墙体型太阳能集热器的研究

墙体型太阳能集热器的研究张金利王一平天津大学太阳能研究所，300072一种建筑墙体，力求使墙体符合现行建筑规范，同时墙体又是太阳能集热器，为实现太阳能-建筑一体化作出了积极探索。

2本文工作随着资源、环境和发展之间的矛盾越来越突出，人们对建筑行业的要求也越来越高。而墙体作为建筑结构的主体，我国长期以实心粘土砖为主要墙体材料。生产实心粘土砖要消耗大量的良田和煤炭，既占用大量资源又消耗大量能源，且在生产过程中产生严重环境污染。目前城镇周边地区存在许多小型砖厂生产这种保温效果较差的实心粘土砖，造成了过多资源的消耗和对耕地的破坏，国家已经制定了严格限制实心粘土砖使用的法令法规。

作为粘土砖的替代品，出现了各类非粘土砖、空心砌块、膨胀混凝土等新型无机材料砌成的新型墙体，也出现了用各种发泡塑料与钢丝网、水泥抹面复合而成的轻型保温墙体，具有节能、环保方面的双重意义。

而作为居民小康生活水平重要标志的家庭热水使用的问题，目前大多数仍采用燃气或电加热方案，太阳能热水器供应热水的比例仍相对较少。其中的一个关键因素是，太阳热水器的使用不仅会影响建筑物整体美观效果，而且还存在着除顶层居民外，其他楼层居民难以使用等问题。为此，真正意义上的与建筑结构一体化的太阳能热水器引起了人们普遍的关注。基于此，我们对墙体型太阳能集热器进行了一些初步研究。

2.1墙体型太阳能集热器的结构墙体型太阳能集热器的基本结构如所示，其实质是平板集热器的一种变型。本集热器由外到内分别由透光保温涂层、光热转化层、外墙支掸及导热层、集热管、发泡保温层、内墙支撑层、内墙涂抹层等部分组成。为加强内外支撑层的连接强度及气体性由拉筋连接内外支撑层，拉筋与**墙支撑层采用焊接，与内墙支撑层的连接采用挂扣-卡扣连接。

发泡保温层采用整体发泡工艺制成，使外墙支撑及导热层、集热管、拉筋、内墙支撑层连接为一个整体。

透光保温涂层1光热转%化层2.2工作原理本墙体型集热器的工作原理为：阳光沿某一角21世纪太阳能***度人射墙面，按有效投影截面获取的有效光能透过透光保温涂层，人射至光热转化层，在光热转化层内**或选择性地转化为热。在制造过程中，选择光热转化层具有较篼的导热系数，使在转化层产生的热量及时传导给外墙支撑及导热层。支撑及导热层采用具有高机械强度、高导热系数的金属材料制成。

其上采用焊接工艺连接有集热管束，**热量有效地通过管壁传递给管内流动的液体。由于光热转化层、外墙支撑及导热层、集热管均被导热系数很小的材料所包围，其中产生的热量仅能通过集热管内的液体向外输送，达到集热的目的。

由于集热器又是墙体的一部分，它需要足够的强度、外观美学效果及保温效果。本墙体型集热器与常用平板集热器的区别在于其结构强度、厚度均较大，为了增加强度还设置了加强筋。由于墙体型集热器的安装位置，除屋顶外，基本只能垂直安装，且朝向既可能是南北向，也可能是东西向，甚至是东南、西南等斜向朝向，受光的有效受光截面较小，日照时数也较短，加上不可调整角度，所以要求采光面积较大。

尽管墙体型太阳能集热器存在上述问题，但由于集热墙体紧邻用户，成本低，可以做出较大的采光面积。而对应于春夏秋冬的角度不可调问题，在夏季，太阳的高度角很大，墙体正南向时有效投影截面很小，但夏季初始水温高，在天津地区常达25°C 30X：，而此时仅需升温lOt20T：，供洗浴等使用就已足够：在冬季初始水温较低，天津地区常在IX：51之间波动，但由于此时太阳高度角较低，集热墙体有效投影截面较大，可以补偿水温低、日照弱及时间短的问铨。

2.3热性能的实验装置。墙体型太阳能集热器为lmXlm的一平方米实验型，垂直放置，与集热器处于同一垂直面的为单晶硅光强传感器，用于测量墙体的有效受光强度。在集热器旁设一+300X1的储热水箱。水箱用100mm厚发泡聚氨酯保温，水箱下部有给水口和下循环管口，下循环管与集热器下给水口相接，下循环管设一测温口和一排水口。水箱内的冷水由下循环管进人集热器吸收太阳能升温，在密度差产生的循环推动力作用下经上循环管返回储水箱上部，为测定集热器加热水的温升，在上循环管路中也设一测温口。储水箱的下部水不断进人集热器被加热，再返回水箱上部，导致水箱出保温层循环管墙体型太阳能集热器储水箱温度传感器调理电路多路转换开关计算机数据处理系统硅光电池墙体型太阳能集热器性能测试系统现上高下低的温度分布。该温度分布情况由沿篼度方向均匀分布的12支温度传感器获取，与上下循环管温度信号及光电池的光强信号一起输入计算机系统进行数据处理，获得瞬时效率和平均效率数据，计算方法按平板集热器性能测定要求做。水箱及管路的热损失也按所述平板集热器热损失测定方法进行。

2.4结果与讨论实验结果表明，类比于平板集热器瞬时效率方程式，墙体型太阳能集热器的瞬时效率为h――换算到墙体集热器上的总辐射强度。

由式(1)可见，在低温差条件下，墙体型太阳能集热器有很篼的转换效率。在夏季，：n―：r2很小，由于集热器处于篼效工作状态下，即使有效投影截面，小，但日照时间长，仍可获得较多的太阳能转化热：在冬季，乃一乃较大，集热器工作效率降低，日照时间也短，这不利于墙体集热器工作，但此时有效投影截面提高，加上墙体集热器受光面积很大，仍可获得大量的40X：50热水，满足居民的生活需要。

本文研制开发的墙体型太阳能集热器可以满足墙体型太阳能集热器的研究在低温生活用热水方面的需要，在低温差条件下使用，可以获得90%的**率;在温差较高时，由于有效投影截面的提篼以及吸热面积足够大，即使在冬季，仍可满足居民的热水需求。