黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统的应用研究

修大鹏，曹树梁，许建华，蔡斌，王启春，杨玉国

(山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014)

地球上的化石能源将在今后100年内消耗殆尽，能源等问题的严重性和紧迫性已经达到在几十年内开始直接威胁到人类文明延续和生存的程度［1］。在此背景下，全世界都在迫切寻找一种可再生能源来替代常规能源，除核能和地热能外，地球上的其他能源，包括常规能源都来自太阳能，太阳能是新能源的最大希望［2］。

由于人口总量和能源结构对环境的影响等因素，我国的能源和环境问题比其他国家更加严重［3］。近十年以来，太阳能热利用行业在我国得到了很大发展，主要有玻璃真空管太阳能集热器和铜管板式太阳能集热器两种，2008年仅太阳能热水器就形成了年产约2800万平方米、产值380亿元左右的市场［4］。2006年国家标准［5］提出太阳能热水系统必须与建筑一体化，使太阳能热水系统与建筑有机结合，成为建筑的一部分。太阳能热水系统与建筑一体化主要体现在建筑物房顶和南墙面上，与建筑共用结构层、保温层、防水层，即房顶集热系统和阳台集热系统。我国建筑的平均寿命大于50年，而现有两种太阳能装置由于存在种种缺点，其寿命不足15年，并且受结构、材料、成本等因素影响无法真正实现与建筑一体化［6］。

1 陶瓷太阳板生产工艺流程及性能

要真正实现太阳能热水系统与建筑一体化，与建筑同寿命，必须研究并寻找一种全新的低成本、长寿命、高效率的太阳能集热体，并且彻底改变现有太阳能热水系统的集热器、贮水箱、配件、附件等的材料和结构［7］。为解决上述问题，山东省科学院新材料研究所研究员曹树梁及其无机材料研究室经过六年的努力，成功研发了一种新型高效平板太阳能集热体——黑瓷复合陶瓷太阳板［8］。本文对黑瓷复合陶瓷太阳板(简称陶瓷太阳板)的生产工艺、性能及与建筑一体化集热系统的结构、运行原理等进行了实验测试和分析研究。

陶瓷太阳板是以普通瓷土为原料配制泥浆注浆成型为瓷质通孔扁盒结构素坯，表面基体上喷涂以工业废弃物——提钒尾渣为主要原料调配的200目钒钛黑瓷泥浆层，由连续辊道窑经1200℃烧制，成为基体是普通陶瓷，表面是立体网状黑瓷阳光吸收层的复合陶瓷制品，其外形及截面示意图如图1所示。

陶瓷太阳板具体的生产工艺流程见图2。

历经六年的研发，陶瓷太阳板由最初的300mm×300mm发展到现在的1000mm×1000mm，共更新了五代产品，其发展历程如图3所示。

图1 陶瓷太阳板外形及截面示意图Fig.1 Illustration of outline and section of a ceramic solar plate

以普通陶瓷为基体，黑瓷为表面层，没有白度要求的普通陶瓷是已知成本最低、寿命最长、性能最稳定的工程材料之一，以工业废弃物提钒尾渣为主要原料的钒钛黑瓷是成本最低、寿命最长、性能最稳定的太阳能吸收材料。陶瓷太阳板具有瓷质材料通性，强度大、硬度高、热稳定性好，不腐蚀、不老化、不褪色，无毒无害、无放射性，吸水率＜0.3%，表面阳光吸收比0.95，并且阳光吸收率不随时间衰减，具有与建筑物相同的使用寿命。陶瓷太阳板与传统集热体性能对比如表1所示。

表1 陶瓷太阳板与传统集热体的主要性能对比Table 1 Performance comparisons of a ceramic solar plate and a traditional heating body

2 陶瓷太阳板房顶集热系统的结构组成及构建过程

陶瓷太阳板集热系统与建筑一体化共有两种构筑模式，一是与建筑一体化的房顶集热系统;二是与建筑一体化的阳台集热系统。陶瓷太阳板是该两种集热系统的核心部件，本文主要介绍房顶集热系统的构成。

2.1 陶瓷太阳板房顶集热系统的结构组成

图4 台阶状水泥条或型材条结构图Fig.4 Structure illustration of bench-shaped cement or profiles

普通建筑房顶主要由平房顶、人字形房顶和一面坡斜房顶三种形式，一般由100mm厚混凝土结构层、200mm厚珍珠岩轻质水泥保温层、50mm厚水泥层和各种防水层组成。在人字形房顶和一面坡房顶南斜面结构层上固定水泥条或彩钢板型材条，其纵剖面为台阶状，以支撑陶瓷太阳板和玻璃板，可以将其直接改造为陶瓷太阳板集热房顶，台阶状水泥条或型材条结构尺寸如图4所示，而平房顶需要改造为具有一定倾斜角度的斜房顶，具体斜度需根据当地纬度确定。

以平房顶为例，将其改造为具有一定斜度的南向斜房顶，其结构剖面如图5所示。陶瓷太阳板下面覆盖100mm厚玻璃纤维棉为保温层、上面采用阳光透过率0.91以上的4 mm钢化玻璃为隔热透明盖板。钢化玻璃板可同时起到房顶防水层的作用，玻璃纤维棉可同时起到房顶保温层的作用，从而实现陶瓷太阳板集热系统与建筑房顶共用结构层、防水层和保温层。与原房顶相比，减少了水泥层，增加了水泥条或彩钢板型材条、陶瓷太阳板、循环管、储热水箱等，即把普通房顶改造成为与建筑一体化的陶瓷太阳能房顶，其隔热、保温效果优于普通房顶。与建筑一体化陶瓷太阳板房顶集热系统，其结构如图6所示。

2.2 陶瓷太阳板房顶集热系统的构建过程

以山东天虹弧板有限公司的陶瓷太阳能集热实验系统为例介绍其构建过程。将一平地假设为平房顶，然后在其上建倾斜度为35°的混凝土一面坡房顶，面积约40m2，台阶状的水泥条或型材条共有四种构建方法，如图7-1所示。由于没有紫外线照射，在混凝土平板结构层上铺贴低值油毛毡防水层，上面铺100mm厚玻璃纤维棉为保温层，如图7-2所示。然后再在玻璃纤维棉上铺贴低值油毛毡防水层，与台阶面贴合，将陶瓷太阳板安装在台阶条的台阶面上，将玻璃棉压实，板与板之间用硅橡胶管和钢丝管箍连接，用不锈钢S钩固定4 mm钢化玻璃板，如图7-3所示。建造的陶瓷太阳板集热系统如图7-4所示。

图7 陶瓷太阳板集热系统的构建过程Fig.7 Construction process of a ceramic solar plate heating system

3 陶瓷太阳板集热系统建筑实例及实验数据分析

目前陶瓷太阳板已经实现产业化，并在几十栋建筑上成功应用。为了对该集热系统的集热效率进行研究，本文以山东省科学院新材料所无机材料车间房顶上建造的彩钢板陶瓷太阳板集热系统为例，与真空玻璃管集热器进行实验数据对比研究。房顶的实物照片如图8所示。

该车间黑瓷复合陶瓷太阳能房顶倾角12.5°，面积120m2，共28列，采用0.5 mm彩钢板型材条支撑陶瓷太阳板和玻璃板，陶瓷太阳板下面以玻璃棉为保温层、上面以4 mm钢化玻璃为隔热透明盖板。陶瓷太阳板是通孔扁盒结构的高效平板太阳能集热体，为提高防冻、减少热损失的可靠性，本系统采用温差循环的方式来代替自然循环方式，即将储热水箱放在集热系统下方，循环系统中可以不安装任何阀门，当集热器温度高于水箱温度A℃时水泵启动，高于B℃时水泵停止运行(A＞B)。其运行原理如图9所示。

为了研究方便，通过关闭部分球阀将该房顶划分为单列陶瓷房顶和四列陶瓷房顶两个独立系统，与真空玻璃管热水器进行对比实验，其技术参数对比如表2所示。

国家标准要求日阳光累计辐射量为17 MJ/m2时，对于直接系统日有用得热量q17≥7.0mJ/m2，对于间接系统日有用得热量q17≥6.3 MJ/m2。在2010年10月3日，对该房顶集热系统和真空管热水器热效率进行了8 h连续测量，测量时间段8∶00～16∶00，测定当日阳光累计辐射量为16.7 MJ/m2。

表2 三种集热系统的技术参数对比Table 2 Technical parameter comparisons of three heating system

图10 三种集热系统水温8 h的温度变化曲线Fig.10 Temperature curve of three heating systems within 8 hours

图10为三种集热系统在该日的水温温度变化曲线。从曲线图中可以得到三种系统储热水箱水温的8 h温升值分别为29℃、38℃和25℃，通过计算公式Q(热量)=C(水的比热容)×M(质量)×Δ(温升)可以分别计算出日有用得热量分别为 8.88mJ/m2、8.68mJ/m2和 6.9 MJ/m2，热效率分别为 53.2%、51.0% 和41.3%，由此可以得出陶瓷太阳能集热系统的日有用得热量为8.6 MJ/m2以上。国家标准为7.0mJ/m2，真空玻璃管的日有用得热量约等于7.0mJ/m2。

4 结论

(1)陶瓷太阳板是通孔扁盒结构的高效平板太阳能集热体，吸水率＜0.3%，表面阳光吸收比0.95，并且阳光吸收率不随时间衰减，具有与建筑物相同的使用寿命。

(2)陶瓷太阳板集热系统与建筑一体化共有两种构筑模式，一是房顶集热系统;二是阳台集热系统。陶瓷太阳板房顶集热系统与原房顶共用结构层、保温层、防水层，真正实现与建筑一体化，隔热、保温效果好于普通房顶，降低了太阳能的使用成本。

(3)通过建筑实例，将陶瓷太阳板房顶集热系统与真空玻璃管热水器进行对比实验，陶瓷太阳能房顶集热系统单位面积日得热量8.6 MJ以上，高于国家标准，且远高于真空玻璃管热水器。

［1］罗运俊，何梓年，王长贵.太阳能利用技术［M］.化学工业出版社，2005:25－30.

［2］王如竹，代彦军.太阳能制冷［M］.化学工业出版社，2006:123－136.

［3］刘时彬.地热资源及其开发利用和保护［M］.化学工业出版社，2005:89－102.

［4］王君一，徐任学.太阳能利用技术［M］.金盾出版社，2008:156－189.

［5］GB50364-2005，民用建筑太阳能热水系统应用技术规范［S］.

［6］TOMAS M，BORIVOJ S.Facade solar collectors［J］.Solar Energy，2006，80(11):1443 －1452.

［7］KREIDER J F，KEITH F.Solar heating and cooling:Active and passive design(Second Edition)［M］.New York:McGraw-Hill，1982.

［8］山东天虹弧板有限公司.复合陶瓷太阳板:中国，200910007128.X［P］.2009－07－15.