黑瓷復(fù)合陶瓷太陽板集熱系統(tǒng)的應(yīng)用研究

修大鵬，曹樹梁，許建華，蔡斌，王啟春，楊玉國

(山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟南 250014)

地球上的化石能源將在今后100年內(nèi)消耗殆盡，能源等問題的嚴(yán)重性和緊迫性已經(jīng)達(dá)到在幾十年內(nèi)開始直接威脅到人類文明延續(xù)和生存的程度［1］。在此背景下，全世界都在迫切尋找一種可再生能源來替代常規(guī)能源，除核能和地?zé)崮芡猓厍蛏系钠渌茉矗ǔＲ?guī)能源都來自太陽能，太陽能是新能源的最大希望［2］。

由于人口總量和能源結(jié)構(gòu)對環(huán)境的影響等因素，我國的能源和環(huán)境問題比其他國家更加嚴(yán)重［3］。近十年以來，太陽能熱利用行業(yè)在我國得到了很大發(fā)展，主要有玻璃真空管太陽能集熱器和銅管板式太陽能集熱器兩種，2008年僅太陽能熱水器就形成了年產(chǎn)約2800萬平方米、產(chǎn)值380億元左右的市場［4］。2006年國家標(biāo)準(zhǔn)［5］提出太陽能熱水系統(tǒng)必須與建筑一體化，使太陽能熱水系統(tǒng)與建筑有機結(jié)合，成為建筑的一部分。太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化主要體現(xiàn)在建筑物房頂和南墻面上，與建筑共用結(jié)構(gòu)層、保溫層、防水層，即房頂集熱系統(tǒng)和陽臺集熱系統(tǒng)。我國建筑的平均壽命大于50年，而現(xiàn)有兩種太陽能裝置由于存在種種缺點，其壽命不足15年，并且受結(jié)構(gòu)、材料、成本等因素影響無法真正實現(xiàn)與建筑一體化［6］。

1 陶瓷太陽板生產(chǎn)工藝流程及性能

要真正實現(xiàn)太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化，與建筑同壽命，必須研究并尋找一種全新的低成本、長壽命、高效率的太陽能集熱體，并且徹底改變現(xiàn)有太陽能熱水系統(tǒng)的集熱器、貯水箱、配件、附件等的材料和結(jié)構(gòu)［7］。為解決上述問題，山東省科學(xué)院新材料研究所研究員曹樹梁及其無機材料研究室經(jīng)過六年的努力，成功研發(fā)了一種新型高效平板太陽能集熱體——黑瓷復(fù)合陶瓷太陽板［8］。本文對黑瓷復(fù)合陶瓷太陽板(簡稱陶瓷太陽板)的生產(chǎn)工藝、性能及與建筑一體化集熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運行原理等進行了實驗測試和分析研究。

陶瓷太陽板是以普通瓷土為原料配制泥漿注漿成型為瓷質(zhì)通孔扁盒結(jié)構(gòu)素坯，表面基體上噴涂以工業(yè)廢棄物——提釩尾渣為主要原料調(diào)配的200目釩鈦黑瓷泥漿層，由連續(xù)輥道窯經(jīng)1200℃燒制，成為基體是普通陶瓷，表面是立體網(wǎng)狀黑瓷陽光吸收層的復(fù)合陶瓷制品，其外形及截面示意圖如圖1所示。

陶瓷太陽板具體的生產(chǎn)工藝流程見圖2。

歷經(jīng)六年的研發(fā)，陶瓷太陽板由最初的300mm×300mm發(fā)展到現(xiàn)在的1000mm×1000mm，共更新了五代產(chǎn)品，其發(fā)展歷程如圖3所示。

圖1 陶瓷太陽板外形及截面示意圖Fig.1 Illustration of outline and section of a ceramic solar plate

以普通陶瓷為基體，黑瓷為表面層，沒有白度要求的普通陶瓷是已知成本最低、壽命最長、性能最穩(wěn)定的工程材料之一，以工業(yè)廢棄物提釩尾渣為主要原料的釩鈦黑瓷是成本最低、壽命最長、性能最穩(wěn)定的太陽能吸收材料。陶瓷太陽板具有瓷質(zhì)材料通性，強度大、硬度高、熱穩(wěn)定性好，不腐蝕、不老化、不褪色，無毒無害、無放射性，吸水率＜0.3%，表面陽光吸收比0.95，并且陽光吸收率不隨時間衰減，具有與建筑物相同的使用壽命。陶瓷太陽板與傳統(tǒng)集熱體性能對比如表1所示。

表1 陶瓷太陽板與傳統(tǒng)集熱體的主要性能對比Table 1 Performance comparisons of a ceramic solar plate and a traditional heating body

2 陶瓷太陽板房頂集熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及構(gòu)建過程

陶瓷太陽板集熱系統(tǒng)與建筑一體化共有兩種構(gòu)筑模式，一是與建筑一體化的房頂集熱系統(tǒng);二是與建筑一體化的陽臺集熱系統(tǒng)。陶瓷太陽板是該兩種集熱系統(tǒng)的核心部件，本文主要介紹房頂集熱系統(tǒng)的構(gòu)成。

2.1 陶瓷太陽板房頂集熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

圖4 臺階狀水泥條或型材條結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure illustration of bench-shaped cement or profiles

普通建筑房頂主要由平房頂、人字形房頂和一面坡斜房頂三種形式，一般由100mm厚混凝土結(jié)構(gòu)層、200mm厚珍珠巖輕質(zhì)水泥保溫層、50mm厚水泥層和各種防水層組成。在人字形房頂和一面坡房頂南斜面結(jié)構(gòu)層上固定水泥條或彩鋼板型材條，其縱剖面為臺階狀，以支撐陶瓷太陽板和玻璃板，可以將其直接改造為陶瓷太陽板集熱房頂，臺階狀水泥條或型材條結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示，而平房頂需要改造為具有一定傾斜角度的斜房頂，具體斜度需根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥却_定。

以平房頂為例，將其改造為具有一定斜度的南向斜房頂，其結(jié)構(gòu)剖面如圖5所示。陶瓷太陽板下面覆蓋100mm厚玻璃纖維棉為保溫層、上面采用陽光透過率0.91以上的4 mm鋼化玻璃為隔熱透明蓋板。鋼化玻璃板可同時起到房頂防水層的作用，玻璃纖維棉可同時起到房頂保溫層的作用，從而實現(xiàn)陶瓷太陽板集熱系統(tǒng)與建筑房頂共用結(jié)構(gòu)層、防水層和保溫層。與原房頂相比，減少了水泥層，增加了水泥條或彩鋼板型材條、陶瓷太陽板、循環(huán)管、儲熱水箱等，即把普通房頂改造成為與建筑一體化的陶瓷太陽能房頂，其隔熱、保溫效果優(yōu)于普通房頂。與建筑一體化陶瓷太陽板房頂集熱系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.2 陶瓷太陽板房頂集熱系統(tǒng)的構(gòu)建過程

以山東天虹弧板有限公司的陶瓷太陽能集熱實驗系統(tǒng)為例介紹其構(gòu)建過程。將一平地假設(shè)為平房頂，然后在其上建傾斜度為35°的混凝土一面坡房頂，面積約40m2，臺階狀的水泥條或型材條共有四種構(gòu)建方法，如圖7-1所示。由于沒有紫外線照射，在混凝土平板結(jié)構(gòu)層上鋪貼低值油毛氈防水層，上面鋪100mm厚玻璃纖維棉為保溫層，如圖7-2所示。然后再在玻璃纖維棉上鋪貼低值油毛氈防水層，與臺階面貼合，將陶瓷太陽板安裝在臺階條的臺階面上，將玻璃棉壓實，板與板之間用硅橡膠管和鋼絲管箍連接，用不銹鋼S鉤固定4 mm鋼化玻璃板，如圖7-3所示。建造的陶瓷太陽板集熱系統(tǒng)如圖7-4所示。

圖7 陶瓷太陽板集熱系統(tǒng)的構(gòu)建過程Fig.7 Construction process of a ceramic solar plate heating system

3 陶瓷太陽板集熱系統(tǒng)建筑實例及實驗數(shù)據(jù)分析

目前陶瓷太陽板已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并在幾十棟建筑上成功應(yīng)用。為了對該集熱系統(tǒng)的集熱效率進行研究，本文以山東省科學(xué)院新材料所無機材料車間房頂上建造的彩鋼板陶瓷太陽板集熱系統(tǒng)為例，與真空玻璃管集熱器進行實驗數(shù)據(jù)對比研究。房頂?shù)膶嵨镎掌鐖D8所示。

該車間黑瓷復(fù)合陶瓷太陽能房頂傾角12.5°，面積120m2，共28列，采用0.5 mm彩鋼板型材條支撐陶瓷太陽板和玻璃板，陶瓷太陽板下面以玻璃棉為保溫層、上面以4 mm鋼化玻璃為隔熱透明蓋板。陶瓷太陽板是通孔扁盒結(jié)構(gòu)的高效平板太陽能集熱體，為提高防凍、減少熱損失的可靠性，本系統(tǒng)采用溫差循環(huán)的方式來代替自然循環(huán)方式，即將儲熱水箱放在集熱系統(tǒng)下方，循環(huán)系統(tǒng)中可以不安裝任何閥門，當(dāng)集熱器溫度高于水箱溫度A℃時水泵啟動，高于B℃時水泵停止運行(A＞B)。其運行原理如圖9所示。

為了研究方便，通過關(guān)閉部分球閥將該房頂劃分為單列陶瓷房頂和四列陶瓷房頂兩個獨立系統(tǒng)，與真空玻璃管熱水器進行對比實驗，其技術(shù)參數(shù)對比如表2所示。

國家標(biāo)準(zhǔn)要求日陽光累計輻射量為17 MJ/m2時，對于直接系統(tǒng)日有用得熱量q17≥7.0mJ/m2，對于間接系統(tǒng)日有用得熱量q17≥6.3 MJ/m2。在2010年10月3日，對該房頂集熱系統(tǒng)和真空管熱水器熱效率進行了8 h連續(xù)測量，測量時間段8∶00～16∶00，測定當(dāng)日陽光累計輻射量為16.7 MJ/m2。

表2 三種集熱系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)對比Table 2 Technical parameter comparisons of three heating system

圖10 三種集熱系統(tǒng)水溫8 h的溫度變化曲線Fig.10 Temperature curve of three heating systems within 8 hours

圖10為三種集熱系統(tǒng)在該日的水溫溫度變化曲線。從曲線圖中可以得到三種系統(tǒng)儲熱水箱水溫的8 h溫升值分別為29℃、38℃和25℃，通過計算公式Q(熱量)=C(水的比熱容)×M(質(zhì)量)×Δ(溫升)可以分別計算出日有用得熱量分別為 8.88mJ/m2、8.68mJ/m2和 6.9 MJ/m2，熱效率分別為 53.2%、51.0% 和41.3%，由此可以得出陶瓷太陽能集熱系統(tǒng)的日有用得熱量為8.6 MJ/m2以上。國家標(biāo)準(zhǔn)為7.0mJ/m2，真空玻璃管的日有用得熱量約等于7.0mJ/m2。

4 結(jié)論

(1)陶瓷太陽板是通孔扁盒結(jié)構(gòu)的高效平板太陽能集熱體，吸水率＜0.3%，表面陽光吸收比0.95，并且陽光吸收率不隨時間衰減，具有與建筑物相同的使用壽命。

(2)陶瓷太陽板集熱系統(tǒng)與建筑一體化共有兩種構(gòu)筑模式，一是房頂集熱系統(tǒng);二是陽臺集熱系統(tǒng)。陶瓷太陽板房頂集熱系統(tǒng)與原房頂共用結(jié)構(gòu)層、保溫層、防水層，真正實現(xiàn)與建筑一體化，隔熱、保溫效果好于普通房頂，降低了太陽能的使用成本。

(3)通過建筑實例，將陶瓷太陽板房頂集熱系統(tǒng)與真空玻璃管熱水器進行對比實驗，陶瓷太陽能房頂集熱系統(tǒng)單位面積日得熱量8.6 MJ以上，高于國家標(biāo)準(zhǔn)，且遠(yuǎn)高于真空玻璃管熱水器。

［1］羅運俊，何梓年，王長貴.太陽能利用技術(shù)［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2005:25－30.

［2］王如竹，代彥軍.太陽能制冷［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2006:123－136.

［3］劉時彬.地?zé)豳Y源及其開發(fā)利用和保護［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2005:89－102.

［4］王君一，徐任學(xué).太陽能利用技術(shù)［M］.金盾出版社，2008:156－189.

［5］GB50364-2005，民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］TOMAS M，BORIVOJ S.Facade solar collectors［J］.Solar Energy，2006，80(11):1443 －1452.

［7］KREIDER J F，KEITH F.Solar heating and cooling:Active and passive design(Second Edition)［M］.New York:McGraw-Hill，1982.

［8］山東天虹弧板有限公司.復(fù)合陶瓷太陽板:中國，200910007128.X［P］.2009－07－15.