太阳能利用方向前景再论太阳能热利用的前途

前几年盛极一时的太阳能热水器现在基本上看不到踪影，究其原因就是人民生活水平提高了，对那种传统的太阳热水器有点不屑一顾，即使强制安装了，也基本不用，不用的原因是太阳集热器的安全性和集热效率不佳是最主要的原因。

国家前些年提倡的平板集热器其实是技术上的倒退。真空管集热器的最大优势就是集热效果最佳，懂点物理知识的人都知道，只有在真空条件下对流损失才是零。但是因为真空管集热器走水，有其不安全的因素因此被摒弃是一种错误的选择。

如果有一种用真空管集热器集热，其安全性又能得到保障，还能作为建筑构件使用，我想应该受到建筑设计部门的青睐。这种太阳集热器可以用在民用上，无论是别墅还是多层，包括别墅的游泳池的太阳能加热、用在团体上的集中供热水的系统上，比如淋浴房。盥洗室等等。都是一种不错的选择。下图就是上海青浦某会所的热管真空管式太阳集热器的系统在屋顶上的安装实例。尽显了安全高效的风范。

太阳能利用方向前景再论太阳能热利用的前途(1)

当今世界能源安全是第一选择，有多少战争是因为能源而起？这就不用一一枚举了。最近世界气候变化大会开始对清洁能源又有了支撑的动力，欧洲、日本在提倡穿高领毛衣，这些都是被能源短缺逼出来的。

十几年前我就发明了一种“平板——真空管式太阳集热器”，这种集热器的优点就是完全体现了真空管集热器的集热优势，摒弃了真空管集热器因为破碎造成的安全隐患，并且得到了广泛的应用，其成果发表了“太阳能”杂志2011年第三期上。

这种新产品的开发十分有利于推广到欧洲、日本等能源严重缺乏的地区，经济效益总比电热毯等那些小家电要好的多吧！

今天我们重提这个课题是想引起搞实体经济的朋友的重视，疫情20条提供了开发这种产品的优越条件。兹摘录文章中的一些重要段落，供爱好太阳能利用的朋友参考。

一问题的提出

从2001年12月的南京全国太阳能与建筑结合应用技术研讨会至今，我们一直在探索太阳能设备如何和建筑有机结合的问题，从2006年1月国家可再生能源法出台以来，这方面的工作得到了长足发展，相关的工程技术手册和地方的法规也陆续开始公布了。但是从现有的情况看，离开具体的实施还有相当大的一段距离。如果从建筑设计要求来分析市场上现有的各类分体式太阳热水器的集热器以及室内储水箱和管线的布置来分析，我们感到离开“集热器构造形式应利于在建筑护围结构上安装，便于拆卸、修理、维护”以及“成为建筑的一个部件”形成模块化还有相当大的距离。

从2000年开始，我们就已经致力于开发一种能和建筑较好结合的太阳能集热产品，其目的就是希望能通过以模块形式变为一种太阳能建筑构件，从而希望得到业界、设计院和开发商的认可，历经十年多的努力，产品已经日趋成熟，该产品从2003年开始就出口到欧美等国家，正逐步向国外发展。以下对该产品作一个较为详细的介绍，供同行们和建筑界朋友参考。

二产品的结构特征、制造和施工工艺

典型的集热器如下图，这是一个BR(U)Z系列的标准模块，尺寸为（长X宽X厚）1950X1000X80,采用的是12支￠58X1800真空管，净重在34Kg左右，加上介质不会超过36Kg，可以热管或U形管以及直流管方式传热。

太阳能利用方向前景再论太阳能热利用的前途(2)

㈠产品概述：

在叙述本产品前有必要回顾一下近年来平板集热器和真空管集热器之争。随着太阳能和建筑一体化的呼声越来越高，平板集热器颇受追捧，见仁见智的观点不少，客观地评估这两类产品对开发太阳能与建筑结合的一体化产品很有必要，我们认为，平板集热器和真空管集热器各有优势，不能完全相互完全替代，平板集热器的最大优势在于结构形状，以及有效集热面积相对比较大，一个毛面积为两个平米的平板集热器的有效采光面积可以达到90%以上，

从不足的地方来看有以下几个方面：1、平板集热器只能产生中低温热水；2、该产品的抗冻性能不如真空管集热器；3、集热器的效率和大气质量有关，由于有盖板的存在，大气质量的好坏会直接影响到采光效果；4、平板集热器的维护修理成本也比真空管集热器大。5、就建筑结构对太阳集热器的要求方面，还有许多不尽如人意的地方：例如：集热器的框架结构和建筑用金属结构件还存在着安全性和强度不能和建筑结构件相匹配，必须借助特制的结构件作为中介结构才能进行安装，再者，对于镶嵌式结构的集热器需要从其背面设置进出水口，此时，平板集热器就无法满足该要求了。当然，从目前的分离式的真空管集热器而言，确实还没有平板集热器的外形优越（这也是我们开发平板-真空管式集热器的主要原因之一）。

在抗冻问题上，国内抗冻型的平板集热器早在上个世纪末就有报道，某太阳能研究所用了七年的时间研究出了一种抗冻集热器，到现在还没有看到大范围的推广；为了提高产水温度，有单位研发了真空状态的平板集热器和热管平板集热器。我们认为这些产品之所以没有得到大量推广，关键在于其可靠性和安全性能还不能满足实际需要：用基本的物理知识去理解真空容器的基本条件就可以回答矩形容器真空度的可靠性；最近还有采用有机材料制作盖板的产品在市场上推广，但是有机材料的耐候性通常不会超过十年，紫外线将会破坏分子结构，会影响透光率；

平板集热器另一个缺陷是对于空气质量的要求较高，长期暴露在空气中的集热器盖板对于采光效果的影响不可忽视，在北方满是灰尘的平板集热器比比皆是，在实际应用中的效率确实值得怀疑；再就是维修性能，一旦集热器出现故障，通常需要整块拆卸下来才能进行维修。

而真空管集热器恰恰在这些方面有着不错的表现，这也是自从真空管太阳能热水器面市以来能得到迅猛发展的一个主要原因，目前的真空管集热器已经从简单的全玻璃管太阳集热器发展成多品种的形式，完全能克服除了形状结构外的绝大部分的缺陷，我们认为用单纯的全玻璃真空管太阳集热器来和平板集热器进行比较有失公允。为了能和建筑较好地整合在一起就需要希望创造出一种类似建筑构件的太阳能集热器，该产品至少应该满足以下条件：

1 尽可能采用建筑结构件或类似的材料作集热器模块框架，模块要求是整体的，可以整体施工（至少其框架部分能整体安装），施工时能满足相关的建筑施工技术要求；

2 具有真空管的优良集热性能，能产中高温热水，适应室内小容量储水箱较高出水温度的条件；

3 可以适应安装在建筑物的屋顶、立面、雨蓬，以及建筑护栏等外围设备，最大限度减少高空作业量，做到安装方便，维护容易；

4 所有管线的设计和施工要符合建筑暖通和电气的相关要求，能做成隐蔽工程；

5 产品除了真空度以外的材料要有和建筑构件相同的使用寿命（大于30年）。

平板-真空管式太阳能集热器就是基于上述要求研制开发的，用一句最简单的话概括就是把高效率的真空管集热器进行了平板化的设计。

㈡产品描述

本产品为本厂独立知识产权的产品， QB标准满足或超过所有相关GB和ISO标准的相关指标：

1、产品框架结构采用GB建筑型材作为框架结构，目前的框架材料采用的是铝合金型材，满足GB/T5237-2000标准，设计和施工标准参照铝合金门窗工程设计、施工与验收规范DBJ 15-30-2002进行，标准模块的毛面积约2平米（1X2）左右，可以水平、垂直和带倾角安装；

2、热水系统的安装和施工遵循江苏省住宅建筑太阳热水系统一体化设计、安装与验收规程的标准DGJ32/TJ08-2005进行，分体式太阳热水器的换热方式推荐采用直流换热强制循环的方式进行；

3、产品的热性能：

1 集热器所采用的全玻璃真空管太阳集热器满足GB/T17581-1998的标准，对真空管的形式尺寸要求另行制定要求；

2 瞬时效率特性：对无反光板的产品≧0.6；对带反光板的产品≧0.5 ，测试方法由于没有相关的国家标准，现按照平板型太阳集热器热性能试验方法进行（GB/T4271-2000），同时能满足ISO9806-1和ISO9806-2的标准要求。本产品中的BRZ系列在2003年曾委托德国ISE太阳能研究所进行检测，计算的结果瞬时效率达到了0.66.，超过了ISO和GB的标准要求的10%。

4、系列结构特性简介

目前为止已经有三大系列产品可供选择，见下表：

系列代号	传热形式	许用压力	推荐适用建筑
BRZ(A)	内插热管	≦0.6Mp	坡屋顶以及平台集热工程
BUZ(A)	U形管	≦0.6Mp	立面或任意形状的屋顶
BCZ(A)	管中管	0 Mp	立面或任意形状的屋顶

说明：BCZ系列是我们新近开发出来的一种集热器，在真空管里安装一支封闭的管子，常压运行，管中管和真空管内管的比表面积为0.88，集热系统中用于热交换的介质容量仅为全玻璃真空管的20%左右，少量的参与循环的介质能有效提高储水箱里的介质温度。其结构图如下：

太阳能利用方向前景再论太阳能热利用的前途(3)

三产品在各类建筑上的应用概述

三种系列用于不同的建筑结构的具体案例如下：

1、在坡屋顶上的应用：

如果是事先设计的可以同时考虑附着式和镶嵌式两种形式，采用BRZA型的集热器，可以以附着式的方式安装，这种集热器的真空管是在支架安装结束后再插入的。集热器的进出水口设置在顶部两端，下图是浙江某小区的别墅小区的实景照片，已经于2007年交付使用，该产品是和土建同时进行施工的，在安装前已预留了管线孔，集热器支架在做防水层前进行，在安装固定支架的膨胀螺栓时要在打好的孔里预先灌注防水胶，然后再紧固膨胀螺栓，全部安装后由乙方再做防水层，并且铺盖屋面瓦片，集热器的安装在最后进行。室内的储水箱在水电基本到位以后进行，储水箱规格200升，使用电辅助加热。循环换热采用直流换热，不采用其他介质换热。分体式热水器的循环管路必需遵循相关的技术要求进行。

储水箱的安装根据房型不同安置，基本上是放置在顶层靠近卫生间，安装储水箱的地方应该预留好地漏等基本设施，水电的位置要在施工前给出具体的施工要求，由于是毛坯房，在工程验收结束后，要考虑到业主的其他要求，最主要的是循环管路在穿越屋顶到水箱之间不许有任何接头存在，以防止万一发生渗漏事故造成装修后的巨大损失。循环管路我们是采用暖通专用铜管和卡套接头，不推荐使用空调用铜管接头，由于我们的铜管流动的是冷热水，而不是制冷剂，物性不同，使用的材料也应该有所区别，目前有不少企业使用空调用铜管接头并不合适。

附着式集热器在全木结构的房屋上施工是最简单的，不需要支架支持，见附图，使用档块简单固定就能完成，需要注意的是在固定的时候需要事先灌注好密封胶，再钻孔紧固，事后要再次灌注一次密封胶。这个工程位于上海，2006年交付使用采用了BRZA30-1.5F模块合计五组，承压供水，设计供水量为1.2吨。

采用镶嵌式的集热器的型号是BRZ型，作为镶嵌式产品我们建议屋顶的瓦片采用欧文斯科宁瓦是最理想的，下图是苏州某小区的单体别墅，安装于2005年，

采用的集热器是BRZ14-1.5,三块集热器串联使用，集热器是全封闭的，可以整体安装，表面盖板采用的是钢化玻璃，进出水口设置在顶部。配套的储水箱200升，承压供水，电辅助加热功率3Kw,属于比较高档的产品，换热的工艺也是直流换热，循环管路采用￠15暖通专用铜管。储水箱的位置在屋顶下卫生间的墙面上，天花板上面，装修时预留了检修孔，以便日后检修使用，固定储水箱必需使用支架支撑，并且用抱箍固定在墙面上，管路中增加了热水循环，以保证即开就有热水供应。

集热器的施工是和建安施工同步进行的，屋顶需要预留好集热器安装的位置以及管线孔，在防水层做好以后安放集热器，集热器无需另行制作支架，调整水平保持接触平稳即可。所有的管线都需要做成隐蔽工程。安装结束再进行最后的防水密封。这种集热器的缺点是造价比较高，适合高档小区的别墅使用。

2、在平屋顶上推荐采用BUZA系列的U形管，我们在浙江某小区的部分分体式热水器就是采用这样的形式水平安装的，此工艺较为简单，不再赘述。

3、在立面上的应用

住宅楼立面有不同的设计风格，大致可以分为立面墙面和阳台护栏两个地方可以应用。根据建筑物的外立面设计风格的要求和太阳热水器在立面上进行安装。集热器的倾角我们推荐是90度垂直安装比较合适，有关的观点已经在相关的文章里叙述过，这里不再赘述，集热器的采光面面积，根据实际情况我们推荐在这样条件下按照实际采光面积计算为65-80升/平米比较合适，真空管集热能产高温热水，储水箱可以适当减小一点，水温更适合家用，开启电辅助加热能节约不少电能。

4、在阳台护栏上的安装工艺

通常有两种安装工艺，见下图：

阳台上的安装可以在挑台式阳台也可以在全封闭阳台上进行安装，可以以垂直方式也可以以带倾角安装，后者目前市场上比较流行，关键是考虑到了采光效果，但是安装难度和今后的维修都比较麻烦。目前还没有成熟的指导性的文件可以供参考执行，

08年有幸参加了两次太阳能和建筑结合的研讨会和峰会，从会议代表交流的情况来看，大部分还是倾向于带倾角安装，从我们的实践和同行们交流的情况来看，难度确实比较大，核心的问题是安装困难，尤其是不成整体的所谓的模块（从严格意义上来说，不成整体的构件又需要现场装配的还称不上是模块），安装的风险较大，而且维修困难，我们见到了某小区安装的太阳集热器，由于无法维修而变成了有损于外观的摆设，业主对此意见也非常大。

2008年我们在苏州某小区一层的阳台上安装的护栏式太阳热水器如下图片：

太阳能利用方向前景再论太阳能热利用的前途(4)