CN106440416B - 一种高性能集热太阳能光热与屋面一体化集成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明主要属于建筑节能，可再生能源源利用技术领域，具体涉及一种高性能集热太阳能光热与屋面一体化集成系统。所述集成系统包括屋面板以及直接设置于所述屋面板上方的高性能集热太阳能光热系统，所述屋面板通过设置于所述屋面板上的安装件与所述高性能集热太阳能光热系统的固定连接；所述高性能集热太阳能光热系统包括玻璃罩、集热板、支架、保温板、导热装置和换热水箱；其中所述集热板为中空黑陶瓷集热板，所述导热装置包括与所述集热板一体化连接的超导热管以及与超导热管连接的导热管。本发明通过将高性能集热太阳能光热系统直接与屋面板装配一体化，达到屋面与高性能集热太阳能光热系统一体化施工、施工速度快、用工少。
Description
技术领域
本发明主要属于建筑节能，可再生能源源利用技术领域，具体涉及一种高性能集热太阳能光热与屋面一体化集成系统。
背景技术
目前，建筑常用太阳能集热系统主要有以下几类：
1、全玻璃真空管太阳能热水系统主要由外玻璃管、内玻璃管、选择性涂层、真空夹层、吸气剂、支承件等组成。基本原理是通过吸收太阳辐射能转换为热能，热能传递给管内水或者传热介质，与水箱连接。该系统具有系统简单、经济、节能的特点，但体积比较庞大；玻璃管易碎；管中水容易结冻、结垢；不能承压运行；冬季不宜使用；空晒时膜层老化、脱落，吸收效率快速降低；系统热损耗较大，使用寿命短；水箱与集热器连为一体，适合屋顶使用，美观性较差。
2、热管式真空管太阳能热水系统主要由热管、吸热板、玻璃管、金属端板等部件组成。基本原理是涂有太阳选择性吸收膜的吸热板吸收太阳辐射能转化为热能，利用热管内传热工质的气——液相变循环过程，持续将热能传递到冷凝端，再与水箱连接。该系统玻璃管内不走水，处于真空，可以全年运行，提高了工作温度、承压能力和系统可靠性。但热管与吸热板连接工艺难度大、吸热板易受腐蚀、玻璃管易破损，系统热量损耗虽然已有较大程度降低，但总体仍然较大，使用寿命有待提到；通常水箱与集热器合为一体，一般适合屋顶使用，造价颇高。
3、平板型太阳能热水系统通常主要由吸热板、透明盖板、隔热层以及外壳等部件组成。基本原理是太阳辐射透过透明盖板后被吸热板吸收并转换成热能，热能传递给板内的导热工质，使导热工质温度升高作为有效热能输出，与水箱连接。该系统热效率高、整体性好、耐晒性强、能承压运行。但吸热板易受腐蚀、板上吸热涂层工艺复杂、动态特性差、热损较大、整体使用寿命短、造价较高。
4、陶瓷平板型太阳能热水系统主要由陶瓷太阳能集热板、透明盖板、保温层和外壳等部件组成。基本原理为太阳辐射穿过透明盖板后投射在陶瓷板上，被吸收并转换成热能后传递给吸热板内的传热工质，使传热工质温度升高，作为有效热能输出，与水箱连接。该系统以陶瓷板作为吸热体，成本低、强度高、不透水、耐腐蚀、不老化、无毒无害、抗冻、阳光吸收率不衰减、具有长期高效的光热转换效率，使用寿命长可与建筑同寿命。但整体陶瓷大板生产工艺较复杂、安装较复杂，不适合大规模使用。
上述几种太阳能集热、传热、换热过程系统较长、换热工程较复杂，热量损耗大。
近年来，随着能源日益紧缺和环保压力的不断增大，各国都开始力推可再生能源，其中开发和利用太阳能已成为可再生能源中最炙热的一项。目前国内光热已经单独形成了产业化体系，在传统技术中，建筑屋面与太阳能光伏发电系统的安装方式主要为：屋面按设计要求先行施工完成后，再安装成套的高性能集热太阳能光热系统，高性能集热太阳能光热系统作为光热产品单独应用在建筑物、构筑物或者野外宽广的区域。
在上述传统的安装方式中，高性能集热太阳能光热系统采用单件产品，用外加支撑体系与屋面进行安装施工，会产生与建筑屋面不协调、破坏建筑外观的问题，并在施工过程中存在二次施工、破坏原有建筑屋面造成屋面渗漏等质量隐患。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种高性能集热太阳能光热与屋面一体化集成系统，通过将高性能集热太阳能光热系统直接与屋面板装配一体化，达到屋面与高性能集热太阳能光热系统一体化施工、施工速度快、用工少；所述太阳能系统代替了传统的防水层、保温层和屋面瓦，大大降低整个屋面的造价，并使得建筑更美观、更耐用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高性能集热太阳能光热与屋面一体化集成系统，所述集成系统包括屋面板以及直接设置于所述屋面板上方的高性能集热太阳能光热系统，所述屋面板通过设置于所述屋面板上的安装件与所述高性能集热太阳能光热系统的固定连接；
所述高性能集热太阳能光热系统包括玻璃罩、集热板、支架、保温板、导热装置和换热水箱；其中所述集热板为中空黑陶瓷集热板，所述导热装置包括与所述集热板一体化连接的超导热管以及与超导热管连接的导热管，所述导热管的两端与所述换热水箱连接。
进一步地，所述集热板由小片黑陶瓷板组成，每个所述小片黑陶瓷片的规格控制在长度小于50cm，宽度小于20cm。
进一步地，所述导热装置还包括铝合金导热夹具、换热管套以及设置在导热管中的传热工质，所述集热板中的每个所述小片黑陶瓷板均通过铝合金导热夹具固定在超导热管上，所述超导热管通过换热管套与所述导热管连接以使集热板吸收的热能迅速传至导热管中的传热工质。
进一步地，所述安装件的一部分设置在屋面板内部，另一部分伸出所述屋面板，并所述安装件通过伸出屋面板的部分与所述高性能集热太阳能光热系统连接；所述安装件为不锈钢或镀锌的螺栓类安装件。
进一步地，所述屋面板还包括表面加强层、保温层，所述屋面板的所述表面加强层、保温层以及安装件通过轻质混凝土形成一体化的整体结构；
所述表面加强层是将不饱和树脂、玻璃纤维以及填充料三种材料在高温高压条件下模压成型；
所述屋面板上未覆盖高性能集热太阳能光热系统的屋面区域设置屋面瓦。
进一步地，所述屋面板的一端与所述高性能集热太阳能光热系统的一端对齐，在所述高性能集热太阳能光热系统与所述屋面板对齐部位的上方设置屋脊；所述换热水箱设置于屋脊下方，以保证太阳能换热在屋脊下部进行。
进一步地，所述屋面板还包括由纵横设置的加强筋构成的加强筋钢网，所述加强筋为直径在2mm-6mm的钢筋，所述加强筋钢网与表面加强层、保温层以及安装件连接。
进一步地，所述安装件位于屋面板内部的部分与所述屋面板内的加强筋钢网连接。
进一步地，所述集成系统还包括泛水板，以用于连接所述屋面瓦和所述高性能集热太阳能光热系统。
本发明的有益技术效果：
1.相对于目前传统太阳热水系统，本发明将高效、稳定、无害的黑陶集热板的集热系统与超导热管有效结合，在集合了黑陶太阳能集热的各项优势基础上通过传导技术提高了热量的传热效率，使获得的热能更高效、快捷地传递给集热系统外导热管中的导热工质。
2.本发明系统可以实现集热板内无水、无导热介质，热量能瞬间无损地通过最短的距离传至集热板外进行热交换，大大提高了传递效率，减少了换热工质在运行中的热量损失，使得有效热能最大化。本发明改变了传统太阳能热水系统的运行原理，效率高、性能稳定、使用范围广、综合成本低、与建筑同寿命、能实现太阳能光热与建筑屋面一体化。
附图说明
图1为本发明所述一种高性能集热太阳能光热与屋面一体化集成系统的示意图；
图2为本发明所述集成系统中屋面板的结构示意图；
图3为本发明所述高性能集热太阳能光热系统的结构纵剖示意图；
图4为本发明所述高性能集热太阳能光热系统的结构横剖示意图；
附图标记：1.屋面板、2.高性能集热太阳能光热系统、3.安装件、4.屋面瓦、5.泛水板、6.屋脊、7.表面加强层、8.保温层、9.轻质混凝土、10.加强筋钢网、11檐口收边板；2-1.支架、2-2.玻璃罩、2-3.集热板、2-4.保温板、2-5.超导热管、2-6.导热管、2-7.铝合金导热夹具、2-8.换热管套、2-9.传热工质、2-10.换热水箱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
一种高性能集热太阳能光热与屋面一体化集成系统，如图1所示，所述集成系统包括屋面板1以及直接设置于所述屋面板上方的高性能集热太阳能光热系统2，所述屋面板1通过设置于所述屋面板上的安装件3与所述高性能集热太阳能光热系统2的固定连接。
所述高性能集热太阳能光热系统2(如图3和4所示)包括支架2-1、玻璃罩2-2、集热板2-3、、保温板2-4、导热装置和换热水箱2-10；其中所述集热板2-3为中空黑陶瓷集热板，所述导热装置包括与所述集热板2-3一体化连接的超导热管2-5以及与超导热管2-5连接的导热管2-6，所述导热管2-6的两端与所述换热水箱2-10连接。
所述集热板2-3由小片黑陶瓷板组成，每个所述小片黑陶瓷片的规格控制在长度小于50cm，宽度小于20cm。所述小片黑陶瓷片包括下列质量百分比的组分：ZrO215-20％、SiC 20-30％、MgO40-50％、Cr2O32-5％、BeO10-20％、锆英石10-15％。
所述导热装置还包括铝合金导热夹具2-7、换热管套2-8以及设置在导热管中的传热工质2-9，所述集热板中的每个所述小片黑陶瓷板均通过铝合金导热夹具2-7固定在超导热管2-5上，所述超导热管2-5通过换热管套2-8与所述导热管2-6连接以使集热板2-3吸收的热能迅速传至导热管2-6中的传热工质2-9。
所述安装件3的一部分设置在屋面板1内部，另一部分伸出所述屋面板1，并所述安装件3通过伸出屋面板1的部分与所述高性能集热太阳能光热系统2连接；所述安装件3为不锈钢或镀锌的螺栓类安装件。
所述屋面板(如图2所示)还包括表面加强层7、保温层8，所述屋面板的所述表面加强层7、保温层8以及安装件3通过轻质混凝土9形成一体化的整体结构。
所述表面加强层7是将不饱和树脂、玻璃纤维以及填充料三种材料在高温高压条件下模压成型；正是基于所述表面加强层的化学组成。所述表面加强层7具有防水、保温、抗老化、使用寿命长等高性能特点，将太阳能光热系统2直接与屋面板1装配一体化，达到屋面与太阳能光热系统2一体化施工、施工速度快、用工少。
传统太阳能光热与屋面的连接结构中，传统的太阳能光热与屋面的连接结构从上到下依次包括太阳能光伏板、屋面瓦、挂瓦条、保温层、顺水条、防水层、结构层。太阳能光热系统2代替了传统太阳能光热与屋面的连接结构中的防水层、保温层和屋面瓦，大大降低了整个屋面的造价，并使得建筑更美观、更耐用，并且，所述保温层设置于所述屋面板的内部，起到保温作用，因此在太阳能板覆盖的范围内可以取消保温层和盖瓦施工，利用太阳能板也可代替瓦的作用。为了美观要求，太阳能板以外的屋面区域可以盖瓦。如果不涉及对美观的要求，可以全部取消屋面的瓦。
所述屋面板上未覆盖高性能集热太阳能光热系统2的屋面区域设置屋面瓦4。所述屋面板1上未覆盖高性能集热太阳能光热系统(2)的屋面区域设置挂瓦条用于安装屋面瓦。并且所述屋面板还可以包括檐口收边板11，用于保护檐口，增强其使用寿命，檐口收边板11包覆着所述屋面板1的靠近屋檐的一端，避免其被雨水浸透，并且在檐口收边板11上可以设置表面加强层7以增强屋面板1的强度。
所述屋面板1的一端与所述高性能集热太阳能光热系统2的一端对齐，在所述高性能集热太阳能光热系统2与所述屋面板1对齐部位的上方设置屋脊6；所述换热水箱2-10设置于屋脊6下方；以保证太阳能换热在屋脊下部进行。
所述屋面板1还包括由纵横设置的加强筋构成的加强筋钢网10，所述加强筋为直径在2mm-6mm的钢筋，所述加强筋钢网10与表面加强层7、保温层8以及安装件3连接。
所述安装件3位于屋面板1内部的部分与所述屋面板1内的加强筋钢网10连接；具体设置在屋面板的两个板端以及屋面板中间。所述安装件的部分伸出屋面板，伸出屋面板的部分与高性能集热太阳能光热系统中的太阳能边框连接，不需以后打钉或其他固定方式进行固定，避免了破坏屋面板的板体。
所述集成系统还包括泛水板5，以用于连接所述屋面瓦4和所述高性能集热太阳能光热系统2。所述泛水板5的一端与所述高性能集热太阳能光热系统2的边框连接，另一端设置在与所述高性能集热太阳能光热系统2相邻的屋面瓦的上方，所述泛水板通过螺钉被固定在与所述高性能集热太阳能光热系统2最接近的挂瓦条上。
所述屋面板1还包括可以装饰面层，所述装饰面层设置在所述表面加强层7的上方，所述装饰面层为油漆或涂料层，所述涂料层具体为氟碳漆或丙烯酸漆。
在安装所述太阳能光电系统时，将所述屋面板1的一端与所述太阳能光电系统2的一端对齐，在所述太阳能光电系统2与所述屋面板1对齐部位的上方设置屋脊6，以使从屋脊上流下的水顺着高性能集热太阳能光热系统流下，起到防水的作用。
所述集成系统可以设置在山墙或者外墙上，当设置在山墙上时，整个所述太阳能光热与屋面一体化集成系统与山墙垂直设置，此时必须设置檐口收边板11，以起到防水的作用；当设置在外墙上时，整个所述太阳能光热与屋面一体化集成系统与外墙成30-60°的角度，此时可以不设置檐口收边板11，但是要保证位于屋檐上方及位于屋面板边缘的屋面瓦4的一部分向外延伸，以避免屋面板进水。
Claims (9)
1.一种高性能集热太阳能光热与屋面一体化集成系统，其特征在于，所述集成系统包括屋面板(1)以及直接设置于所述屋面板上方的高性能集热太阳能光热系统(2)，所述屋面板(1)通过设置于所述屋面板上的安装件(3)与所述高性能集热太阳能光热系统(2)的固定连接；
所述高性能集热太阳能光热系统(2)包括玻璃罩、集热板、支架、保温板、导热装置和换热水箱；其中所述集热板为中空黑陶瓷集热板，所述导热装置包括与所述集热板一体化连接的超导热管以及与超导热管连接的导热管，所述导热管的两端与所述换热水箱连接；
所述安装件(3)的一部分设置在屋面板(1)内部，另一部分伸出所述屋面板，并所述安装件(3)通过伸出屋面板的部分与所述高性能集热太阳能光热系统(2)连接；
所述屋面板还包括表面加强层(7)、保温层(8)，所述屋面板的所述表面加强层(7)、保温层(8)以及安装件(3)通过轻质混凝土(9)形成一体化的整体结构；所述表面加强层(7)是将不饱和树脂、玻璃纤维以及填充料三种材料在高温高压条件下模压成型。
2.根据权利要求1所述集成系统，其特征在于，所述集热板由小片黑陶瓷板组成，每个所述小片黑陶瓷板 的规格控制在长度小于50cm，宽度小于20cm。
3.根据权利要求2所述集成系统，其特征在于，所述导热装置还包括铝合金导热夹具、换热管套以及设置在导热管中的传热工质，所述集热板中的每个所述小片黑陶瓷板均通过铝合金导热夹具固定在超导热管上，所述超导热管通过换热管套与所述导热管连接以使集热板吸收的热能迅速传至导热管中的传热工质。
4.根据权利要求1所述集成系统，其特征在于，所述安装件(3)为不锈钢或镀锌的螺栓类安装件。
5.根据权利要求1所述集成系统，其特征在于，
所述屋面板上未覆盖高性能集热太阳能光热系统(2)的屋面区域设置屋面瓦(4)。
6.根据权利要求1所述集成系统，其特征在于，所述屋面板(1)的一端与所述高性能集热太阳能光热系统(2)的一端对齐，在所述高性能集热太阳能光热系统(2)与所述屋面板(1)对齐部位的上方设置屋脊(6)；所述换热水箱设置于屋脊(6)下方。
7.根据权利要求1所述集成系统，其特征在于，所述屋面板(1)还包括由纵横设置的加强筋构成的加强筋钢网(10)，所述加强筋为直径在2mm-6mm的钢筋，所述加强筋钢网(10)与表面加强层(7)、保温层(8)以及安装件(3)连接。
8.根据权利要求7所述集成系统，其特征在于，所述安装件(3)位于屋面板(1)内部的部分与所述屋面板(1)内的加强筋钢网(10)连接。
9.根据权利要求5所述集成系统，其特征在于，所述集成系统还包括泛水板(5)，以用于连接所述屋面瓦(4)和所述高性能集热太阳能光热系统(2)。
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