陶瓷太阳板与锚桩结构陶瓷太阳能房顶的应用

孙启正 许建华

摘 要：陶瓷太阳板以普通瓷土、工业废弃物为原料，具有制造工艺简单、生产耗能少、成本低、寿命长、效率高的优点；锚桩陶瓷太阳能房顶与原房顶共用结构层、保温层、防水层，结构简单、与建筑一体化、与建筑同寿命，为建筑物提供热水、取暖、空调的功能。

关键词：陶瓷；太阳能房顶；储能水箱；热水

1 陶瓷太阳板

太阳能收集器的核心部件是太阳能集热体。陶瓷太阳板采用全新的材料、结构、制造工艺，是在瓷质通孔扁盒结构基体上覆盖以提钒尾渣为主要原料的钒钛黑瓷泥浆层，经1200℃一次烧结成为基体是普通陶瓷，表面是立体网状黑瓷阳光吸收层的复合陶瓷制品，立体网状黑瓷层有无数小孔，阳光进入小孔后难以逃逸，具有很高的集热效率。

经国家有关部门、国家太阳能热水器质量监督检验中心检验，表面阳光吸收率为0.95，陶瓷太阳板具有瓷质材料通性，强度大、硬度高、热稳定性好、不腐蚀、不老化、不退色、无毒、无害、无放射性、吸水率<0.5%、阳光吸收率不随时间衰减、可具有与建筑物相同的使用寿命。已经证明陶瓷太阳板是一种成本很低、寿命很长、效率很高的太阳能集热体。

陶瓷太阳板获中国、日本发明专利，在韩国已经上市，且已规模化生产，正在开发建筑、沙漠市场。

2 锚桩结构黑瓷复合陶瓷太阳能房顶

2.1 建筑太阳能热水系统的要求

国家标准“民用建筑太阳能热水系统应用技术规范”对太阳能热水系统与建筑一体化所提出的要求，现摘要如下：

（1） 太阳能热水系统与建筑结合，就是把太阳能热水系统产品作为建筑构件安装，使其与建筑有机结合。

（2） 太阳能热水系统与建筑结合将成为安装太阳能热水系统的标准。

（3） 在保证系统全年安全稳定运行的前提下，应使所选太阳能集热器的性能价格比最优。

（4） 安装在建筑上的太阳能集热器正常使用寿命一般不超过15年，而建筑的寿命是50年以上。

因此，现有太阳能热水（器）系统要符合上述要求，需要实现重大技术进步。锚桩结构黑瓷复合陶瓷太阳能房顶成本低、寿命长、效率高，与普通房顶共用结构层、保温层、防水层，可以符合上述要求。

2.2 普通房顶结构

普通房顶基本组成是结构层、保温层、水泥层、防水层。一般房顶是实心房顶，采用湿法施工，一般斜房顶采用各种瓦片作为防水层。这些结构都比较复杂，施工过程比较长，消耗材料、人工工时比较多，成本比较高。通常太阳能房顶结构更加复杂，材料昂贵，建造成本很高。

传统斜屋面是在房顶基础层上依次进行以下工序：用20mm厚水泥砂浆找平、100～200mm轻质材料与水泥砂浆的混合物作为保温层、20mm厚水泥砂浆找平、防水卷材、35mm厚细石混凝土找平、内配钢筋防裂网、40mm厚水泥砂浆粘贴粘土瓦或者琉璃瓦。粘土瓦每平方米70～100元，琉璃瓦100～300元，四、五道湿法施工，用瓦片达到可靠防水，对施工水平有较高技术要求，人工费用比较贵。通常房顶的功能是隔热保温，防止风、雨、日晒等室外环境对室内环境的影响，要求本身有一定的重量，与房顶基础层有一定的结合力（湿法施工），防止刮大风破坏屋面，每平方米造价为240～700元。

2.3 锚桩结构陶瓷太阳能房顶

锚桩结构黑瓷复合陶瓷太阳能房顶取消找平层，取消湿法施工，以3.2mm钢化玻璃代替瓦片，可以简化普通房顶的结构，简化空气太阳能房顶的结构，减少材料消耗，提高施工效率，减轻劳动强度，降低房顶成本。

锚桩结构陶瓷太阳能房顶由低值防水层、保温层（70mm苯板、20mm聚氨酯板、8mm纤维水泥板）、陶瓷太阳板、3.2mm超透钢化玻璃板、锚桩件、连接配件、管路、控制器、水泵、保温水箱组成。陶瓷太阳能房顶采用保温水箱放在房顶下面的单水泵控制系统，解决了防冻问题，减少了热能损失，经过几年冬天使用，证明安全可靠。

如图1所示，在建筑物房顶基层的周围设置边框，在边框的顶部和底部设置可以开关的闸门，锚桩结构陶瓷太阳能房顶中的陶瓷太阳板支撑结构和透明盖板支撑结构采用锚桩结构，以锚桩结构支撑陶瓷太阳板和透明盖板，以与基层固定的锚桩支撑陶瓷太阳板，防止陶瓷太阳板下滑并且承担透明盖板的重量及防止透明盖板下滑。在建筑物房顶基层上分布、固定螺栓和短棒，螺栓和短棒的下端预先埋设在房顶基层里或者房顶基层完成后将螺栓和短棒的下端与基层固定，在房顶基层上铺设保温材料。螺栓用于调节玻璃板的高度，并且定位、固定、拉住玻璃板，短棒用于支撑玻璃板。螺栓和短棒的分布密度足以支撑玻璃板和在玻璃板上操作人员的重量，玻璃板放置在边框、螺栓、短棒的上面，与螺栓位置对应的玻璃板上有孔，调节下面螺帽的高度，拧紧上螺帽或者拧紧固定螺栓，以调节玻璃板的高度，并且定位、固定、拉住玻璃板，螺栓与短棒的共同作用使玻璃板实现了能够抵抗各种外力的、可靠的稳定状态，玻璃板之间采用互相搭接的方式以防水，上下玻璃板之间有不锈钢S钩，防止上面玻璃板下滑，最下面的玻璃板顶在下面边框的侧面上，以防止玻璃板下滑，玻璃板之间以及玻璃板与边框之间的接触部位用硅酮胶结合和密封。

玻璃板分为上层有孔玻璃板和下层无孔玻璃板，上层有孔玻璃板的两侧部分压在下层无孔玻璃板侧面上，即上层有孔玻璃板与下层无孔玻璃板形成上下搭接，所有玻璃板下面都有短棒支撑，上层有孔玻璃板被螺栓定位、固定、拉住后，所有玻璃板都处于定位、固定状态，防止人为或者自然力量，如刮大风时掀起玻璃板造成的破坏，提高了可靠性、安全性。

玻璃板是3.2mm厚度的超透钢化或半钢化玻璃板，也称作3.2mm超白钢化或半钢化玻璃板，或者是3.2mm厚度的超透钢化或半钢化的压痕玻璃板（压花玻璃板），压痕玻璃板表面不反光。下面边框的高度高于其他部位边框的高度，高出部分用于顶住最下面的玻璃板。如图2所示。

保温材料上面放置硅酸钙板或者纤维水泥板，以保护保温材料，防止其在阳光长期照射下老化，延长使用寿命。

短棒的上表面与玻璃板之间用导热系数比较低的材料隔离，以减少热损失。

任何陶瓷太阳能热水系统在阳光不照射加热的时候，都应该将热水排入保温水箱，这既是保存能量也是北方冬天防止陶瓷太阳板冻裂的主要手段。陶瓷太阳能房顶应该采用集热器的底部高于水箱顶部的动力（水泵）循环系统，与建筑同寿命的陶瓷太阳板可以具有几十年以上的使用寿命，所以需要更高的放水可靠性，由于产品质量、人为失误、机电故障等产生的截止阀错误状态的机率会抵消陶瓷太阳能房顶的长寿命，最好不要在循环系统主管道中安装任何截止阀。系统只有两种状态：水泵不工作时，水流回水箱，瓷板中没有水；水泵工作时，陶瓷太阳板中的水经过保温水箱流动不会结冰。即便供电、电路、管理、水泵等出现问题，也不会损坏陶瓷太阳能房顶。

陶瓷太阳能房顶与原房顶共用结构层、保温层、防水层，与建筑一体化、与建筑同寿命，造价低廉。陶瓷太阳能房顶具有长期稳定的热效率（日得热量8.6MJ，高于国家标准的7.0MJ），结构简单、保温隔热效果好于传统房顶。

3 结 语

我国现有建筑房顶、南向墙面各100亿平方米，每年各新增5亿平方米，根据国家标准“民用建筑太阳能热水系统应用技术规范”，黑瓷复合陶瓷太阳板应该开发建筑太阳能市场，联合建筑部门，建造陶瓷太阳能建筑，根据黑瓷复合陶瓷太阳板成本低、寿命长的特点，推广全面积陶瓷太阳能房顶、全面积陶瓷太阳能墙面，提供高温热水，提供取暖、空调，实现太阳能的高品质利用。

参考文献

[1] “复合陶瓷太阳板”中国发明专利[P].专利号200910007128.X，2010.

[2] “民用建筑太阳能热水系统应用技术规范”，国家标准 GB50364-2005.

[3] “黑瓷复合陶瓷中空太阳能集热板”，山东天虹弧板有限公司企业标准，Q/3700THB，2010.

[4] 罗运俊，何梓年，王长贵.太阳能利用技术[J].化学工业出版社，2005.