太陽能光熱技術(shù)及建筑一體化太陽能光熱系統(tǒng)

劉 余 徐偉巍

1河南四建股份有限公司（475000） 2上海安智電氣發(fā)展有限公司（201615）

隨著人類生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變和生活水平的提高，對能源的需求不斷加大，鑒于常規(guī)能源供給的有限性，同時基于保護環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的要求，世界范圍內(nèi)掀起了開發(fā)利用新能源的熱潮。目前節(jié)能減排已經(jīng)深入人心，世界各國都在加快新能源利用的研究，太陽能的利用是最理想和最直接的，太陽能光熱技術(shù)相對成熟，并且從成本上可以達到商品化的程度，因此太陽能集熱器的建材化生產(chǎn)，建筑一體化太陽能光熱系統(tǒng)的應(yīng)用是未來節(jié)能建筑的發(fā)展方向。

1 太陽能的概念及利用概述

太陽能（Solar Energy），一般是指太陽光的輻射能量，太陽能是一種可再生能源，廣義上的太陽能是地球上絕大部分能量的來源，如風能、生物質(zhì)能、潮汐能、水能等等。太陽對地球的年輻射總量約為5.4×1 024 J,如果其中的萬分之一能夠被人類利用，折合到每人為 9×1 010 J（相當于 25 000 kW·h），這足以滿足一個人一年日常的能源需求。然而，一方面我們在白白地浪費這種取之不盡、用之不竭的潔凈能源，另一方面，我們又在不停地燃燒有限的、具有污染的礦物質(zhì)能源。很顯然，我們?nèi)鄙俚牟皇悄茉?，而是能源利用的技術(shù)。

太陽能的利用大致可分為光-熱利用、光-電利用、光-光利用、光-化學利用、光-生物利用五類。在五類太陽能利用方式中，光-熱轉(zhuǎn)換的技術(shù)最成熟，產(chǎn)品也最多，成本相對較低。如：太陽能熱水器、干燥器、太陽灶、太陽能采暖和太陽能制冷等。太陽能光熱發(fā)電比光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)化效率高，但應(yīng)用還不普遍。在光熱轉(zhuǎn)換中，當前應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)最成熟、經(jīng)濟性最好的是太陽能熱水器的應(yīng)用。

2 太陽能熱水器

2.1 真空管太陽能熱水器

圖1所示為典型的玻璃真空管太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)圖。真空管是太陽能熱水器的核心，它的結(jié)構(gòu)如同一個拉長的暖瓶膽,真空管分為內(nèi)外兩層，內(nèi)外層之間為真空，真空層減少了熱傳導(dǎo)，在內(nèi)玻璃管的外表面上涂有光譜選擇性吸收涂層，用來最大限度地吸收太陽輻射熱，在內(nèi)玻璃管的內(nèi)壁涂覆有水銀涂層，有效減少對外的熱輻射。經(jīng)陽光照射，光子撞擊涂層，太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，水從涂層外吸熱，水溫升高，密度減小，熱水向上運動，而密度大的冷水下降，形成了自然的對流。熱水始終位于上部，結(jié)構(gòu)簡單。

2.1.1 真空管太陽能熱水器的優(yōu)點

1）由于真空玻璃管是圓形的，具有對太陽光源自然跟蹤的特點，再加上反光板的反射，使玻璃管四面受光面面俱到，集熱時間更長，水溫更高，即使高寒地區(qū)一年四季也可正常運行；2）結(jié)構(gòu)簡單,利用水的自然對流將保溫箱內(nèi)的水加熱，不需要配置循環(huán)泵；3）水和發(fā)熱體直接接觸，效率高。

2.1.2 真空管太陽能熱水器的缺點

1）保溫水箱和真空管不能分開布置；2）系統(tǒng)不能承壓；3）玻璃真空管和保溫水箱靠硅膠密封,容易老化失效；4）多根真空管和保溫水箱連通，有一個玻璃真空管破損就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)漏水失效；5）在極端天氣條件下真空管內(nèi)可能結(jié)冰，導(dǎo)致真空管破裂；6）熱水器必須安裝在房頂，破壞了建筑的整體美觀；7）因熱水壓力是靠水的重力，冷水壓力是管網(wǎng)的壓力，管網(wǎng)壓力的波動會導(dǎo)致在用水時出現(xiàn)忽冷忽熱的現(xiàn)象。

針對玻璃真空管這些缺點，熱管真空管可以很好地解決玻璃真空管不能承壓、真空管和水箱不能分離和玻璃真空管內(nèi)部可能結(jié)冰的問題。

2.2 熱管真空管太陽能熱水器

2.2.1 熱管真空管原理

熱管真空管的傳熱原理如圖2、內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。太陽光透過玻璃管照射在吸熱體上，太陽選擇性吸收膜將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能。吸熱體吸收的熱量迅速將熱管內(nèi)少量工質(zhì)汽化，并迅速上升到冷凝端，放出汽化潛熱后冷凝成液體，在重力作用下流回熱管底部蒸發(fā)端。利用熱管內(nèi)少量工質(zhì)的汽-液相變循環(huán)過程可連續(xù)地將吸收的太陽能熱量傳遞到冷凝端（頂端）對水進行加熱。為使熱管內(nèi)冷凝后的液體工質(zhì)流回蒸發(fā)端（底部），熱管真空管工作時與地面的傾角應(yīng)大于10°。

2.2.2 熱管真空管集熱器

每支熱管中的蒸汽在冷凝端液化放熱，把熱量傳導(dǎo)給導(dǎo)熱套管，再傳遞給集管，不斷加熱集管中的循環(huán)水。

每支熱管中的蒸汽在冷凝端液化放熱，把熱量傳導(dǎo)給導(dǎo)熱套管，再傳遞給集管，不斷加熱集管中的循環(huán)水。真空管的冷凝端與導(dǎo)熱塊剛性連接，被加熱水不流經(jīng)玻璃真空管,因此安裝十分簡單，即使其中的一支或幾支真空管發(fā)生損壞，集熱器也并不會中斷工作。熱管傳遞熱量是單向的，熱量只能從熱管傳導(dǎo)給集管而不能反向傳遞，只要做好集管的保溫而不用考慮玻璃真空管，很好地解決了在嚴寒的北方玻璃真空管的結(jié)冰問題。熱管和導(dǎo)熱套管剛性連接，很好地解決了密封問題，不會出現(xiàn)有機密封材料的老化現(xiàn)象，更加可靠。循環(huán)水通過金屬集管流動，可以承受較大的壓力。熱管真空管集熱器既可以作為普通的太陽能熱水器的集熱器使用也可作為陽臺壁掛式熱水器的集熱器使用，特別適合在北方寒冷地區(qū)使用。

3 建筑一體化太陽能光熱系統(tǒng)

3.1 熱管真空管太陽能熱水系統(tǒng)

常規(guī)的太陽能光熱設(shè)備通常是在房屋建造好以后，再鉆孔打膨脹螺絲，鋼絲拉固將太陽能光熱裝置固定在房頂上,不僅破壞了建筑的整體美，而且難以解決抗風、防凍、安全保護等一系列問題，同時漏水、管道布設(shè)困難、破壞建筑防水層等一系列問題也時有發(fā)生，這些難以克服的種種弊端嚴重制約了太陽能光熱設(shè)備的普及應(yīng)用。一些城市的新建住宅小區(qū)，為了防止安裝常規(guī)的太陽能熱水器破壞建筑的整體美和損壞房頂?shù)姆浪畬?，禁止小區(qū)的住戶安裝太陽能熱水器。

熱管真空管太陽能熱水系統(tǒng)如圖5所示，由儲熱水箱、熱管真空管集熱器組、循環(huán)泵、輔助電加熱器和控制系統(tǒng)等組成。熱管真空管集熱器吸收太陽輻射將水加熱，循環(huán)泵將儲水箱中的低溫水輸入集熱器進行循環(huán)加熱。循環(huán)泵的工作由光控儀（光敏探頭）控制，當太陽輻照度達不到設(shè)定值時，循環(huán)泵不工作；如當全天達不到設(shè)定輻照度時，也可由輔助加熱裝置進行加熱，電加熱可以手動選擇，也可設(shè)定成自動運行模式，保證在想用熱水時都有熱水供應(yīng)。

熱管真空管集熱器可以放在房頂，也可安裝在陽臺上,在建筑設(shè)計時就考慮在陽臺外做好支架，將集熱器固定在支架上即可。陽臺壁掛式集熱器不破壞建筑的整體外觀,與建筑有機地結(jié)合在了一起，使該系統(tǒng)成為建筑整體的一部分，解決了太陽能光熱利用方面的種種弊端。

3.2 平板太陽能光熱系統(tǒng)

平板太陽能集熱器是太陽能集熱器中的一種類型，如圖6所示，由吸收體、鋁合金邊框、鋼化玻璃透明蓋板、保溫材料及有關(guān)零部件組成。在加接循環(huán)管道，保溫水箱后，即成為類似圖5所示的太陽能光熱系統(tǒng)。

平板太陽能集熱器的工作原理十分簡單，陽光透過透明蓋板照射到表面涂有吸收層的吸熱體上，其中大部分太陽輻射能為吸收體所吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并傳向流體通道中的工質(zhì)。這樣，從集熱器底部入口的冷工質(zhì),在流體通道中被太陽能所加熱，溫度逐漸升高，加熱后的熱工質(zhì)，帶著有用的熱能從集熱器的上端出口，蓄入儲熱水箱中，即為有用能量。與此同時，由于吸熱體溫度升高，通過透明蓋板和外殼向環(huán)境散失熱量，構(gòu)成平板太陽集熱器的各種熱損失。這就是平板太陽集熱器的基本工作過程。太陽能集熱板所用的集熱膜主要有∶1）陽極氧化，最便宜；2）電鍍黑鉻，便宜；3）磁控濺射真空鍍藍膜，效果好，價格較貴。玻璃一般采用3.2 mm布紋鋼化玻璃，保溫層采用酚醛保溫板較好。

平板型太陽能集熱器結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、成本低廉、熱流密度較低，即工質(zhì)的溫度也較低，安全可靠，與真空管太陽能集熱器相比，它具有承壓能力強、吸熱面積大、熱效率高等特點，是太陽能與建筑一體結(jié)合最佳選擇的集熱器類型之一。真空管在北方天氣較冷地區(qū)使用為宜，廣東基本采用平板型集熱器。

太陽能光熱技術(shù)發(fā)展至今，已日趨成熟。世界各國都尋求將太陽能與建筑密切結(jié)合，不斷完善外形美觀、布局合理的太陽能與建筑一體化的設(shè)計思路。建筑一體化太陽能光熱系統(tǒng)將在建筑節(jié)能中發(fā)揮越來越大的作用,會得到越來越多人的認可,具有很好的發(fā)展前景。我們相信，人類將走向太陽能時代。