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太阳能建筑应用实例 杨博雄
1. 前言 20世纪80年代曾占我国太阳能热水器统治地位的平板太阳能集热器、热水器在近十多 年内，已逐渐被全玻璃真空管太阳能热水器替代。市场份额逐年下降，现已降至15％左右。然而同期国外太阳能集热器市场并没有发生这样的变化，平板太阳能集 热器、热水器现仍占主流地位。平板太阳能集热器在我国如何从受冷遇迈向发展，是太阳能热利用行业关注的热点之一。随着我国节能减排的政策导向与太阳能建筑 一体化的产业发展，给平板太阳能集热器提供了新的历史机遇。由于平板太阳能集热器具有易于与建筑结合的优势，对于平板太阳能集热器的设计、生产与优化必然 会成为新一轮的研究热点。
2.1平板型集热器的外形 典型的平板型太阳能集热器外形如图1所示： 图1 平板型太阳能集热器外形图
2.2 平板型集热器的结构 平板型集热器由透明盖板、吸热板及隔热箱体组成，断面结构如图2所示。平板型太阳能 集热器的工作原理是太阳辐射透过玻璃盖板照射在表面有特殊涂层的吸热板上，吸热板吸收太阳辐射后温度升高。一方面将热量传递给集热器流道内的工质，工质温 度升高后，作为有用能量输出；另一方面还同时向四周散热。保温材料起减少散热的作用，透明盖板的作用是使太阳辐射通过并抑制吸热板向周围环境直接散热，使 得进去的太阳辐射能量大于散失的能量，从而提高吸热板的温升。我们称盖板的这种作用为温室效应。虽然吸热板与透明盖板之间的空气层是良好的隔热体，但通过 自然对流和热辐射，吸热板仍会向透明盖板传热，后者再将得到的热能散失在周围环境。视不同的需要，透明盖板可以是一层，也可以是两层或多层，通常，只是在 吸热板的温度与周围环境温度之差较大时才采用两层或多层透明盖板。 图2 平板太阳能集热器断面结构
3 平板太阳能集热器国内外发展现状 3.1我国平板太阳能集热器发展现状 我国太阳能热水器无论是家用还是集体用系统（热水工程），一直沿用直接加热太阳能集热器中的水的传统方法，平板太阳能集热器中水的冻结不仅影响了集热器的 正常运转，而且导致集热管的涨裂。为了解决这一问题，研究了落水排空、加热防冻循环、不排水抗冻等诸多方案，但这些方案在家用太阳能热水器，特别是自然循 环家用太阳能热水器中一直未能被广泛应用。真空管太阳能热水器因冬天管内的水在不排空的情况下基本不结冰或不冻坏(特殊情况如雪天，严寒也有可能冻坏)， 因而受到了市场欢迎。 而全玻璃真空管热水器生产成本近20多年来大幅度降低。其中，全玻璃真空管降低了500％以上，水箱降低了200％以上。与此同时平板太阳能集热器的生产成本却没有太多降低。目前家用全玻璃真空管热水器和平板太阳能热水器的成本几乎没有太大差别。 另外，在商业运作方面，全玻璃真空管热水器被生产厂及商家宣传为热性能远高于平板太阳能热水器。其主要理由是真空绝热，这一宣传极易为我国大众接受。 以上三点是在我国平板太阳能集热器受冷遇，而全玻璃真空管热水器迅速得到发展的主要原因。
3.2 国外平板太阳能集热器的发展现状 国外，特别是欧美国家太阳能集热器市场并没有发生这样的变化，直至今日平板太阳能集热器、热水器仍占主流地位。为什么平板太阳能集热器在我国受冷遇，在国外却继续稳步发展呢？其原因主要有： 国外太阳能热水器，无论是家用还是集体用系统(热水工程)，不是采用直接加热太阳能集热器中水的传统方法，而是普遍采用防冻液一水二次换热。即使是自然循 环家用太阳能热水器的平板太阳能集热器中也是充满了防冻液，热水箱内设置了防冻液一水二次换热器，典型的代表是澳大利亚solarhart公司的自然循环 平板家用太阳能热水器。欧洲的家用和集体用系统（热水工程）则使用泵驱动防冻液在平板太阳能集热器及储热水箱的换热器间循环换热。这一方法从根本上解决了 平板太阳能集热器中水的冻结及冻坏问题，同时还解决了平板太阳能集热器中水结垢的问题。 和我国的平板太阳能集热器相比，国外的平板太阳能集热器玻璃盖板采用高透过率（90％）钢化平板玻璃。我国则采用低透过率（80％）平板玻璃。国外的平板 太阳能集热器普遍采用性能较高的选择性镀层吸热板。太阳光吸收率90％，红外发射率6％。我国的平板太阳能集热器的吸热板，性能最好的红外发射率也高于 20％，如电化学处理的黑镍（用于铝板）或黑铬（用于铜板）。有些生产厂还在使用性能极差的黑漆涂料。我国普遍采用的直插式全玻璃真空管热水器 和国外的防冻液循环太阳能热水系统不兼容。由于承压防漏的严格规定，全玻璃管真空管不能直接走水使用。只有在全玻璃真空管内插入热管或U形管金属导热片对 全玻璃真空管进行改造后才能使用。于是全玻璃管真空管集热器的成本成倍上升，导致全玻璃真空管太阳能集热器在国外比平板太阳能集热器还要贵。 因此，国外太阳能集热器市场格局并没有因全玻璃真空管太阳能集热器引入而发生重大变化，直至今日平板太阳能集热器、热水器仍占主流地位，继续稳步发展。
4 平板集热器在太阳能与建筑一体化过程中的发展机遇 我国平板太阳能集热器有20多年的生产、推广应用经验。今天华南、云南地区平板太阳能集热器、热水器仍占据市场的主体地位，即使在北方地区也有不少用户。 近年来直插式全玻璃管真空管热水器在使用中也暴露了不少问题。如炸管、冻裂、管内结垢和沉积泥沙、密封胶圈漏水、冬眠等。特别是大工程不能承压运行。直插 式全玻璃管真空管热水器的这些问题和缺陷使人们重新审视平板太阳能集热器，也为平板太阳能集热器的发展带来了新的机遇。 平板太阳能集热器的另一优势是易与建筑有机结合，且十分可靠。通过云南及北京九阳等一些公司的示范，这一优势已逐渐为建筑师、建筑商所认同。我国平板太阳能集热器、热水器发展已显现新的商机，如能借鉴国外成功经验，发挥自己的优势，扬长避短，一定能发展起来。 一、在冬季气候条件低于零度的地区，一定要采用防冻液一水二次换热。即使是自然循环家用平板太阳能集热器中也应充防冻液，热水箱内设置防冻液一水二次换热 器，如简单的夹套水箱。热水工程使用泵驱动防冻液在平板太阳能集热器及储热水箱的换热器间循环换热。从根本上解决平板太阳能集热器中的水的冻结及集热器冻 坏问题。同时也从根本上解决平板太阳能集热器中的水的结垢问题。 二、要在提高平板太阳能集热器的热性能方面下工夫，解决冬天热效率低的问题。有效的办法是：采用性能较高的选择性镀层吸热板。达到高太阳光吸收率(90％)，低红外发射率(6％)，并解决好管板热接触。装备制造业的介入是解决这一问题的关键。 平板太阳能集热器玻璃盖板采用高透过率(90％)钢化平板玻璃，替代低透过率的普通窗玻璃。三、改进平板太阳能集热器的密封、背部保温，提高其使用寿命，优化边框设计，以满足和建筑有机结合的要求。 四、在完成上述工作的基础上，进行实事求是的宣传推广，逐步改变平板太阳能集热器冬天冻坏、热效率低、冬天不能用等看法。建立平板太阳能集热器冬天冻不坏，产出生活热水热效率高，冬天也能用的新观念。促进平板太阳能集热器市场健康发展。 经过太阳能热水器行业和建筑业界的共同努力，我国平板太阳能集热器、热水器一定会从受冷遇迈向新的发展。
结束语 太阳能与建筑一体化是建筑师和太阳能专家的完美追求，即在不破坏和影响建筑的外观与 结构情况下，在建筑上设计与安装太阳能系统，使太阳能系统成为建筑整体的一部分，同时达到节能和满足使用功能的目的。平板集热器易于与建筑结合的先天优势将会给其在太阳能与建筑一体化产业的发展过程当中扮演其它集热器不可替代的作用。
