太阳能热水瓦及其市场应用

何水清，李永善，柳贞子

（1.徐州市太阳能技术开发研究中心，江苏 徐州　221000；2.吉林省延边林业局，吉林 延边　133000）

太阳能热水瓦及其市场应用

何水清1，李永善2，柳贞子2

（1.徐州市太阳能技术开发研究中心，江苏 徐州221000；2.吉林省延边林业局，吉林 延边133000）

主要介绍太阳能热水瓦和陶瓷太阳能瓦2种新型屋面材料。详细叙述了太阳能热水瓦的工作原理、结构部件、常规分类与一般规格、基本技术与参数、试验方法，结合该瓦的功能、特点，从绿色建筑与建筑节能对太阳能热水瓦经济性与市场前景作了简要分析；对陶瓷太阳能瓦（板）作简要介绍，并以实例说明在家庭式光伏模块发电和联排住宅中的应用。

太阳能热水瓦；陶瓷太阳能瓦（板）；建筑节能

1　太阳能热水瓦

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，更是一种清洁环保、零排放的安全能源。能源安全一直是人们关注的焦点，能源的安全性将逐渐成为人们选择能源的标准之一，尤其是安全能源在建筑中的应用更是倍受瞩目，而太阳能正是具备安全和节能这两项关键性优点，是绿色建筑与建筑节能的首选能源。

太阳能热利用是太阳能应用的重要形式之一。近年来，随着社会的发展，科技的进步，太阳能热利用产业处于前所未有的市场机遇中，以太阳能热水器为主的太阳能热利用产品取得了突飞猛进的发展。而今太阳能热利用的新形式陆续出现在市场上，如太阳能空调、太阳能空气集热器、太阳能中高温集热器、太阳能干燥器、太阳房、太阳能温室、太阳灶、太阳能热发电等。这些热利用的形式短期内在绿色建筑与建筑节能中还难以起到很大的作用。正因为如此，“太阳能与建筑一体化”一直还仅仅是一句口号。“瓦”是房屋的主要部件之一，太阳能热水瓦、屋面瓦的出现无疑会成为绿色建筑与建筑节能的黄金搭档，同时绿色建筑与建筑节能也将会成为太阳能热利用推广应用的主战场。

1.1太阳能热水瓦的工作原理与结构部件

太阳能热水瓦是一种由吸热板芯、上瓦盖板和下瓦托盘3大部件组成的可吸收太阳辐射热能的瓦式建筑构件，可与其它部件共同组成一个完整的太阳能热水生产供应系统，是太阳能建筑瓦的一种，见图1。

太阳能热水瓦在太阳光的照射下，太阳能辐射透过上瓦盖板投射在表面有选择性吸收涂层的吸热板芯上，大部分太阳光谱线被吸热板芯吸收后转换为热能，并传递给吸热板芯内的传热工质，传热工质的温度缓慢升高，并通过保温管道进行热能输出的反复过程。

图1　太阳能热水瓦组成示意

吸热板芯的主要功能是吸收热量，由吸热板和流道2部分组成。吸热板一般采用德国进口真空磁溅射镀蓝钛涂层（吸收比a≥0.92、发射比ε≤0.08），其基材一般为0.2～0.3 mm铜板或0.3～0.4 mm铝板；流道通常为管径Φ20 mm或Φ22 mm、壁厚0.6～0.8 mm的紫铜管，铜管与吸热板之间采用绿色热能技术激光焊接，导热性能好，热损失小，抗撕拉力强，不破坏吸热涂层。

上瓦盖板主要功能是保护吸热板抗外力冲击，并与下瓦托盘形成温室效应，由透明盖板和密封胶条2部分组成。透明盖板通常是3.2 mm或4.0 mm厚的超白布纹钢化玻璃，透光率ζ≥0.9，玻璃强度可抗直径30 mm以下的冰雹袭击。密封胶条通常为EPDM材质，有一定的弹性，防老化，有较强的密封性能。

下瓦托盘主要功能是吸热板的载体，由托盘、保温层和压条组成。托盘通常是用铝或镀锌板一体冲压拉伸而成，形成方形餐盘形状，将吸热板芯置于其中，厚度一般为1.2～1.8 mm；保温层的主要功能是抑制吸热板通过传导向周围环境散热，通常所用材料有岩棉、聚氨酯发泡沫、酚醛树脂等；压条主要用于上瓦盖板与下瓦托盘的连接，材质一般为1.5～2.0 mm厚的电泳铝合金，色彩可调。

1.2太阳能热水瓦的常规分类与一般规格

太阳能热水瓦一般分为普通型太阳能热水瓦和光电型太阳能热水瓦。

普通型太阳能热水瓦是指热水瓦压上没有夜间美化功能的一般热水瓦，属于中低端产品，用于满足大众化的需求。

光电型太阳能热水瓦是指在普通型太阳能热水瓦的基础上，为了满足部分高端客户的需求，在热水瓦四周压条上加贴大小适合的光伏组件并配LED彩色灯，达到既能产热水又能在夜间亮化的目的。

太阳能热水瓦的规格一般为1000 mm×1000 mm×100 mm，1 m2大小的规格便于搬运和安装，特殊规格也可根据不同的房屋需求特殊定制。

1.3太阳能热水瓦的功能与特点

太阳热水瓦具有广泛的用途，不但具有传统瓦的遮雨遮阳功能，还具有生产热水、隔热、抗强风、隔噪声等其它更多功能。

（1）生产热水：太阳能热水瓦最重要的功能之一就是生产热水，将适量的太阳能热水瓦用防腐V型材相连形成雨水槽，并用EPDM做好衔接密封，用铜双接连接流道后，再与水箱、控制柜、水泵、管路等部件组合后形成一个完整的热水生产供应系统。

（2）遮雨遮阳：太阳能热水瓦上瓦盖板材质为超白布纹钢化玻璃，下瓦托盘为铝或镀锌板，有很高的强度和硬度，耐腐蚀、耐老化、密封性好，具有普通瓦片的遮雨遮阳功能。

（3）隔热：太阳能热水瓦内的吸热板芯会吸收太阳辐射到瓦片上的大部分热量，炎热的夏季能起到非常好的隔热作用，隔热性能优于普通瓦。

（4）抗强风：太阳能热水瓦由于自重较大，若安全牢固地固定在钢结构上，抗击强风性能比普通瓦强。

（5）隔噪声：太阳能热水瓦由于较厚且其中有介质循环，能够隔离冰雹撞击、马路嘈杂等环境噪声，从而保证顶层住户的安静生活。

（6）更多用途：如果大面积安装太阳能热水瓦，热量充足还可采取更多的热利用形式，如太阳能采暖、太阳能干燥、太阳能空调、太阳能热发电等，凡是能用得上热能的地方都可直接或间接地由太阳能热水瓦来提供热能。

1.4太阳能热水瓦的基本技术要求

由于其特殊功能性，太阳能热水瓦的外观、耐压性、耐冻性和吸热性等技术指标都有明确的技术要求，见表1。

表1　太阳能热水瓦的基本技术要求

1.5太阳能热水瓦的基本技术参数及试验

根据太阳能热水瓦的工作原理、结构部件、一般规格、基本技术要求、建筑一体化等因素，确定以下标准配置为试验品基本技术参数，见表2。

表2　太阳能热水瓦试验品的基本技术参数

基于以上太阳能热水瓦试验品的基本技术参数，进行如表3试验。

表3　太阳能热水瓦的性能测试结果

图2　瞬时效率曲线

1.6太阳能热水瓦的经济性分析

太阳能热水瓦具有的生产热水、遮雨遮阳、隔热、隔噪声抗强风等诸多功能决定了其具有较强的经济性，特别是生产热水的功能是普通瓦所不具有的。太阳能热水瓦的经济性主要体现在生产热水方面，下面以生产热水为例对其进行经济性分析。

以广西南宁及类似地区气象条件为参照，南宁市属南亚热带季风气候，光照充足，夏季炎热多雨，冬季温暖少雨。南宁市历年平均气温为21.6℃；7月份最热，月平均气温28.4℃极端最高气温40.7℃；1月份最冷，月平均气温12.6℃，全年太阳有效利用天数约270 d。

太阳能热水瓦因全年季节、环境温度和光照时间的不同其热水产量也会随之而变化。太阳能热水瓦在不同季节热水产量见表4。

表4　太阳能热水瓦在不同季节热水产量

如果按每人每日平均热水用量为60 L，则1个三口之家每日每户的热水用量为180 L，如果冷水的年平均温度为16℃，则每户全年热水负荷为1.35×107kJ。每m2太阳能热水瓦可替代150 kg标准煤，相当于147 kW·h用电量，热水（50℃以上）产量平均约80 L。各类热水设备运行经济性比较见表5。

表5　几类热水设备运行经济性比较

由表5可知，太阳能热水瓦的运行成本相对最低，约为电热设备的25%，燃气设备的39.6%，空气源热泵的62.7%，具有很好的经济效益。考虑到太阳能热水瓦的遮雨遮阳、隔热、隔噪声、抗强风等特性，若能对太阳能热水瓦进行综合性利用，与建筑一体化有机结合，在绿色建筑与建筑节能中发挥主力军的作用，不断推进其产业化进程，对实现经济效益与社会效益最大化有着重要意义。

1.7太阳能热水瓦的市场应用与前景分析

太阳能热水瓦的应用可节约建筑成本和使用成本。若能与绿色建筑与建筑节能同步规划、同步设计、同步施工安装，使太阳能热水瓦与绿色建筑与建筑节能融为一体，将会有力推动节约型社会建设。

太阳能热水瓦的应用可美化市容。目前市场上各种太阳能热水器在屋顶上的安装处于杂乱无章的状态，太阳能热水瓦的应用能够保持建筑物的整体美观不受破坏，从而形成完美的建筑视觉和城市形象。

太阳能热水瓦的应用可解决高层建筑太阳能的热水问题。由于高层建筑楼顶面积有限，传统的太阳能集热器无法满足全部用户的需求，太阳能热水瓦不仅可装在屋顶上，也可装在南墙或阳台上，既能生产热水，又能起到装饰的作用。

太阳能热水瓦可解决传统太阳能热水器当前所面临的发展瓶颈问题。而对于城市太阳能市场的出路就在于一体化、工程化和城市化，如何实现“三化”，就要靠太阳能热水瓦（见图3）。对于一些平板太阳能集热器制造业来说，它们具有“天生”的独特优势，太阳能热水瓦可以走建材的销售渠道。

图3　太阳能热水瓦与建筑一体化应用

太阳能热水瓦的特性决定了其可以成为太阳能与建筑一体化的有效实施载体，是一种节能、惠民、绿色、低碳、安全的能源产品，是绿色建筑与建筑节能的首选构件。太阳能与建筑一体化的道路也必然会经历一个漫长的新品推广、初期应用、技术升级、发展完善的过程。也将开辟一个全新的太阳能热利用应用领域，具有广泛的发展空间和巨大的市场潜力。如果说有房就有顶，有顶就有热水瓦，那市场潜力更是不可估量。

1.8简述

太阳能热水瓦的出现使太阳能与建筑一体化从一个艰难漫长的“相加”过程转变为“相融”。如果能将太阳能热水瓦纳入绿色建筑与建筑节能体系，成为绿色建筑与建筑节能的一个标准化部件，一个有机构成要素，那么相关规划和设计单位就可以从规划、设计开始将太阳能热水瓦作为一个不可或缺的结构要素考虑进去，尽可能将包括太阳能热水瓦在内的整个太阳能热水系统融入绿色建筑与建筑节能中去，使安全能源得到最大化的利用，真正实现太阳能与建筑一体化。

2　陶瓷太阳能瓦（板）

陶瓷太阳能瓦是一种新兴的吸收太阳能光热的屋顶材料。以普通陶瓷为基体，黑瓷为表面层。没有白度要求的陶瓷是已知成本最低、寿命最长、性能最稳定的工程材料之一，以工业废弃物为主要原料的钒钛黑瓷是成本最低、寿命长、性能最稳定的太阳能吸收材料。经国家太阳能热水器质量监督检验中心检测，全球第一座混凝土结构陶瓷太阳能房顶日得热量8.6 MJ，高于国家标准规定的7.0 MJ。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，结构简单，具有造价低、隔热、保温效果好于普通房顶的优点，降低了太阳能的使用成本。

房顶是人类最容易获得阳光的场所，大多数房顶由混凝土结构层、保温层、水泥层、防水层构成。房顶的主要功能是隔热、保温，抵御风、雨、雪、日晒等对室内环境的影响。陶瓷太阳能房顶可以建造在人字形斜屋顶的南坡面结构层上，也可以建造在一面坡斜屋顶的结构层上，结构层坡面的角度可以采用通常斜屋顶的15°～50°，陶瓷太阳能屋顶与原屋顶共用结构层、保温层、防水层，省去水泥层，其中混凝土结构层是房顶的结构层，也是陶瓷太阳能集热系统的结构层。无机保温材料是房顶的保温层，也是陶瓷太阳能集热系统的保温层。钢化玻璃板是房顶的防水层，也是陶瓷太阳能集热系统的防水层。陶瓷太阳板本身构成了上循环通道，简化了屋顶结构，降低了建设成本，实现了太阳能集热系统与房顶一体化。

现在我国利用黑色陶瓷生产太阳能瓦（小块尺寸）、大面积的陶瓷太阳能板，初步试点成绩显著。

例1：江苏省徐州市大庙办事处马庄村沟西三组周先生家，在朝南的屋子上盖上一片漂亮的枣红格屋顶。这就是属于新型建材的太阳能瓦，由陶瓷边框和光伏模块组合而成。这种太阳能瓦不仅抗风、抗打击、防水，还具有隔热和保温功能。

例2：山东省巨野县核桃园镇吴平坊村采用陶瓷太阳能板，该村的陶瓷太阳能房顶建筑都是联排住宅，原设计2层，改房顶设计为陶瓷太阳能房顶后成为3层，是7户联排住宅，每户一、二层各80 m2，三层是40 m2，北屋和26 m2斜屋顶储物间，采用每户单独通道，每户采用52 m2陶瓷太阳能板，每户独立太阳能系统。也可以建造10户联排经济性住宅，每户一、二层各50 m2，三层是25 m2北屋，采用10户共用1个通道，全房顶满铺陶瓷太阳板，房顶利用率较高，每户采用49 m2陶瓷太阳能板，每户独立太阳能系统。

3　评述

不论是太阳能热水瓦，还是陶瓷太阳能板，都是围绕着房屋的坡屋面改革举措进行。房顶是最容易获得阳光的场所，陶瓷太阳能房顶可以使阳光利用最大化，可以为各种建筑提供热水、取暖、空调；充分利用可再生能源，为节能减排，减少雾霾天气做出贡献；降低建筑和相关设备建设成本，降低建筑物运行成本。

目前主要可以为独立住宅，即农居、别墅、城乡结合部的独户住宅等提供部分冬天取暖的热能、全年生活热水；为厂矿企业的车间、仓库、办公楼及养殖业等提供部分冬天取暖、全年生活热水；为城市住宅楼、公共建筑、服务业、学校、机关、宾馆、饭店、游泳池等提供部分或全部热水。

黄淮地区如黄河以南及淮河流域目前多数农村地区没有取暖或取暖设备，如山东菏泽地区，历史上冬天不取暖，冬天室内温度甚至低于室外，一年四季敞开大门过日子，冬天平均气温0℃左右或以下。陶瓷太阳能房顶热水能量可以储存5～10 d，至少可以提供1～2间房间的取暖，使相同面积的普通房间在取暖季节平均室温达到10℃以上。

我国北方农村地区，冬天主要依靠烧煤取暖，白天室温大多在12℃左右，夜间封炉室温下降，24 h平均室温10℃左右或以下，我国北方地区独立住宅的陶瓷太阳能房顶一般可以为相同面积的普通房间提供50%左右的取暖能量，也可以为少量房间提供更高比例的取暖能量。

陶瓷太阳能房顶应该使房顶阳光利用最大化，应该尽量采用全面积陶瓷太阳能房顶，如20层住宅楼，电梯间放在北面，户均建筑面积100 m2，垂直20户共同拥有房顶面积100 m2左右，斜面大于平面，户均陶瓷太阳能房顶采光面积可以达到5 m2左右，即便考虑到房顶至1层的主热水管道恒温循环消耗，户均有效采光面积的实际效果也可以达到4 m2左右，考虑到传统普通单台太阳能热水器采光面积一般是2 m2左右，所以陶瓷太阳能房顶应该可以提供20层住宅楼住户生活热水。

Solar water heating tile and its market application

HE Shuiqing1，LI Yongshan2，LIU Zhenzi2
（1.Xuzhou Solar Energy Technology Research and Development Center，Xuzhou 221000，Jiangsu，China；
2.The Forestry Bureau of Yanbian，Yanbian 133000，Jilin，China）

Introduces the solar water heating tile and ceramic tile，which are two kinds of new roofing materials.Detailing the working principle，structural components，conventional classification，as well as general specifications，basic technical and parameters and test methods，and making a brief analysis of the economy and market prospects of the solar water heating tile from point of green building and building energy saving with the combination of the tile functions and features；briefly introducing the ceramic solar tile（panel），and its application in household photovoltaic module power generation and townhouse residential building by examples.

solar water heating tile，ceramic solar tile（panel），building energy saving

TU832.1+7

A

1001-702X（2015）10-0065-04

2015-02-27

何水清，男，1940年生，江苏徐州人，研究员。