自然循環(huán)式太陽熱水系統(tǒng)是我國(guó)和發(fā)展中國(guó)家應(yīng)用得多，也是全球?yàn)槠占暗奶柲軣崂眉夹g(shù)產(chǎn)品之一。這種系統(tǒng)利用流體(水)作為載熱介質(zhì)，當(dāng)流體受熱后，溫度升高、比重變輕，密度變小，自動(dòng)產(chǎn)生熱虹吸對(duì)流循環(huán)換熱的物理現(xiàn)象并以此作為循環(huán)動(dòng)力，來進(jìn)行太陽能光一熱轉(zhuǎn)換，獲取太陽輻射熱。這種系統(tǒng)只需滿足一個(gè)前提條件，即系統(tǒng)只要配備一支高位，并有利于溫度分層的保溫循環(huán)儲(chǔ)熱水箱及連接集熱器和儲(chǔ)熱水器之間的循環(huán)管道，并確保整個(gè)系統(tǒng)處于與大氣連通的開放狀態(tài)，就能確保熱虹吸對(duì)流循環(huán)換熱現(xiàn)象的自然發(fā)生和有效運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖3.11所示裝置就為一臺(tái)典型的自然循環(huán)太陽熱水系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一般由一塊(組)太陽能平板集熱器，一支高位保溫循環(huán)儲(chǔ)熱水箱，一套浮球閥控制補(bǔ)給水箱和相應(yīng)的腳架系統(tǒng)(含集熱器腳架和保溫水箱腳架)等四大總成部件組成。在保溫循環(huán)儲(chǔ)熱水箱上，一般還應(yīng)開有冷水人水孔、熱水出水孔，上循環(huán)孔、下循環(huán)孔，排污孔、放氣孔、溢流孔等7個(gè)管接頭的孔位。太陽能平板集熱器通過上循環(huán)管和下循環(huán)管，與保溫循環(huán)儲(chǔ)熱水箱實(shí)現(xiàn)雙方的對(duì)角循環(huán)回路連接。
3.11
自然循環(huán)式太陽熱水系統(tǒng)，除需設(shè)置一個(gè)浮球閥補(bǔ)給水箱控制水位之外，不再需要其他更多的干預(yù)措施，也不消耗任何輔助能源。系統(tǒng)在接通冷、熱水管后，就能長(zhǎng)期穩(wěn)定地自動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，太陽能光一熱交換效率也遠(yuǎn)比悶曬式系統(tǒng)要高得多。在20世紀(jì)70年代我國(guó)成功開發(fā)出平板型自然循環(huán)太陽熱水系統(tǒng)。特別在1980年5月日北京天文館舉辦的首屆''全國(guó)太陽能利用技術(shù)展覽會(huì)。上，全國(guó)各地一下子推出了上百臺(tái)套形形色色的公共浴室自然循環(huán)太陽熱水系統(tǒng)后，用太陽能熱水器解決當(dāng)年在我國(guó)尚屬稀缺資源的公共沐浴室熱水供應(yīng)難題，曾引起全國(guó)各族人民的期盼與共鳴。事實(shí)上，改革開放以來，我國(guó)民眾居住的生活條件得到了很大改善。從80年代開始自然循環(huán)太陽能熱水器逐步成為中國(guó)家庭生活熱水的主要熱利用設(shè)備，若干年后，在我國(guó)真空管得到大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用之后，更強(qiáng)化了太陽能自然循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用比例。其間的變化是，原有的圓臥水箱加平板型熱水器所使用的平板，被更多的斜向上直插進(jìn)入水箱的真空管集熱器所替代。
自然循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行溫差對(duì)流換熱的動(dòng)力，來自處于連通容器中的冷、熱載熱介質(zhì)流體比重的大小。由于連通容器兩端受熱不均，造成流體分子之間的溫差，而不同溫度的比重，又導(dǎo)致不同熱虹吸壓力頭的出現(xiàn)。在自然循環(huán)系統(tǒng)中，系統(tǒng)獲得的熱虹吸作用力可由下式求得
:
HT=h*(r2-r1)【注：云南太陽能昆明太陽能廠家、大多數(shù)太陽能熱水工程系統(tǒng)都按照這個(gè)公式來設(shè)計(jì)太陽能熱水工程原理圖】(3.4.1)
HT ：代表熱虹吸壓力（kg/m3）；
h ：代表平均高差（m），即集熱器中心線到保溫儲(chǔ)存循環(huán)水箱中心線之間的差值；
r2: ：冷水的比重（kg/m3）；
r1 ：熱水的比重kg/m3）；
3.12
顯然，當(dāng)δr= r2-r1，溫差恒定時(shí)，熱虹吸壓力頭Ht取決于h值的大小。只有當(dāng)H,值大到足以克服系統(tǒng)總水頭損失時(shí)，自然循環(huán)或者說熱虹吸現(xiàn)象才會(huì)發(fā)生。換句話說，自然循環(huán)系統(tǒng)能否運(yùn)行起來，取決于傳熱介質(zhì)流體可能實(shí)現(xiàn)和得以維持的小溫差、水箱與集熱器之1司的平均高差、系統(tǒng)循環(huán)管道水阻的大小，以及系統(tǒng)整體保溫效果的好壞等客觀影響因素。
至于云南太陽能中的很多昆明太陽能廠家采用的自然循環(huán)原理都是將光能轉(zhuǎn)化為熱能，因此可以推算出熱轉(zhuǎn)化效率（η），具體公式如下：
η=【G*(T1-T2)÷A*I】*；(3.4.2)
η：表示熱轉(zhuǎn)化效率；
T2：系統(tǒng)日落時(shí)水箱所得的平均溫度；
T1：系統(tǒng)日出時(shí)水箱容水的平均溫度；
A：即熱的有效面積；
I：日出輻射總量；
根據(jù)(3.4.1)及(3.4.2)兩式，我們可以得出一些在設(shè)計(jì)建造自然循環(huán)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)單一的自然循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)不宜搞得太大，裸露在外的上、下循環(huán)管道要越短越好。在其他因素不變的情況下，過于龐大的系統(tǒng)象征著需要設(shè)置更高和容積更大的保溫循環(huán)儲(chǔ)熱水箱，更大的集熱器陣列和更為復(fù)雜的循環(huán)管網(wǎng)系統(tǒng)。根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般的自然循環(huán)共用熱水系統(tǒng)，其集熱器面積應(yīng)控制在40m 2以內(nèi)，水箱總?cè)莘e3t左右較為合理。集熱器盡量采用并聯(lián)方式可有效降低沿程水阻，但每排并聯(lián)集熱器組應(yīng)控制在不超過5～6塊平板集熱器為宜，因?yàn)檫^多的并聯(lián)組合會(huì)使得處于并聯(lián)中間地段的集熱器發(fā)生流量不均、水阻不平衡的高溫現(xiàn)象，從而影響了整個(gè)熱水系統(tǒng)的熱水產(chǎn)量和系統(tǒng)熱循環(huán)效率的提高。
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