钒钛黑瓷太阳能集热技术在农宅中的耦合机理及优化设计研究

Under the guidance of the national policy of energy-saving and emission-reducing, solar collecting technologies utilized in Chinese rural residences are developing year by year. Nowadays, glass vacuum tube and metal flat plate are two types of widely-used solar collectors. However, these two kinds of collectors have the shortcomings of high manufacturing cost, and short service life that they are unable to be integrated with buildings during the life cycle properly. On the other hand, the ceramic solar collector with vanadium-titanium coating has the properties of anti-aging and stability. After previous investigations, the applicants found that the efficiency of ceramic solar collectors decrease while solar radiation increase. The relatively low efficiency resulted in oversize collector area and overmuch heat-storage media, causing dissatisfied building-integration design, and influencing the promotion and standardized application of ceramic solar collector in rural residences. Therefore, it is essential to study this type of ceramic solar collector from four aspects: collecting efficiency, matching feasibility, coupling and optimization with building energy system, and building-integration structure mode. This study is beneficial to mitigate energy crisis in China caused by the increasing energy demand of rural residences, and to reduce environmental burden resulting from the growth of energy consumption. In a word, this research has significant scientific meanings to the sustainable development of Chinese society.

在国家节能减排的政策引导下，我国太阳能集热技术在村镇农宅中的应用呈逐年递增趋势。目前太阳能集热设备普遍以玻璃真空管式和金属平板式集热器为主，而这两类集热器存在造价高，使用年限短，无法与建筑同寿命的弊端，而以钒钛黑瓷作为表面吸收材料的陶瓷太阳能集热器因黑瓷层不老化、性能稳定，做到了与建筑同寿命，受到了广泛关注。申请人在前期调查研究过程中发现，钒钛黑瓷太阳能集热器随太阳辐射量升高而集热效率降低，较低的集热效率导致安装面积过大，且储热介质需求过多，同时在实践工程中较大的集热器安装面积使得与建筑一体化设计程度不高，影响该类型集热器在农宅中的推广与标准化应用。因此，针对此类陶瓷太阳能集热构件集热效率，匹配适用性，与建筑能源系统的耦合与优化，以及与建筑一体化构成模式的研究，有利于缓解我国村镇住宅用能需求增长对能源供给造成的紧张局面，减轻能耗增长造成的环境负担，对我国社会的可持续发展具有重要的科学意义。

我国北方及部分南方地区仍有数千万户农宅的采暖需求尚未得到满足，若采用发达国家常规的电、天然气等方式解决数亿农村人口的采暖问题，难免缺乏可行性。在双碳目标政策的推动下，国家提出要大力推广太阳能供暖，进一步推动太阳能热水应用。现阶段普遍采用的玻璃真空管与金属平板太阳能集热系统，在农村推广中仍存在设备成本高、综合效率低、架设方式不合理、使用年限短、无法与建筑同寿命等弊端。因此，现阶段亟需研发一种低成本、高效率、无污染、长寿命、易维护的太阳能热水采暖设备。.钒钛黑瓷太阳能集热器因成本低、寿命长、抗老化性好等优点，为农村太阳能采暖提供了新的发展思路。现阶段的钒钛黑瓷太阳能集热器还存在诸多不足，若能提升钒钛黑瓷太阳能集热器的效率，探索该系统与农村住宅其他能源设备的耦合机理，建立成熟的建筑一体化构成模式，将突破该类型集热系统的发展瓶颈，进一步拓展太阳能采暖技术在农村住宅中的应用。.针对以上问题，项目组在分析钒钛黑瓷太阳能集热器的传热过程与热性能的基础上，提出了优化理论与方法，建立了包含空气温度、太阳辐照强度、采光面积、翅片宽度、翅片厚度、盖板层数、盖板厚度、盖板透过率、质量流量及进口温度等参数的计算模型，由此提出最优参数组合，使其瞬时热效率提高了23.94%。基于上述结论，提出了钒钛黑瓷太阳能集热系统与辅热系统的优化理论，阐述了最佳倾角与集热面积的理论匹配方法，确定了钒钛黑瓷太阳能集热-生物质锅炉辅热系统的主要设计参数，并试制了整套采暖系统进行实验验证。最终结合农宅改造需求研发了钒钛黑瓷太阳能集热板与农宅建筑屋面、墙面的一体化构造做法，并形成了一套完整的农村住宅钒钛黑瓷太阳能热水采暖系统一体化改造技术。.项目的研究成果有利于进一步拓展太阳能热利用技术的研究思路，缓解我国农村住宅用能需求持续增长对能源供应造成的紧张现状，对于提升钒钛黑瓷太阳能集热系统的建筑应用、切实改善环境与降低碳排放具有重要的科学意义。