太阳能热水器与建筑一体化技术.doc

太阳能热水器与建筑一体化技术 杨宪杰 广东五星太阳能有限公司太阳能研究所摘要：建筑节能需要太阳能，太阳能推广需要与建筑一体化。为适应与建筑一体化的要求，太阳能产品必须从结构和性能上脱骨换代，采用分体式太阳能热水系统。集热器在性能达标的同时，还要结构合理，造型多样、美观、安全、可靠；水箱宜承压运行，寿命长；系统采用双循环，确保在高纬度地区全天候使用；采用智能控制；太阳能与建筑结合的技术细节需要深入研究，使太阳能与建筑结合灵活、巧妙、美观。1引 言在跨入21世纪以来，能源已经成为全球的热点、焦点问题。世界各国都面临着资源和环保的双重压力，人类社会的可持续发展遭遇了空前的挑战。太阳能以其储量的“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐渐显露出的经济性等优势，是人类理想的替代能源。太阳能唱主角的新能源时代初见端倪。在太阳能产业高速发展的今天，太阳能光热技术的开发和推广应用还存在某些不足，其中包括“太阳能与建筑一体化”等问题。2太阳能与建筑节能建筑节能在国家能源节约战略中有着重要地位。建筑能耗占总能耗的2540%，与交通运输和工业一同被列为三大耗能用户, 在建筑能耗中，空调制冷、供暖和热水占75%。2005年底全国城乡房屋建筑面积共计为448亿，预计到2010年底将达到519亿，建筑耗能正在大幅度地增长，使日益紧张的能源形势雪上加霜。国务院节能中长期专项规划要求“十一五”期间建筑节能实现节约亿吨标准煤的规划目标。太阳能是最为方便、最有前途、可再生的建筑能源。我国太阳能资源极为丰富，年太阳能辐照总量大于502万kJ/、年日照时数超过2200h的地区占国土面积2/3以上，国家已将太阳能热利用纳入了建筑节能范畴，为太阳能热水系统建筑一体化奠定了重要的政策基础。按我国2000-2015年新能源和可再生能源产业发展规划要求，我国太阳热水器保有量到2015年达到2.7亿m2，2020年达到5.0亿m2，而2005年我国太阳能热水器的保有量仅7500万m2（见图1），太阳能热水器将为建筑节能目标的实现起着至关重要的作用。 01000200030004000500060007000800019981999200020012002200320042005年产量（万平方米）保有量（万平方米）图1 19992005年太阳热水器总产量与总保有量变化目前广东省太阳能热水器保有量300万，仅占全国的4%；广东省城镇现有建筑超过10亿，几乎都不符合节能要求；而新建建筑符合建筑节能设计标准的不足20。根据广东省的建筑节能目标，力争全省城乡居民太阳能热水器使用率达到30以上，到2020年，全省城镇新建建筑实现节能60、珠江三角洲达到65的目标。显然，我省的太阳能推广普及任重道远，时间紧迫，太阳能行业责无旁贷。3. 与建筑一体化是太阳能发展的趋势目前家用的太阳能热水器主流产品真空管太阳热水器由于集热采用热虹吸循环，用水采用落水式，结构采用水箱高置、真空管直插式，热水器只能高高地架在屋顶或楼顶，摆放非常零乱，破坏了建筑美观（如图2、图3），影响了城市形象，故而不少城市或物业部门明令禁止太阳能热水器安装。显然，现有常规产品自身的结构缺陷已经成为太阳能热水器大规模推广的技术瓶颈，要想从根本上突破，必须开发分体式系列新产品，实现太阳能与建筑一体化。图2 安装实例一 图3 安装实例二随着可再生能源法在今年的正式施行，太阳能与建筑一体化被摆上了重要的战略高度。国家发改委、商务部、建设部以及中国可再生能源协会等相关团体，也相继出台了一些措施，对太阳能与建筑一体化进程给予了有力推进，各地政府纷纷出台相关鼓励政策，但是由于缺乏配套的产品而落实困难，收效甚微。面对越来越强烈市场的需求，太阳能界和建筑界已经高度重视并开始互动，专家呼吁：“尽快开发出与建筑很好结合的太阳能产品与系统，要加强技术创新，加速太阳能产业与建筑的结合、太阳能与建筑一体化的新产品开发、生产。”太阳能与建筑一体化已经成为太阳能热利用和建筑节能的发展趋势。4 太阳能建筑一体化国内外发展现状欧盟在太阳能与建筑一体化的研究及应用方面均处于世界领先地位。主流产品是平板式太阳能热水系统，以分体式双循环承压运行为主。集热器的安装实现了太阳能与建筑的完美结合。建筑一般为尖顶，集热器像天窗一样镶嵌于坡屋面、平铺于屋脊或壁挂于墙体，和建筑融为一体，增加了建筑美观；防水结构设计合理；屋顶承重小；储热水箱在地下室、阁楼或楼梯间隐藏放置，不占室内空间，避免屋顶承重；保温水箱容积比较大，甚至很多家庭使用双水箱；相应的集热器安装面积也较大，从而满足大量的热水需求；热水的用途不仅仅是洗浴，还用来供暖和提供生活用水；其水质保持清洁，达到饮用水标准；平板集热器板芯采用真空溅射选择性涂层，吸收率高，发射率低，耐久可靠，性能指标好；双循环系统以防冻液为工质，保证高寒地区冬季正常使用；辅助能源选用燃气炉、壁炉或电加热器，一般通过换热器间接加热，确保全天候热水供应（见图4）。图4与建筑一体化的分体式太阳能热水系统示意欧共体15国太阳能热水器集热面积正以35%的速度递增，2010年分体式太阳能热水系统总面积将达到8155-10000万m2。（见图5）0.484.50.898.55.4262410001020304050607080901001994199920052010annually installedtotal installed图5 欧盟1994-1999-2010 (目标)欧盟安装有集热器建筑的比例：国外太阳能与建筑一体化的发展得到了政府的大力支持，一般采用高额补贴的办法（补贴30%-40%，德国高达60%）。以色列则采取强制性推广政策，使太阳能热水器的普及率已超过90，太阳能热水器总面积350万m2，每千人人均580m2，成为全球人均太阳热水使用面积最高的国家。欧盟15国太阳热水器集热面积正以35%的速度递增，2010年分体式太阳能热水系统总面积将达到8155-10000万m2。目前，我国太阳能建筑一体化的承压分体式太阳能热水系统的研究还处于起步阶段，技术尚需完善，还没有得到推广。我国在该领域的技术研发力度不够，经费投入不足，技术储备少，在需求强烈、增长加剧的市场形势下凸显科研滞后和被动。我国建筑行业对太阳能集热系统缺乏了解，建筑设计部门基本上没能深入介入太阳能热水系统的设计，对太阳热水器在不同气候条件、不同季节比较准确的热水产量，没有掌握可靠的技术依据，导致建筑设计人员感到迷茫而无从下手，设计时缺乏（融合太阳能的）兴趣。而太阳能行业技术研发力量比较薄弱，有限的资源投放在产品技术的开发、更新换代和市场竞争上，缺乏太阳能与建筑一体化的技术研究。由于整体上太阳能与建筑两个行业的相互脱节，使太阳能技术孤立于建筑功能、结构、美学等因素之外，影响了太阳能建筑一体化的进程，造成太阳能热水器与建筑使用中存在的两难与尴尬局面。5 太阳能建筑一体化的技术要求为满足建筑一体化要求，太阳能热水系统必须采用分体、承压、双循环系统，在产品结构上容易和建筑完美结合，在系统质量和性能上做到高效率，长寿命，免维护，全天候。现在常用的普通太阳能热水器除了前述美观因素以外，安装困难，容易破坏屋面防水层，导致屋面渗漏；上下水管道暴露于室外，热损大，管路冷水多，造成水资源浪费，影响使用；防雷、防风措施不到位存在安全隐患；真空管属于易损件，产品维修率高，尖顶楼房维修困难，还很不安全；高寒地区为防止结冰炸管冬季不得不停止使用从质量和性能方面都不能满足太阳能与建筑一体化的需要。为克服真空管直插式太阳能热水器的结构缺陷，市场上出现了真空管分体承压式太阳能热水器。业内几家大企业不遗余力地推广宣传，也做了一些示范工程，取得一定成效。但是，由于真空管自身结构和易破碎的缺陷，它的可靠性、美观性，防水性、耐久性、免维护等方面都不能令人放心，事实上也确实存在不少问题；在性价比方面也难于接受；所用承压式储热水箱内胆采用不锈钢或搪瓷，也存在成本高、寿命短、不可靠等头疼问题；在和建筑的结合方式上，往往不是太阳能和建筑有机结合，而是建筑迎合太阳能，难免有些牵强，也不利于示范、推广。欧盟平板式太阳能热水器占90%以上的市场份额，给了我们很多启示。通过总结国内外相关实践经验，我们确信由平板集热器组成的分体、承压式太阳能热水系统才是实现建筑一体化的最佳选择。经多年研究发现，平板式太阳能系统优点很多。以广东五星太阳能有限公司的平板式太阳能热水系统为例，其优点如下：.集热器采用全铜金属流道，耐腐蚀，设计寿命在20年以上；.集热器盖板采用超白、钢化、安全玻璃，机械强度非常高，可以踩人（见图6），即使万一破损也不会伤人，使用安全。而全玻璃真空集热管一旦炸管，残片由高处飞落，则容易造成不可想象的后果；.集热器全部采用金属流道，可承压运行，稳定可靠。全玻璃真空集热管则做不到；.系统没有易损件，可以做到减免维护，性能稳定，让用户舒心、省心、放心。玻璃真空管则相反；图6俄罗斯客商现场实验.采用高性能选择性吸收涂层的平板式集热器的集热效率高于真空管式集热器；.抗冻性能好，实验证明，采用双循环系统即使在高寒地区冬季（- 40）平板式太阳能集热系统也可以工作。真空管式太阳能集热器想达到此目标则需要一番技术改造；.平板式太阳能集热器具有独特的融雪功能。笔者04.12.18亲赴漠河试验，意外发现当启动循环时，覆盖在集热器上厚厚的积雪会自动融化，从而保证雪后集热器也能工作，而真空管式太阳能集热器无此功能；.在与建筑结合方面平板式太阳能集热器优势显著，无论镶嵌于坡屋面还是壁挂于阳台、墙体，都能完美地与建筑结合，其安全性、可靠性符合建筑的相关要求，而真空管式太阳能集热器只能甘拜下风；.相同集热面积的承压、分体式太阳能集热系统，平板式比真空管式性价格便宜。6.与建筑一体化的高效、承压、分体式太阳能热水系统简介泛珠三角地区经济发达，人口密集，太阳能资源比较丰富，市场需求巨大，但由于缺乏能够实现与建筑一体化的太阳能产品，不能满足消费者对产品的较高要求，因而太阳能的推广一直不够理想。目前广东省太阳能热水使用率仅为7%，远低于全国11.5 %的比例，太阳能热水器发展潜力巨大。根据深圳 “十一五”期间“太阳能建筑一体化”实施计划，从2006到2010年，将新建200万的太阳能热水利用示范工程，与建筑一体化的新型高效、承压、分体式太阳能热水系统将成为首选。由于经济技术水平及建筑风格的差异，发达国家的太阳能热水系统在我国并不完全适合，而且欧盟一套家用型分体热水系统系统3000-7000欧元，几乎没有在国内推广的可能。开发适应我国国情的新型高效、承压、分体式太阳热水系统及实现建筑一体化已是当务之急，刻不容缓。广东五星太阳能有限公司和中国科技大学强强联合，致力于太阳能建筑一体化的研究，目前已经取得重大突破。作为核心部件之一的平板集热器，在国内率先采用真空溅射选择性涂层；采用美国超声波焊接设备和工艺；将聚胺脂整体发泡保温技术应用于集热器保温，减少集热器的热损系数；采用低铁玻璃，提高集热器盖板的透光率；设计新型的铝合金及不锈钢集热器外框；使集热器具有热效率高，保温性好，结构合理，造型美观、易于实现建筑一体化、各项性能指标达到国际先进水平，填补国内空白。2006年5 月通过了广东省科技厅组织的技术鉴定，并获得澳洲、欧洲有关认证。由于性价比优势大，具有很强的国际竞争力，产品主要销往欧洲、非洲、澳洲和东南亚等30多个国家和地区，目前已呈供不应求之势。承压水箱内胆腐蚀漏水是热水器行业感到头痛的问题。五星太阳能有限公司引进德国防腐技术，确保水箱耐腐蚀、寿命长（理论寿命30年），目前已经进入批试阶段。在控制功能方面，系统采用微电脑智能控制，可自动实现换热循环、防冻循环、管路恒温循环；高效双循环系统，解决太阳热水系统不能在高寒地区使用的问题；设有温度定点巡检，定温定时启动辅助加热；故障警示；系统还具有过热保护、防干烧、防漏电、性能可靠，功能齐全。还可以通过技术嫁接，用计算机或手机来实施远程控制，实现太阳热水系统控制信息化、智能化。在太阳能与建筑结合方面，针对不同建筑结构，设计多种方案可供选择；尽可能实现太阳能组件的模块化、多元化和规范化；把太阳能热水系统的各个部件设计成为建筑构件，巧妙地融入建筑之中，成为建筑组成不可分割的一部分，真正与建筑一体化，使分体式太阳能热水系统既美观又可靠（见图7、图8）；储热水箱在地下室、