探討聚合物集熱器與太陽(yáng)能建筑結(jié)合應(yīng)用

中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所/鐘柳文、李育堅(jiān)、史繼富、徐剛

　　摘要：太陽(yáng)能熱水器與建筑的結(jié)合正成為設(shè)計(jì)界關(guān)注的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的真空管、平板集熱器由于自身材料的局限性，尺寸、顏色、形狀僵化，無(wú)法滿足太陽(yáng)能集熱器與建筑結(jié)合的迫切需求。而聚合物集熱器具有成本低、重量輕、耐腐蝕、低溫不結(jié)硬水垢等優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)模具制成的集熱器精度高、尺寸易變、造型多樣且易于安裝。

　　0引言

　　低碳是未來(lái)建筑的方向。我國(guó)建筑能耗占社會(huì)總能耗的30%~40%，應(yīng)用太陽(yáng)能可使建筑能耗大大降低，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與建筑結(jié)合，是建筑節(jié)能最有效的手段之一。事實(shí)上，太陽(yáng)能與建筑“聯(lián)姻”已經(jīng)倡導(dǎo)多年，但迄今為止并沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展。目前，我國(guó)應(yīng)用較多的是真空管集熱器和平板集熱器如圖1所示。

　　1背景

　　聚合物在集熱器上的應(yīng)用可以解決傳統(tǒng)集熱器使用中出現(xiàn)的問(wèn)題，具有成本低、重量輕、耐腐蝕、低溫不結(jié)硬水垢等優(yōu)點(diǎn)，最為重要的是，太陽(yáng)能光熱建筑一體化一直是國(guó)家主推的節(jié)能建設(shè)方式，建筑風(fēng)格的多變必然要求集熱器在形狀、顏色上迎合建筑物的需求。而聚合物集熱器由于都是通過(guò)模具制造，可以有很好的精度，制成的集熱器尺寸易變、造型多樣且易于安裝，比起傳統(tǒng)真空管、平板集熱器，聚合物集熱器更易搭配不同風(fēng)格的建筑，為漂亮建筑“錦上添花”，從根本上解決了傳統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器破壞建筑美感的應(yīng)用難點(diǎn)。

　　聚合物集熱器在低溫傳導(dǎo)的應(yīng)用上具有極為廣闊的前景，應(yīng)用于民用、公用建筑中，可得到適宜溫度的生活熱水；應(yīng)用于工業(yè)熱源的預(yù)熱，可節(jié)省傳統(tǒng)能源的消耗；應(yīng)用于泳池加溫，可延長(zhǎng)泳池的使用時(shí)間；用于農(nóng)業(yè)種植水產(chǎn)養(yǎng)殖，可豐富菜籃子工程等。目前，太陽(yáng)能集熱產(chǎn)品應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，聚合物太陽(yáng)能集熱器具有諸多的優(yōu)點(diǎn)和卓越的性能，有望成為以后發(fā)展的趨勢(shì)，非常有必要對(duì)其展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

　　2國(guó)內(nèi)外塑料集熱器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

　　盡管早在1983年，美國(guó)Ramada Energy Systems公司就開(kāi)始研制全塑料家用太陽(yáng)能熱水器；巴西的Aquecedor Solar Transsen公司也相信塑料吸熱體的前景，已啟動(dòng)安裝有聚丙烯吸熱體的新型PortoSeguro平板集熱器生產(chǎn)線；2010年，挪威奧斯陸AS 公司的Aventa 生產(chǎn)出一種耐高溫的聚苯硫化物（PPS）集熱器，但總體來(lái)說(shuō)，這些產(chǎn)品并未突破傳統(tǒng)集熱器的思維禁錮，管路、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與平板雷同，塑料易加工成型的優(yōu)點(diǎn)沒(méi)能充分體現(xiàn)。

　　在國(guó)內(nèi)，市場(chǎng)很少有蓋板的塑料集熱器，就連無(wú)蓋板集熱器產(chǎn)品也很少，企業(yè)對(duì)聚合物集熱器研究極少，產(chǎn)業(yè)停滯于初級(jí)階段。聚合物材料存在的太陽(yáng)能光譜選擇性吸收性能差、熱傳導(dǎo)率低、易紫外老化等問(wèn)題，也未曾得到很好的解決。總體來(lái)講，由于技術(shù)的落后，目前我國(guó)聚合物太陽(yáng)能集熱器的銷售額很不樂(lè)觀。太陽(yáng)能聚合物集熱器如2所示。

　　3新型聚合物集熱器的研發(fā)

　　針對(duì)目前的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，聚合物集熱器的關(guān)鍵在于攻克太陽(yáng)能光譜選擇性吸收性能差、熱傳導(dǎo)率低、易紫外老化、結(jié)構(gòu)原始、顏色單調(diào)的難點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出一種熱效率高、使用壽命長(zhǎng)、安裝方便、風(fēng)格多變的建筑一體型高效聚合物太陽(yáng)能集熱器。廣州能源研究所太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)室在此方向進(jìn)行多年的研究，獲得了一定的成果。

　　3.1太陽(yáng)能光譜選擇性吸收聚合物材料研究

　　使用具有太陽(yáng)能光譜選擇性吸收性能的涂層，可以最大限度采集太陽(yáng)能的同時(shí)盡可能減少熱損失，從而提高太陽(yáng)能集熱器的效率，在傳統(tǒng)的真空管、平板集熱器中使用非常廣泛，顏色局限為黑色和藍(lán)色。但是在聚合物基底上很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榫酆衔锛療崞鞑捎酶叻肿硬牧匣?，有別于真空管、平板集熱器的玻璃或金屬基底，一方面高分子基底一般不具備低發(fā)射特性，另一方面聚合物材料熱脹冷縮率大，采用化學(xué)電鍍、磁控濺射或噴涂等后天制備的涂層在惡劣的戶外使用環(huán)境下很易脫落。

　　一般而言，如果將聚合物本體材料做成黑色，很容易達(dá)到高吸收比，但發(fā)射比也往往高于0.8，將導(dǎo)致集熱器的熱效率非常低；同時(shí)，單調(diào)的黑色不利于與建筑風(fēng)格的融合，無(wú)疑是對(duì)建筑美感的破壞。

　　針對(duì)聚合物材料的特性，研究一種新型高效、工藝適合的選擇性吸收材料很有必要。金屬氧化物是通過(guò)對(duì)大量材料的光譜分析選擇出來(lái)的特定填料，它保持高吸收比的同時(shí)又有較低的熱輻射比。通過(guò)控制、優(yōu)化微納米鋁粉球的氧化層厚度及其在基體中的分布來(lái)提高材料的光譜選擇性吸收性能，同時(shí)，通過(guò)采用材料共混復(fù)合而不是單純的表面噴涂的方法，解決塑料基底熱脹冷縮帶來(lái)的涂層壽命問(wèn)題，可采用吹塑、擠出、真空吸塑熱壓的任何一種方法制備。周大綱[7]采用碳黑、金屬氧化物與聚丙烯塑料共混復(fù)合方法制成的高光譜選擇、高導(dǎo)熱系數(shù)的塑料復(fù)合材料，光學(xué)性能吸收比0.94，發(fā)射比0.3，材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.94W/m·K，用該材料制成的1.02m2的集熱器，配78.5公斤水量的太陽(yáng)能家用熱水器平均日效率可達(dá)54.3%，平均熱損系數(shù)僅為2.34W/m·K，且使用壽命高達(dá)9年以上。

　　建筑風(fēng)格和顏色的多變必然要求集熱器也能在形狀和顏色上迎合建筑物的需求，但顏色的改變是否會(huì)影響集熱器的性能？為此我們制備了不同顏色的小樣品，并進(jìn)行了用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行光學(xué)性能的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果不同顏色的樣品吸收率分別為黑色：95.78%，灰色：90.17%，綠色86.94%，紅色69.63%，數(shù)據(jù)表明，吸熱板芯顏色的改變對(duì)吸收性能有影響的，但在選擇深色系的顏色時(shí)，差異并不明顯，這可為生產(chǎn)不同風(fēng)格的集熱器奠定了基礎(chǔ)。不同顏色的聚合物樣品吸收比如圖3所示。

　　3.2高熱導(dǎo)率、耐熱、高機(jī)械性能聚合物材料的研究

　　由于一般聚合物的熱導(dǎo)率都比較低，如聚丙烯的導(dǎo)熱系數(shù)為0.17W/m·K，嚴(yán)重阻礙聚合物材料在太陽(yáng)能加熱方面的應(yīng)用，對(duì)材料進(jìn)行改性，可以通過(guò)優(yōu)化碳納米管在復(fù)合材料中的取向程度來(lái)提高整個(gè)材料的熱導(dǎo)率、降低聚合物基體的熱膨脹系數(shù)，如宋鵬程[4]已經(jīng)使用完全定向的高密度碳納米管相變復(fù)合材料的方法，制作出導(dǎo)熱率達(dá)到3.15W/m·K 的碳納米管陣列/PMMA 復(fù)合材料導(dǎo)熱片。優(yōu)化石墨在基體中的合理分布來(lái)提高復(fù)合材料的機(jī)械性能，提高材料的扭矩、料溫及時(shí)間來(lái)提升良好成型加工能力。陶國(guó)良[5]采用在聚丙烯基體中合理分布石墨、碳纖維（CF）的方法，將其熱導(dǎo)率提升至2.1W/m·K，拉伸強(qiáng)度達(dá)到51.49MPa，顯著提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能；聚合物集熱器在使用過(guò)程中會(huì)因?yàn)閁V 輻射和高溫環(huán)境等因素破壞，可以通過(guò)集熱器表面加玻璃蓋板過(guò)濾或使用穩(wěn)定劑來(lái)避免紫外輻射老化，發(fā)展共混改性材料來(lái)避免高溫老化。

　　3.3高效聚合物集熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

　　盡管市面上有聚合物集熱器產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品并未充分體現(xiàn)塑料容易加工成型的優(yōu)點(diǎn)，其集熱器的結(jié)構(gòu)、流道設(shè)計(jì)未突破傳統(tǒng)集熱器的限制，多為管翼式結(jié)構(gòu)，由于塑料的導(dǎo)熱性差，此種結(jié)構(gòu)直接導(dǎo)致集熱器熱效率的低下。

　　為進(jìn)一步提升熱效率，避免聚合物導(dǎo)熱系數(shù)低引起的熱損失，可對(duì)集熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，引用聚光結(jié)構(gòu)時(shí)，使得太陽(yáng)能光可以聚集到吸熱管中，引用全流道結(jié)構(gòu)時(shí)，成為雙重板型，提高吸熱體與工質(zhì)的換熱面積。

根據(jù)上述材料，設(shè)計(jì)制作了一款全流道裸板聚合物集熱器的測(cè)試系統(tǒng)，包括以下部件：1 張1020mm×800mm的全流道聚合物集熱器、帶保溫的波紋不銹鋼管路、直流無(wú)刷循環(huán)水泵、水表、40L保溫水箱。測(cè)試地點(diǎn)廣州市，水流速度2.4L/min，當(dāng)天全天藍(lán)天無(wú)云，風(fēng)速小于2米/秒。測(cè)試結(jié)果如表1所示。集熱系統(tǒng)瞬時(shí)效率曲線如圖4所示。

　　擬合得到的線性方程截距為0.68，熱損系數(shù)為5.1W/m2·K。

　　3.4簡(jiǎn)單、高效生產(chǎn)工藝的研究

　　采用注塑、吹塑或雙板真空吸塑熱壓成型的方式加工的吸熱板芯，一次成型，無(wú)需額外接頭。也可以采用擠出的方式擠出一定規(guī)格的聚合物管，然后通過(guò)熱熔焊的方式將聚合物管拼裝成高選擇性聚合物吸熱管。保溫材料和邊框優(yōu)選聚氨酯材料，這樣可通過(guò)模具原位發(fā)泡一次成型，同時(shí)反光槽也在這一步成型，將透明蓋板覆蓋在聚光吸熱板芯上方，并在保溫層和邊框外部噴涂聚合物保護(hù)層，得到聚合物集熱器。

　　可以看出這種集熱器非常容易生產(chǎn)，加工工藝簡(jiǎn)單，整個(gè)過(guò)程不需要切割、焊接或壓合，也無(wú)需螺絲、鉚釘或內(nèi)楔件等的組裝，節(jié)省了大量的人工，極大提高了生產(chǎn)效率。而一維全聚合物太陽(yáng)能聚光集熱器采用擠出一次成型方式加工，生產(chǎn)效率極高。

　　3.5集熱器風(fēng)格與建筑的適應(yīng)性研究

　　由于聚合物非常容易成型，集熱器外觀可以是正方形、長(zhǎng)方形、六邊形、多邊形的任何一種，蓋板可以是平面結(jié)構(gòu)和非平面結(jié)構(gòu)。這種多變的外觀使得聚合物集熱器可更加靈活地應(yīng)用在現(xiàn)代建筑上，是傳統(tǒng)的真空管、平板集熱器所望塵莫及的。

　　在保證光熱轉(zhuǎn)換效率、使用壽命等綜合性能前提下，可通過(guò)專業(yè)、貼近用戶的工業(yè)設(shè)計(jì)，研制出多種結(jié)構(gòu)、形狀、顏色和適于建筑相結(jié)合的高效聚合物集熱器，突出滿足80 后、90后消費(fèi)群體對(duì)個(gè)性定制、多變風(fēng)格效果的訴求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)品的顛覆。太陽(yáng)能聚合物集熱器及陣列如圖5所示。

　　4展望

　　隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在世界范圍內(nèi)的實(shí)施，太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用已被推到新的高度，至本世紀(jì)中葉，世界范圍內(nèi)的能源問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題的最終解決將依靠可再生能源特別是太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用。聚合物太陽(yáng)能集熱器生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、性能高效、成本低廉，非常符合利用可再生能源、進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。但是，目前從事這方面研究的機(jī)構(gòu)、企業(yè)甚少，未能形成規(guī)模效應(yīng)和示范效果，另外，聚合物材料的耐老化性能還應(yīng)進(jìn)一步在應(yīng)用中獲得檢驗(yàn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　1.Silingiris P T T.Towards making solar water heating technology feasible-the polymer solar collector approach [J].Energy Conversion and Management，1999，40：1237~1250.

　　2.Davidson J H，Mantell S C，Jorgensen G J，et al．Status of the development of polymeric solar water heating systems[J].Advances in Solar Energy，2003，15：149~186.

　　3.Dimitrios M，Zarkadas，Kamalesh K，et al.Polymeric hollow fiber heat exchangers-An alternative for lower temperature applications[J].Ind Eng Chem，2004，43：8093~8106.

　　4.宋鵬程，劉長(zhǎng)洪.碳納米管復(fù)合導(dǎo)熱材料的結(jié)構(gòu)與性能研究[D].清華大學(xué)，2007：1~57.

　　5.陶國(guó)良，涂善東.石墨/ 碳纖維/ 聚丙烯高強(qiáng)導(dǎo)熱材料的研究[J].中國(guó)塑料，2004，40（11）：32~35.

　　6.吳嘉輝，楊麗庭，宋科明，林少權(quán).聚合物太陽(yáng)能集熱材料研究進(jìn)展[J].廣東化工，2011，1（38）：90~93.

　　7.周大綱.太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換塑料材料研究[J].上海塑料，2001，2：19~21.