自然循環(huán)太陽(yáng)熱水系統(tǒng)在我國(guó)使用得較為廣泛，在相對(duì)于太陽(yáng)能豐富的省份、地區(qū)，他更是作為一種主要的熱水提供系統(tǒng)（太陽(yáng)能熱水工程、太陽(yáng)能熱水器等產(chǎn)品），也是全球最為普及的太陽(yáng)能熱利用技術(shù)產(chǎn)品之一。

太陽(yáng)能熱水工程自然循環(huán)系統(tǒng)是利用水這種自帶流動(dòng)性的流體作為承熱介質(zhì)，根據(jù)水的物理特性可知，水在受熱之后，溫度升高、比重變輕，密度變小，自動(dòng)產(chǎn)生熱虹吸的物理現(xiàn)象（虹吸現(xiàn)象是液態(tài)分子間引力與位能差所造成的,即利用水柱壓力差,使水上升后再流到低處.由於管口水面承受不同的大氣壓力,水會(huì)由壓力大的一邊流向壓力小的一邊,直到兩邊的大氣壓力相等）并以此作為循環(huán)動(dòng)力，來(lái)進(jìn)行太陽(yáng)能光一熱轉(zhuǎn)換，獲取太陽(yáng)輻射熱。

太陽(yáng)能熱水工程自然循環(huán)系統(tǒng)只需滿足一個(gè)條件就可以運(yùn)行，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(kāi)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1所示的裝置就為一臺(tái)典型的自然循環(huán)太陽(yáng)熱水系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一般由一組或多組太陽(yáng)能平板集熱器，配備高位保溫循環(huán)儲(chǔ)熱水箱，利用浮球閥控制補(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(kāi)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(yáng)能平板集熱器通過(guò)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。

太陽(yáng)能熱水工程自然循環(huán)系統(tǒng)，在接通冷、熱水管后，就能長(zhǎng)期安全穩(wěn)定地自動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，太陽(yáng)能光熱交換效率也遠(yuǎn)比悶曬式系統(tǒng)要高得多。自然循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行溫差對(duì)流換熱的動(dòng)力，來(lái)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)。

因此在太陽(yáng)能熱水工程自然循環(huán)系統(tǒng)中，系統(tǒng)獲得的熱虹吸作用力需要運(yùn)用公式計(jì)算而出，計(jì)算公式如下：

FT=h*(r2-r1)；

FT：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）；

【注：云南太陽(yáng)能昆明太陽(yáng)能廠家、大多數(shù)太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)都按照這個(gè)公式來(lái)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能熱水工程原理圖】

顯然，當(dāng)r2-r1等于溫差恒定時(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)的水總量損失時(shí)，自然循環(huán)或者說(shuō)熱虹吸現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生，也就是說(shuō)太陽(yáng)能熱水工程自然循環(huán)系統(tǒng)能否運(yùn)行起來(lái)，取決于傳熱介質(zhì)流體可能實(shí)現(xiàn)和得以維持的最小溫差、水箱與集熱器之間的平均高差、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。

因此可以推算出熱轉(zhuǎn)化效率（η），具體公式如下：

η=【FT*(T1-T2)÷S*I】*100%；

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；

S：即熱的有效面積；

I：日出輻射總量；

由以上兩公式可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(guò)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)太陽(yáng)能熱水工程施工、設(shè)計(jì)的多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般的單組太陽(yáng)能熱水工程自然循環(huán)共用熱水系統(tǒng)，其集熱器面積應(yīng)控制在40m 2以?xún)?nèi)，水箱總?cè)莘e3噸t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(guò)5～6組為宜，因?yàn)檫^(guò)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。