1、一种新型太阳能集热器阳光板集热器重庆大学 彭三兵 付祥钊；深圳市建筑科学研究院 罗刚摘要：针对深圳市的气候特点及建筑特点，太阳能热水器的推广与应用首先得解决建筑立面上安装太阳能集热器的难题，要解决此难题首先得解决集热器的安全性和造价之间的矛盾；一种新型阳光板集热器具有质量轻、安全性好、造价低等特点,因而为深圳市太阳能热水器的推广与应用提供了一定的参考价值。对于阳光板集热器，通过试验测试数据的对比分析，得出了其热性能及其影响因素，通过实践中进一步的改进使其推广与应用提供了可能性。关键词：阳光板集热器、热性能、影响因素1 前言作为广东省的经济特区，深圳有着优厚的气候条件，较高的经济水平及超前的消费
2、意识。深圳属于一个资源纯消费型城市，自然资源匮乏, 但其太阳能优势却非常明显。四季充足的阳光为太阳能产业提供了先天资源，平均年日照时数为1975个小时，年日照率达47%。另外，深圳太阳能全天、全年分布均匀，全年约80%的白天具有采集太阳热能的条件，太阳能资源较丰富。虽然前景看好，但是目前深圳的太阳能热水器市场仍处于起步阶段，深圳地区太阳能热水器的应用落后于全国平均水平，其主要原因是深圳的高层建筑多，屋顶可利用面积小，许多物业管理公司为维护大多数住户利益，禁止在屋面安装太阳能热水器。同时为保持建筑立面美观，也禁止在建筑立面安装太阳热水器。其实，在建筑立面安装现有的太阳能热水器，热效率低、造价高、
3、安全性差，是否值得提倡颇有争议。针对深圳市的气候特点及建筑特点，太阳能热水器的推广与应用首先得解决建筑立面上安装太阳能集热器的难题，在优先利用有限屋顶面积的同时如何经济性的充分利用高层建筑立面是一个关键问题。而高层建筑立面存在施工复杂，各种荷载（风荷载、结构荷载等）大等问题，因而首先得解决集热器的安全性和造价之间的矛盾。2 阳光板集热器的特征本文涉及到的阳光板集热器（图1）是一种采用中空聚碳酸酯板（简称阳光板）为主要材料，轻质高强，热工性能又好，采用阳光板为原料可以制造出适用于建筑立面的高性价比太阳热水器产品。阳光板集热器主体由三块阳光板叠合而成，具有耐紫外线的特征，能提高阳光板集热器的寿命。
4、其迎光面采用了高透光率的阳光板，中间层采用了低透光率（一般为深绿色或深灰色）的吸热体阳光板，背光面的底板3无特别要求，但最好采用带有反射膜的阳光板制作。阳光板太阳集热器的四周宜采用槽型金属型材做成的外框加固，并靠金属外框与建筑主体连接。水由连接头进入分水管，再由分水管上的小孔进入集热体，经阳光加热后的水由汇水管汇集并由连接头流出。吸热体可将阳光中的太阳辐射能量吸收转换为热能，而用作面板和底板的阳光板可起到防止热量散失的作用。现在大量应用的整体式、非承压的热水器本身存在的问题非常多,特别是应用在与高层住宅一体化结合方面更是难点，阳光板集热器相比于市场上大量推广与应用的平板集热器和真空管集热器，在
5、与建筑一体化方面的优势主要体现在以下几方面： (1) 外观效果好，如图1所示；(2) 使用安全，具有质量轻、荷载小，因而易与建筑立面结合牢靠，即使出现掉落的情形一般不会造成什么重大生命危险；(3) 价格便宜，制造成本价250400元/m2，而且系统简单；(4) 结构荷载，由于主体采用的是质轻高强的阳光板，因而结构荷载小。图1 试验装置3 阳光板集热器热性能测试分析取2008.3.4日08:5119:11期间对阳光板集热器装置1、3的测试数据进行分析与处理。3.1 阳光板集热器性能测试系统试验装置如图1，本次试验采用了透明集热器1（与小水箱连接，未采用保温措施），半透明集热器3（与大水箱连接，吸
6、热板约一半面积喷上黑漆，且在底板附加一保温板，进出水管保温，保温层和保温板为测试附加上去以做对比分析，图1未显示），中间的集热器装置本次试验未采用。试验装置采用自然循环系统，利用传热工质内部的温度梯度产生的密度差进行循环。大、小水箱均已做保温处理，小水箱及其吸热体总水量约5.2L, 大水箱及其吸热体总水量约20L，集热器朝南布置，倾角约300。3.2 热性能测试方案3.2.1 测试仪器设备测试仪器设备如表1所示：序号测试仪器测试参数数量1太阳能总辐射仪斜面上太阳辐射量12温湿度记录仪环境温度13热电偶水箱温度及集热器底板温度54电子秤试验水量15钢卷尺集热器轮廓采光面积16辅助器材若干表1 现
7、场测试仪器设备3.2.2 现场测点布置结合现场条件，大水箱内中心点及底部各布置一个热电偶测点，其对应的集热器装置3底部保温板外表面布置一个热电偶测点；小水箱内中心点及其对应的集热器装置底板各布置一个热电偶测点；用于测试集热器表面太阳辐射量的太阳能总辐射表固定于集热器装置3伸出的支角处，其倾角和朝向与集热器保持一致，环境温湿度记录仪安装于靠近一女儿墙通风遮阴处，试验装置如图1。3.3 测试数据分析 图2 当天太阳辐射强度变化图 图3 当天环境温度变化图 图4 大小水箱温度对比图 图5 大水箱温度分布变化图图6 温度分布变化图(1) 由图4可知，在当天测试初，二组集热装置水温基本相同，在一定的环境
8、温度和太阳辐射条件下（见图2、3所示），小水箱温度在13:30左右接近于最大值，大水箱温度在14:30左右接近于最大值，最大值分别为53、54；大水箱温度在13:3514:05期间由37迅速上升到53，曲线明显较陡；而小水箱温度当接近于最大值后变化很平缓，其集热量与散热量处于动态平衡。(2) 大水箱温度分层现象很明显（见图5所示），中心点与底部温差最大可达到20以上。这样的温度分层现象既能降低集热器进口温度,提高集热效率；又能增加可被利用的热水量,减少辅助加热量,从而提高其太阳能保证率。(3) 本次测试的集热器装置1、3，在从同一初温到各自达到最大温度期间其集热器效率见表2所示。通过大水箱温度
9、曲线与对应集热器底面的保温板外表面温度曲线，小水箱温度曲线与对应集热器底面温度曲线之间的对比分析（见图6所示），发现对于阳光板集热器装置1，当水箱温度较高时，其水箱温度与对应集热器底面温度接近，因而集热器底板的散热损失很大，造成系统热效率很低，仅为16；对于阳光板集热器装置3，进出水管做了简单保温处理，在集热器底面贴了一保温板，当水箱温度较高时，其集热器底面保温板外表面温度依然接近于环境温度，因而集热器底板的散热损失较小，从而大大提高了系统热效率，达到了50以上。系统参数单位大水箱集热装置3小水箱集热装置1集热器总采光面积m20.4830.480集热试验起始温度17.916.3集热试验终止温度
10、54.153.6水的定压比热KJ/Kg4.184.18计算期间太阳辐射量MJ/m21210.4试验水重Kg19.65.2系统效率5116表2 系统热效率的计算4 结论(1) 阳光板集热器在外观效果、使用安全、价格因素、结构荷载影响等方面相比于市场上大量推广与应用的平板集热器和真空管集热器具有无法比拟的优点，可真正与建筑融为一体，实现其一体化。(2) 水箱分层现象显著，这样的温度分层现象既能降低集热器进口温度,提高集热效率；又能增加可被利用的热水量,减少辅助加热量,从而提高其太阳能保证率。(3) 通过试验测试数据的对比分析，发现做好保温是阳光板集热器具有较好热性能的关键。其次水箱容积也是影响系统
11、热效率的一个关键因素。在相同的太阳辐射和环境温度下，配置小容积水箱，系统温升高，各种散热损失大，因而系统热效率低；同理配置大容积水箱，系统温升低，各种散热损失小，因而系统热效率高。小容积水箱系统温升高，水温能满足生活热水使用需求，但产热水量少；而大容积水箱系统温升低，水温达不到生活热水使用需求，不能直接利用。因而需合理确定水箱容积，满足对水温、水量的需求，以最大限度的直接利用太阳能,提高其贡献率。一般根据用户用水量选取水箱容积，在较大的太阳辐射量和较高的环境温度下,确定好集热器面积和合理保温措施来达到用户对水温的需求，以最大限度的直接利用太阳能,节约常规能源，因而阳光板集热器在深圳市太阳能热水器的推广与应用中具有一定的现实意义。参考文献：1罗刚.阳光板太阳热水器技术交底书071218，20072张军杰.高层住宅与太阳能热水器一体化结合研究，建筑科学，2007，（04）附件：作者基本情况表姓名彭三兵性别男出生年月1983.4.13职称无工作单位深圳市建筑科学研究院职务硕士研究生联系电话15813844057传真0755-83786614通信地址深圳市福田区振华路8号设计大厦5楼邮编518031Emailcqdx20025560
