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(lèi)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變和生活水平的提高，對(duì)能源的需求不斷加大，鑒于常規(guī)能源供給的有限性，同時(shí)基于保護(hù)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的要求，世界范圍內(nèi)掀起了開(kāi)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(guó)都在加快新能源利用的研究，太陽(yáng)能的利用是最理想和最直接的，太陽(yáng)能光熱技術(shù)相對(duì)成熟，并且從成本上可以達(dá)到商品化的程度，因此太陽(yáng)能集熱器的建材化生產(chǎn)，建筑一體化太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)的應(yīng)用是未來(lái)節(jié)能建筑的發(fā)展方向。

1 太陽(yáng)能的概念及利用概述

太陽(yáng)能（Solar Energy），一般是指太陽(yáng)光的輻射能量，太陽(yáng)能是一種可再生能源，廣義上的太陽(yáng)能是地球上絕大部分能量的來(lái)源，如風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能、水能等等。太陽(yáng)對(duì)地球的年輻射總量約為5.4×1 024 J,如果其中的萬(wàn)分之一能夠被人類(lèi)利用，折合到每人為 9×1 010 J（相當(dāng)于 25 000 kW·h），這足以滿(mǎn)足一個(gè)人一年日常的能源需求。然而，一方面我們?cè)诎装椎乩速M(fèi)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(yáng)能的利用大致可分為光-熱利用、光-電利用、光-光利用、光-化學(xué)利用、光-生物利用五類(lèi)。在五類(lèi)太陽(yáng)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(duì)較低。如：太陽(yáng)能熱水器、干燥器、太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能采暖和太陽(yáng)能制冷等。太陽(yáng)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(dāng)前應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最好的是太陽(yáng)能熱水器的應(yīng)用。

2 太陽(yáng)能熱水器

2.1 真空管太陽(yáng)能熱水器

圖1所示為典型的玻璃真空管太陽(yáng)能熱水器的結(jié)構(gòu)圖。真空管是太陽(yáng)能熱水器的核心，它的結(jié)構(gòu)如同一個(gè)拉長(zhǎng)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(lái)最大限度地吸收太陽(yáng)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(duì)外的熱輻射。經(jīng)陽(yáng)光照射，光子撞擊涂層，太陽(yáng)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(yùn)動(dòng)，而密度大的冷水下降，形成了自然的對(duì)流。熱水始終位于上部，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2.1.1 真空管太陽(yáng)能熱水器的優(yōu)點(diǎn)

1）由于真空玻璃管是圓形的，具有對(duì)太陽(yáng)光源自然跟蹤的特點(diǎn)，再加上反光板的反射，使玻璃管四面受光面面俱到，集熱時(shí)間更長(zhǎng)，水溫更高，即使高寒地區(qū)一年四季也可正常運(yùn)行；2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,利用水的自然對(duì)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(yáng)能熱水器的缺點(diǎn)

1）保溫水箱和真空管不能分開(kāi)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(gè)玻璃真空管破損就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(dòng)會(huì)導(dǎo)致在用水時(shí)出現(xiàn)忽冷忽熱的現(xiàn)象。

針對(duì)玻璃真空管這些缺點(diǎn)，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(wèn)題。

2.2 熱管真空管太陽(yáng)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(yáng)光透過(guò)玻璃管照射在吸熱體上，太陽(yáng)選擇性吸收膜將太陽(yáng)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?zé)峁艿撞空舭l(fā)端。利用熱管內(nèi)少量工質(zhì)的汽-液相變循環(huán)過(guò)程可連續(xù)地將吸收的太陽(yáng)能熱量傳遞到冷凝端（頂端）對(duì)水進(jìn)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(shí)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(jiǎn)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(huì)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(yán)寒的北方玻璃真空管的結(jié)冰問(wèn)題。熱管和導(dǎo)熱套管剛性連接，很好地解決了密封問(wèn)題，不會(huì)出現(xiàn)有機(jī)密封材料的老化現(xiàn)象，更加可靠。循環(huán)水通過(guò)金屬集管流動(dòng)，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(yáng)能熱水器的集熱器使用也可作為陽(yáng)臺(tái)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(yáng)能光熱系統(tǒng)

3.1 熱管真空管太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

常規(guī)的太陽(yáng)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(yáng)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(fēng)、防凍、安全保護(hù)等一系列問(wèn)題，同時(shí)漏水、管道布設(shè)困難、破壞建筑防水層等一系列問(wèn)題也時(shí)有發(fā)生，這些難以克服的種種弊端嚴(yán)重制約了太陽(yáng)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(yáng)能熱水器破壞建筑的整體美和損壞房頂?shù)姆浪畬樱剐^(qū)的住戶(hù)安裝太陽(yáng)能熱水器。

熱管真空管太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)如圖5所示，由儲(chǔ)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(yáng)輻射將水加熱，循環(huán)泵將儲(chǔ)水箱中的低溫水輸入集熱器進(jìn)行循環(huán)加熱。循環(huán)泵的工作由光控儀（光敏探頭）控制，當(dāng)太陽(yáng)輻照度達(dá)不到設(shè)定值時(shí)，循環(huán)泵不工作；如當(dāng)全天達(dá)不到設(shè)定輻照度時(shí)，也可由輔助加熱裝置進(jìn)行加熱，電加熱可以手動(dòng)選擇，也可設(shè)定成自動(dòng)運(yùn)行模式，保證在想用熱水時(shí)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(yáng)臺(tái)上,在建筑設(shè)計(jì)時(shí)就考慮在陽(yáng)臺(tái)外做好支架，將集熱器固定在支架上即可。陽(yáng)臺(tái)壁掛式集熱器不破壞建筑的整體外觀,與建筑有機(jī)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(yáng)能光熱利用方面的種種弊端。

3.2 平板太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)

平板太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能集熱器中的一種類(lèi)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(lèi)似圖5所示的太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)。

平板太陽(yáng)能集熱器的工作原理十分簡(jiǎn)單，陽(yáng)光透過(guò)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(yáng)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(yáng)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(chǔ)熱水箱中，即為有用能量。與此同時(shí)，由于吸熱體溫度升高，通過(guò)透明蓋板和外殼向環(huán)境散失熱量，構(gòu)成平板太陽(yáng)集熱器的各種熱損失。這就是平板太陽(yáng)集熱器的基本工作過(guò)程。太陽(yáng)能集熱板所用的集熱膜主要有∶1）陽(yáng)極氧化，最便宜；2）電鍍黑鉻，便宜；3）磁控濺射真空鍍藍(lán)膜，效果好，價(jià)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(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)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(yáng)能集熱器相比，它具有承壓能力強(qiáng)、吸熱面積大、熱效率高等特點(diǎn)，是太陽(yáng)能與建筑一體結(jié)合最佳選擇的集熱器類(lèi)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(yáng)能光熱技術(shù)發(fā)展至今，已日趨成熟。世界各國(guó)都尋求將太陽(yáng)能與建筑密切結(jié)合，不斷完善外形美觀、布局合理的太陽(yáng)能與建筑一體化的設(shè)計(jì)思路。建筑一體化太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)將在建筑節(jié)能中發(fā)揮越來(lái)越大的作用,會(huì)得到越來(lái)越多人的認(rèn)可,具有很好的發(fā)展前景。我們相信，人類(lèi)將走向太陽(yáng)能時(shí)代。