实现。

4. 储热水箱的热媒加热盘管换热器中的冷水，不需水泵加压，水质无污染，且冷热水压力接近。

5. 换热盘管在水箱内均匀布置，达到分层蓄能换热的效果，可获得更多的太阳能量。

6. 采用石蜡密封隔热技术，减少了热量损失。

7. 无动力太阳能热水系统的防过热措施

（1）高温过热不会对系统产生影响，不会产生气堵和气泡。

无动力水箱中，一次水最高温度为100℃，二次水经过换热过程会低于100℃。在市政压力下，不会气化，不会产生气堵和气泡。

（2）集热器之间留有膨胀间距。

无动力太阳能每个模块的储水箱之间都设有硅胶垫作为缓冲，当高温过热时，满足水箱内胆的膨胀间距，保证系统的正常运行。

（3）采用恒温混水阀保证系统恒温出水。

无动力太阳能采用专业的恒温混水阀来混合冷热水的进水比例，热水温度为设定温度，避免烫伤。

8. 无动力太阳能热水系统的防结垢措施

（1）真空管防结垢

无动力集中热水系统的太阳能真空管与水箱处于联通状态。真空管内管内壁、水箱内胆的内壁和盘管的外壁接触的都是一次水。系统不使用一次水，只起到储热的作用。仅会产生微量的水垢，对系统整体的运行效果不产生影响。

（2）管道防结垢

冷热水在盘管内快速流动，换热器产生扰动，水垢在盘管内壁上剥落。由于无动力太阳能波节除垢设计原理，热水在盘管中产生紊流，来回冲刷内部，则水垢不易附着在内部。在太阳能管路上安装硅丽晶也可减少水垢的产生。

（四）无动力集中热水系统的系统组件

1. 高效换热器

具有更高的换热效率。运行期间不会产生气堵和气泡现象。不会有结垢风险。

2. 太阳能排气阀

具有耐温性能，能适应高低极限温度。能够快速有效的排出液体中的气体，保证热水系统正常循环。

3. 水处理系统

采用硅丽晶起到阻垢和防腐的作用。硅丽晶在进口配方的基础上添加适应我国水质的部分成分，保证用户水质。

4. 远程监控系统

远程控制系统实现对太阳能集热、储热及供热的控制和切换。包括手动控制和自动控制。安全保护控制包括防过热、防冻等。

5. 集热器探头

采用加长盲管，将探头深入水箱内部，探测温度准确。

6. 流量计

流量计采用高精度、测量范围宽、重复性能好的产品。提高测量可靠性，安装维护方便。

7. 太阳能防冻液

应用于无动力太阳能系统的防冻液具有好的吸热、换热及储热和防冻性能。

8. 外置式电加热器

具有好的热水设计流态，热水加热均匀，换热效率高，维修保养便捷。

9. 无动力集中热水模块

结冰地区采用真空管式，非结冰地区采用平板式。模块化设计，安装简单，运行可靠。

（五）无动力集中热水系统在中美清洁能源研发中心4#楼的应用

中美清洁能源研发中心4#楼地上6层，地下一层，建筑面积47350㎡，建筑高度28.35m，为二类高层建筑。各层均设置生活热水系统。

1.热源

生活热水的热源为太阳能，由无动力太阳能热水系统提供热媒水。辅助热源为空气源热泵机组。

2.热水量及耗热量

设计小时耗热量（60℃）1969420KJ/h，设计小时热水量（60℃）9.6m³/h。

3.系统设计

太阳能热水系统为全日制集中热水系统，干管和立管机械循环。供水系统采用上行下给式，供回水管同程布置。无动力循环太阳能热水系统原理如图6所示。

图6 无动力循环太阳能热水系统原理

4.系统控制

(1) 冬季自动、手动启动室外管道电伴热带，防止管道发生冻结。

(2) 电子液位计实时监测液位，显示于系统控制盒显示屏，自动 或手动启动电磁阀补水。

(3) 温度探点反馈温度至系统控制盒显示屏。

(4) 冷水经太阳能先行预热输送至容积式热交换器，经辅助热媒换热定温，由恒温混水阀混水后供至用户端。

(5) 热水每层分支干管设温度控制阀，调节热水温度不超上限，避免烫伤。

5.效果分析

(1) 用温度传感器探测温度；用太阳辐照仪表计量太阳辐照量。热能表统计总热水用水量；超声波流量表记录瞬时流量。经实测热水流量满足使用要求，热水供水温度满足设计和使用要求。

(2) 北方冬季热水用水量大，太阳能保证率低，集热总量低。系统日平均太阳能保证率和日平均集热效率均达到规范要求。冬季热水系统集热效率较高，和传统的太阳能热水系统相比较效果更优。

(3) 夏季连续提供55℃以上的热水量满足设计小时热水量要求。储热水箱内的一次热媒水与波纹管内二次热水的温差小于5度，实现快速换热。采用卡式计费，具有好的节水效果。设置恒温混水阀，保证用户末端出水温度低于60℃。

6.系统对比

（1）系统全年节能效果比较参见表1。

表1  全年节能效果比较

（2）系统回收年限比较参见表2。

表2  系统回收年限比较

结论

无动力循环太阳能热水系统集热效果好，系统运行稳定，维护费用低，用户反馈良好，可推广使用。