太阳能热水系统设计相关说明

1.引言

随着全球能源危机的加剧和环境污染问题的日益突出，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，受到了广泛关注。太阳能集热技术是太阳能利用的重要方式之一，广泛应用于热水供应、采暖、制冷等领域。太阳能集热设备及储水箱作为太阳能热水系统的核心部件，其性能和选型直接影响系统的效率和使用寿命。以下为太阳能集热设备及储水箱进行整理与汇总。

2.太阳能集热设备的分类

2.1 全玻璃真空太阳集热管

2.1.1 定义

全玻璃真空太阳集热管由双层同心硼硅玻璃管构成，内管外壁溅射选择性吸收涂层（如Al-N/Al），外管为高透光率玻璃，夹层抽至高真空（≤10⁻³Pa）。通过内管封闭端圆顶结构与带吸气剂的支撑件固定，实现抗机械冲击与长期真空维持。

2.1.2 规范

根据《全玻璃真空太阳集热管》GB/T 17049-2024，其主要性能要求如下：

• 空晒性能：Y≥0.175 m²·℃/kW

• 闷晒性能：ΔT≥110℃

• 平均热损系数：≤0.85 W/(m²·℃)

• 机械强度：能承受直径25mm冰雹以23m/s速度冲击

• 真空性能：真空夹层内气体压强足够低，气体分子的导热可以忽略

2.1.3 适用场景

• 低温热水系统（40-80℃）：家用热水、泳池加热

• 严寒地区优势：真空绝热有效抑制-30℃环境下的热损失

2.2 全玻璃热管真空太阳集热管

2.2.1 定义

全玻璃热管真空太阳集热管在全玻璃真空管内集成重力热管，吸热端附着于内管涂层，冷凝端延伸至联箱。工质（通常为丙酮）在吸热端蒸发，至冷凝端释放潜热后回流，传热效率较直插式提升20%-30%。

2.2.2 规范

根据《全玻璃热管真空太阳集热管》GB/T 26975-2021，其主要性能要求如下：

• 启动温度：≤30℃（环境25℃时）

• 倾角适应性：15°-90°内正常工作

• 抗冻性：-50℃下无冻裂

2.2.3 适用场景

• 中温系统（80-120℃）：酒店集中供热、工业预热

• 非连续光照地区：热管的热惯性小，响应更快

2.3 玻璃-金属封接式热管真空集热管

2.3.1 定义

玻璃-金属封接式热管真空集热管采用可伐合金（Kovar）或钨系玻璃焊料实现金属热管（铜）与玻璃管的气密封接，耐压≥1.2MPa，工作温度可达300℃。

2.3.2 规范

根据《玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管》GB/T 19775-2005，其主要性能要求如下：

• 封接强度：轴向拉力≥150N

• 热冲击：-40℃-250℃循环100次无泄漏

• 寿命：≥15年（衰减率≤10%）

2.3.3 适用场景

• 高温系统（>150℃）：太阳能空调、食品加工

• 承压系统：直接接入市政水管网

2.4 真空管型太阳能集热器

2.4.1 定义

真空管型太阳能集热器由真空管阵列、联箱、支架及反光板（可选）构成，按传热方式分为直插式和热管式。

2.4.2 规范

根据《真空管型太阳能集热器》GB/T 17581-2021，其主要性能要求如下：

• 瞬时效率：η₀≥0.72（截距），U≤2.5 W/(m²·℃)（斜率）

• 耐候性：通过2000小时紫外老化试验

2.4.3 适用场景

• 分布式能源：农村采暖、温室加温

• 工业热力：与燃气锅炉互补。

2.5 平板型太阳能集热器

2.5.1 定义

平板型太阳能集热器的核心组件包括吸热板（铜铝复合/全铜流道，选择性涂层α≥0.95，ε≤0.10）、盖板（低铁钢化玻璃，透光率≥91%）和保温层（聚氨酯/岩棉，厚度≥50mm）。

2.5.2 规范

根据《平板型太阳能集热器》GB/T 6424-2021，其主要性能要求如下：

• 热性能：F'η₀≥0.68，F'U≤6.0 W/(m²·℃)

• 耐压：0.6MPa下保压10分钟无渗漏

2.5.3 适用场景

• 建筑一体化（BIPV）：幕墙、屋顶嵌入式安装

• 区域供热：大面积阵列布置

3.储水箱的分类与标准化整理

3.1 定义

储水箱分为承压式（不锈钢SUS304/316）与非承压式（搪瓷内胆），关键参数如下：

• 保温性能：24小时温降≤10℃（环境20℃）

• 阳极保护：镁棒寿命≥5年

3.2 参考规范

根据《家用太阳能热水系统储水箱技术要求》GB/T 28746-2018和《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T 50495-2009，其主要技术要求如下：

• 容积偏差：±3%

• 静水压试验：1.25倍工作压力下无变形

• 水箱容积建议：集热器面积×50—100L/m²

3.3 适用场景

• 分户式系统：壁挂/立式水箱（100—300L）

• 集中式系统：吨级储热罐（需定制）

4.不同类型太阳能集热设备的性能参数

4.1.全玻璃真空管

• 最佳工作温度：40℃-80℃
• 适用于温度要求较低的场景，如家庭热水供应。
• 抗冻性：★★★★☆
• 抗冻性能较好，但并非最佳。
• 承压能力：非承压
• 不适合需要承受较高压力的系统。
• 典型效率：50%-65%
• 效率中等，适合普通热水需求。


4.2.全玻璃热管
• 最佳工作温度：80℃-120℃
• 适合需要较高温度的场景，如工业预热。
• 抗冻性：★★★★★
• 抗冻性能极佳，适合寒冷地区。
• 承压能力：非承压
• 同样不适合高压力系统。
• 典型效率：60%-75%
• 效率较高，适合对温度要求较高的应用。


4.3.玻璃-金属热管
• 最佳工作温度：120℃-300℃
• 适用于高温工业应用，如蒸汽产生。
• 抗冻性：★★★★★
• 抗冻性能极佳，适合极端低温环境。
• 承压能力：承压
• 可承受较高压力，适合工业系统。
• 典型效率：65%-80%
• 效率较高，适合高温、高压需求。


4.4.平板型集热器
• 最佳工作温度：30℃-90℃
• 适用于温度要求较低的场景，如家庭热水和小型商业应用。
• 抗冻性：★★☆☆☆
• 抗冻性能较差，适合温暖地区。
• 承压能力：可选承压
• 可根据需求选择是否承压，灵活性较高。
• 典型效率：45%-60%
• 效率中等，适合普通热水需求。

5、总结
• 全玻璃真空管和平板型集热器适合家庭和小型商业热水需求，对温度和压力要求不高。
• 全玻璃热管和玻璃-金属热管更适合工业应用，尤其是高温和高压力需求的场景。
• 如果在寒冷地区使用，建议选择抗冻性能高的全玻璃热管或玻璃-金属热管。