分布式太阳能热水器的应用历史与发展

分布式系统的回路由太阳能集热器、储热水箱（或内置换热器）和相关的管路组成。在强制循环系统中，由泵驱动流体循环。在闭环热虹吸型系统中，流体流动的动力来自浮力。浮力的产生是由于水在集热器中被太阳能加热而导致集热器和储热水箱中的水存在密度差。在泵的作用下，强制循环太阳能热水器中的传热流体以恒定的流速在集热器中循环。但是，在热虹吸型系统中，流动的速率和方向取决于当时的天气情况及管道的几何形状。所有类型的系统都可以被建成直接或间接式系统。在后一种情况下，通常会有一种防冻水溶液流过浸没在储热水箱中的换热器。因为它们通常是为每个应用单独设计的，所以分布式系统的规格种类有很多。在一体化机组中，卧式储热水箱和集热器并列排布，从而形成一个独立的机组，如图8.12和图8.5所示，其中流体循环常为热虹吸式。

如图8.13所示，自然循环式太阳能热水器的第一个专利授予了住在加利福尼亚州洛杉矶附近的Bailey（Bailey，1910）。尽管他可能不是第一个建造这种系统的人（Butti和Perlin，1980），但是他的公司却最早开展了标准化机组的商业生产及安装。因为太阳能热水器可以储存热水供晚上使用，所以，其在南加利福尼亚州市场销售得很好。这种分布式系统的诞生对同时期的IPSWH而言是一次重要的进步。在19世纪20年代早期，由于洛杉矶盆地有丰富的天然气储量，廉价天然气进入市场，导致太阳能热水器的销量下降。Bailey创立的公司变成了主要生产燃气热水器的公司，在1930年只生产了40台太阳能热水器并于1941年完全停产。

图8.12 一体式真空管热虹吸型太阳能热水器实例

然而，1923年Bailey把自己的专利卖给了迈阿密海滩的H.M公司。随着当时佛罗里达州居民建筑的蓬勃发展，热虹吸型太阳能热水器找到了销路。更重要的是，相较于电力的单位成本（电力为最常见的替代能源），这些热水器的投资回收期仅略长于2年（Butti和Perlin，1980）。因此，这些热水器迅速在美国南部其他州得到推广（Carnes，1932；Alt，1935；Merle，1940）。在第一次世界大战结束后的20年内，仅在迈阿密地区就安装了多达60000台热虹吸型太阳能热水器（Scott，1976）。到1946年，整个佛罗里达州85%的小型住宅都安装了这种热水器。

20世纪50年代随着廉价燃油和管道天然气的普及，太阳能在经济上的吸引力相对有所下降，甚至在佛罗里达州也是如此，因此其利用率降低。关于佛罗里达州早期太阳能热水器产业的研究表明，其他一些因素也导致了这种利用率的降低（Scott，1976）。由于大型房产开发商数量迅速增长，为了竞争，开发商们需要提供初始价格更低的新房，因而更倾向于安装廉价的化石能源热水器。由此剥夺了房屋购买者选择热水器系统的权利，并且造成了“太阳能产业”规模的缩减。同时，也减少了现有已安装设备的维护服务。不仅如此，这些容量太小的系统难以满足战后家庭对于热水需求的增长。这些问题连同系统的腐蚀问题，都导致用户对太阳能热水器产生不好的评价。这些影响相互叠加，最终导致到1960年，佛罗里达州仍在使用的热虹吸型太阳能热水器减少至约25000台（Andrassy，1961）。

图8.13 Bailey的专利

当热虹吸型太阳能热水器在美国南部的热度下降时，以色列（Sobotka，1961）、澳大利亚（Morse，1955a）、南非（Whillier，1995）、南亚次大陆（Mathur等，1959）和地中海地区对其兴趣却在悄然上升。这些地区通常全年光照充足，有足够的工程专业技术，燃料成本高（特别是对于偏远地区）。在澳大利亚和南非，由于设计和施工手册的出版及现场试验的带动，当地对太阳能热水器的兴趣有所上升（Morse，1955b；Chin-nery，1967）。1957年，澳大利亚的一个政府委员会建议，在北部热带地区的政府住宅应当安装热虹吸型太阳能热水器（Anon，1957）。1973年11月之后，随着化石燃料价格的飞涨，引发了太阳能热利用的再次兴起。热虹吸型机组的商业化生产从塞浦路斯到中国，在全世界推广开来。从1980年开始，以色列的自然循环式太阳能热水器可以满足全国每年三分之一的热水需求（Shitzer等，1979）。在奥地利，一个最大的强制循环式太阳能热水器市场是在自建太阳能热水器的倡议下发展起来的。从2007年开始，中国的一些地区要求安装太阳能热水器。该政策由政府批准实施（Runqing等，2012）。2010年，在1.45亿m²的太阳能集热器中有98%为真空管型，且基本上都是热虹吸型系统（Zhentao和Zhichen，2010）。

图8.14 热虹吸型太阳能热水器流动回路的特点

如图8.14所示，在热虹吸型太阳能热水器中，浮力是由水的温差引起的。集热器中水的流速取决于浮力克服自然循环回路中摩擦损失的程度。高度差通常是用来防止夜间逆循环。其他两种技术不常使用：其中一种是使用新型的管网布置方式，从而使吸热器和储热器处于相同高度，如图8.15所示。另一种技术是使用低流阻单向止回阀（Buckley，1979），如图8.16所示。

图8.15 使用水箱-支架装置来防止热虹吸型太阳能热水器的夜间逆循环

图8.16 使用油止回阀防止夜间逆循环

为了分析并预测自然循环式太阳能热水器的性能，可以采用以下三种方法：

1）简化模型（Morrison和Tran，1984；Huang和Hsieh，1985）；

2）通过模拟或系统监测建立的性能关联式（Song和Zhang，1982；Morrison和Sapsford，1983；Hobson等，1987；Malkin等，1986）；

3）通过联立求解能量和动量方程组而进行严格的模拟（Close，1962a，b；Ong，1974，1976；Young，1980；Huang，1980；Mertol等，1981；Riddle，1985；Hobson和Nor-ton，1988）。

前两种方法用于评估系统的长期性能，并确定系统的大小从而得到最高的太阳能保证率。由于第一种方法做了简化，模型运行条件和系统构造的范围都会受到限制，超出这些条件简化假设就会失效。这种系统通常需要有经过实验确定的信息，而这些信息只有在系统建成后才能获得。第二种方法不能可靠应用于未确定规模和气候条件之间相关性的系统中。

第三种严格的模拟方法可以用于：

1）根据短期的性能模拟进行工程系统优化；

2）在广泛的系统类型和运行条件中建立系统性能的长期相关性；(www.xing528.com)

3）为简化模型在空间和更小时间间隔上的限制提供有用的预测。

实际中，集热器平均温度仅略高于储热水箱的平均温度（Close，1962），可以用一个简单的分析模型预测在无取水且辐射和环境温度随时间呈正弦变化时储热水箱的日间平均温度。

在已知的条件下应用到具体系统时，这样的分析简单、准确，然而这种分析无法提供关于系统性能与系统参数或环境条件相关性的信息。傅里叶级数展开式可用于模拟环境温度的变化。当通过实验验证这个模型时，在白天可获得良好的相关性。据观察发现，系统的夜间损失率几乎是介于以下两种极端条件下预测的损失率之间：①完全耦合且反向流动强烈；②完全解耦，在集热器和储热水箱之间没有反向流动。

可以用差分法来预测系统的温度分布和热虹吸流速。

1）集热器和储水箱平均温度相等；

2）假设系统温度在流动方向上的变化是线性的。

特定系统在接近太阳辐射阶段的中点时，预测温度与测量值有一定的吻合度，但在其他时刻有很大的差别。

这主要是由于：

1）忽略了平板集热器及连接管路的热容；

2）认为循环流体的密度和黏度是线性相关。

在“详细的回路模型”（Mertol等，1981）中，求解耦合的能量与动量方程时，假定考虑到储存水在直接或间接传热下的非稳态流动。假设储热水箱中的温度分布为由经验确定的一维垂直温度分布，并且不必采用简化方法来模拟水箱的取水。

对于完整的热虹吸型太阳能热水器模拟：有限差分、瞬态传热分析应当用于热虹吸循环中所有部件（即集热器、上水管、储液罐、下水管）内的循环流体。为提高瞬时精度，在模拟中应考虑集热板和盖板的热容。循环流体的密度、显热、黏度、导热系数和普朗特数最适合表示为温度的二阶多项式函数。所有的传热系数都必须为基于环境温度和组件平均温度的函数。在数值模拟中，经过每个时间步长都需要更新这些系数。储热水箱模型中应当包含由浮力导致的热分层之间混合的模拟情况（其发生在热流体处于冷流体层之下时）。应考虑集热器玻璃盖板的透射系数，该系数为太阳时角的函数。在确定质量流量时，应该使用包含瞬态项在内的动量方程。计算直管段内的摩擦因子应采用对非等温低雷诺数流动和等温层流动都适用的关联式，而管道弯头处应采用实验确定的层流损失系数。

在简单的混合模型中（Morrison和Tran，1987），如果热流体层在冷流体层之下，且假定会发生完全混合并且相邻的两个节点有共同的温度，则这一过程会在水箱中不断重复直到温跃层恢复。

作用在流体上的体积力会产生压力项，这是由于集中在虹吸管回路上的总垂直静压头引起的。

使用有限差分法，通过其相关的边界条件可求解描述能量和动量传递过程的方程组。非稳态项应该使用一阶向前差分法，对流项采用一阶迎风差分法，导热项采用二阶中心差分法。由于存在假扩散，除非时间步长与节点尺寸很小，否则使用迎风差分格式会产生较大的误差（Young，1980）。方程中的对流项采用二阶中心差分格式代替一阶迎风差分格式，这看起来会非常有用。然而，这种格式并不能避免扩散现象，实际上当速度/热扩散率大于100时会产生振荡。对于典型的热虹吸型太阳能热水器，该比例为150时会产生振荡。假扩散可以通过采用在时间和空间上精确的二阶显式差分格式来消除。但是，只有当单元雷诺数小于等于2时才能获得稳定解。这种局限性可能会限制所考虑的系统几何结构和运行条件。当采用高斯-赛德尔迭代法求解联立方程以获得每个节点温度随时间的变化时，该解法是无条件稳定的，它对所采用的时间步长的唯一限制就是所需的求解精度。

对于强制循环（Klein等，1976；Liu和Hill，1979）和自然循环的（Morrison和Tran，1987；Song和Zhang，1982）太阳能热水器，确定广义无量纲参数组是一种实用的方法，可以很容易预测热水器的长期性能。以前推导的相关参数主要的固有缺点之一是这些参数是基于稳态分析得到的，因此与相对长期的运行相关。基于对全天性能的瞬态分析，Hobson等（1987）建立了用于确定单个自然循环式太阳能热水器相关特性曲线的方法。

基于位于英国（Hobson等，1987）和葡萄牙（Norton等，1988）运行监测系统收集的实验数据，Hobson等（1987）从直接加热的热虹吸型太阳能热水器的瞬态热平衡中确定了无量纲参数Y、Z和X（分别称为海伍德数、耶伦特数和布鲁克斯数），如图8.17所示。无量纲的贝利数K，是一个表示系统中影响流动的系统参数。Hobson和Norton（1988）利用经验证的数值仿真模型和伦敦西区国立植物园Kew的天气数据，得到了热性能数据，由此导出了其关联性。耶伦特数Z、贝利数K、海伍德数Y、布鲁克斯数X和比负荷W之间的关系表示在图8.17所示的诺模图中（Hobson和Norton，1988）。海伍德数Y、耶伦特数Z和比负荷W均是应用条件的函数，而贝利数K本质上是系统设计的函数。然而，设计者可以通过图8.17所示的诺模图很容易获得这些无量纲参数组所包含的信息，并由此确定布鲁克斯数X以及太阳能保证率。

一般而言，强制循环式太阳能热水器与热虹吸型太阳能热水器相比，不会产生更多的热水且加热水的效率也不会更高。但是，相较于热虹吸型系统，强制循环系统的一个重要优点是其在布局上具有灵活性，比如，只有集热器需要安装在建筑室外。因此，屋顶不需要承受一个热水箱的重量。特别是对于大型系统，安装会更容易，并且在某些情况下这是唯一可行的办法。在强制循环式太阳能热水器中，为了避免热水在储热水箱中降温，水泵必须在夜间以及在集热器的集热量低于其散失热量时停止运行。为了实现这一点，温度传感器通常安装在集热器的入口和出口，并用于控制泵启动。尽管在多数实际系统中，泵都是由未修正的温差来控制启停的（DeutscheGesellschaftfürSonnenen_- ergie，2005），但仍有研究者提出了各种不同的控制算法（Wuestling等，1985；Prud’homme和Gillet，2001）。使用光伏驱动循环泵（Parker，1976；Stefanizzi等，2003）的系统只有当太阳能强度满足最佳泵性能（Al-Ibrahim等，1996）所需电力时才会工作。对于大部分的强制循环系统，Ji等（2006）提出了一种新颖的壁挂式系统，其集热器安装在屋顶上，并且其独立的地面集热器阵列已经应用于超大规模的太阳能集中供热系统（Schmidt等，2004；Dalenbäck，2010）。

图8.17 直接式热虹吸型太阳能热水器的诺模图

太阳能联合系统（Combisystem）可以同时满足供暖和供热水的需求。当保温良好的热分层、小容量辅热储热器运行在低设定点温度下时，可以实现高效节能（Weiss，2003）。辅助加热系统应高效运行。太阳能联合系统的安装结构形式有很多种，这取决于工程师的偏好和经验、制造商的说明书以及改造时现有水箱和连接管道的布置。当需要建立广泛适用的系统特征评定方法时（Letz等，2009），这就变得很困难。在套箱式太阳能联合系统中，家用热水箱被集成到采暖热水箱中。太阳能的热量通过位于水箱下部的内螺旋式换热器传递。家用热水直接取自储热水箱。另一种设计是使用“比基尼”式水箱系统，在其上部和下部各有一个独立的夹层环绕着储热水箱。这些循环的家用热水和太阳能加热水分别将热量传递给供暖用水。家用热水直接从水箱取水。理论研究表明，这种“比基尼”式水箱的太阳能联合系统（Yazdanshenas和Furbo，2007）可适用于低耗能的建筑，因为这些系统在低辅热容量、低设定点温度时效率更高（Yazdansh-enas等，2008）。

当不追求高水温时，可使用不加盖板的平板集热器和简易排布的黑色塑料管来对游泳池的水进行加热。目前在美国、加拿大和澳大利亚，游泳池加热系统是主要的太阳能热水器类型（Weiss和Mauthnen，2010）。系统几乎都采用强制循环，并且高纬度地区游泳池集热器中的水会在冬季被排空。通过逐时模拟进行参数分析，进而对太阳能加热游泳池进行优化（Ruiz和Martinez，2010）。