摘要 本文簡要闡述了太陽能集中供熱系統的主要運行方式，各自的特點，以及強制循環系統的各種控制方式。
關鍵詞 太陽能集中供熱系統 系統原理 運行方式 控制方式
0 前言
太陽能熱水系統根據集熱系統、輔助系統及供水方式的不同，可以分為3類：分戶集熱—分戶儲熱式；集中集熱—分戶儲熱式；集中集熱—集中儲熱式。
集中集熱—分戶儲熱式太陽能熱水系統，是指太陽能集熱器集中、統一規劃安裝于建筑物屋面部分。儲水箱、輔助加熱系統按終端用戶為單位獨立設置的太陽能熱水系統。
集中集熱—集中儲熱式太陽能熱水系統，是指太陽能集熱器、儲水箱、輔熱設備全部集成化，統一安裝儲熱器，統一設置集中儲水箱及輔助加熱設備，然后將熱量再分配至各用水終端的太陽能熱水系統。太陽能集中供熱系統是目前高層建筑應用較多的一種太陽能熱水系統供熱方式。
1 太陽能熱水系統的主要運行方式
按太陽能集熱系統運行方式劃分，可將太陽能熱水系統分為自然循環系統、直流式系統和強制循環系統。
1.1 自然循環系統
自然循環系統（見圖1）的動力為傳熱工質溫度差的密度差導致的熱虹吸作用。在自然循環系統中，貯熱水箱中的水在熱虹吸作用下通過太陽能集熱器被不斷加熱，并將自來水的壓力頂至用戶使用。
1.2 直流式系統
直流式系統（見圖2）是利用控制器使傳熱工質在自來水壓力或其他附加動力作用下，直接流過太陽能集熱器加熱系統。直流式系統一般采用定溫放水的控制方式，當集熱系統出水溫度達到設定溫度時，水閥打開，集熱系統中的熱水流入熱水貯水箱中；當集熱系統出水溫度低于設定溫度時，水閥關閉，補充的冷水停留在太陽能集熱器中吸收太陽能被加熱。
直流式系統只能是直接式系統，造價較低，在國內中小型建筑中使用較多；由于存在生活用水可能被污染、太陽能集熱器易結垢和防凍問題不易解決的缺點，國外很少使用。
1.3 強制循環系統
強制循環系統是利用溫差控制器和循環水泵使系統根據集熱系統得熱量強制循環傳熱工質加熱的系統。系統由水泵驅動。強制循環系統的形式較多，主要有直接式和間接式兩種，而這兩種又可以再分為單水箱方式和雙水箱方式，如表1所示。
表1 強制循環的分類
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大類
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小類
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控制方式
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特點
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適用場所
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直接式
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單水箱方式
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定溫放水或溫差循環
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系統蓄熱功能弱，而且建筑上部荷載大。
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適用于自來水壓力不穩定，熱水供應規模較小，對熱水質量和建筑物外觀要求不高的場所。
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雙水箱方式
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定溫放水或溫差循環
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系統蓄熱功能增強，減小建筑上部荷載，但水箱熱損增加。
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適用于自來水壓力不穩定，熱水供應規模不大，對熱水質量要求嚴格，對建筑物外觀要求不太嚴格的場所。
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間接式
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單水箱方式
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溫差循環
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系統蓄熱功能弱，而且建筑上部荷載大。
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適用于自來水壓力穩定，熱水供應規模較大，對熱水質量和建筑物外觀要求嚴格的場所。
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雙水箱方式
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溫差循環
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系統蓄熱功能增強，減小建筑上部荷載，但水箱熱損增加。
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適用于熱水供應規模大，對熱水質量和建筑物外觀要求嚴格，且水質要求高的場所。
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強制循環系統太陽能集中供熱系統的發展方向，根據不同的場所會有不同的系統方式。對于強制循環系統的太陽能集熱器、水箱的放置是非常重要的一環。太陽能集熱器主要放置于屋面，如果需求量較大或限于屋面結構，為了放置更多的太陽能集熱器，太陽能集熱器可能會分成幾個矩陣，那么每個矩陣應配置一個小型的貯熱水箱，太陽能集熱器矩陣與貯熱水箱之間利用泵形成強制循環。根據建筑物的承載情況，或者原建筑已有設施，供熱水箱可能會放置在屋面或者地下室（機房或設備層）。貯熱水箱里的熱水匯合至供熱水箱，再由泵供給熱用戶使用。同時具有貯熱水箱和供熱水箱，一來可以增強儲熱能力，分散建筑的承壓；二來可以保證恒溫供水，提供更高質量的熱水。一般來說對于星級酒店、高檔小區、學校、醫院等供熱要求質量高的場所是非常有必要的。
2 太陽能熱水系統的控制方式
對于強制循環系統雖然有許多不同的形式，但是都是通過幾種控制方式來完成整個系統功能的，主要有定溫放水、溫差循環、最低水位控制、輔助熱源控制、供熱末端回水循環等。現在還有一種是將變頻技術應用于太陽能熱水系統，對供水管路中的壓力進行監測，把監測到的壓力值與設定值進行PID計算，然后將信息傳遞給變頻器，變頻器再調整電機的頻率，從而改變泵的輸出流量與壓力，達到保持恒定壓力與節能的目的。圖3為強制循環系統。
圖3 強制循環系統
2.1 集熱器定溫放水
在光照條件下，當太陽能集熱器內水溫達到設定溫度值時（可在0～100℃以內任意設定，一般設定在55℃），控制器使定溫電磁閥自動開啟，自來水進入太陽能集熱器，并將太陽能集熱器內達到設定溫度的熱水頂入貯熱水箱；當太陽能集熱器內水溫低于設定值時，電磁閥自動關閉。周而復始，直到貯熱水箱滿水位。
2.2太陽能熱水系統溫差循環加熱
當貯熱水箱水滿時，控制器使系統自動轉入溫差循環。即當太陽能集熱器內水溫高于水箱水溫時，控制器使循環水泵按溫差變頻方式自動啟動，將水箱內較低溫度的水打入太陽能集熱器，而將太陽能集熱器內高于水箱溫度的熱水頂入貯熱水箱；當太陽能集熱器內水溫不高于水箱水溫時，控制器使循環水泵自動停止。
2.3 水箱最低水量保持
控制器隨時檢測貯熱以及供熱水箱水位，當低于最低設定保持水位時，控制系統會使輔助加熱自動啟動，并通過太陽能向水箱補水，直至達到最低保持水量熱水時，輔助熱源及定溫電磁閥自動停止。
2.4 輔助熱源加熱控制
根據太陽能熱水系統晴天時產水標準或用戶設定標準，電腦控制器隨時對水箱水量、水溫進行檢測。當陰雨天或光照不足，太陽能熱水系統產熱水量不足時，自動啟動輔助熱源系統；當水箱水溫高于設定值時，太陽能定溫電磁閥自動打開，冷水進入太陽能集熱器，而將太陽能集熱器內的水頂入貯熱水箱；當水箱水溫低于設定值時，電磁閥自動關閉。如此不斷循環使水箱熱水不斷增加，當貯熱水箱達到檢測水量時，輔助熱源自動停止。
2.5 供熱末端回水循環控制
當控制器檢測到用戶末端的水溫低于設定值時（一般設定為30℃），回水循環泵啟動將回水管路中的較低溫水抽回至供熱水箱，同時將供熱水箱中較高溫水輸送至用戶，向用戶供應熱水；當溫度達到設定值時（一般設定為55℃）停止。此泵也可以當作增壓泵使用，在程序中設定即可。當用戶高峰用水時，此泵自動打開供水，提高管道供水量及壓力，滿足用水高峰時的需求。
2.6 定時供水
為了節省用水用電，有的系統還會設定分時段供水。這種方式特別適應小區、學校等用水時段相對穩定的場所。定時供水只需在控制器中直接設定即可，一般來說設定早、中、晚3個時間段，如07：00～09：00；11：00～13：00；17：30～22：00，當然時間段是可以根據用戶需求調整的。
3 太陽能熱水系統運行方式的選擇原則
太陽能熱水系統的設計應遵循節水節能、經濟實用、安全可靠、維護簡便、美觀協調、便于計量的原則，根據使用要求、耗熱量及用水點分布情況，結合建筑形式、其他可用能源種類和熱水需求量等條件，來選擇太陽能熱水系統的形式。
而太陽能熱水系統的控制方式，也是根據其運行方式、用戶需要達到的用熱品質而決定的。
參考文獻：
1鄭瑞澄主編，民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊.化學工業出版社，2005
2中華人民共和國國家標準（GB 50364-2005）2005-12-05發布，民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范。
3中華人民共和國國家標準（GB/T 18712-2002） 太陽能熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規范。
來源：中國太陽能工程（cdl）
