坡屋頂建筑太陽能一體化集熱模塊裝置

長沙理工大學 能源與動力工程學院 ■ 張政 黃永紅 蘭新如 王成 張柳

0 引言

隨著太陽能光熱利用技術的發展，目前的研究重點主要放在太陽能集熱與建筑一體化上，國內相關專家已做過許多類似的研究[1-5]。現階段常用的太陽能集熱器有平板型集熱器和真空管型集熱器，在使用過程中存在許多不足。如平板型集熱器易受各種環境的影響，散熱快、保溫效果差、無抗凍能力；平板式對臺風的阻力大、抗臺風能力差，玻璃平面受外來沖擊力大，抗冰雹能力差且易老化。而真空管集熱器玻璃易碎，抗沖擊能力差，最重要的是兩者都存在與建筑不能有機結合的缺點。因此，當前急需解決的問題有：提高太陽能的集熱效率；設計使太陽能集熱與建筑更好的一體化；使安裝更加方便；集熱器模塊化以適應不同的負荷需求。

民用建筑的集熱器基本安裝在屋頂。屋頂分為平屋頂與坡屋頂，其中平屋頂占絕大多數。一些研究結果表明[6-9]，坡屋頂比平屋頂有著更好的隔熱、防水、保溫性能，而且外形美觀，又是中國傳統建筑最直觀的標志。在建設“資源節約型與環境友好型”社會的過程中，“平改坡”作為其中最普遍的節能改造方式，已經得到了事實的驗證，并且具有廣闊的推廣價值。因此未來相當長的一段時間，坡屋頂建筑將是建筑的一個主要形式。對于太陽能集熱器與坡屋頂如何有效的一體化結合，其研究就顯得非常有意義。

太陽能集熱如何才能更好地與坡屋頂一體化，尚還有許多值得完善的地方。本文所要解決的技術問題是：針對現有技術不足，提高集熱效率以及與坡屋頂建筑完美地融合，適應不同用戶的不同負荷需求，以及便于安裝的問題。

1 設計方案

為解決上述技術問題，設計了一種坡屋頂建筑太陽能一體化集熱模塊裝置。如圖1所示，本裝置實施的太陽能集熱模塊包括兩個并排設置的集熱單元，集熱單元包括底座和集熱瓦，集熱瓦為弧形，底座兩端均固定有支撐豎板，集熱瓦固定在支撐豎板上；為了仿真建筑構件瓦的外形結構，達到與建筑外形一體化的目的，該模塊第一集熱單元的集熱瓦為上凸的弧形板，第二集熱模塊的集熱瓦為下凹的弧形板；第一集熱單元的底座、集熱瓦與第二集熱單元的底座、集熱瓦固定連接；支撐豎板與底座均由保溫層和與保溫層固定連接的吸熱板組成，支撐豎板固定在底座的保溫層上；第一集熱單元的支撐豎板高于第二集熱單元的支撐豎板，兩者高度差與集熱瓦的厚度相同；底座上固定有若干根收集集熱瓦反射的熱量的集熱管。底座上固定有若干個集熱管槽，集熱管固定在集熱管槽內。

圖1 太陽能集熱模塊

太陽能集熱模塊瓦設計如圖2所示，集熱瓦包括本體以及下面的透鏡層。吸熱板由銅鋁合金制成，表面涂有吸熱涂層，采用藍色鍍膜、黑鉻技術鍍上吸熱涂層。

圖2 太陽能集熱模塊瓦

如圖3所示，本裝置的組合包括一定位框架和固定在定位框架內的若干個太陽能集熱模塊，定位框架包括底板，底板相對兩邊各固定有一根匯總水管，兩根匯總水管兩端各通過一根邊框連接固定；定位框架長度方向上固定有由多個太陽能集熱模塊依次并排對接而成的連接體，相鄰兩個太陽能集熱模塊的集熱瓦通過防水膠密封；定位框架寬度方向上依次固定有多行連接體，相鄰兩行連接體的集熱瓦通過密封材料密封；太陽能集熱模塊的集熱管與定位框架上的匯總水管連通，兩根匯總水管分別連接進水管和出水管；進水管與建筑物內自來水管網連通，出水管與建筑物內集熱水箱連通；定位框架底板通過固定螺孔固定在坡屋頂屋面上，如圖4所示。

圖3 定位框架

圖4 集熱模塊裝置屋頂安裝示意圖

通過定位框架將太陽能集熱模塊組裝成為一體式集熱系統，首先根據用戶熱水負荷量計算確定系統所需模塊數量，然后將各集熱模塊底座連接固定，并固定在定做的大小適合的定位框架底板上，將集熱管安放在底座上的集熱管槽中，兩端分別與底板上的進水管、出水管連接。當太陽光照射在吸熱板上時，通過熱傳導將熱量經過集熱管槽傳遞給集熱管，再將集熱瓦用膠水固定連接在支撐豎板上，相鄰瓦搭接并用密封材料密封(例如防水膠)，組裝好的系統通過定位框架固定在坡屋頂上。進水管連接自來水管網和定位框架上的一根匯總水管，集熱管通過接受透過集熱瓦的太陽能加熱冷水，然后通過另一根匯總水管連接到出水管。這樣便完成了整個集熱過程。

與現有技術相比，本裝置所具有的效果為：太陽能集熱模塊安裝方便、集熱效率高；建筑物坡屋頂集熱效率高、防水性能好，安裝方便，能滿足不同用戶的不同負荷需求。

2 技術參數

該模塊裝置具體的技術參數主要包括材質、尺寸規格以及連接固定方式，相關技術參數見表1。

3 光學分析

坡屋頂建筑太陽能一體化集熱模塊裝置，在集熱效率上最主要的是在平板型集熱器基礎上通過對透明蓋板外形的改進，采用透鏡集熱技術。其提高集熱效率的原理主要是通過改變光線的傳播方向，使得最大限度地吸收各個方向的太陽光線(直射與散射)，并且匯聚到集熱管槽區域。

表1 技術參數表

光線透過玻璃時會發生折射，由于從低密度的介質向高密度的介質發生折射時，折射角大小會小于入射角，如果玻璃是平板形，光線會發生兩次折射，折射率未變，因此出射光線的角度與入射光線的角度不會發生變化，是平行關系。但是其光線從集熱瓦外側向內側傳遞的過程由于集熱瓦的內外弧度不一致，同樣發生兩次折射，但由于發生折射的法線之間存在角度的變化，使得兩次折射發生路徑變化，如圖5所示。

圖5給出了平板透光板與本模塊的集熱凸瓦與凹瓦對于光線垂直入射、水平入射與傾斜入射的折射光路，因為集熱瓦為左右軸對稱，所以只分析左半部分，其另外一部分效果是對稱的。根據折射光路可知，對于垂直入射的光線，平板透光板與集熱瓦折射后的方向基本相差不大；對于水平入射的光線，則平板透光板對光線沒有折射作用，而是平行于透光板在其上方穿過，集熱瓦對于水平入射的光線可使之光線向圓弧圓心處偏轉，使之能穿過集熱瓦射在其下面的平面上；對于傾斜入射的光線，平板透光板式平行偏移了一段距離，但方向沒有發生變化，而集熱瓦不但發生偏移，且光線方向也向著圓心偏轉。

圖5 不同方向入射光路圖

由以上分析可得，集熱瓦比平板透光板能多吸收水平入射的光線，而且能使其他方向的光線都向著圓心處發生有利偏轉，因此集熱瓦的光學性能使得有更多太陽光能照射到其下的吸熱板以及集熱管區域，具有透鏡聚光集熱的作用，以此來作為集熱器的透光板，可使集熱效率與集熱溫度都有很大的提高。

4 結論

坡屋頂建筑太陽能一體化集熱模塊裝置運用了模塊化組裝，以及與坡屋頂建筑構件在外形一體化的設計思維，同時利用了透鏡聚光集熱技術，并采用仿真瓦面的外形。通過集熱管與底座的組合，充分結合了平板集熱器與真空管集熱器的優點。該裝置還可根據熱水負荷進行模塊數量自由調整并組裝，自由適應不同用戶的不同負荷需求。

該裝置改善了建筑的屋頂外觀，美化了建筑的整體環境，對“平改坡”工程、新農村太陽能普及，以及整治太陽能集熱器帶來的視覺環境污染提供了可行的參考。同時經過合理的理論驗證，以及進一步的改進，這種坡屋頂建筑太陽能一體化集熱模塊裝置將會有很好的市場需求，以及廣闊的應用和發展前景。

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