介绍一种新型太阳能集热系统

北京市太阳能研究所集团有限公司/律翠萍

　　摘要：本文介绍了一种新型的太阳能集热系统———水平热管真空管集热器的结构和特点，水平热管真空管集热器既可以达到与建筑的完美结合，又不降低系统的能效，市场前景广阔。

　　0引言

　　随着人们节能和环保意识的增强，以及市场发展的需要，太阳能在建筑节能方面的应用越来越受到重视。近年来太阳能与建筑结合的方式从最初简单的太阳能热水器串并联分布发展到集热器阵列、集热单元模块化、标准化。阳台分体式，天窗分体式、集分式和无水箱式等诸多的结合方式，使集热器与建筑完全结合，受到用户和开发商的欢迎。

　　但现有的太阳能与建筑相结合中，太阳能产品结合建筑的美观性和能效存在着一定的矛盾，如果追求与建筑的有机结合以达到更为美观的效果，那么在能效上就必然会有一定的“牺牲”。如平板集热器，很多企业习惯于将其整合到阳台的护栏上，阳光的直射率就必然会降低。要想使太阳能产品和建筑进行更好的结合，必然要在这些方面多下功夫。

　　为了实现太阳能与建筑相结合，避免太阳能热水系统能效降低，北京市太阳能研究所集团有限公司最近研制、生产出了一种既可以水平安装，同时能效又不降低的新型水平热管式太阳能集热系统，已成功地应用于多个项目。

　　1新型水平热管式集热系统

　　热管是利用工质的汽化潜热高效地传递热能的强化传热元件，其传热系数比相同几何尺寸的金属棒的导热系数大几个数量级。

　　水平热管式真空管的外形尺寸为ф100×2000mm，它主要由热管、吸热板、玻璃管、金属端盖和消气剂等部件组成，其结构如图1所示。

　　作为高效传热元件的热管由蒸发段和冷凝段两部分组成。蒸发段与吸热板紧密连接。吸热板表面磁控溅射AL-N-AL选择性吸收涂层，吸收比大于0.93，发射比小于0.08。先进的热压封技术应用于玻璃-金属之间的封接。玻璃管采用高硼硅玻璃，透射比大于0.90。

　　太阳光透过玻璃管，照射在吸热板上，高吸收比的太阳选择性吸收膜将太阳辐射能转化为热能。吸热板吸收的热量迅速将热管内少量工质汽化，被汽化的工质上升到热管冷凝端向被加热的工质（水或空气）放出汽化潜热后，冷凝成液体后，流回热管蒸发端，利用热管内少量工质的汽液相变循环过程，连续将吸收的太阳辐射能传递到冷凝端加热工质[1]。

　　水平热管真空管集热器结构和普通的热管真空管集热器类似，由真空管、集管和保温盒等部件组成，结构如图2所示。

　　经国家太阳能热水器质量监督检验中心（北京）检测，水平热管式真空管集热器的热性能和瞬时效率曲线都高出国家标准要求，瞬时效率方程（基于集热器采光面积、工质进口温度）为：

　　2产品特点

　　热管式真空管太阳能集热器是金属吸热体真空管中的一种，具有一般全玻璃真空管所不及的诸多优点[2]：耐冰冻（真空管内无水）、抗冰雹（采用高强度的硼硅玻璃）、保温性能好（热管具有“热二极管效应”）、承压能力强（采用金属吸热体）、耐热冲击性能好（采用金属吸热体）、运行安全可靠（真空管与连集管之间采用“干性连接”）等，在国内外市场已得到广泛的应用。

　　热管式真空集热管中采用的是重力热管。在较冷的热管冷凝段内表面上凝结后的液体工质，依靠其自身的重力流回到热管蒸发段，为此，蒸发段应置于冷凝段的下方。由于这个原因，在安装普通热管式真空集热管时，要求热管式真空集热管与水平面保持一定的倾角（通常在15°以上），成为普通热管式真空管集热器在使用中的一种局限，而水平热管式真空集热管正好克服了重力热管的这种局限性[3]。

　　水平热管式真空管太阳能集热器除具的传统的重力式热管集热器的优点外，还有其独特的优点：

　　1）与建筑相结合设计安装适应性强，不会突兀于建筑之上，影响美观；2）可以水平安装，节省空间，可有效增加屋顶面积利用率，尽最大可能提高太阳能保证率；3）安装简单、安全、抗风能力强；4）安装成本低廉，不需要三角架等辅助材料和安装费用；5）运行可靠，便于维护；6）更适合安装在低纬度地区，如海南，避免有角度安装的集热器夏天可以使用，冬天太阳能照射在另一面而不能使用的情况；7）集热管内吸热板可根据当地纬度调整到合适的角度，这样既能达到与建筑的完美结合，又不降低系统的能效。

　　安装时，集热器先按东西方向水平放置在平屋面上或南墙面上，然后只需通过绕其轴线转动真空集热管，将吸热板与水平面的夹角调整到所需要的数值（如当地纬度），如图3所示。

　　这样既可简化集热器的安装支架，又可避免集热器影响建筑外观，因而水平热管式真空管集热器安装简单、运行可靠、节省空间、节省材料、更能满足建筑相结合要求。

　　3产品应用

　　水平热管式集热器已经在很多工程中得到实际应用，并选一典型工程做了测试，集热系统的日平均效率（基于集热器总面积）为47.3%~52.5%范围，太阳能保证率为83.5%~93.5%范围，达到了较高的水平。水平热管式太阳能热水系统实景如图4所示。

　　4结论与展望

　　新型水平热管集热器经过多个工程的实际应用，积累了大量的工程经验和应用数据，通过数据分析和用户体验得出结论：1）该产品性能符合设计要求，满足相关国家标准对该产品技术和性能的要求；2）最近研制成功的水平热管式真空管集热器优点具有水平安装，可避免影响建筑外观；安装简单，运行可靠安全，节省空间，节省材料，便于维护，更能满足建筑相结合设计，同时不降低能效，更适合低纬度地区等优点。

　　在高层建筑，安装空间有限的情况下，新型水平热管式集热器独特的优点在工程应用中具有很大的优势，市场前景广阔。

　　参考文献

　　1律翠萍，何梓年，张永泉.采用水平热管真空管集热器的集中集热、分户储热的太阳能热水系统设计方案分析.建设科技，No.14，2014.

　　2何梓年，李炜，朱敦智.热管式真空管太阳能集热器及其应用.北京：化学工业出版社，2011.

　　3何梓年，律翠萍，张永泉.宿舍建筑中太阳能热水系统的设计特点与测试性能.建筑科学，No.61-63，2015（08）.