一種新型太陽(yáng)能集熱器——陽(yáng)光板集熱器

1、一種新型太陽(yáng)能集熱器陽(yáng)光板集熱器重慶大學(xué) 彭三兵 付祥釗；深圳市建筑科學(xué)研究院 羅剛摘要：針對(duì)深圳市的氣候特點(diǎn)及建筑特點(diǎn)，太陽(yáng)能熱水器的推廣與應(yīng)用首先得解決建筑立面上安裝太陽(yáng)能集熱器的難題，要解決此難題首先得解決集熱器的安全性和造價(jià)之間的矛盾；一種新型陽(yáng)光板集熱器具有質(zhì)量輕、安全性好、造價(jià)低等特點(diǎn),因而為深圳市太陽(yáng)能熱水器的推廣與應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值。對(duì)于陽(yáng)光板集熱器，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得出了其熱性能及其影響因素，通過(guò)實(shí)踐中進(jìn)一步的改進(jìn)使其推廣與應(yīng)用提供了可能性。關(guān)鍵詞：陽(yáng)光板集熱器、熱性能、影響因素1 前言作為廣東省的經(jīng)濟(jì)特區(qū)，深圳有著優(yōu)厚的氣候條件，較高的經(jīng)濟(jì)水平及超前的消費(fèi)

2、意識(shí)。深圳屬于一個(gè)資源純消費(fèi)型城市，自然資源匱乏, 但其太陽(yáng)能優(yōu)勢(shì)卻非常明顯。四季充足的陽(yáng)光為太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)提供了先天資源，平均年日照時(shí)數(shù)為1975個(gè)小時(shí)，年日照率達(dá)47%。另外，深圳太陽(yáng)能全天、全年分布均勻，全年約80%的白天具有采集太陽(yáng)熱能的條件，太陽(yáng)能資源較豐富。雖然前景看好，但是目前深圳的太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)仍處于起步階段，深圳地區(qū)太陽(yáng)能熱水器的應(yīng)用落后于全國(guó)平均水平，其主要原因是深圳的高層建筑多，屋頂可利用面積小，許多物業(yè)管理公司為維護(hù)大多數(shù)住戶利益，禁止在屋面安裝太陽(yáng)能熱水器。同時(shí)為保持建筑立面美觀，也禁止在建筑立面安裝太陽(yáng)熱水器。其實(shí)，在建筑立面安裝現(xiàn)有的太陽(yáng)能熱水器，熱效率低、造價(jià)高、

3、安全性差，是否值得提倡頗有爭(zhēng)議。針對(duì)深圳市的氣候特點(diǎn)及建筑特點(diǎn)，太陽(yáng)能熱水器的推廣與應(yīng)用首先得解決建筑立面上安裝太陽(yáng)能集熱器的難題，在優(yōu)先利用有限屋頂面積的同時(shí)如何經(jīng)濟(jì)性的充分利用高層建筑立面是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。而高層建筑立面存在施工復(fù)雜，各種荷載（風(fēng)荷載、結(jié)構(gòu)荷載等）大等問(wèn)題，因而首先得解決集熱器的安全性和造價(jià)之間的矛盾。2 陽(yáng)光板集熱器的特征本文涉及到的陽(yáng)光板集熱器（圖1）是一種采用中空聚碳酸酯板（簡(jiǎn)稱(chēng)陽(yáng)光板）為主要材料，輕質(zhì)高強(qiáng)，熱工性能又好，采用陽(yáng)光板為原料可以制造出適用于建筑立面的高性價(jià)比太陽(yáng)熱水器產(chǎn)品。陽(yáng)光板集熱器主體由三塊陽(yáng)光板疊合而成，具有耐紫外線的特征，能提高陽(yáng)光板集熱器的壽命。

4、其迎光面采用了高透光率的陽(yáng)光板，中間層采用了低透光率（一般為深綠色或深灰色）的吸熱體陽(yáng)光板，背光面的底板3無(wú)特別要求，但最好采用帶有反射膜的陽(yáng)光板制作。陽(yáng)光板太陽(yáng)集熱器的四周宜采用槽型金屬型材做成的外框加固，并靠金屬外框與建筑主體連接。水由連接頭進(jìn)入分水管，再由分水管上的小孔進(jìn)入集熱體，經(jīng)陽(yáng)光加熱后的水由匯水管匯集并由連接頭流出。吸熱體可將陽(yáng)光中的太陽(yáng)輻射能量吸收轉(zhuǎn)換為熱能，而用作面板和底板的陽(yáng)光板可起到防止熱量散失的作用。現(xiàn)在大量應(yīng)用的整體式、非承壓的熱水器本身存在的問(wèn)題非常多,特別是應(yīng)用在與高層住宅一體化結(jié)合方面更是難點(diǎn)，陽(yáng)光板集熱器相比于市場(chǎng)上大量推廣與應(yīng)用的平板集熱器和真空管集熱器，在

5、與建筑一體化方面的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面： (1) 外觀效果好，如圖1所示；(2) 使用安全，具有質(zhì)量輕、荷載小，因而易與建筑立面結(jié)合牢靠，即使出現(xiàn)掉落的情形一般不會(huì)造成什么重大生命危險(xiǎn)；(3) 價(jià)格便宜，制造成本價(jià)250400元/m2，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單；(4) 結(jié)構(gòu)荷載，由于主體采用的是質(zhì)輕高強(qiáng)的陽(yáng)光板，因而結(jié)構(gòu)荷載小。圖1 試驗(yàn)裝置3 陽(yáng)光板集熱器熱性能測(cè)試分析取2008.3.4日08:5119:11期間對(duì)陽(yáng)光板集熱器裝置1、3的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。3.1 陽(yáng)光板集熱器性能測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖1，本次試驗(yàn)采用了透明集熱器1（與小水箱連接，未采用保溫措施），半透明集熱器3（與大水箱連接，吸

6、熱板約一半面積噴上黑漆，且在底板附加一保溫板，進(jìn)出水管保溫，保溫層和保溫板為測(cè)試附加上去以做對(duì)比分析，圖1未顯示），中間的集熱器裝置本次試驗(yàn)未采用。試驗(yàn)裝置采用自然循環(huán)系統(tǒng)，利用傳熱工質(zhì)內(nèi)部的溫度梯度產(chǎn)生的密度差進(jìn)行循環(huán)。大、小水箱均已做保溫處理，小水箱及其吸熱體總水量約5.2L, 大水箱及其吸熱體總水量約20L，集熱器朝南布置，傾角約300。3.2 熱性能測(cè)試方案 測(cè)試儀器設(shè)備測(cè)試儀器設(shè)備如表1所示：序號(hào)測(cè)試儀器測(cè)試參數(shù)數(shù)量1太陽(yáng)能總輻射儀斜面上太陽(yáng)輻射量12溫濕度記錄儀環(huán)境溫度13熱電偶水箱溫度及集熱器底板溫度54電子秤試驗(yàn)水量15鋼卷尺集熱器輪廓采光面積16輔助器材若干表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器

7、設(shè)備3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，大水箱內(nèi)中心點(diǎn)及底部各布置一個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的集熱器裝置3底部保溫板外表面布置一個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)；小水箱內(nèi)中心點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的集熱器裝置底板各布置一個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)；用于測(cè)試集熱器表面太陽(yáng)輻射量的太陽(yáng)能總輻射表固定于集熱器裝置3伸出的支角處，其傾角和朝向與集熱器保持一致，環(huán)境溫濕度記錄儀安裝于靠近一女兒墻通風(fēng)遮陰處，試驗(yàn)裝置如圖1。3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析圖2 當(dāng)天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化圖 圖3 當(dāng)天環(huán)境溫度變化圖圖4 大小水箱溫度對(duì)比圖 圖5 大水箱溫度分布變化圖圖6 溫度分布變化圖(1) 由圖4可知，在當(dāng)天測(cè)試初，二組集熱裝置水溫基本相同，在一定的環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射

8、條件下（見(jiàn)圖2、3所示），小水箱溫度在13:30左右接近于最大值，大水箱溫度在14:30左右接近于最大值，最大值分別為53、54；大水箱溫度在13:3514:05期間由37迅速上升到53，曲線明顯較陡；而小水箱溫度當(dāng)接近于最大值后變化很平緩，其集熱量與散熱量處于動(dòng)態(tài)平衡。(2) 大水箱溫度分層現(xiàn)象很明顯（見(jiàn)圖5所示），中心點(diǎn)與底部溫差最大可達(dá)到20以上。這樣的溫度分層現(xiàn)象既能降低集熱器進(jìn)口溫度,提高集熱效率；又能增加可被利用的熱水量,減少輔助加熱量,從而提高其太陽(yáng)能保證率。(3) 本次測(cè)試的集熱器裝置1、3，在從同一初溫到各自達(dá)到最大溫度期間其集熱器效率見(jiàn)表2所示。通過(guò)大水箱溫度曲線與對(duì)應(yīng)集熱

9、器底面的保溫板外表面溫度曲線，小水箱溫度曲線與對(duì)應(yīng)集熱器底面溫度曲線之間的對(duì)比分析（見(jiàn)圖6所示），發(fā)現(xiàn)對(duì)于陽(yáng)光板集熱器裝置1，當(dāng)水箱溫度較高時(shí)，其水箱溫度與對(duì)應(yīng)集熱器底面溫度接近，因而集熱器底板的散熱損失很大，造成系統(tǒng)熱效率很低，僅為16；對(duì)于陽(yáng)光板集熱器裝置3，進(jìn)出水管做了簡(jiǎn)單保溫處理，在集熱器底面貼了一保溫板，當(dāng)水箱溫度較高時(shí)，其集熱器底面保溫板外表面溫度依然接近于環(huán)境溫度，因而集熱器底板的散熱損失較小，從而大大提高了系統(tǒng)熱效率，達(dá)到了50以上。系統(tǒng)參數(shù)單位大水箱集熱裝置3小水箱集熱裝置1集熱器總采光面積m20.4830.480集熱試驗(yàn)起始溫度17.916.3集熱試驗(yàn)終止溫度54.153.

10、6水的定壓比熱KJ/Kg·4.184.18計(jì)算期間太陽(yáng)輻射量MJ/m21210.4試驗(yàn)水重Kg19.65.2系統(tǒng)效率5116表2 系統(tǒng)熱效率的計(jì)算4 結(jié)論(1) 陽(yáng)光板集熱器在外觀效果、使用安全、價(jià)格因素、結(jié)構(gòu)荷載影響等方面相比于市場(chǎng)上大量推廣與應(yīng)用的平板集熱器和真空管集熱器具有無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，可真正與建筑融為一體，實(shí)現(xiàn)其一體化。(2) 水箱分層現(xiàn)象顯著，這樣的溫度分層現(xiàn)象既能降低集熱器進(jìn)口溫度,提高集熱效率；又能增加可被利用的熱水量,減少輔助加熱量,從而提高其太陽(yáng)能保證率。(3) 通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)做好保溫是陽(yáng)光板集熱器具有較好熱性能的關(guān)鍵。其次水箱容積也是影響系統(tǒng)熱

11、效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。在相同的太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度下，配置小容積水箱，系統(tǒng)溫升高，各種散熱損失大，因而系統(tǒng)熱效率低；同理配置大容積水箱，系統(tǒng)溫升低，各種散熱損失小，因而系統(tǒng)熱效率高。小容積水箱系統(tǒng)溫升高，水溫能滿足生活熱水使用需求，但產(chǎn)熱水量少；而大容積水箱系統(tǒng)溫升低，水溫達(dá)不到生活熱水使用需求，不能直接利用。因而需合理確定水箱容積，滿足對(duì)水溫、水量的需求，以最大限度的直接利用太陽(yáng)能,提高其貢獻(xiàn)率。一般根據(jù)用戶用水量選取水箱容積，在較大的太陽(yáng)輻射量和較高的環(huán)境溫度下,確定好集熱器面積和合理保溫措施來(lái)達(dá)到用戶對(duì)水溫的需求，以最大限度的直接利用太陽(yáng)能,節(jié)約常規(guī)能源，因而陽(yáng)光板集熱器在深圳市太陽(yáng)能熱水器的推廣與應(yīng)用中具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。參考文獻(xiàn)：1羅剛