摘要：众所周知，太阳能资源是地球上最清洁的可再生资源，而在目前常规能源短缺的情况下，更应该加强对太阳能资源的开发和利用，使其更好地为人类服务。太阳能热水供应系统就是对太阳能资源合理利用的实例。太阳能热水供应系统具有节能、使用方便、无污染、经济效益明显等优势，而成为主要的太阳能应用形式。因此在目前节能减排的大形势下研究太阳能热水供应系统的设计具有很大的意义。本文归纳了太阳能热水供应系统的优点，并重点介绍了集热系统、辅热系统及安全防护系统的设计。
关键词：太阳能,热水供应系统,设计,集热器,辅热设备
一、太阳能热水供应系统概述
太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，是目前太阳能应用发展中最具经济价值、记住最成熟且已商业化的一项应用产品。太阳能热水系统的分类以加热循环方式可分为：自然循环式太阳能热水器、强制循环式太阳能热水器、储置式太阳能热水器三种。太阳能热水供应系统主要由太阳能集热器、保温水箱、连接管路和控制中心组成。太阳能热水供应系统有其相应的适用范围，安装地区需满足日照时数每年在1200小时以上，太阳辐射量每年在3500焦每平方米以上，能够保证太阳能集中热水供应系统的建筑安装部位每天至少4小时的日照，并且保证系统的安装不会对邻近建筑的日照构成遮挡。
二、太阳能热水供应系统的优点
(一)节能环保
采用丰富的自然可再生资源——太阳能，作为房屋建筑集中热水系统(或采暖用热水系统)的主要热源，可减少能源与资源的消耗，减少二氧化碳对空气的污染。
(二)保证工程施工质量，提高工程观感质量
太阳能集中热水系统与房屋建筑结构统一规划设计、同步施工，设备、管线设置合理，与结构工程同步施工科学有序，与建筑物协调一致，保证了工程整体施工质量，提高了建筑物的观感质量。
(三)智能化操作，简单方便
技术先进，功能完善，操作简单，运行安全可靠采用先进的智能化自动控制系统，配置完善的功能设施和安全设施，操作简单，运行安全可靠。
(四)优化资源配置
可利用工程现有条件和地方资源优化配置辅助加热能源，如中央空调系统能源、市政蒸汽管网系统能源等等，达到能源的充分利用。
三、太阳能热水供应系统设计要点
(一)集热系统的设计
1、系统规模设计
集热系统的规模不宜过大，集热器阵列的总出水口同储热水箱间的距离应控制在300米范围内。在小区规模较大时。可以邻近几幢或单幢为一个小系统，且通过增设站室便可实现节能的效果。
2、加热系统的选择
太阳能加热系统有间接式和直接式两种，直接式太阳能热水系统又可分为自然循环和强制循环式，而强制循环式太阳能热水系统又有连续式和间歇式之分。总之，两种加热系统各有优缺点，具体比较如下：
间接式太阳能热水系统包括集热器和用户热水两个子系统，并通过换热器相连。集热器子系统一般采用抗冻液作为循环工质。抗冻液在太阳能集热器中被加热后，在泵作用下通过换热器加热循环水，当水温达不到要求时则利用辅助热源加热至所需温度送往用户。该系统室外部分所用工质为防冻液，因此具有可靠的防冻能力，寒冷地区的设备及管路亦无冻裂之忧，但由于需换热器加热循环水，故初次投资较大，总的热效率低。
自然循环式热水系统的水箱位于室外，且高于集热器。该系统不用水泵(不耗电)，无须专人看护，一次投资省，但水箱需高架(受安装环境限制)，且抗冻性能差, 一般适于非冰冻地区使用，且系统不能过大，集热面积通常在30m2以下。
连续式强制循环系统的特点是: 水箱可置于室内，水泵连续运行，系统工况稳定，初次投资较省。由于水泵运行与日照、集热器水温无关，常常在日照较弱的情况下运行水泵，造成无效运行，浪费电能，使系统运行效率降低。因此，这种系统通常用于加热游泳池用水。
间歇式强制循环系统增设了水泵运行控制仪，该系统避免了水泵无效运行, 节省了电能, 提高了系统热效率, 但初次投资较大, 同时运行管理要求也高。
通过上面的分析可以看出:非寒冷地区的小面积系统可优先采用自然循环式系统;加热游泳池、鱼塘用水可优先采用连续式强制循环系统;宾馆、浴池大面积系统可优先采用间歇式强制循环系统;使用间接系统时应经过技术经济比较。
3、集热器的选型
目前国内的太阳能集热器主要有平板型集热器, 全玻璃真空管集热器, 热管真空管集热器等。
平板型集热器具有集热块、价格低、承压高，且耐热冲击性能好等优点，但在室外气温较低时热损失较大，不耐冰冻。
全玻璃真空管集热器全年热效高，但承压能力低，系统可靠性差，玻璃管内易结垢且难清理。
热管真空管集热器的全年热效也较高，且承压能力大，耐热冲击性能好，在寒冷条件下耐冰冻，系统可靠性较强。
根据以上分析, 在非冰冻地区可优先采用平板型集热器;在寒冷地区的大面积热水系统可优先采用热管真空管集热器;在寒冷地区大面积使用全玻璃真空管集热器时, 应采取措施提高其承压和抗热冲击能力。
4、集热器的定位
(1)安装方位角和倾角
方位角宜朝南或南偏东、南偏西15°角内摆放。当不能满足要求时，应加大集热器的采光面积。
(2)全年使用时，集热器的安装倾角应与当地纬度一致;偏重于在冬季使用时，倾角应加大至约比当地纬度大10°;偏重于夏天使用时，则应比当地纬度小10°。
(3)顺坡屋面安装时，集热器之间不遮挡，留出安装间距和检修空间;成2排或2排以上安装时，集热器之间的距离应大于日照间距，避免相互遮挡。
(二)辅热设备的设计
1、计算辅热设备负荷
依据相关规范要求，对于太阳能集中供应热水工程辅热设备负荷的设计，应当不考虑太阳能效用，而将日常所需热量作为辅助设备作为依据。
2、辅助设备选型
辅助加热设备, 根椐常用热源的不同可分为: 工业废热或设备余热、电热水锅炉、柴油锅炉、燃气锅炉、空气源热泵等。从节能及环保角度考虑，工业废热或设备余热是理想的辅助热源，但对绝大多数的住宅建筑而言, 往往不容易获得;因电加热的效率低，如非实行低谷用电时段的地区，不宜采用;由于柴油锅炉的污染大及制热水费用高，不宜采用;在天然气充足且价格较低的地区，可考虑以其作为辅助热源;空气源热泵热水器，近几年在我国得以迅速发展，其利用电力驱动, 从空气中获取能量, 具有环保且低费用的优势, 是作为辅助加热设备的较佳选择,尤其是冬天气温较高的南方地区。
(三)防过热、防爆安全设计
太阳能集中供应热水工程设计中，防高温、防爆安全措施是十分重要的设计内容。通常情况下，包括如下几方面设计内容：
第一，集热系统的管道上应设放气器、安全阀、膨胀管。且未降低集中介质损耗，可适当提升系统内部的压力;
第二，设置空气散热器，即当集热器中水温过高时，利用空气散热器来散出热量，从而防止过热现象;
第三，采用遮阳设备。集热系统所采用的阀件、管件、管材等应为耐高温材质，且极热管上所连接的设备、阀件及密封材料也应为耐高温材质。
(四)防冻安全设计
对于北方寒冷地区和存在冻结可能地区，在系统工程设计过程当中，应就防冻问题进行考虑。防冻措施主要包括倒循环、添加防冻剂、排回、排空等，且这些方法各具利弊，其应用过程中应始终围绕“因地制宜”的原则进行。其中，倒循环这种方法较为简单，也比较常用，但存在耗电的缺点，可通过集热管道保温、降低集热系统阻力损失、确定合理的传感器温度来缓解这一问题。
结语
充分利用太阳能这一无污染永不枯竭的资源，是将来世界能源发展的趋势。随着人们环境意识的提高, 太阳能的应用已经越来越广泛, 特别是太阳能热水器已经进入千家万户, 而大型太阳能热水系统也已在宾馆、饭店、公共浴池、商品住宅等建筑中开始应用。这是人类有意识利用太阳能的实例，但也应看到在太阳能热水供应系统的设计和应用中也存在诸多问题。只有采取合理的技术措施将之解决，才能真正发挥太阳能资源的优势来造福人类。
参考文献
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[2]刘振印.太阳能集中热水供应系统的合理设计探讨[J].给水排水，2011.1.
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本文选自《中国科技博览》。 《中国科技博览》杂志是国务院国有资产监督管理委员会（国资委）主管，中国包装总公司主办的国家级学术期刊。国内刊号：CN11-4450/T，国际刊号：ISSN1009-914X。
