窗口太陽能熱水器研究與應用

安裝在屋面上的玻璃真空集熱管直接換熱式太陽能熱水器，存在著難以解決的技術問題：一是不適合高層樓房安裝；二是影響屋面防水層的施工與維修；三是管道走向距離長、熱損大；四是一旦集熱管破碎后，水沖玻璃碎片到處流淌，存在不安全隱患。為解決上述的技術不足，利用窗口周圍空間資源，我們研究設計了能在窗口處安裝的“π”字型直接換熱式太陽能熱水器，擴大了直接換熱式太陽能熱水器的應用范圍。本文重點論述該產品的研究與應用。

1 產品構造

“[π]”字型直接換熱式太陽能熱水器，是在直接換熱式太陽能熱水器制造技術基礎上，依據國家技術規范研究設計的。其中貯水箱制作技術、全玻璃集熱管應用技術、管道系統安裝技術、制動控制系統應用技術以及熱水使用方法，均與直接換熱式太陽熱水器相同；所不同的是：貯水箱安裝在窗口上方，中間段無集熱管，是通過桶托，安裝在兩個鋼管結構懸臂梁托架上，托架固定在墻體上；集熱器安裝在窗口兩側，其上端固定在貯水箱的連接件上，下端支撐在墻體上；集熱器與墻面夾角11°；在集熱管內裝有“管內集熱器”，水在“管內集熱器”內，集熱管與集熱器之間無水；在集熱管外附安全膜。

2 貯水箱研究與設計

貯水箱是依據NY/T514—2002《家用太陽熱水器儲水箱》進行研究與設計，截面采用圓形；設計貯水箱主要涉及安裝處開間尺寸和窗口寬度兩項基本數據。

⑴貯水箱長度設計。貯水箱長度，依據房屋開間尺寸進行設計，既能將窗口太陽能熱水器安裝在本開間內又不影響相鄰開間安裝窗口太陽能熱水器，其貯水箱最長尺寸為：開間的軸線尺寸-20mm為宜。

⑵貯水箱容水量研究與設計。貯水箱容水量，根據集熱器輪廓采光面積確定；本文以58mm×1800mm規格集熱管為研究對象，其輪廓采光面積長度即集熱管有效長度：Lo=1.68m；窗口一側輪廓采光面積寬度：Bo=0.65m；輪廓采光面積為：1.68m×0.65m×2=2.18m2。

然后確定貯水箱內桶直徑：為了使產品盡量在不同的開間通用，并減少生產水箱麻煩，使一種截面水箱能在常用的3.60、3.30、3.00、2.70開間尺寸的房屋上應用，選用以3m開間應用的貯水箱長度為基本尺寸進行研究設計。以遼寧地區為例，根據GB50364-2005《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》4.4.2條的條文說明中表2，每100L熱水量的系統集熱器總面積，遼寧地區推薦選用值為1.6；所以本例選用的貯水箱理論容積為2.18m2/1.6m2×100=136L；實際選用為：內膽直徑=260mm；內桶凈長=2820mm，容積=150Lo貯水箱實際容積大于貯水箱理論容積，本產品通過下溢流管調整貯水箱的實際容量。

⑶產品安裝角度設計。窗口太陽能熱水器是懸掛在墻體表面，最大重物是貯水箱，為了使貯水箱與墻體能夠可靠連接，必須首先考慮將貯水箱重心固定在懸臂構件上，然后考慮水平方向與墻體連接；因而集熱管且包括集熱管周邊的連接件的邊線，在貯水箱外表面都不能與貯水箱的重心線相交，經計算窗口太陽能熱水器與墻面的夾角選11°較為適合。如果選擇集熱器安裝角度與本地緯度相同，與墻面形成的安裝角度過大，也影響建筑外立面的效果；如果選擇集熱器安裝角度與墻體平行，貯水箱很難采取中心支撐方案，不利于安裝的穩定性，同時在大部分地區影響集熱效果。

3 管內集熱器的研究與設計

⑴管內集熱器的作用和構造。管內集熱器是防止集熱管炸管后漏水，且系統不能正常應用的安全和使用問題，是專為窗口太陽熱水器研發的產品；管內集熱器是由不銹鋼管、連接口、減震硅膠墊和外涂吸熱膜層構成，其一端開口，另一端封閉。其安裝方法是：開口端插入貯水箱的內膽，用硅膠圈密封連接，與普通集熱管插入內桶的原理相同，集熱管套在管內集熱器上，上端插入貯水箱外桶。

⑵工作原理。水在管內集熱器內，玻璃集熱管內無水；管內集熱器的水吸收兩部分熱能進行熱交換，一是玻璃集熱管吸收的熱能，通過氣體間接地與“水”進行熱交換；二是管內集熱器的吸熱膜層吸熱，直接與“水”進行熱交換，即將太陽能進一步回收。

⑶管內集熱器金屬管直徑的研究。管內集熱器金屬管直徑的選擇，直接涉及經濟、技術兩項指標，為既經濟合理又能保證集熱效果不變，我們分別選擇15mm、20mm、25mm直徑的金屬管制作的管內集熱器。

4 安全集熱管的研究與設計

（1）研究的必要性。GB50364—2005《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》5.3.3強制條文規定：“在安裝太陽能集熱器的建筑部位，應設置防止太陽能集熱器損壞后部件墜落傷人的安全防護措施。”。為了使窗口太陽能熱水器符合本條強制條文的規定，必須采取可靠技術措施，防止普通集熱管損壞玻璃碎片傷人的安全隱患。

（2）測試結論：帶膜層集熱管很難擊碎，即使擊碎玻璃碎片是粘在膜層上不會傷人；帶膜層集熱管的集熱效果與普通集熱管的集熱效果相同。

窗口太陽能熱水器，不增加管內集熱器即屬于“直接換熱式熱水器”，增加管內集熱器既有間接換熱作用又有直接換熱作用，集熱效果和貯水箱容水量，都大大的好于分體壁掛式太陽能熱水器；其中管內集熱器和在玻璃集熱管外附安全膜層的新產品和新技術，適用于所有全玻璃真空集熱管太陽能熱水器和集熱工程，特別是符合GB50364—2005《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》5.3.3強制條文：“在安裝太陽能集熱器的建筑部位，應設置防止太陽能集熱器損壞后部件墜落傷人的安全防護措施”規定；安裝和維修窗口太陽能熱水器有完整的吊裝和操作方法，操作者有了人身安全保障。更適合太陽能與建筑一體化技術的應用。