張偉

【摘要】 本文涉及了太陽能集熱器的基本特性和工作原理，對現(xiàn)有的研究文獻(xiàn)的研究成果做了綜述。嘗試通過能量平衡方程，推測影響平板集熱器集熱效率的外部環(huán)境因素，并探索提高集熱效率的針對性方法。最后提出平板集熱器作為建筑飾面的可行性和優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】 平板集熱器；集熱效率；環(huán)境因素；建筑一體化

1.概述

太陽能集熱器是吸收太陽輻射并將產(chǎn)生的熱能傳遞到傳熱工質(zhì)的裝置。 作為太陽能熱的典型利用技術(shù)，平板集熱器具有可以吸收太陽輻射中的散射日射、不需要追蹤太陽的裝置、結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單；維修簡便和價(jià)格低廉等多種優(yōu)點(diǎn)，因而在國內(nèi)有著較為廣泛的運(yùn)用。目前已知存在的問題如冬季室外氣溫過低時(shí)，可能出現(xiàn)集熱管破裂、凍結(jié)，但隨著熱管技術(shù)和集熱器材料的進(jìn)一步改進(jìn)，這些問題都能在未來的發(fā)展過程中解決。

2.平板集熱器工作原理

平板集熱器由集熱板、透明蓋板、隔熱層和殼體四部分組成。（如圖1所示）

在一段時(shí)間內(nèi)，當(dāng)太陽輻射能投射到透明蓋板上，一部分被蓋板吸收和反射，其余到達(dá)涂有吸收涂層的吸熱體表面，大部分的太陽輻射被吸熱體所吸收，小部分向透明蓋板反射。被流道內(nèi)流吸收的熱量為有用能量收益，與此同時(shí)，吸熱表面通過透明蓋板和外殼向環(huán)境散失熱量。集熱器吸熱體管內(nèi)傳熱介質(zhì)大多為水，水流經(jīng)集熱器加熱以后被直接使用，或者轉(zhuǎn)移到蓄水箱中。

平板型太陽能集熱器的效率η可定義為集熱器的有效收益能量與投入集熱器的太陽輻射能的比值。即太陽能在穿過透明的蓋板后投射到吸熱面上并加熱集熱器吸熱體管內(nèi)傳熱介質(zhì)的效率。

3.國內(nèi)關(guān)于集熱器的研究進(jìn)展

2005年畢文峰等[1]運(yùn)用一種簡明的方法對平板集熱器的集熱量進(jìn)行計(jì)算，理論上分析集熱量隨日射量和室外溫度的關(guān)系。他得出的結(jié)論是對于平板集熱器，若室外溫度較低，集熱溫度不能過高，否則集熱效果很差；若集熱溫度為10‐20℃，即使室外溫度不高，平板集熱器集熱效率可達(dá)到50%左右，甚至更高，因此集熱量也很可觀。2007年魏生賢等[2]以昆明和北京為例，對我國南北地區(qū)分別采用平板型翼式集熱器和圓柱吸熱體真空集熱器進(jìn)行模擬計(jì)算，得出屋頂方位角和傾角是影響集熱器處于非正南和正南方向且最佳傾角時(shí)采光面積之比的主要因素。最終得出合適的方位角為±30°以內(nèi)，以節(jié)省屋頂空間并滿足消費(fèi)者的用能需求。2008年萬福春等[3]在分析傳熱的基礎(chǔ)上， 討論各因素對傳熱效率的影響，從而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文章主要研究了三個(gè)參數(shù)的變化對集熱器性能的影響，熱管吸熱板的寬度與熱管直徑之比，吸熱管的熱導(dǎo)率與厚度乘積，熱管冷凝段與總長度之比。得出的結(jié)論是熱管吸熱板的寬度與熱管直徑之比對集熱效率的影響隨熱管直徑的減少而減少，但是考慮到經(jīng)濟(jì)性因素，需要選擇一個(gè)合適比值來設(shè)計(jì)吸熱管的分布。2009年肉孜·阿木提等[4]以鋼化玻璃、PC 陽光板為表面透光保溫材料，以蛇形單層通路、蛇形雙層通路為載熱流體通路，制作了4臺不同類型的平板型太陽能空氣集熱板，對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)PC陽光板—蛇形單層通路集熱板集熱效率最高，集熱效率可以達(dá)到74.6%，傳熱介質(zhì)溫度最高可達(dá)105.2℃，造價(jià)不足真空管式太陽能集熱器的1/3 ，適合在農(nóng)村推廣應(yīng)用。2011年王莉蕓等[5]選取北京、長沙、深圳三個(gè)代表性區(qū)域，利用集熱器瞬時(shí)效率方程，分析不同氣候條件下，平板型和真空管型太陽能集熱器基于采光面積和總面積的熱效率，為集熱器選型提供更為詳實(shí)的量化依據(jù)。得出的結(jié)論是盡管氣候差異性很大，但是可以通過對集熱器的瞬時(shí)效率和年均效率的分析得出平板集熱器具有比較廣泛的適用性和普遍的優(yōu)勢（假設(shè)嚴(yán)寒環(huán)境下具備防凍設(shè)施的條件）。

總結(jié)上述研究可以發(fā)現(xiàn)平板集熱器的熱效率受到自身?xiàng)l件和環(huán)境條件的影響。一方面，平板集熱器內(nèi)部集熱管道的材料選用和尺寸，表面涂料，外圈材料保溫性能等制約著集熱效率，另一方面，集熱器的擺放方向、太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度也會導(dǎo)致集熱效率變化。

4.根據(jù)集熱器能量平衡方程推測集熱效率外部環(huán)境影響因素

之前提到的幾篇文章或控制變量從實(shí)驗(yàn)角度出發(fā)，或運(yùn)用已知的集熱器瞬時(shí)效率一次方程來進(jìn)行判斷影響因子，并提出優(yōu)化措施。本文嘗試從簡單的熱平衡方程出發(fā)，對集熱效率的外部環(huán)境影響因素做出判斷。

1、先假設(shè)一個(gè)如圖（1）所示的簡化模型，通過能量平衡方程推測影響集熱效率的因素。

根據(jù)能量守恒定律，集熱器能量平衡方程為：QA=QU+QL+QS （1）

（1）式中：QA為總的太陽輻射量，QU為有用能量收益，QL為集熱器的散熱損失，QS為集熱器自身貯能，穩(wěn)態(tài)時(shí)為0。

從上述平衡方程可以發(fā)現(xiàn)，集熱器的集熱效率η=QU/QA即為有用集熱量與投射在集熱器面積上的太陽能之比，而投射在集熱器上的太陽能與集熱器的有效面積和日照強(qiáng)度有關(guān)，而集熱器的有效面積受到集熱器所處地理位置和擺放角度因素的影響。（由于每日太陽高度角是變化的，集熱器的年均集熱效率更具有比較價(jià)值）

考慮到穩(wěn)態(tài)時(shí)，集熱器自身貯能為0，因而集熱器有用能量QU=QA-QL，集熱器的散熱損失和集熱器自身的保溫性能和集熱器與外部環(huán)境的熱交換條件有關(guān)。

根據(jù)熱平衡方程，集熱器系統(tǒng)和外部環(huán)境系統(tǒng)由于存在溫差，因而會出現(xiàn)持久的熱量交換，直到達(dá)到一致的溫度，但是集熱器作為一個(gè)發(fā)熱體系，不可能出現(xiàn)溫度和外部環(huán)境溫度一致的情況，而是達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)集熱器內(nèi)部溫度和外部環(huán)境溫度形成穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從集熱器內(nèi)部流向外部環(huán)境的熱量為定值。外部環(huán)境與集熱器內(nèi)部溫度差越小，則單位時(shí)間內(nèi)集熱器散熱損失越少，集熱效率越高。

綜上所述，影響集熱器集熱效率的主要外部環(huán)境因素有日照強(qiáng)度，有效日照面積和外部環(huán)境溫度。（這里不考慮由于氣流引起的瞬時(shí)外部環(huán)境溫度的變化，事實(shí)上，一日之內(nèi)的每個(gè)時(shí)刻大氣溫度由于日照的不同而不一定相同）。

2、探索提高集熱效率的方法

由于日照強(qiáng)度和當(dāng)?shù)鼐暥葰夂虻鹊乩項(xiàng)l件有關(guān)，因而要提高集熱器的集熱效率在外部環(huán)境方面主要從增加有效日照面積和規(guī)避對外部環(huán)境損失熱量入手。首先，有效日照面積是關(guān)于平板集熱器所在平面和太陽光入射角度的函數(shù)①，因而在集熱器尺寸和日照強(qiáng)度一定的情況下，調(diào)整角度，是提高集熱器集熱效率的一個(gè)途徑。由感光系統(tǒng)、電子控制電路和驅(qū)動太陽能電池板轉(zhuǎn)動的機(jī)械部分構(gòu)成的太陽光正入射全自動跟蹤裝置也可以運(yùn)用到平板集熱器中。其次，規(guī)避集熱器內(nèi)外溫差導(dǎo)致的熱量散失就要做到減小溫差。嚴(yán)寒條件下，外部環(huán)境溫度較低時(shí)，合適的集熱溫度有利于提高集熱效率，而過高的集熱溫度則會導(dǎo)致過多的熱量損失，不應(yīng)該僅僅看外部環(huán)境溫度的變化和集熱效率的關(guān)系。而應(yīng)該將外部環(huán)境溫度和集熱溫度的溫度差作為考慮對象，同時(shí)也應(yīng)注意集熱效率公式的使用前提。《平板集熱器冬季工況集熱性能分析》中的實(shí)驗(yàn)圖表顯示室外溫度和集熱效率呈正比線性關(guān)系，圖中曲線顯示當(dāng)室外溫度達(dá)到30度以上時(shí)，集熱效率達(dá)到75%以上，這是有問題的，因?yàn)楫?dāng)室外溫度高于集熱溫度時(shí)，平板集熱器不再是向外部環(huán)境損失熱量，而是獲得熱量，在這種情況下，再去沿用基于集熱溫度高于環(huán)境溫度所列出的集熱器瞬時(shí)效率公式②是不正確的。

5.平板集熱器作為建筑飾面材料的優(yōu)勢

平板集熱器現(xiàn)在一般有兩種使用方式，一種是作為太陽能熱水集熱系統(tǒng)的一部分，直接用來加熱生活用水。另一種情況是平板集熱器作為熱量收集器，通過傳熱介質(zhì)，將熱量傳遞到儲熱器中，成為太陽能供暖集熱系統(tǒng)的一部分。這兩種使用方式一般是將平板集熱器放置在建筑屋頂上，與建筑脫離開來的。而如果將平板集熱器作為建筑飾面材料運(yùn)用，一方面可以和建筑緊密結(jié)合，不影響建筑立面效果，另一方面平板集熱器的使用效率也有可觀的提高。

集熱器的散熱損失QL是集熱器與外部環(huán)境的熱交換導(dǎo)致的，而如果將平板集熱器作為建筑飾面材料使用，與建筑保溫材料緊密粘結(jié)，一方面集熱器管內(nèi)的傳熱介質(zhì)在流動過程中可以直接將能量轉(zhuǎn)移到建筑墻體，另一方面，集熱器原來和外部環(huán)境交換的熱量一部分用來加熱建筑墻體。得到熱量的建筑墻體通過熱輻射對室內(nèi)溫度的提高具有一定的作用。但是應(yīng)該看到這種熱量的獲得僅僅是很少的一部分。

而將平板集熱器作為建筑飾面材料的更直接的原因是，雖然屋頂?shù)挠行照兆畛渥愕敲娣e有限，利用一部分墻體作為集熱面不僅可以增加能量的獲得并且可以解決一些問題，比如建筑西曬，建筑師在設(shè)計(jì)的時(shí)候往往通過加深建筑洞口的進(jìn)深或者設(shè)置雙層外墻來避免西墻過熱的問題。而如果將這部分熱量通過平板集熱器收集并通過儲熱器存儲起來，不僅可以解決這個(gè)問題，而且有效地利用了太陽能。當(dāng)然，考慮到造價(jià)和經(jīng)濟(jì)性，平板集熱器和建筑一體化宜將平板集熱器放在建筑屋頂和建筑南向墻面，并且使平板集熱器與建筑墻面成一定角度，以獲得最大日照有效面積。

在太陽能利用的推廣階段，大部分的集熱器安裝過程都比較隨意，并且由于與建筑建造的先后關(guān)系，在安裝的過程中容易破壞樓頂?shù)母魺釋雍头浪畬?。將集熱器作為建筑飾面材料為太陽能技術(shù)和建筑一體化結(jié)合提供了可能性，一方面建筑對一般能源的消耗有效的減少，另一方面建筑外觀和城市環(huán)境也不會被破壞。此外，改進(jìn)過的單元式集熱器更加牢固，可以起到一定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。運(yùn)用平板集熱器一體化設(shè)計(jì)的建筑外墻和屋頂不單是簡單的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，更增加了對能源的利用，相信平板集熱器模塊化作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組成部分會得到更加廣泛的運(yùn)用。

注釋

①SA=S·sinα SA為有效日照面積 S為集熱板向陽面積，α為集熱板與太陽光入射方向夾角

②集熱器的集熱效率公式：ηc=τα-（k0+ku）（θe-θ0）/I

τ為透過體的透過率；

α為集熱板的日射吸收率；

I為入射的總?cè)丈淞浚╳/㎡ ）；

k0為從集熱板到透過體側(cè)室外空氣的傳熱系數(shù)（w/㎡·℃）；

ku為從集熱板到后面室外空氣的傳熱系數(shù)（w/㎡·℃）；

θe為集熱溫度（℃）；

θ0為室外空氣溫度（℃）。

參考文獻(xiàn)

[1]畢文峰，王侃宏，喬華，崔堅(jiān). 平板集數(shù)器冬季工況集數(shù)性能分析[J].煤礦現(xiàn)代化，2005，1（64）

[2]魏生賢，李明，周希正. 非正南方向太陽集熱器面積補(bǔ)償?shù)睦碚撗芯縖J].太陽能學(xué)報(bào)，2007，28（2）

[3]萬福春，蔣綠林，付文彪.熱管平板集熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].制冷技術(shù)，2008，36（2）

[4]肉孜·阿木提，高澤斌，李峰. 不同結(jié)構(gòu)平板型太陽能空氣集熱板集熱效率研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（3）

[5]王莉蕓，徐斌. 不同氣候條件下各類集熱器效率分析[J].給水排水，2011，37（12）