户用分离式太阳热水器与高层住宅建筑一体化新方案

摘要：为克服现存于多种户用分离式太阳热水器中的缺点，提出不同于传统观念的户用分离式太阳热
水器与高层住宅建筑一体化新方案，把太阳能集热器安置在阳台内侧，靠近落地式玻璃窗(法兰西式
玻璃窗)的地面上，这样就避免集热器坠落以及太阳热水器的建筑一体化的诸多问题。

引言
我国是太阳热水器(系统)生产的最大国。与发达国家不同，我国主要采用廉价的全玻璃真空集热管(简称“全玻管”)作集热元件，其中主要采用真空管集热器(含热管集热管)，约占85％，而平板(型)集热器仅占15％，这两个对比数字恰与发达国家倒置。另外，高层住宅建筑己是我国城建主流，本文主要讨论采用真空管集热器的户用分离式太阳热水器与高层住宅的建筑一体化。所述户用分离式太阳热水器是指各住户独立采热、独户使用热水的分离式太阳热水器。即全玻管内置导流管集热器的户用分离式太阳热水器，把该热水器的集热器安置在具有落地式玻璃窗(法兰西式玻璃窗)的阳台内侧地面上，构成“户用分离式太阳热水器与高层住宅建筑一体化新方案”。
该方案要满足以下要求：一是太阳热水器与建筑一体化的成本要低，同时尽量不改变建筑物作为凝固艺术作品的外形；二是不用铜材；三是采用全玻管为集热元件；四是全玻管不空晒或准空晒，反复空晒会使黑膜脱离；五是产品性价比要高。
太阳热水器对气象依赖极大，尽管高档品在阴雨时亦无用，但价位太高，用户出于费用考虑将转而采用电热热水器。为简明、定性评定产品性价比，选用国内保有量最大、性价比较高的户用整体式太阳热水器(整体机)作为参考。

1全玻管内置导流管集热器的户用分离式太阳热水器设计
1．1设计目的
各类户用分离式太阳热水器售价较高，远高于整体机；另外，它们大都借助传热工质按二次(间接)传热方式实现自然对流传(采)热，使传热热阻增大，传热速度减小，热损增加，其热效率未达极大值；它们的集热器都使用铜材，其中采用u形管结构耗铜量较小，水平式热管集热器与平板集热器耗铜量较大。
本文设计一种全玻管内置导流管集热器的分离式太阳热水器，它不需铜材，结构新颖；采用内腔充水的横躺型全玻管(倾角一30)；其热效率很高，与整体机相同；其成本亦低，远低于现有各类户用分离式太阳热水器，属于高性价比新品。
1．2设计优势
1．2．1构成低成本的因素
1)集热元件选用价位便宜的全玻管。
2)选用自然对流循环传热方式采热，不需泵及控制器，维修率极低。
3)因阳台宽度2．0—2．5m，为不影响视野，集热器外形高度不能超过lm，故全玻管适宜的布置方式是横躺式。具懿黾共11根(或12根)筘8姗×1800ram全玻管(管距75ram)，基本按水平取向插入一根竖立式(倾角～75。)联箱(联集管Monifold)的一个侧面构成集热器。相反，若选用22根筘8mm×900tllm竖立式全玻管来组成集热器，则成本约增30％。即在阳台范围采用横躺式全玻管可降低成本。
4)集热器内件不用铜材。
1．2．2构成高热效率的因素
热效率与两个因素有关：采用一次传热方式与集热器内增设特殊的内件。
一次传热与二次传热相比，传热热阻小、采热速度快，亦有利于维持高热效率。一次传热方式实现自然对流传热的必要条件是：各全玻管内腔及联集管内腔均充水，并与悬挂在阳台内侧墙高处的保温水箱下部连通。
文中所述集热元件采用内腔充水的横躺式全玻管，按一次传热方式实现自然对流传(采)热。

1994年北京凯笛新技术公司的“壁挂式真空管太阳能热水器”(专利号：ZL94200291．1)售价虽低，但热效率远比整体机要低，现己退出市场。其热效率较低的内因是联箱与全玻管内腔都是空腔。本案对它进行改进，在空腔设置内件，使热效率大增。
2全玻管内置导流管集热器的分离式太阳热水器设计过程

ZL94200291．1产品与整体机作比较：前者全玻管属于横躺式(倾角～00)，后者全玻管属于竖立式(倾角～450)；两者工况均相同，内腔充水的全玻管按一次传热方式实现自然对流采热。但是ZL942fI)291．1产品热效率却低于整体机，原因如下。
自然对流传热的物理特性是：当冷、热流体连通时，密度较小的热流体自发上浮、冷流体自发下沉。整体机的竖立式全玻管经阳光照射后，全玻管内腔近阳侧(圆形截面的上层)成为热水层，全玻管内腔远阳侧(圆形截面的下层)成为冷水层，这两者就分别有沿着全玻管轴向作上浮或下沉运动的动因。由于竖立式全玻管沿轴向的高度梯度较大，热水上浮进入保温水箱的动力较大，冷水自水箱下沉进入全玻管内腔的动力亦较大，这就造成自然对流传热的强度较大，使热水器热效率提高。但是，横躺式全玻管沿轴向的高度梯度很小，热水上浮进入保温水箱的动力随之减小，冷水自水箱下沉进入全玻管内腔的动力亦减小，使其热效率变小。

投稿会员：芳华