壁挂式太阳能热水器用平板集热器与U型管真空管集热器对比分析韩成明北京华业阳光新能源有限公司2011-5-25 摘要：本文以壁挂式太阳能热水器所用平板集热器和U型管集热器为例，分析了平板集热器和真空管集热器在热性能、产品使用条件、技术水平、生产装备及与建筑结合的不足之处，。探讨两种集热器存在的优缺点以及未来发展方向。
关键词太阳能平板U型管集热器
0前言
2010年，中国太阳能热利用行业在遭遇市场寒流情况下，总产量仍然到达4900万平米，总产值达到735亿元人民币，与2009年相比较，分别增长了16.7%和22.5%。其中，太阳能热水工程安装面积约占总产量的40%，同比增长了约60%。在真空管和平板两大产品上，平板热水系统虽然增长较快，但真空管产品仍然占据着百分之九十以上市场份额。随着节能意识的增强和市场发展的需要，各省市先后出台的太阳能强制安装政策大都明确要求“新开工的12 层以下住宅必须安装太阳能热水系统”，这对太阳能热利用企业无疑是巨大的利好消息。本文从多个角度，就市场上广泛应用的两种集热器——真空管集热器和平板集热器，在民用住宅上的使用特征进行了分析。
1壁挂式太阳能热水器系统原理
近几年来，太阳能在民用建筑上得到广泛的应用，尤其在中低层住宅小区的楼顶安装极为普遍，造成楼顶热水器安装已是先占先得，寸土
寸金的势态。而楼顶面积势必无法满足整栋楼局面
的安装要求，这就催生了壁挂式太阳能热水系统的
出现，并在这几年时间内得到了发展。
平板集热器在沉积几十年后，通过不断技术引
进，积累和产品革新，解决了集热器冬季防冻的问
题，并在壁挂式太阳能热水系统中得到应用。由于
早期真空管热水系统主要采用管中走水的模式运
行，存在管破漏水，冬季冻坏的问题而没有在壁挂
式太阳能热水系统上得到迅速推广。随着U型管结
构真空管集热器技术的成熟，部分厂家将其成功地
应用到壁挂式太阳能热水系统上，并得到市场的认
可。
如图1所示，为目前市场上典型的U型管真空管集热器壁挂式太阳能热水系统运行原理。其基本原理为，储热水箱采用碳钢搪瓷内胆承压水箱，内置换热盘管或换热内胆作为与集热器的换热元件。水箱内的换热元件有高低两个工质循环口，与集热器工质循环口连接，通过集热器内和换热元件内工质的温差形成的自然循环实现集热器和换热元件之间的换热功能，将搪瓷内胆中的冷水加热为可用热水，热水通过自来水顶水向用水点供水。
U型管结构真空管集热器主要由真空管、U型铜管、铝翼、联箱、支架等部分组成，联箱两端或一端有循环工质进出口与储热水箱连接。
rna测序目前，成熟的壁挂式太阳能热水系统的差异主要存在于所采用的集热器不同。图2为平板集热器，主要由吸热板、换热铜管、玻璃盖板、保温层和箱体等部分组成，箱体两端或一端有循环工质进出口与储热水箱相连。 2两种集热器对比
2.1采用的国标
目前，针对壁挂式太阳能热水系统，尚没有国标可以参考，而所采用的平板集热器和真空管集热器可以执行以下国标：太阳能集热器热性能试验方法GB/T4271-2007、平板型太阳能集热器GB/T 6424-2007 、真空管型太阳能集热器GB／T 17581-2007。
根据上述国标的要求，两种集热器均要求对外观、耐压、刚度、强度、闷晒、空晒、外热冲击、内热冲击、淋雨、耐冻、热性能、压力降落、耐压、耐冲击、涂层、透射比等进行测试。
2.2热性能
2.2.1标准中对热性能的要求
在集热器所采用的国标中，真空管集热器和平板集热器要求瞬时效率截距η0，a分别为不小于0.62和0.
72，相差10%，对热损系数U的要求分别为3.0W/m2·℃和6.0W/m2·℃，相差一倍。这表明真空管集热器在集热性能技术指标上上略低于平板集热器，而在热损性能技术指标上远远优于平板集热器。这主要是因为平板集热器的有效集热面大，低温启动速度快，而由于真空保温性能优良，所以在热损性能技术指标远优于平板集热器，且在中高温段热性能技术指标优于平板集热器。而集热器的热性能是由两个技术指标的综合描述的。
对于吸热体要求，平板集热器要求太阳能吸收涂层吸收比a0.92，但对发射比εh未作明确的技术指标要求，仅要求测试，而真空管集热器太阳能选择性吸收涂层吸收比a≥0.86，明确要求εh≤0.08，且热损系数U LT≤0.85W/m2·℃，远高于平板集热器的技术要求。
对于盖板玻璃或罩玻璃管的透射比要求，平板集热器仅要求测试，但无明确技术指标，而全玻璃真空集热管罩玻璃管的透射比τ≥0.89，其理化性能则按ISO3585:1998和QB/T2436执行。平板集热器盖板玻璃则没有可单独执行的标准。
在测试方法和其他测试指标方面，太阳能集热器热性能试验方法GB/T4271-2007、平板型太阳能集热器GB/T 6424-2007 、真空管型太阳能集热器GB／T 17581-2007等国标中对平板集热器和真空管集热器的要求基本相同。
2.2.2实际使用中的热性能
在集热器安装中，壁挂式太阳能热水器集热器的安装和其他模式的集热器安装有较大的差别，主要表现在，普通集热器可以安装在屋顶，地面，安装角度可以根据当地纬度设设计需求自由调整，以保证集热器的最优安装角度。壁挂式太阳能集热器一般只能安装在民用住宅的南墙立面外侧，安装角度一般为90°或75°。由于安装角度与标准测试的安装角度差异较大，因此实测的集热器的热性能与按照国标条件测试的热性能有较大差异。因此，针对壁挂式太阳能热水系统的热性能测试，完全套用现有国标测试是不适宜的，仅可作为看考数据。
表1为采用不同结构换热内胆水箱的壁挂式热水系统热性能测试表，其中1#采用的是国内优质的平板集热器，2#、3#、4#采用的是北京华业阳光新能源有限公司生产的U型管集热器，1#水箱内胆结构和3#水箱内胆结构相同。
表1列出了太阳辐照度H75 (MJ/m2)分别为13.39 、17.26、22.11MJ/m2，集热器安装角度为75°条件下，各测试系统的初温、终温、得热效率和q值。
由表1可以看出，在所列四个系统中，以平板集热器系统的得热效率和q值最小，而温升则与三种U型管集热器热水系统平均温升相当。这表明，在相同安装面积和使用条件下，U型管集热器的得热效率更高。虽然平板集热器具有较大的集热面积，但在可用水量基本相同的情况下，温升并不具有明显的优势。这主要是因为，由于在壁挂式系统的安装过程中，要求集热器的安装角度较大，集热管之间的
间距造成的集热面损失得到了有效的补偿，在此条件下，平板集热器的有效集热面大就不占有明显的优势了，而集热器在保温和热损方面，
U型管集热器采用可真空管结构，使系统的热损大幅度下降，使系统的热性能大幅度的增加。从而保证在热性能测试上，与平板集热器比较具有明显的优势。
表1 两种集热器壁挂式热水系统性能测试表
单板层积材
测试编号 1＃ 2＃ 3＃ 4＃
型号 夹套水箱
平板集热器
SLU5818-13-100/75
卧式搪瓷换热胆1 夹套水箱 卧式搪瓷换热胆2
轮廓集热面积m2 1.887 1.657 1.650 1.651
容水量M kg94.17 92.87 99.12 89.27
管间距mm75.0 75.0 75.0
H75 (MJ/m2)13.39
t e(℃)46.4 50.0 44.0 48.8
t ad(℃)12.9 12.9 12.9 12.9
η(%)34.3 44.0 37.7 39.4
q(MJ/m2) 5.8 7.5 6.4 6.7
H75 (MJ/m2)17.26
电子签名设备
t e(℃)52.9 52.2 47.0 50.2
t ad(℃)20.2 20.2 20.2 20.2
η(%)47.0 51.8 48.1 47.2
q(MJ/m2)8.0 8.8 8.2 8.0 t end58.2 57.5 52.5 55.5 H75 (MJ/m2)22.11
t b(℃)16.0 15.6 15.5 16.5
t e(℃)46.4 50.0 44.0 48.8
t ad(℃)9.1 9.1 9.1 9.1
η(%)28.7 36.5 32.4 33.1
q(MJ/m2) 4.9 6.2 5.5 5.6
2.3实际应用中对热性能的影响因素分析
2.3.1安装角度
由于壁挂式太阳能集热器安装位置的特殊化，导致集热器安装角度一般在75°-90°之间，由于平板集热器的盖板玻璃和吸热板是平面结构，导致在太阳辐照最好的中午前后，太阳光入射角最大，反射光也越多，而U型管集热器采用的双层同轴结构的全玻璃真空集热管作为吸热元件，无论太阳高度角处于何种位置，对于单只集热管而言，其入射角都不随高度角的变化而变化；
2.3.2结构特征
真空集热管优良的真空低热损保温性能也确保集热器有效获得热量的同时，最大幅度降低了热量向外辐射，在辐照条件较差，环境温度较低，尤其是北方寒冷的冬季表现的更为明显。而平板集热器仅采用盖板保温，由于热损大，尤其在环温较低，温差集热器和环境温差较大的条件下，热损耗大的问题更为严重，热性能大幅度降低。
U型管集热器采用的是行业内广泛使用的硼硅玻璃3.3，其透射比有明确指标要求即τ≥0.89。在真空管制造企业中几乎没有不采用非硼硅玻璃3.3作为原材料的，而优质的硼硅玻璃3.3透射比可以达到0.91左右，通过表面增透处理，其透射比可以达到0.94~0.96。而现有的平板集热器对玻璃盖板的透射比没有明确的要求，虽然部分企业在特优产品或展示产品上采用超白玻璃、布纹增透玻璃，但为降低成本，增强市场竞争力，绝大部分推向市场的产品均采用普通钙钠玻璃，其透射比大幅度下降，严重影响集热器的热性能，甚至部分企业采用透明塑料作为玻璃盖板，以降低成本，但在长期辐射老化条件下，透明塑料盖板迅速老化而无法使用。而当平板集热器采用优质透射盖板玻璃和良好保温条件下，其性能可以接近或达到U型管集热器的技术指标，但其成本则大幅度增加而不具有市场竞争力。
另一方面，U型管集热器采用的双层同轴全玻璃真空太阳集热管采用典型的杜瓦瓶结
构，并称之为中国杜瓦，内外管连接处采用一体化熔封结构，内外管之间的真空夹层真空度达到5x10-2Pa以上，并有吸气剂维持真空度不下降。因此，真空夹层和内管外表面的选择性吸收涂层不会下降。
2.4技术成熟度对比
国际上欧美国家和地区，接近90%的太阳能集热器为平板式集热器，这主要是因为早期欧美国家没有全玻璃真空太阳集热管研发和生产能力，而全玻璃真空太阳集热管是在中国诞生并逐渐壮大的，因此在技术成熟度和产品认知度上，对平板集热器认知度更高，而对真空管集热器缺乏足够的了解。但随着全玻璃真空太阳集热管逐步走向世界，也越来越得到国际上的认可和好评，产品占有率也在逐年的上升。
欧美国家在平板集热器上经过几十年得发展，其技术水平，生产能力已经相当成熟，产品性能和质量都比较高。相比较国内平板集热器生产厂家，平板集热器研制较早，但由于无法解决防冻问题而逐渐退出市场，而在上个世纪八十年代，北京清华阳光公司殷志强教授发明Al-N/AL选择吸收涂层和双层同轴全玻璃真空太阳集热管，开创了中国太阳能热利用行业，至今已经形成了上百亿的产业规模，并以每年30%的速度增长。这也严重的抑制了平板集热器的研发和推广。近几年来，个别平板集热器厂家在防冻技术上取得了一定的突破，并开始推向市场，但市场占有率表现仍差强人意。国内平板集热器在技术水平、产品和生产设备上与欧美厂商的产品还有很大的差距，与真空管集热器比较也有较大的差距。
2.4.1吸收涂层技术
欧美厂商经历了几十年的发展，基本采用真空磁控溅射的无污染镀膜方法，开发出多种平板集热器选择性吸收涂层，得到成功的应用，并推向市场。典型的如TiNOX公司。而且在吸热板制备技术和生产设备上，已经实现连续化生产。相比较国内平板企业，大部分仍然采用的较为落后且有污染的铝合金阳极氧化技术或电镀黑铬技术，部分厂家即使采用真空镀膜吸热涂层，大部分也是从欧美国家采购而来的。个别厂家依托高校开始研发平板集热器吸热板芯用真空磁控溅射制备选择性吸收涂层，并得到成功的应用。但主要是采用现有单腔全玻璃真空太阳集热管镀膜设备改装而成，生产效率低，质量稳定性差。因此，在吸热板芯连续镀膜技术上，国内企业还有较长的道路要走。
在真空管集热器采用的真空管制造设备上，国内厂家早已意识到生产设备的落后带来的问题，各大主要厂家相继进行技术和设备改造，建设大规模集热管生产线，其中以北京清华阳光能源开发有限责任公司最新投入生产的全玻璃真空太阳集热管自动化连续生产线尤为显著。该生产线采用自动化清洗设备、双腔连续镀膜设备、集热管自动封接设备、集热管环形排气设备、玻璃热管自动灌注设备和自动传输线等具有全部自主知识产权的、国际领先的、自动化生产设备，建设成为自动化的全玻璃真空集热管连续生产线，年生产能力达到600
万只，产品质量稳定性、一致性、可靠性得到大幅度的提高。
在选择性吸收涂层方面，已经先后开发出Al-N/Al，Cu-Al/SS，紫金涂层等一系列涂层，得到了广泛的
应用。北京清华阳光公司近期成功的开发出溶胶-凝胶制备SiO2增透涂层技术和设备，成功的应用到全玻璃真空太阳集热管上，开始推向市场，同时有计划的开发第三代增透涂层和第四代自洁增透涂层技术。
2.4.2玻璃
平板集热器的另一主要部件就是盖板玻璃。国外已经开发出并得到广泛应用的、专用的布纹盖板玻璃、增透膜盖板玻璃等系列化产品。国内上尚没有专门生产平板集热器用盖板玻璃的厂家，而采用的是现成的超白玻璃或钢化玻璃，部分厂家甚至为了降低成本采用透射率较低的钙钠玻璃。且在标准上目前还是空白。
相比较全玻璃真空集热管而言，国内已有诸如力诺新材料、瑞康、耀辉、龙光天旭为代表的专业全玻璃真空集热管玻璃毛管生产厂商，现有市场上全玻璃真空集热管所采用的玻璃
及全部为集热管专用硼硅玻璃3.3玻璃。为严格控制玻璃质量，采用了ISO3585:1998严格控制玻璃质量，制定了全玻璃真空太阳集热管用玻璃管QB/T2436等行业标准，并开始制定全玻璃真空太阳集热管用玻璃管国家标准。
2.4.3封装
封装问题是平板集热器继防冻问题之后存在的最大问题。由于平板集热器采用是框架式结构，结构上主要由吸热板芯、盖板玻璃、保温层和框架构成。这就要求吸热板与玻璃盖板之间保持较大的距离，以最大限度的降低由于空气传导和对流造成的热损耗。同时对框架和吸热板背面的保温层也有较高的要求，否则也会造成大量热量的损耗，尤其在低温环境下，这个问题更为突出。而更关键技术在于框架和盖板玻璃之间的密封，如果密封质量较差会造成水汽的进入，并凝结在玻璃盖板表面，影响透射，或凝结在吸热板表面，在高温高湿条件下，破坏吸热板选择性吸收涂层，造成集热性能严重下降。在选择密封结构和密封材料方面要充分考虑到大气条件下的环境老化和紫外线照射老化问题，否则会造成集热器使用一段时间后出现密封破坏问题，进而出现上述的水蒸气侵蚀问题。
全玻璃真空太阳集热管的整体熔封和密闭式真空杜瓦瓶结构则完全规避了单独密封所造成的隐患。
2.5光污染
绝大部分平板集热器采用的盖板玻璃为普通玻璃，少数采用超白玻璃或钢化玻璃，由于成本限制，很少有在实际应用中采用布纹玻璃。平板集热器一般在工程中应用较多，这就容易出现光污染的问题，尤其是在太阳光入射角较小时，反射光线更多，更容易造成光污染。当平板集热器作为壁挂式热水系统集热器大面积安装在民用住宅墙体外侧时，则很容易出现幕墙玻璃所表现的严重的光污染问题。而全玻璃真空太阳集热管由于采用的双层同轴圆柱形结构，无论太阳高度角如何，其照射到集热管上的
光线反射绝大部分是发散，甚至经过二次反射而被集热管吸收，因此，基本不会造成大面积的光污染问题。
平板集热器解决光污染的根本方法是采用布纹盖板玻璃，使其发射光线呈现散射状态，这又势必造成平板集热器成本和售价的大幅度增加而失去市场竞争力。
2.6安装方便性和日常维护爬墙式
平板集热器之所以能够在工程市场上，尤其是在壁挂式热水系统市场上占有一定的份儿，其主要原因是其模块化的设计更便于安装。而早期的真空管集热器在壁挂式系统上则表现为安装复杂，可靠性差的缺点。但随着性能更优，质量更可靠、更具有价格优势的、模块化设计的U型管集热器投入市场后，平板集热器的优势则逐渐地丧失掉。与U型管集热器性能和安全性相当的平板集热器，其成本和售价又远大于U型管集热器，从而失去其价格优势。
平板集热器的盖板玻璃平面化设计，导致平板集热器不适于风沙，灰尘较多的地区，尤其不适用于冬季雨雪及容易结冰的地区。这是因为在上述地区，玻璃盖板表面容易积聚大量的灰尘或沙土，或在冬季雨雪天时，表面形成积雪或结冰，导致太阳光无法从玻璃盖板透射过去，实现正常的集热功能，造成平板集热器部分或全部丧失集热功能，这就要求平板集热器用户需要定期或不定期的清理盖板玻璃表面的覆盖物，以维持系统的正常运行。为了提高集热器性能，早期的真空管集热器增加了反射板，
则出现过大雪覆盖的问题，因此，现在的真空管集热器基本不再采用反射板，从而从结构上根本的解决了积尘、积土、积雪、结冰的问题。
在抗风方面，平面化的平板集热器迎风面较大，抗风能力差，而真空管集热器，集热管之间有一定间隙，其抗风能力大大加强。
平板集热器的最大优势在于与建筑的结合上，主要表现在完全作为建筑物墙里面使用，或作为屋顶使用（适用于坡度较大的屋顶，防止出现积尘、积土、积雪、结冰等问题），使
其完全与建筑融合到一起，实现墙体建筑结构、保温、集热一体化。而目前的真空集热器，尤其用于壁挂式热水器的U型管集热器，只能采用嵌入式安装，使其较好的与建筑结合，但无法像平板集热器那样完全作为建筑物的一部分进行安装。这就要求真空管集热器为了能够和建筑更好的结合在一起，应该很好的借鉴平板集热器，实现平板+真空管一体化模式，充分发挥真空管和平板集热器的优势，更好地实现与建筑一体化。目前，部分真空管集热器厂家开发的带有盖板玻璃的CPC集热器则开始体现出这种设计理念。
有平板集热器生产厂家认为，真空管集热器因为集热效果高，热损耗小，储热水箱热水很容易达到70℃以上，容易造成人员烫伤。而平板集热器因为热损较大，不会造成过热问题，也就不会造成人员烫伤。实际上。这恰恰说明目前平板集热器普遍存在的热效率低的问题，而在低温环境或辐照差的条
件下，集热效果更差。对于优质的平板集热器在南方地区使用时，如果长时间不使用热水，同样会出现储热水箱过热的问题。在实际使用中，如果使用得当，几乎不会出现人员烫伤问题，即使有此担心，完全可以采用恒温混水阀代替普通混水阀，确保出水温度完全恒定在38~42℃之间，使洗浴温度更为舒适，稳定，从根本上解决可能存在的U型管集热器高温过热造成人员烫伤问题。
2.7价格优势
平板集热器的主要部件为有金属吸热板，在有金属价格持续上升的情况下，其成本和市场价格也将持续攀升，市场压力将越来越大。这可能导致部分平板集热器生产厂商以次充好，降低质量来换取产品成本的降低，提高市场价格竞争力。而真空管集热器的主要材料为硼硅玻璃3.3，其价格远低于有金属价格，且市场价格波动较小，成本变化较小，稳定性高，与平板集热器比较更具有市场竞争力。
有平板集热器厂家认为，真空管集热器容易结垢影响使用，且一旦集热管破碎，则系统无法正常运行，故障率高。这个问题偶尔表现在普通联集管集热器上，这也是真空管集热器企业迟迟不敢将联集管集热器应用到壁挂式热水系统上的主要问题。而在U型管集热器上，则完全解决上述问题，故障率大幅度降低。当一根集热管破损后，集热器仍然可以正常工作，也会因固定在U型管而不会脱落。而当平板集热器一块盖板玻璃破损后，则该集热器基本丧失了集热功能，尤其在壁挂式热水系统上表现can总线电路
尤为突出。当盖板玻璃一旦破碎，很容易脱离框架，向地面坠落，相比U型管集热器，则更容易造成人身伤害。
3、两种集热器的发展趋势
1、产品技术创新：无论是平板集热器，还是真空管集热器的发展方向必然是完全作为建筑的一个构件，才能够与建筑实现完美的结合，更容易实现大规模、工程化、与建筑一体化。因此，集热器的标准化、模块化、建筑构件化、必然是未来集热器的发展方向。同时大幅度的提高产品的质量和寿命，使其关键部件、主要部件寿命达到或超过建筑的使用寿命，非关键零部件能够做到维修、更换简易，故障率。
对于平板集热器，更容易实现建筑构件化，重点需要解决框架密封、光污染、吸热板真空镀膜工艺、盖板玻璃积尘、积土、积雪、结冰等问题；
对于U型管集热器，则重点需要解决建筑构件化问题，使其能够与平板集热器一样，成为建筑物标准构件。
激光电筒
2、生产线自动化、规模化。无论是平板集热器，还是真空管集热器，目前的组装模式基本还是简易生产线的手工组装模式。虽然部分厂家在集热管、热水器的生产上基本实现了自动化生产，但在真空
管集热器生产上，还仍处于手工焊接、发泡、组装阶段，生产效率低下，质量一致性较低。而对于国内平板集热器的生产而言，同样存在上述问题，尤其在真空镀膜、盖板玻璃、密封、保温等方面，还没有出现专业化的厂家或自动化设备，或还没有将设备很好的组装成自动化生产线。因此，对于这两种集热器，其自动化生产设备和生产线的开发，将是近期生产厂家重要的科研课题和关注点。
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