修大鵬，曹樹梁，許建華，蔡斌，王啟春，楊玉國(guó)

(山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)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(lái)替代常規(guī)能源，除核能和地?zé)崮芡猓厍蛏系钠渌茉?，包括常?guī)能源都來(lái)自太陽(yáng)能，太陽(yáng)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(duì)環(huán)境的影響等因素，我國(guó)的能源和環(huán)境問題比其他國(guó)家更加嚴(yán)重［3］。近十年以來(lái)，太陽(yáng)能熱利用行業(yè)在我國(guó)得到了很大發(fā)展，主要有玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器和銅管板式太陽(yáng)能集熱器兩種，2008年僅太陽(yáng)能熱水器就形成了年產(chǎn)約2800萬(wàn)平方米、產(chǎn)值380億元左右的市場(chǎng)［4］。2006年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［5］提出太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)必須與建筑一體化，使太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑有機(jī)結(jié)合，成為建筑的一部分。太陽(yáng)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(yáng)臺(tái)集熱系統(tǒng)。我國(guó)建筑的平均壽命大于50年，而現(xiàn)有兩種太陽(yáng)能裝置由于存在種種缺點(diǎn)，其壽命不足15年，并且受結(jié)構(gòu)、材料、成本等因素影響無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)與建筑一體化［6］。

1 陶瓷太陽(yáng)板生產(chǎn)工藝流程及性能

要真正實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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(zhǎng)壽命、高效率的太陽(yáng)能集熱體，并且徹底改變現(xiàn)有太陽(yáng)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(wú)機(jī)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(yáng)能集熱體——黑瓷復(fù)合陶瓷太陽(yáng)板［8］。本文對(duì)黑瓷復(fù)合陶瓷太陽(yáng)板(簡(jiǎn)稱陶瓷太陽(yáng)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(yùn)行原理等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析研究。

陶瓷太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(zhǎng)、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(zhǎng)、性能最穩(wěn)定的太陽(yáng)能吸收材料。陶瓷太陽(yáng)板具有瓷質(zhì)材料通性，強(qiáng)度大、硬度高、熱穩(wěn)定性好，不腐蝕、不老化、不褪色，無(wú)毒無(wú)害、無(wú)放射性，吸水率＜0.3%，表面陽(yáng)光吸收比0.95，并且陽(yáng)光吸收率不隨時(shí)間衰減，具有與建筑物相同的使用壽命。陶瓷太陽(yáng)板與傳統(tǒng)集熱體性能對(duì)比如表1所示。

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

2 陶瓷太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)臺(tái)集熱系統(tǒng)。陶瓷太陽(yáng)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(yáng)板房頂集熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

圖4 臺(tái)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(tái)階狀，以支撐陶瓷太陽(yáng)板和玻璃板，可以將其直接改造為陶瓷太陽(yáng)板集熱房頂，臺(tái)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(yáng)板下面覆蓋100mm厚玻璃纖維棉為保溫層、上面采用陽(yáng)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(shí)起到房頂防水層的作用，玻璃纖維棉可同時(shí)起到房頂保溫層的作用，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷太陽(yáng)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(yáng)板、循環(huán)管、儲(chǔ)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(yáng)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(yáng)板房頂集熱系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.2 陶瓷太陽(yáng)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(yáng)能集熱實(shí)驗(yàn)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(tái)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(tái)階面貼合，將陶瓷太陽(yáng)板安裝在臺(tái)階條的臺(tái)階面上，將玻璃棉壓實(shí)，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(yáng)板集熱系統(tǒng)如圖7-4所示。

圖7 陶瓷太陽(yáng)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(yáng)板集熱系統(tǒng)建筑實(shí)例及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

目前陶瓷太陽(yáng)板已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并在幾十棟建筑上成功應(yīng)用。為了對(duì)該集熱系統(tǒng)的集熱效率進(jìn)行研究，本文以山東省科學(xué)院新材料所無(wú)機(jī)材料車間房頂上建造的彩鋼板陶瓷太陽(yáng)板集熱系統(tǒng)為例，與真空玻璃管集熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比研究。房頂?shù)膶?shí)物照片如圖8所示。

該車間黑瓷復(fù)合陶瓷太陽(yáng)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(yáng)板和玻璃板，陶瓷太陽(yáng)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(yáng)板是通孔扁盒結(jié)構(gòu)的高效平板太陽(yáng)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(lái)代替自然循環(huán)方式，即將儲(chǔ)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(shí)水泵啟動(dòng)，高于B℃時(shí)水泵停止運(yùn)行(A＞B)。其運(yùn)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(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，與真空玻璃管熱水器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表2所示。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求日陽(yáng)光累計(jì)輻射量為17 MJ/m2時(shí)，對(duì)于直接系統(tǒng)日有用得熱量q17≥7.0mJ/m2，對(duì)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(duì)該房頂集熱系統(tǒng)和真空管熱水器熱效率進(jìn)行了8 h連續(xù)測(cè)量，測(cè)量時(shí)間段8∶00～16∶00，測(cè)定當(dāng)日陽(yáng)光累計(jì)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(duì)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(chǔ)熱水箱水溫的8 h溫升值分別為29℃、38℃和25℃，通過計(jì)算公式Q(熱量)=C(水的比熱容)×M(質(zhì)量)×Δ(溫升)可以分別計(jì)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(yáng)能集熱系統(tǒng)的日有用得熱量為8.6 MJ/m2以上。國(guó)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(yáng)板是通孔扁盒結(jié)構(gòu)的高效平板太陽(yáng)能集熱體，吸水率＜0.3%，表面陽(yáng)光吸收比0.95，并且陽(yáng)光吸收率不隨時(shí)間衰減，具有與建筑物相同的使用壽命。

(2)陶瓷太陽(yáng)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(yáng)臺(tái)集熱系統(tǒng)。陶瓷太陽(yáng)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(shí)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(yáng)能的使用成本。

(3)通過建筑實(shí)例，將陶瓷太陽(yáng)板房頂集熱系統(tǒng)與真空玻璃管熱水器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，陶瓷太陽(yáng)能房頂集熱系統(tǒng)單位面積日得熱量8.6 MJ以上，高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，且遠(yuǎn)高于真空玻璃管熱水器。

［1］羅運(yùn)俊，何梓年，王長(zhǎng)貴.太陽(yáng)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(yáng)能制冷［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2006:123－136.

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

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

［5］GB50364-2005，民用建筑太陽(yáng)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(yáng)板:中國(guó)，200910007128.X［P］.2009－07－15.