【摘要】主要介绍了一种模块化承压式太阳能集中供热系统的工作原理、特点及设计要求。与常压太阳能热水供应系统相比，能够更充分的利用太阳能，其热效率高，节能效果好。 【关键词】太阳能集中热水供应系统；集热器吸热效率；模块化；承压系统
太阳能是地球上一切能量的主要来源，被誉为2l世纪以后人类可期待的最有希望的能源。太阳能作为可再生能源，其储量约为1.74×1014kW。每年到达地球表面的太阳辐射约为130万亿吨标准煤，约为全球所消耗的各种能量总和的2×104倍。随着经济高速发展，能源短缺、环境污染等问题的日益突出，节能、环保日益受到人们重视。而大力发展和使用太阳能，并不断优化太阳能系统，更高效的利用太阳能资源正是顺应了这一发展趋势。
1 太阳能利用现状
我国的太阳能资源相当丰富，全国有2／3以上地区年辐射总量大于502万k J／m2，年日照数在 2000 h以上，具有良好的开发条件和应用价值。
目前，越来越多的住宅、宾馆、宿舍楼、游泳池、公共浴池等场所采用太阳能作为其中央热水系统的主要热源。因为太阳能资源随天气变化，并不能完全满足使用要求，为满足太阳能不足时的用热需求，通常采用电、燃煤或燃油（气）锅炉、空气源热泵或市政热力等作为太阳能中央热水系统的辅助热源。
国内的太阳能中央热水系统中太阳能集热器均在常压状态下集热。太阳能中央热水系统中的集热循环均为靠温差控制的开式循环，即：当集热器内的水温与保温水箱内的水温温差达到一定值后，集热循环泵启动，将集热器内的水顶入保温水箱；当两者之间的温差小于一定值时，集热循环泵停止运行，此时，集热循环管路内处于常压状态。
常压状态下，太阳能集热器的集热效率相对较低，浪费了一部分可以利用的太阳能资源，这样就导致必然要增加辅助加热设备投资或者在使用中耗费更多的常规能源。
为了解决现有的常压式太阳能集热系统中太阳能集热器集热效率较低的问题，本文讨论一种模块化承压式太阳能集中热水供应系统，该系统集热效率高于常压式太阳能热水供应系统，能够有效减少辅助加热系统的能源消耗，更加节能、环保。
2 模块化承压式太阳能集中供热系统简介
模块化承压式太阳能集热系统包括：太阳能集热器、集热水箱（可采用“承压集热水箱”或采用“常压集热水箱+换热器”）、膨胀水罐、集水器、分水器、流量计、压力表、安全阀、排气阀、单向阀、集热循环泵、循环管路及控制系统。可分为三种不同系统，详见图1～3：
图中：1.集热模块，2.承压集热水箱，3.常压集热水箱，4.盘管换热器，5.板式换热器，6.分水器，7.集水器，8.膨胀罐，9.安全阀，10.排气阀，11.流量计，12.压力表，13.控制系统，14.控制线路，15.集热循环水泵，16.循环管路，17.闸阀，18.单向阀，19.供水支管，20.回水支管。
系统中，根据太阳能集热器的数量，可将太阳能集热器分为若干个集热模块，每个模块设置膨胀水罐、集热循环水泵及排气阀；若干个集热模块通过集水器、分水器、集热循环水泵及循环管路与集热水箱连接。控制系统通过控制器、传感器、控制线路与各集热模块、各集热循环水泵、集热水箱及电源连接。
集水器上设置回水支管，分水器上设置供水支管。每个集热模块的集热循环泵分别安装在分水器的供水支管上，在集热循环泵出水口设压力表；集水器、分水器上分别安装安全阀及排气阀。
模块化承压式太阳能集热系统在集热模块、循环管路、集热水箱内注入热媒。因整个集热循环系统为闭式系统，太阳能集热器内始终保持有一定的压力，当系统内热媒温度升高，体积膨胀，膨胀水罐可以起到平衡系统内压力的作用，使整个系统内的压力维持在合理的范围内。当系统内的压力超过一定值时，安全阀启动泄压。排气阀可将系统内的气体排入大气，保证管路循内热媒循环畅通。流量计可以随时查看各集热模块的热媒流量，保证每个集热模块内热媒流量均衡。
模块化承压式太阳能集中供热系统的有益效果是：太阳能集热器内始终保持一定的压力，集热系统可以保证更高的集热效率，更有效的利用太阳能资源。
3 工作原理
3.1 传统直接加热方式
如图1， 为第一种模块化承压式太阳能集热系统，其结构包括集热模块1、承压集热水箱2、分水器6和集水器7，承压集热水箱2通过分水器6、集水器7、集热循环水泵15及循环管路16与集热模块1连接，在集热模块1的循环管路16上安装有膨胀罐8，在分水器6及集水器7上安装有安全阀9及排气阀10，在集热循环水泵的进、出水口处安装有流量计11及压力表12，控制系统13通过控制线路14与集热模块1、集热循环水泵15及承压集热水箱2连接。承压集热水箱2上必须安装安全阀9及排气阀10。
使用时，集热模块1吸收太阳能光热，集热模块1内部的水温升高，当集热模块1内的水温与承压集热水箱2底部的水温的温差达到一定值时，通过控制系统13控制集热循环水泵15启动，将集热模块1内温度较高的水顶入承压集热水箱2的上部，承压集热水箱2底部水温较低的水补入集热模块内1吸收太阳能光热，如此反复循环，将承压集热水箱2内水加热。分水器6、集水器7可以保证每个集热模块保持均匀的水流量；当集热模块内水温升高，体积膨胀，系统内压力升高时，膨胀罐8可以吸收多余压力，保证系统压力稳定；当系统压力超过设定值时，安全阀启动泄压，保证系统安全、稳定运行；当管路内产生气体，由设置在系统最高点的排气阀将气体排入大气，保证集热循环畅通；通过流量计11、压力表12可以查看每个集热模块1的运行状态；可以通过控制系统13将数据实时传输到监控中心，做到远程监控，及时解决系统运行中出现的问题。
3.2 系统优化：间接加热方式
可以在集热模块1、承压集热水箱2及循环管路16中注满软化水或其他热媒，将其作为热源，通过间接加热方式加热水，以保证集热器内部不结垢。
图2，此系统与附图1的区别是：将承压集热水箱2换为了常压集热水箱3，在常压集热水箱3中设置了盘管换热器4，集热模块1通过分水器6、集水器7、集热循环水泵15及循环管路16与盘管换热器4连接， 这样就仍可以保证集热循环管路为闭式承压系统。
图3，此系统与附图1的区别是：将承压集热水箱2换为了常压集热水箱3，在常压集热水箱3旁设置了板式换热器5，集热模块1通过分水器6、集水器7、集热循环水泵15及循环管路16与盘管换热器4连接，这样就仍可以保证集热循环管路为闭式承压系统。
3.3 与常压集热式太阳能热水系统的比较
常压集热式太阳能热水系统的集热效率ηcd一般为45%左右，而承压式太阳能热水系统的集热效率ηcd可达到55%以上。有效减少了太阳能辅助加热系统的能源消耗，节能效果显著，比常压式太阳能热水供应系统更节能，更环保。
目前，承压式太阳能热水系统因所使用的集热水箱及配套的附属设备需较大的前期投资，投资回收期约需6～8年，常压式太阳能热水系统投资回收期约需3～5年，且因目前市场上太阳能承压热水系统的配套产品不完善，导致太阳能承压热水系统只是应用于别墅等单体建筑热水系统，在集中供热太阳能热水系统中运用较少。
4 结论与建议
随着我国国民经济发展和人民生活水平的提高，人们对生活环境的舒适程度要求越来越高，以及国家对环境保护的要求日趋完善，今后太阳能集中热水供应系统会越来越广泛的应用于集中热水供应系统中。而常压式太阳能热水系统，集热效率低于承压式太阳能热水系统，其辅助加热系统消耗的常规能源（如：电能、燃煤、燃油等）较多，从长远看，其经济和环保效益不及承压式太阳能热水系统。
随着我国太阳能产品的不断发展和完善，承压式太阳能热水系统的相关产品也会日益完善，成本将会有所降低，初期投资成本也会减少，必然会在工程中得到广泛的应用。