平板集热器集热效率环境影响因素推测及其作为建筑饰面的优势

张伟

【摘要】 本文涉及了太阳能集热器的基本特性和工作原理，对现有的研究文献的研究成果做了综述。尝试通过能量平衡方程，推测影响平板集热器集热效率的外部环境因素，并探索提高集热效率的针对性方法。最后提出平板集热器作为建筑饰面的可行性和优势。

【关键词】 平板集热器；集热效率；环境因素；建筑一体化

1.概述

太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置。 作为太阳能热的典型利用技术，平板集热器具有可以吸收太阳辐射中的散射日射、不需要追踪太阳的装置、结构和制造工艺简单；维修简便和价格低廉等多种优点，因而在国内有着较为广泛的运用。目前已知存在的问题如冬季室外气温过低时，可能出现集热管破裂、冻结，但随着热管技术和集热器材料的进一步改进，这些问题都能在未来的发展过程中解决。

2.平板集热器工作原理

平板集热器由集热板、透明盖板、隔热层和壳体四部分组成。（如图1所示）

在一段时间内，当太阳辐射能投射到透明盖板上，一部分被盖板吸收和反射，其余到达涂有吸收涂层的吸热体表面，大部分的太阳辐射被吸热体所吸收，小部分向透明盖板反射。被流道内流吸收的热量为有用能量收益，与此同时，吸热表面通过透明盖板和外壳向环境散失热量。集热器吸热体管内传热介质大多为水，水流经集热器加热以后被直接使用，或者转移到蓄水箱中。

平板型太阳能集热器的效率η可定义为集热器的有效收益能量与投入集热器的太阳辐射能的比值。即太阳能在穿过透明的盖板后投射到吸热面上并加热集热器吸热体管内传热介质的效率。

3.国内关于集热器的研究进展

2005年毕文峰等[1]运用一种简明的方法对平板集热器的集热量进行计算，理论上分析集热量随日射量和室外温度的关系。他得出的结论是对于平板集热器，若室外温度较低，集热温度不能过高，否则集热效果很差；若集热温度为10‐20℃，即使室外温度不高，平板集热器集热效率可达到50%左右，甚至更高，因此集热量也很可观。2007年魏生贤等[2]以昆明和北京为例，对我国南北地区分别采用平板型翼式集热器和圆柱吸热体真空集热器进行模拟计算，得出屋顶方位角和倾角是影响集热器处于非正南和正南方向且最佳倾角时采光面积之比的主要因素。最终得出合适的方位角为±30°以内，以节省屋顶空间并满足消费者的用能需求。2008年万福春等[3]在分析传热的基础上， 讨论各因素对传热效率的影响，从而进行优化设计。文章主要研究了三个参数的变化对集热器性能的影响，热管吸热板的宽度与热管直径之比，吸热管的热导率与厚度乘积，热管冷凝段与总长度之比。得出的结论是热管吸热板的宽度与热管直径之比对集热效率的影响随热管直径的减少而减少，但是考虑到经济性因素，需要选择一个合适比值来设计吸热管的分布。2009年肉孜·阿木提等[4]以钢化玻璃、PC 阳光板为表面透光保温材料，以蛇形单层通路、蛇形双层通路为载热流体通路，制作了4台不同类型的平板型太阳能空气集热板，对比实验数据发现PC阳光板—蛇形单层通路集热板集热效率最高，集热效率可以达到74.6%，传热介质温度最高可达105.2℃，造价不足真空管式太阳能集热器的1/3 ，适合在农村推广应用。2011年王莉芸等[5]选取北京、长沙、深圳三个代表性区域，利用集热器瞬时效率方程，分析不同气候条件下，平板型和真空管型太阳能集热器基于采光面积和总面积的热效率，为集热器选型提供更为详实的量化依据。得出的结论是尽管气候差异性很大，但是可以通过对集热器的瞬时效率和年均效率的分析得出平板集热器具有比较广泛的适用性和普遍的优势（假设严寒环境下具备防冻设施的条件）。

总结上述研究可以发现平板集热器的热效率受到自身条件和环境条件的影响。一方面，平板集热器内部集热管道的材料选用和尺寸，表面涂料，外圈材料保温性能等制约着集热效率，另一方面，集热器的摆放方向、太阳辐射强度和环境温度也会导致集热效率变化。

4.根据集热器能量平衡方程推测集热效率外部环境影响因素

之前提到的几篇文章或控制变量从实验角度出发，或运用已知的集热器瞬时效率一次方程来进行判断影响因子，并提出优化措施。本文尝试从简单的热平衡方程出发，对集热效率的外部环境影响因素做出判断。

1、先假设一个如图（1）所示的简化模型，通过能量平衡方程推测影响集热效率的因素。

根据能量守恒定律，集热器能量平衡方程为：QA=QU+QL+QS （1）

（1）式中：QA为总的太阳辐射量，QU为有用能量收益，QL为集热器的散热损失，QS为集热器自身贮能，稳态时为0。

从上述平衡方程可以发现，集热器的集热效率η=QU/QA即为有用集热量与投射在集热器面积上的太阳能之比，而投射在集热器上的太阳能与集热器的有效面积和日照强度有关，而集热器的有效面积受到集热器所处地理位置和摆放角度因素的影响。（由于每日太阳高度角是变化的，集热器的年均集热效率更具有比较价值）

考虑到稳态时，集热器自身贮能为0，因而集热器有用能量QU=QA-QL，集熱器的散热损失和集热器自身的保温性能和集热器与外部环境的热交换条件有关。

根据热平衡方程，集热器系统和外部环境系统由于存在温差，因而会出现持久的热量交换，直到达到一致的温度，但是集热器作为一个发热体系，不可能出现温度和外部环境温度一致的情况，而是达到一个相对稳定的状态。当集热器内部温度和外部环境温度形成稳定状态时，单位时间内从集热器内部流向外部环境的热量为定值。外部环境与集热器内部温度差越小，则单位时间内集热器散热损失越少，集热效率越高。

综上所述，影响集热器集热效率的主要外部环境因素有日照强度，有效日照面积和外部环境温度。（这里不考虑由于气流引起的瞬时外部环境温度的变化，事实上，一日之内的每个时刻大气温度由于日照的不同而不一定相同）。

2、探索提高集热效率的方法

由于日照强度和当地纬度气候等地理条件有关，因而要提高集热器的集热效率在外部环境方面主要从增加有效日照面积和规避对外部环境损失热量入手。首先，有效日照面积是关于平板集热器所在平面和太阳光入射角度的函数①，因而在集热器尺寸和日照强度一定的情况下，调整角度，是提高集热器集热效率的一个途径。由感光系统、电子控制电路和驱动太阳能电池板转动的机械部分构成的太阳光正入射全自动跟踪装置也可以运用到平板集热器中。其次，规避集热器内外温差导致的热量散失就要做到减小温差。严寒条件下，外部环境温度较低时，合适的集热温度有利于提高集热效率，而过高的集热温度则会导致过多的热量损失，不应该仅仅看外部环境温度的变化和集热效率的关系。而应该将外部环境温度和集热温度的温度差作为考虑对象，同时也应注意集热效率公式的使用前提。《平板集热器冬季工况集热性能分析》中的实验图表显示室外温度和集热效率呈正比线性关系，图中曲线显示当室外温度达到30度以上时，集热效率达到75%以上，这是有问题的，因为当室外温度高于集热温度时，平板集热器不再是向外部环境损失热量，而是获得热量，在这种情况下，再去沿用基于集热温度高于环境温度所列出的集热器瞬时效率公式②是不正确的。

5.平板集热器作为建筑饰面材料的优势

平板集热器现在一般有两种使用方式，一种是作为太阳能热水集热系统的一部分，直接用来加热生活用水。另一种情况是平板集热器作为热量收集器，通过传热介质，将热量传递到储热器中，成为太阳能供暖集热系统的一部分。这两种使用方式一般是将平板集热器放置在建筑屋顶上，与建筑脱离开来的。而如果将平板集热器作为建筑饰面材料运用，一方面可以和建筑紧密结合，不影响建筑立面效果，另一方面平板集热器的使用效率也有可观的提高。

集热器的散热损失QL是集热器与外部环境的热交换导致的，而如果将平板集热器作为建筑饰面材料使用，与建筑保温材料紧密粘结，一方面集热器管内的传热介质在流动过程中可以直接将能量转移到建筑墙体，另一方面，集热器原来和外部环境交换的热量一部分用来加热建筑墙体。得到热量的建筑墙体通过热辐射对室内温度的提高具有一定的作用。但是应该看到这种热量的获得仅仅是很少的一部分。

而将平板集热器作为建筑饰面材料的更直接的原因是，虽然屋顶的有效日照最充足但是面积有限，利用一部分墙体作为集热面不仅可以增加能量的获得并且可以解决一些问题，比如建筑西晒，建筑师在设计的时候往往通过加深建筑洞口的进深或者设置双层外墙来避免西墙过热的问题。而如果将这部分热量通过平板集热器收集并通过储热器存储起来，不仅可以解决这个问题，而且有效地利用了太阳能。当然，考虑到造价和经济性，平板集热器和建筑一体化宜将平板集热器放在建筑屋顶和建筑南向墙面，并且使平板集热器与建筑墙面成一定角度，以获得最大日照有效面积。

在太阳能利用的推广阶段，大部分的集热器安装过程都比较随意，并且由于与建筑建造的先后关系，在安装的过程中容易破坏楼顶的隔热层和防水层。将集热器作为建筑饰面材料为太阳能技术和建筑一体化结合提供了可能性，一方面建筑对一般能源的消耗有效的减少，另一方面建筑外观和城市环境也不会被破坏。此外，改进过的单元式集热器更加牢固，可以起到一定围护结构的作用。运用平板集热器一体化设计的建筑外墙和屋顶不单是简单的围护结构，更增加了对能源的利用，相信平板集热器模块化作为建筑围护结构的组成部分会得到更加广泛的运用。

注释

①SA=S·sinα SA为有效日照面积 S为集热板向阳面积，α为集热板与太阳光入射方向夹角

②集热器的集热效率公式：ηc=τα-（k0+ku）（θe-θ0）/I

τ为透过体的透过率；

α为集热板的日射吸收率；

I为入射的总日射量（w/㎡ ）；

k0为从集热板到透过体侧室外空气的传热系数（w/㎡·℃）；

ku为从集热板到后面室外空气的传热系数（w/㎡·℃）；

θe为集热温度（℃）；

θ0为室外空气温度（℃）。

参考文献

[1]毕文峰，王侃宏，喬华，崔坚. 平板集数器冬季工况集数性能分析[J].煤矿现代化，2005，1（64）

[2]魏生贤，李明，周希正. 非正南方向太阳集热器面积补偿的理论研究[J].太阳能学报，2007，28（2）

[3]万福春，蒋绿林，付文彪.热管平板集热器设计优化[J].制冷技术，2008，36（2）

[4]肉孜·阿木提，高泽斌，李峰. 不同结构平板型太阳能空气集热板集热效率研究[J].新疆农业大学学报，2009，32（3）

[5]王莉芸，徐斌. 不同气候条件下各类集热器效率分析[J].给水排水，2011，37（12）