太阳能光热技术及建筑一体化太阳能光热系统

刘 余 徐伟巍

1河南四建股份有限公司（475000） 2上海安智电气发展有限公司（201615）

随着人类生产方式的转变和生活水平的提高，对能源的需求不断加大，鉴于常规能源供给的有限性，同时基于保护环境与可持续发展的要求，世界范围内掀起了开发利用新能源的热潮。目前节能减排已经深入人心，世界各国都在加快新能源利用的研究，太阳能的利用是最理想和最直接的，太阳能光热技术相对成熟，并且从成本上可以达到商品化的程度，因此太阳能集热器的建材化生产，建筑一体化太阳能光热系统的应用是未来节能建筑的发展方向。

1 太阳能的概念及利用概述

太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，太阳能是一种可再生能源，广义上的太阳能是地球上绝大部分能量的来源，如风能、生物质能、潮汐能、水能等等。太阳对地球的年辐射总量约为5.4×1 024 J,如果其中的万分之一能够被人类利用，折合到每人为 9×1 010 J（相当于 25 000 kW·h），这足以满足一个人一年日常的能源需求。然而，一方面我们在白白地浪费这种取之不尽、用之不竭的洁净能源，另一方面，我们又在不停地燃烧有限的、具有污染的矿物质能源。很显然，我们缺少的不是能源，而是能源利用的技术。

太阳能的利用大致可分为光-热利用、光-电利用、光-光利用、光-化学利用、光-生物利用五类。在五类太阳能利用方式中，光-热转换的技术最成熟，产品也最多，成本相对较低。如：太阳能热水器、干燥器、太阳灶、太阳能采暖和太阳能制冷等。太阳能光热发电比光伏发电的转化效率高，但应用还不普遍。在光热转换中，当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能热水器的应用。

2 太阳能热水器

2.1 真空管太阳能热水器

图1所示为典型的玻璃真空管太阳能热水器的结构图。真空管是太阳能热水器的核心，它的结构如同一个拉长的暖瓶胆,真空管分为内外两层，内外层之间为真空，真空层减少了热传导，在内玻璃管的外表面上涂有光谱选择性吸收涂层，用来最大限度地吸收太阳辐射热，在内玻璃管的内壁涂覆有水银涂层，有效减少对外的热辐射。经阳光照射，光子撞击涂层，太阳能转化成热能，水从涂层外吸热，水温升高，密度减小，热水向上运动，而密度大的冷水下降，形成了自然的对流。热水始终位于上部，结构简单。

2.1.1 真空管太阳能热水器的优点

1）由于真空玻璃管是圆形的，具有对太阳光源自然跟踪的特点，再加上反光板的反射，使玻璃管四面受光面面俱到，集热时间更长，水温更高，即使高寒地区一年四季也可正常运行；2）结构简单,利用水的自然对流将保温箱内的水加热，不需要配置循环泵；3）水和发热体直接接触，效率高。

2.1.2 真空管太阳能热水器的缺点

1）保温水箱和真空管不能分开布置；2）系统不能承压；3）玻璃真空管和保温水箱靠硅胶密封,容易老化失效；4）多根真空管和保温水箱连通，有一个玻璃真空管破损就会导致整个系统漏水失效；5）在极端天气条件下真空管内可能结冰，导致真空管破裂；6）热水器必须安装在房顶，破坏了建筑的整体美观；7）因热水压力是靠水的重力，冷水压力是管网的压力，管网压力的波动会导致在用水时出现忽冷忽热的现象。

针对玻璃真空管这些缺点，热管真空管可以很好地解决玻璃真空管不能承压、真空管和水箱不能分离和玻璃真空管内部可能结冰的问题。

2.2 热管真空管太阳能热水器

2.2.1 热管真空管原理

热管真空管的传热原理如图2、内部结构如图3所示。太阳光透过玻璃管照射在吸热体上，太阳选择性吸收膜将太阳辐射能转化为热能。吸热体吸收的热量迅速将热管内少量工质汽化，并迅速上升到冷凝端，放出汽化潜热后冷凝成液体，在重力作用下流回热管底部蒸发端。利用热管内少量工质的汽-液相变循环过程可连续地将吸收的太阳能热量传递到冷凝端（顶端）对水进行加热。为使热管内冷凝后的液体工质流回蒸发端（底部），热管真空管工作时与地面的倾角应大于10°。

2.2.2 热管真空管集热器

每支热管中的蒸汽在冷凝端液化放热，把热量传导给导热套管，再传递给集管，不断加热集管中的循环水。

每支热管中的蒸汽在冷凝端液化放热，把热量传导给导热套管，再传递给集管，不断加热集管中的循环水。真空管的冷凝端与导热块刚性连接，被加热水不流经玻璃真空管,因此安装十分简单，即使其中的一支或几支真空管发生损坏，集热器也并不会中断工作。热管传递热量是单向的，热量只能从热管传导给集管而不能反向传递，只要做好集管的保温而不用考虑玻璃真空管，很好地解决了在严寒的北方玻璃真空管的结冰问题。热管和导热套管刚性连接，很好地解决了密封问题，不会出现有机密封材料的老化现象，更加可靠。循环水通过金属集管流动，可以承受较大的压力。热管真空管集热器既可以作为普通的太阳能热水器的集热器使用也可作为阳台壁挂式热水器的集热器使用，特别适合在北方寒冷地区使用。

3 建筑一体化太阳能光热系统

3.1 热管真空管太阳能热水系统

常规的太阳能光热设备通常是在房屋建造好以后，再钻孔打膨胀螺丝，钢丝拉固将太阳能光热装置固定在房顶上,不仅破坏了建筑的整体美，而且难以解决抗风、防冻、安全保护等一系列问题，同时漏水、管道布设困难、破坏建筑防水层等一系列问题也时有发生，这些难以克服的种种弊端严重制约了太阳能光热设备的普及应用。一些城市的新建住宅小区，为了防止安装常规的太阳能热水器破坏建筑的整体美和损坏房顶的防水层，禁止小区的住户安装太阳能热水器。

热管真空管太阳能热水系统如图5所示，由储热水箱、热管真空管集热器组、循环泵、辅助电加热器和控制系统等组成。热管真空管集热器吸收太阳辐射将水加热，循环泵将储水箱中的低温水输入集热器进行循环加热。循环泵的工作由光控仪（光敏探头）控制，当太阳辐照度达不到设定值时，循环泵不工作；如当全天达不到设定辐照度时，也可由辅助加热装置进行加热，电加热可以手动选择，也可设定成自动运行模式，保证在想用热水时都有热水供应。

热管真空管集热器可以放在房顶，也可安装在阳台上,在建筑设计时就考虑在阳台外做好支架，将集热器固定在支架上即可。阳台壁挂式集热器不破坏建筑的整体外观,与建筑有机地结合在了一起，使该系统成为建筑整体的一部分，解决了太阳能光热利用方面的种种弊端。

3.2 平板太阳能光热系统

平板太阳能集热器是太阳能集热器中的一种类型，如图6所示，由吸收体、铝合金边框、钢化玻璃透明盖板、保温材料及有关零部件组成。在加接循环管道，保温水箱后，即成为类似图5所示的太阳能光热系统。

平板太阳能集热器的工作原理十分简单，阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上，其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收，转变为热能，并传向流体通道中的工质。这样，从集热器底部入口的冷工质,在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后的热工质，带着有用的热能从集热器的上端出口，蓄入储热水箱中，即为有用能量。与此同时，由于吸热体温度升高，通过透明盖板和外壳向环境散失热量，构成平板太阳集热器的各种热损失。这就是平板太阳集热器的基本工作过程。太阳能集热板所用的集热膜主要有∶1）阳极氧化，最便宜；2）电镀黑铬，便宜；3）磁控溅射真空镀蓝膜，效果好，价格较贵。玻璃一般采用3.2 mm布纹钢化玻璃，保温层采用酚醛保温板较好。

平板型太阳能集热器结构简单、运行可靠、成本低廉、热流密度较低，即工质的温度也较低，安全可靠，与真空管太阳能集热器相比，它具有承压能力强、吸热面积大、热效率高等特点，是太阳能与建筑一体结合最佳选择的集热器类型之一。真空管在北方天气较冷地区使用为宜，广东基本采用平板型集热器。

太阳能光热技术发展至今，已日趋成熟。世界各国都寻求将太阳能与建筑密切结合，不断完善外形美观、布局合理的太阳能与建筑一体化的设计思路。建筑一体化太阳能光热系统将在建筑节能中发挥越来越大的作用,会得到越来越多人的认可,具有很好的发展前景。我们相信，人类将走向太阳能时代。