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自然循环太阳热水系统在我国使用得较为广泛，在相对于太阳能丰富的省份、地区，他更是作为一种主要的热水提供系统（太阳能热水工程、太阳能热水器等产品），也是全球最为普及的太阳能热利用技术产品之一。 太阳能热水工程自然循环系统是利用水这种自带流动性的流体作为承热介质，根据水的物理特性可知，水在受热之后，温度升高、比重变轻，密度变小，自动产生热虹吸的物理现象（虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成的,即利用水柱压力差,使水上升后再流到低处.由於管口水面承受不同的大气压力,水会由压力大的一边流向压力小的一边,直到两边的大气压力相等）并以此作为循环动力，来进行太阳能光一热转换，获取太阳辐射热。 太阳能热水工程自然循环系统只需满足一个条件就可以运行，即系统只要配备一支高位，并有利于温度分层的保温循环储热水箱及连接集热器和储热水器之间的循环管道，并确保整个系统处于与大气连通的开放状态，就能确保热虹吸对流循环换热现象的自然发生和有效运转。
图1 如图1所示的装置就为一台典型的自然循环太阳热水系统。这种系统一般由一组或多组太阳能平板集热器，配备高位保温循环储热水箱，利用浮球阀控制补给水箱和相应的脚架系统(含集热器脚架和保温水箱脚架)等四大总成部件组成。在保温循环储热水箱上，一般还应开有冷水人水孔、热水出水孔，上循环孔、下循环孔，排污孔、放气孔、溢流孔等7个管接头的孔位。太阳能平板集热器通过上循环管和下循环管，与保温循环储热水箱实现双方的对角循环回路连接。 太阳能热水工程自然循环系统，在接通冷、热水管后，就能长期安全稳定地自动运行，系统自动化程度较高，太阳能光热交换效率也远比闷晒式系统要高得多。自然循环系统进行温差对流换热的动力，来自处于连通容器中的冷、热载热介质流体比重的大小。由于连通容器两端受热不均，造成流体分子之间的温差，而不同温度的比重，又导致不同热虹吸压力头的出现。 因此在太阳能热水工程自然循环系统中，系统获得的热虹吸作用力需要运用公式计算而出，计算公式如下：
显然，当r2-r1等于温差恒定时，热虹吸压力头HT取决于h值的大小。只有当h值大到足以克服系统的水总量损失时，自然循环或者说热虹吸现象就会发生，也就是说太阳能热水工程自然循环系统能否运行起来，取决于传热介质流体可能实现和得以维持的最小温差、水箱与集热器之间的平均高差、系统循环管道水阻的大小，以及系统整体保温效果的好坏等客观影响因素。 因此可以推算出热转化效率（η），具体公式如下：
由以上两公式可我们可以得出一些在设计建造自然循环系统时应注意的事项单一的自然循环系统，系统组合结构不宜搞得太大，裸露在外的上、下循环管道要越短越好。在其他因素不变的情况下，过于庞大的系统象征着需要设置更高和容积更大的保温循环储热水箱，更大的集热器阵列和更为复杂的循环管网系统。 根据太阳能热水工程施工、设计的多年实践经验，一般的单组太阳能热水工程自然循环共用热水系统，其集热器面积应控制在40m 2以内，水箱总容积3吨t左右较为合理。集热器尽量采用并联方式可有效降低沿程水阻，但每排并联集热器组应控制在不超过5～6组为宜，因为过多的并联组合会使得处于并联中间地段的集热器发生流量不均、水阻不平衡的高温现象，从而影响了整个热水系统的热水产量和系统热循环效率的提高。 |
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