鲁达 摘要：本文简要分析了现有太阳能系统在寒冷地区供热系统中应用的问题，对中温太阳能集热器产品和现有太阳能集热器在结构、安全、热性能、经济效益等方面进行了详细的比较分析。提出了中温太阳能集热器在寒冷地区供热系统中的应用优势。
关键词：玻璃金属熔封太阳能集热管 中温采暖
1 普通太阳能集热部件
1）现有真空管太阳能集热管主要包括：双（三）层同轴全玻璃真空太阳能集热管因结构简单，价格低廉为市场广泛使用。但因玻璃管内有水，极容易结冰，造成集热管破损漏水，导致整个系统无法使用，形成安全隐患。
2）热管式全玻璃真空太阳能集热管结构规避了双层同轴全玻璃真空太阳能集热管管中有水存在的问题隐患。但因全玻璃结构限制，造成管内工质量受限，冷凝段换热能力不足，影响集热管的集热换热性能。
3）内插铝翼金属热管 /U 型管太阳能集热管解决了普通集热管管内有水存在以及不能承压运行，冬季系统防冻的问题，但由于内管依然采用玻璃，以及与换热部件铝翼、金属热管之间为接触换热，甚至存在间隙，导致换热性能较差。
4）玻璃金属压封太阳能集热管此类集热管在结构上规避了双层同轴全玻璃真空太阳能集热管及其衍生产品存在的诸多问题，在用于生活热水时具有较好的表现。但由于玻璃和金属之间采用铅丝或铝丝压封结垢，导致集热管在空晒温度较高时压封位置容易漏气，即使在正常条件下也存在压封漏气的危险，造成集热管失真空集热失效，另因压封生产成本过高而在市场占有率上表现不佳。
2 普通太阳能采暖问题
2.1 热负荷问题
按照赖艳萍 2011 年发表的《北方农村典型住宅的能耗比较分析》所述，标准建筑面积为 86m2，24 个典型地区的设计热负荷单位平均值164.09W/㎡，24 个典型地区的平均热负荷单位平均值 116.54W/㎡。按平均热负荷 100W/ ㎡计算，则需要采暖设备总功率为 8.6kW，24 小时总耗能量达到 206.4kW ●h。现有太阳能采暖系统一般配比为集热面积：采暖面积为 1:10 ～ 1:4，即集热面积为 8.6 ㎡～ 21.5 ㎡。按太阳能辐照为 17MJ/ ㎡，系统集热效率为 50% 管道损失 10% 计算，则得热量最大为17.34kWh ～45.69kWh，太阳能贡献率最大为 8.4% ～ 22.1%，平均仅能满足 2h ～ 5.3h 的采暖需求，而在冬至前后极寒天气，则采暖时间和效果将短，更差，导致实际体验效果很差。而当系统的效率未能达到上述最佳效率时，则系统的实际体验效果将更差。由此导致太阳能系统在实际示范项目中未能体现出显著的优势。
2.2 可靠性问题
太阳能采暖系统可靠性突出的问题主要有以下三个方面：
1）全玻璃真空集热管易碎问题：受限于初投资，采用横置联集管系统，致使集热管中存有大量的水。易导致整个系统内水流出，造成系统无法运行，形成严重安全隐患。
采用内插铝翼金属热管 /U 型管式太阳能集热管和玻璃金属压封结构太阳能集热管时，集热系统在冬季运行时系统可靠性比较高，但因成本比较高而极少为市场所使用。
2）非采暖季节夏季过热问题：北方地区全年大约有 6 ～ 8 个月时间处于非采暖季。非采暖季节会产生大量的热能，仅仅依靠生活热水是无法消耗掉如此巨量的热能，由此导致系统过热，导致系统及零部件存在老化，损坏风险。如内插铝翼金属热管 /U 型管式太阳能集热管系统过热，造成压力过大致使防冻液泄漏，集热管内的铜管因长时间高温氧化而损坏；玻璃金属压封集热管因温度过高造成压封密封位置泄漏，集热管失真空而失去集热功能。
3）平板集热器因高温热损较大，抗过热性能优于真空集热管系统。受限于成本控制，在冬季大温差条件下热损过大，集热效率明显低下，且平板集热器玻璃盖板容易脏，累积灰尘，尤其在冬季容易积雪，造成盖板玻璃透射明显下降，甚至不透射太阳能而进一步严重影响系统集热效率。
2.3 得热量问题
北方寒冷地区太阳能采暖系统主要有真空管式太阳能系统和平板式太阳能采暖系统。
依据标准 GB/T19141 ～ 2011《家用太阳能热水系统技术条件》要求，太阳能集热系统测试条件为，集热实验开始时储热水箱内的水温为 20℃，环境温度为 8℃～ 35℃。出水温度不低于 45℃太阳辐照量为 17M/ ㎡时，分离直接式太阳能热水系统的日有用得热量≥ 6.6M/㎡，集热效率≥ 38.8%。上述测试条件所获得的真空管或平板太阳能集热系统的热性能仅可用于一般生活热水使用。
但对于北方寒冷地区条件下，环境温度一般在 0℃以下，一般白天温度可以达到 -20℃以 下， 采暖 采 用 风 盘 或 者 水 暖 时 一 般 要 求在 50℃以上，而绝大多数太阳能热水系统或采暖系统贴斜屋面安装，致使安装角度小于30°，从而导致集热系统的得热量进一步下降。因此，按照一般太阳能热水工程设计太阳能采暖系统必然会严重影响了太阳能采暖系统的体验效果。
因此，在使用普通太阳能系统作为采暖系统时，需要按照低温大温差环境设计选用集热效率，从而加大普通太阳能集热面积，以获得足够的采暖需求的热量，满足使用要求。
另一方面，则需要开发新型的太阳能集热管和集热器，使其能够在低温及大温差条件下能够获得优良的集热系统，以满足系统得热量要求，以获得足够的采暖需求的热量，满足使用要求。
3 中温太阳能集热管技术特征
如图所示，为玻璃金属熔封热管式中温太阳集热管。该集热管主要有罩玻璃管、玻璃金属熔封端金属热管、带有选择性吸收涂层的吸热板，以及上述部件构成的高真空夹层，集热管尾部由中高温专用的非蒸散型吸气剂和蒸散型真空指示剂组成的中高温复合吸气剂。
当太阳光透过罩玻璃管照射到带有选择性吸收涂层的吸热板上，具有超低发射比的高吸收中高温选择性吸收涂层将太阳能转化热能，经吸热板与吸热板焊接一体的金属热管相变换热传输到金属热管冷凝端，并经过金属热管冷凝端输送热能，实现中温太阳能集热管高效的集热、换热和输送热能。
玻璃金属熔封热管式中温太阳集热管具有如下技术优势：
1）玻璃金属熔封技术
采用玻璃金属熔封专利技术，大幅度提高了玻璃和金属熔接的牢固度，并具有优良的抗冷热冲击能力，最大冷热冲击温差可达到 220℃；玻璃与金属之间采用内外复合熔封技术，确保玻璃金属熔封接头具有可靠的封接强度与密封性能。
2）双膜技术
采用 Ti-Si-NO/Cu 超低发射比的高吸收中高温选择性吸收涂层，具有高吸收、低发射、抗老化等优点；采用 Sol-gel 技术，制备独特结构的高透罩玻璃管，具有优良的高透、耐候性能。涂层吸收比 α ≥ 0.94，发射比ε ≤ 0.05，透射比 τ=0.93 ～ 0.96。 400℃条件下，72 小时老化实验，涂层性能线无明显变化。
3）玻璃技术
采用优质 B 级硼硅罩玻璃管，并在表面制备增透涂层，使其具有优良的机械性能和光学性能。
4）复合吸气剂技术
合理的高温排气工艺和复合吸气剂技术，可确保真空集热管寿命达到 20年以上，满足工业化产品的要求。
5）相变热管技术
采用金属热管式真空集热管为集热元件，系统启动速度快。具有良好的低温抗冻性能，能够在 -40℃环境条件下可靠工作。长期稳定工作在 100℃，可使集热器平均效率可达 55%。
4 中温太阳能集热管技术优势
安全可靠性
与普通全玻璃真空集热管、玻璃金属压封集热管比较，采用玻璃金属熔封中温太阳能集热管具有更高的安全可靠性，相对于普通集热管承受 90℃的冷热冲击，该集热管可以承受不低于 200℃的多次冷热冲击，基本解决了集热系统空晒上水时爆管问题。
采用金属热管翅片吸热体结构，即使因外力造成集热管外管破损，甚至造成金属热管吸热体部分铜管破损也不会导致系统漏水或工质泄露，同时由于热管的单向导热性，也不会因集热管破损而较大影响集热器的热损性能。
金属热管翅片吸热体位于集热管高真空腔体内，即使在空晒温度达到 300℃ 以上时，铜管和翅片也不会氧化变性，冷凝段部分采用抗氧化处理，使其高温抗氧化能力得到大幅度提高。采用 Ti-Si-NO/Cu 结构涂层，是涂层具有优良的抗老化性能而不会因过热或长期使用而导致性能衰减。
针对该中温集热管，特别开发并采用了适合中高温条件下应用的、由非蒸散型吸气剂和蒸散型真空指示剂组成的复合吸气剂，配合高温高效的排气工艺，可以确保集热管真空长期维持在 10-3Pa 高真空状态，确保集热管真空寿命达到 20 年以上，达到工业品质量级别。
通过上述技术实现，该集热管可在零下40℃超低温环境下和 150℃中高温条件下长期安全可靠使用。解决了常规真空集热管在低温和高温条件下可靠性差的问题。
高效得热性
采用 Ti-Si-NO/Cu 超低发射比的高吸收中高温选择性吸收涂层，具有高吸收、低发射性能，规模化生产吸收比可以达到 0.94，发射比低于0.06，尤其适合中高温条件使用；采用增透技术使罩玻璃管具有高透光能力，使罩玻璃管透射比最高达到0.96，远高于普通集热管罩玻璃管透射比 0.90。高吸收比的选择性吸收涂层和增透技术，使集热管具有优良的集热性能。
集热管采用超高真空技术和复合吸气剂，配合超低发射选择性吸收涂层，使集热管的热损达到最低。
采用紫铜相变换热热管技术，以及吸热体与热管一体化焊接技术，消除了普通集热管玻璃内管，玻璃内管与金属翅片、热管之间接触热阻过大的问题。实现集热管高速高效传热。
在辐照 1000W/ ㎡条件，集热管冷凝段空晒温度可以到达 270℃以上，远高于普通集热管空晒时管内温度。通过上述技术实现，该集热管具有优良的集热管，换热和输送热能的性能。尤其适合在零下 40℃超低温环境下和 100℃中高温条件下长期高效得热。
方便安装性
集热管安装角度可以采用小角度安装、或者平铺安装，通过调整集热管翅片与水平面安装角度略大于当地纬度，使集热管集热效率在冬季采暖季节达到最优。集热管也可以采用常规大角度安装，或采用横置联集管结构水平对插安装，满足不同场地、不同用户的安装使用条件。
中温太阳能集热管可广泛应用于食品、纺织、化工、烟草、建筑等领域。
5 太阳能采暖系统应用考虑
采用太阳能采暖实施采用应用时应有如下考虑：优先考虑建筑热负荷问题。应通过各种保温措施降低建筑热负荷，从而降低供热系统的供热量，降低系统初投资和运行成本；
优先从高可靠、高性能、高性价比方面选用中温太阳能采暖系统，首先确保太阳能采暖系统在应用过程中具有较高的可靠性。而较高的集热性能则是系统好用的根本保障。
对于非采暖季节太阳能系统过热问题，采用中温太阳能采暖系统，在非采暖季节时，充分发挥其中温集热特性，可为用户提供纯净水，开水甚至蒸汽，满足用户日常需求。配合使用低温发电机组，可以在非采暖季节实现低温太阳能发电，实现热、电、水三联供，在满足基本用热、用水需求时，可通过并网发电获取额外的经济效益。
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