介紹一種新型太陽能集熱系統(tǒng)

北京市太陽能研究所集團有限公司/律翠萍

　　摘要：本文介紹了一種新型的太陽能集熱系統(tǒng)———水平熱管真空管集熱器的結構和特點，水平熱管真空管集熱器既可以達到與建筑的完美結合，又不降低系統(tǒng)的能效，市場前景廣闊。

　　0引言

　　隨著人們節(jié)能和環(huán)保意識的增強，以及市場發(fā)展的需要，太陽能在建筑節(jié)能方面的應用越來越受到重視。近年來太陽能與建筑結合的方式從最初簡單的太陽能熱水器串并聯(lián)分布發(fā)展到集熱器陣列、集熱單元模塊化、標準化。陽臺分體式，天窗分體式、集分式和無水箱式等諸多的結合方式，使集熱器與建筑完全結合，受到用戶和開發(fā)商的歡迎。

　　但現(xiàn)有的太陽能與建筑相結合中，太陽能產品結合建筑的美觀性和能效存在著一定的矛盾，如果追求與建筑的有機結合以達到更為美觀的效果，那么在能效上就必然會有一定的“犧牲”。如平板集熱器，很多企業(yè)習慣于將其整合到陽臺的護欄上，陽光的直射率就必然會降低。要想使太陽能產品和建筑進行更好的結合，必然要在這些方面多下功夫。

　　為了實現(xiàn)太陽能與建筑相結合，避免太陽能熱水系統(tǒng)能效降低，北京市太陽能研究所集團有限公司最近研制、生產出了一種既可以水平安裝，同時能效又不降低的新型水平熱管式太陽能集熱系統(tǒng)，已成功地應用于多個項目。

　　1新型水平熱管式集熱系統(tǒng)

　　熱管是利用工質的汽化潛熱高效地傳遞熱能的強化傳熱元件，其傳熱系數(shù)比相同幾何尺寸的金屬棒的導熱系數(shù)大幾個數(shù)量級。

　　水平熱管式真空管的外形尺寸為ф100×2000mm，它主要由熱管、吸熱板、玻璃管、金屬端蓋和消氣劑等部件組成，其結構如圖1所示。

　　作為高效傳熱元件的熱管由蒸發(fā)段和冷凝段兩部分組成。蒸發(fā)段與吸熱板緊密連接。吸熱板表面磁控濺射AL-N-AL選擇性吸收涂層，吸收比大于0.93，發(fā)射比小于0.08。先進的熱壓封技術應用于玻璃-金屬之間的封接。玻璃管采用高硼硅玻璃，透射比大于0.90。

　　太陽光透過玻璃管，照射在吸熱板上，高吸收比的太陽選擇性吸收膜將太陽輻射能轉化為熱能。吸熱板吸收的熱量迅速將熱管內少量工質汽化，被汽化的工質上升到熱管冷凝端向被加熱的工質（水或空氣）放出汽化潛熱后，冷凝成液體后，流回熱管蒸發(fā)端，利用熱管內少量工質的汽液相變循環(huán)過程，連續(xù)將吸收的太陽輻射能傳遞到冷凝端加熱工質[1]。

　　水平熱管真空管集熱器結構和普通的熱管真空管集熱器類似，由真空管、集管和保溫盒等部件組成，結構如圖2所示。

　　經國家太陽能熱水器質量監(jiān)督檢驗中心（北京）檢測，水平熱管式真空管集熱器的熱性能和瞬時效率曲線都高出國家標準要求，瞬時效率方程（基于集熱器采光面積、工質進口溫度）為：

　　2產品特點

　　熱管式真空管太陽能集熱器是金屬吸熱體真空管中的一種，具有一般全玻璃真空管所不及的諸多優(yōu)點[2]：耐冰凍（真空管內無水）、抗冰雹（采用高強度的硼硅玻璃）、保溫性能好（熱管具有“熱二極管效應”）、承壓能力強（采用金屬吸熱體）、耐熱沖擊性能好（采用金屬吸熱體）、運行安全可靠（真空管與連集管之間采用“干性連接”）等，在國內外市場已得到廣泛的應用。

　　熱管式真空集熱管中采用的是重力熱管。在較冷的熱管冷凝段內表面上凝結后的液體工質，依靠其自身的重力流回到熱管蒸發(fā)段，為此，蒸發(fā)段應置于冷凝段的下方。由于這個原因，在安裝普通熱管式真空集熱管時，要求熱管式真空集熱管與水平面保持一定的傾角（通常在15°以上），成為普通熱管式真空管集熱器在使用中的一種局限，而水平熱管式真空集熱管正好克服了重力熱管的這種局限性[3]。

　　水平熱管式真空管太陽能集熱器除具的傳統(tǒng)的重力式熱管集熱器的優(yōu)點外，還有其獨特的優(yōu)點：

　　1）與建筑相結合設計安裝適應性強，不會突兀于建筑之上，影響美觀；2）可以水平安裝，節(jié)省空間，可有效增加屋頂面積利用率，盡最大可能提高太陽能保證率；3）安裝簡單、安全、抗風能力強；4）安裝成本低廉，不需要三角架等輔助材料和安裝費用；5）運行可靠，便于維護；6）更適合安裝在低緯度地區(qū)，如海南，避免有角度安裝的集熱器夏天可以使用，冬天太陽能照射在另一面而不能使用的情況；7）集熱管內吸熱板可根據(jù)當?shù)鼐暥日{整到合適的角度，這樣既能達到與建筑的完美結合，又不降低系統(tǒng)的能效。

　　安裝時，集熱器先按東西方向水平放置在平屋面上或南墻面上，然后只需通過繞其軸線轉動真空集熱管，將吸熱板與水平面的夾角調整到所需要的數(shù)值（如當?shù)鼐暥龋?，如圖3所示。

　　這樣既可簡化集熱器的安裝支架，又可避免集熱器影響建筑外觀，因而水平熱管式真空管集熱器安裝簡單、運行可靠、節(jié)省空間、節(jié)省材料、更能滿足建筑相結合要求。

　　3產品應用

　　水平熱管式集熱器已經在很多工程中得到實際應用，并選一典型工程做了測試，集熱系統(tǒng)的日平均效率（基于集熱器總面積）為47.3%~52.5%范圍，太陽能保證率為83.5%~93.5%范圍，達到了較高的水平。水平熱管式太陽能熱水系統(tǒng)實景如圖4所示。

　　4結論與展望

　　新型水平熱管集熱器經過多個工程的實際應用，積累了大量的工程經驗和應用數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和用戶體驗得出結論：1）該產品性能符合設計要求，滿足相關國家標準對該產品技術和性能的要求；2）最近研制成功的水平熱管式真空管集熱器優(yōu)點具有水平安裝，可避免影響建筑外觀；安裝簡單，運行可靠安全，節(jié)省空間，節(jié)省材料，便于維護，更能滿足建筑相結合設計，同時不降低能效，更適合低緯度地區(qū)等優(yōu)點。

　　在高層建筑，安裝空間有限的情況下，新型水平熱管式集熱器獨特的優(yōu)點在工程應用中具有很大的優(yōu)勢，市場前景廣闊。

　　參考文獻

　　1律翠萍，何梓年，張永泉.采用水平熱管真空管集熱器的集中集熱、分戶儲熱的太陽能熱水系統(tǒng)設計方案分析.建設科技，No.14，2014.

　　2何梓年，李煒，朱敦智.熱管式真空管太陽能集熱器及其應用.北京：化學工業(yè)出版社，2011.

　　3何梓年，律翠萍，張永泉.宿舍建筑中太陽能熱水系統(tǒng)的設計特點與測試性能.建筑科學，No.61-63，2015（08）.