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钒钛黑瓷太阳能集热板

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钒钛黑瓷太阳能集热板
作者:太阳能热水器小编lily来源:智美优品官网发布时间: 2019-03-07
导语:钒钛黑瓷具有高度的化学稳定性,不腐蚀、不老化,在使用过程中不会产生二次污染,其强度比普通陶瓷几乎高一倍[5],是典型的功能材料和能源材料。经过一定工艺流程加工处理[6],可利用钒钛黑瓷制得集热板。智美优品小编推荐:钒钛黑瓷太阳能集热板。
 
 
案例 |钒钛黑瓷太阳能集热板在乡村地区的应用研究
 
 
摘  要  钒钛黑瓷太阳能集热板利用提钒尾渣废料制作而成,工艺简单,成本低廉,性能稳定。相较于传统玻璃真空管及金属平板系统,钒钛黑瓷系统的经济效益更佳,且可与建筑同寿命。对菏泽一农宅应用项目的测试表明,钒钛黑瓷太阳能集热系统可以为农宅有效供热。钒钛黑瓷太阳能集热板在乡村地区的应用研究,将会对国家乡村振兴战略起到积极的促进作用。
 
关键词  钒钛黑瓷,太阳能,集热效率,乡村振兴,清洁采暖
 
引言
 
2016年12月16日至21日,我国雾霾区域达到142万平方公里(中国新闻网),这与广大村镇地区大量使用小煤炉取暖的方式密不可分[1][2]。然而我国的北方及南方部分地区仍然有着数千万户农宅的采暖需求尚未得到满足,若不改进取暖方式,随着生活水平提高,环境问题将更为严重[3]。如在我国相对贫困的村镇地区采用发达国家常规的电、天然气等方式解决数亿人口的采暖问题,难免缺乏可行性。国家发展改革委等部门在2017年底发布的《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021年)》中提出,要大力推广太阳能供暖,进一步推动太阳能热水应用。到2021年,计划实现太阳能供暖面积达到5千万平方米。
 
在国家节能与减排的政策引导下,太阳能集热技术在建筑中的应用量明显增大;相应的,行业与民生对太阳能与建筑一体化的要求逐渐增高。然而,普遍采用的传统太阳能集热系统,即玻璃真空管与金属平板太阳能集热系统,在乡村地区的推广应用中仍都存在设备成本高、综合效率低、架设方式不合理等显著问题;最为重要的是使用年限较短,无法与建筑同寿命[4]。
 
钒钛黑瓷太阳能集热板:钒钛黑瓷太阳能集热板概述
 
钒钛黑瓷具有高度的化学稳定性,不腐蚀、不老化,在使用过程中不会产生二次污染,其强度比普通陶瓷几乎高一倍[5],是典型的功能材料和能源材料。经过一定工艺流程加工处理[6],可利用钒钛黑瓷制得集热板。所以,用废弃提钒尾渣生产钒钛黑瓷,既可实现工业固废的再利用,又能充分利用太阳能资源,真正意义上地实现了绿色节能的新型工业生产理念。
 
由于成本低廉的钒钛黑瓷太阳能集热板(图 1)采用普通陶瓷注浆工艺成型,外表面喷涂多孔钒钛黑瓷泥浆层,内表面有釉层,经1200°C烧制整体成瓷,其使用寿命长达50年以上。黑瓷层不老化、釉面陶瓷材料不易结垢[7]的特点,使产热量随使用时间的延长无衰减[8][9],保证了太阳能集热系统的综合效率。由此,钒钛黑瓷太阳能集热系统为乡村太阳能建筑一体化应用提供了新的发展思路,并且已在我国乡村地区进行了示范性建设与应用。
 
作者对目前已有的钒钛黑瓷太阳能集热板乡村建筑应用项目进行了调研,其中部分项目的信息如表 1所示。表中资料来源于参考文献及山东省科学院新材料研究所、青海万通新能源技术开发股份有限公司等单位,然部分资料仍不完整。需要解释的是,表中有的项目包括多户农宅,其建筑面积以单户典型户型面积计。
 
由于仅通过专家、用户访谈及文献查阅得到的资料有限,作者又对表 1中灰色底纹的项目进行了实地调研(图 2),并对菏泽巨野县核桃园镇吴平坊村农宅项目(图 2 c)进行了实地测试及效益分析。
 
钒钛黑瓷太阳能集热板:钒钛黑瓷太阳能集热板在乡村地区的应用实践
 
2.1 项目概况
 
菏泽巨野县核桃园镇吴平坊村的钒钛黑瓷太阳能集热系统应用项目包括27户农宅及1栋公共建筑。建筑采用砖混结构,安装普通门窗。户均建筑面积为238㎡,户均集热面积为52㎡,坡屋面倾角为23°。每户设1.5~2.0t的水箱(图 3 a),无辅助加热设施,根据农户需求采用低温热水地板辐射及散热器(图 3 b)两种供热末端。这套钒钛黑瓷太阳能集热系统的运行,彻底改变了当地无采暖或靠燃煤炉采暖的状况。
 
2.1.1 农宅建筑
 
本次测试选取了一座联排农宅建筑中的西边户进行。图 4展示了测试农宅的户型平面,其面宽为7.8m,进深为9.9m,建筑面积为171.05㎡,采暖面积为129.26 ㎡。表 2则列出了该建筑各部分围护的构造做法。
 
为增加集热面积,该农宅设计了南向单坡的屋面形式,并由此形成了阁楼空间(图 5)。阁楼增加建筑面积47.93㎡,包括南北向储藏室各2间。经由储藏室,可通过门进入屋面,屋面四周设栏杆。阳台部分的屋面及屋脊部分,分别设置检修平台;上下检修平台以西侧的楼梯步道相连接。
 
坡屋面下边框处的细部构造如图 6所示。混凝土边框在土建阶段预制而成,角度与集热平面垂直。框高160mm,宽60mm;顶部设20mm台阶,用以防止玻璃盖板下滑。边框内的构造层次自下而上包括结构层、防水层、保温层、保护层、集热层、盖板层等。其中,防水层由原平屋顶的SBS卷材改为油毡;保温层由70mm厚的聚苯板及20mm厚的聚氨酯板叠加而成;保护层为8mm菱镁板,用于保护保温层及固定锚栓。出屋面门的过梁处构造与下边框处构造相似。
 
2.1.2 集热系统
 
该钒钛黑瓷太阳能集热系统的主要目标为提供冬季采暖热源,同时兼顾其他季节生活热水热源。综合考虑钒钛黑瓷太阳能集热器的性能、菏泽乡村地区的经济条件与业主的接受程度,本项目选用了液体工质集热器、直接系统、短期蓄热、散热器+低温热水地板辐射、排空系统相组合的系统类型。其中,蓄热装置选择1.5t保温水箱,于一层厨房角落放置;末端采暖系统的选择由于受限于当地施工水平,无法保证一层低温热水地板辐射的有效运行,故将散热器应用于一层采暖房间及二层卫生间,低温热水地板辐射应用于二层其他采暖房间。
 
该项目的施工情况如图 7所示。该建筑共采用了102块尺寸为720mm×720mm的钒钛黑瓷太阳能集热板,集热面积约为52.88㎡,如图 8 a所示;集热系统采用整体锚桩式的安装构造,如图 8 b所示。
 
在采暖期,该农宅利用钒钛黑瓷集热板收集太阳能,并将其贮存至保温水箱用作一、二层的采暖热源及生活热水;在非采暖期,仅生活热水管道开启,房间采暖循环关闭[10](图 9)。为防止过高或过低的水温对集热板及连接件造成破坏,该系统采用排空的方式,即在不需要热水供应的时间与冬季夜晚,利用重力使板内的水全部回流至水箱。
 
 
2.2 实地测试
 
测试于11月15日~1月4日进行,测试期间仅开启太阳能集热系统,不开启辅助加热系统,并记录天气情况与开启不同房间太阳能采暖循环后的室内外温度。 
 
测试分为4个阶段。第一阶段开启1间南向卧室的地暖循环,并于每日午12时左右及晚21时左右记录其室内外气温,测试时间为11月15日~30日;第二阶段开启1间北向卧室的地暖循环,于每日午12时左右及晚21时左右记录其室内外气温,测试时间为12月1日~16日;第三阶段开启1间北向卧室的地暖循环,于每日每日早8时左右及晚21时左右记录其室内外气温,测试时间为12月17日~23日;第四阶段开启2间南向卧室的地暖循环,于每日早8时左右及晚21时左右记录主卧室的室内外气温,测试时间为11月25日~1月4日。                                          
 
 第一阶段采暖面积与集热系统面积的比值约为1:3,其测试结果如图 10所示。测试期间的午间室外平均气温为6.0°C,晚间为2.8°C;日均平均气温为4.4°C。在钒钛黑瓷太阳能采暖系统作用下,南向卧室的室内气温在午间和晚间没有明显差别,其平均值为15.0°C;平均温升为10.6°C。室内气温的波动大体与室外气温同步,但天气情况对于采暖系统的效果没有明显影响。
 
第二阶段采暖面积与集热系统面积的比值约为1:3,其测试结果如图 11所示。测试期间的午间室外平均气温为4.5°C,晚间为0.8°C;日均平均气温为2.6°C。在钒钛黑瓷太阳能采暖系统作用下,北向卧室的室内气温在午间和晚间没有明显差别,其平均值为12.1°C;平均温升为9.5°C。室内气温的波动大体与室外气温同步,但天气情况对于采暖系统的效果没有明显影响。与第一阶段相较,北向卧室的室内气温及温升值均略低于南向室外气温。
 
第三阶段采暖面积与集热系统面积的比值约为1:3,其测试结果如图 12所示。测试期间的早间室外平均气温为-0.3°C,晚间为-2.3°C;日均气温为-1.3°C。在钒钛黑瓷太阳能采暖系统作用下,北向卧室的室内气温在早间和晚间没有明显差别,其平均值为13.0°C;平均温升为11.7°C。室内气温的波动大体与室外气温同步,但天气情况对于采暖系统的效果没有明显影响。
 
第四阶段采暖面积与集热系统面积的比值约为1:1.5,其测试结果如图 13所示。测试期间的早间室外平均气温为-0.3°C,晚间为0.6°C;日均气温为0.2°C。在钒钛黑瓷太阳能采暖系统作用下,主卧室的室内气温在早间和晚间没有明显差别,其平均值为13.3°C;平均温升为13.1°C。室内气温的波动大体与室外气温同步,但天气情况对于采暖系统的效果没有明显影响。与第一阶段相较,开启2间南向卧室后的主卧室平均温度较仅开启1间的情况降低1.7°C;但考虑到室外气温条件,其温升值反而更高。所以,在太阳能集热系统可以提供充足采暖所需热量时,可以尽可能开启房间的采暖循环,以保障室内温度舒适。
 
2.3 经济分析
 
以简单回报法对本项目的钒钛黑瓷太阳能集热系统的全寿命周期成本节约与回报时间进行分析。该方法考虑初投资、50年建筑寿命内短寿命部件(水泵、水箱、控制与辅热系统)的更换成本、年维护费用与年经济效益。
 
2.3.1初投资与运维成本
 
根据前期研究,与屋顶钒钛黑瓷太阳能集热板相关的费用如表 3所示。可见,就钒钛黑瓷太阳能集热板而言,其每平米成本仅为180元。另外,与传统屋顶相比,钒钛黑瓷太阳能系统的增量成本包括钢化玻璃、集热板、加厚保温层、贮水箱、管道、水泵、连接件、控制与辅热系统、附加人工的费用。然而,相比玻璃真空管系统及金属平板系统,钒钛黑瓷系统更易于与建筑屋顶共享结构层、防水层与混凝土保护层。此外,由于钒钛黑瓷集热器的锚桩结构安装,传统屋面中的找平层与面层可被省略(图 8 b)。
 
表 3 钒钛黑瓷屋顶集热系统与传统屋顶相关费用对比[11]
 
注:贮热水箱的计价单位为元/t,水泵为元/个,控制与辅热系统为元/套,其他均为元/㎡。
 
对于案例建筑,其初投资如图 14所示。可知,陶瓷太阳能与屋顶一体化系统的总初投资约为41,027元,仅比传统坡屋顶高约3,989元(10.77%)。
 
钒钛黑瓷太阳能集热屋顶一体化系统的运行维护成本包含每年的常规维护与短寿命部件更换费用。通常,年常规维护费率为初投资的1%左右,本案为410元;水泵一般应10年更换一次,贮热水箱、控制与辅热系统则需要17年左右进行更换[12],其单次费用分别为346元、2,012元与1,631元。
 
2.3.2年经济效益
 
年经济效益额可用年节能量于传统能源价格[13]之积表示。则案例建筑可产生的年经济效益额,对传统燃煤采暖方式约为1546元,对直热式电采暖方式约为4585元。
 
2.33 回报时间
 
经过50年累积分析,案例建筑钒钛黑瓷太阳能集热系统的全寿命周期总投资约为69800元。其中,初投资占59%,常规维护费用占29%,短寿命部件的更换费用占12%。相对于传统燃煤采暖而言,其全寿命周期收益约为77300元,经济结余约为7500元,经济回报期约为43年;相对于直热式电采暖而言,其收益约为229250元,经济结余约为159500元,经济回报期约为10年(图 15)。
 
钒钛黑瓷太阳能集热板:推广应用——以川西地区为例
 
川西高原是四川省乃至全国太阳能资源最为丰富的地区之一[14]。然而由于大量山地的存在及经济的相对落后,川西地区太阳能资源的开发利用在以往受到了极大限制。对山地太阳能辐照的分布规律与太阳能集热器的性能做出匹配优化,是太阳能技术在川西乡村地区推广应用的前提,将对四川省的能源可持续发展做出重要贡献。
 
在未来,若能进一步关注钒钛黑瓷太阳能集热板的效率提升、地域匹配、能源系统耦合及建筑一体化构成等方面的研究(图 16),讲的有望大幅度降低太阳能集热技术在乡村建筑中应用的建造及维护成本,提高太阳能在山地环境下的利用效率,减少煤炭及电能等传统能源的消耗,减轻攀钢对周边的生态压力,为川西乡村地区的节能减排、减支增收做出实际贡献。
 
结语
 
钒钛黑瓷太阳能集热板利用提钒尾渣废料制作而成,工艺简单,成本低廉,性能稳定,是一种新型的太阳能热利用设备,并且已经在我国北方地区乡村有了一定的实践基础。对菏泽一农宅应用项目的测试表明,钒钛黑瓷太阳能集热系统可以为农宅有效供热。相较于传统玻璃真空管及金属平板系统,经济效益更佳,且可与建筑同寿命。若能加强对该系统的研究,并将其技术更深入地在以川西地区为例的广大民族地区的乡村中应用,将会对国家乡村振兴战略起到积极的促进作用。
 
 
 
 
 
 
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