摘要：本文簡要分析了常規太陽能系統在寒冷地區採暖系統中應用中存在的問題， 針對相關問題， 對中溫太陽能集熱管產品與常規太陽能集熱管在結構、安全性、熱性能和經濟效益等方面進行了詳細對比分析， 提出了中溫太陽能集熱管在寒冷地區採暖系統中的應用優勢。
關鍵字：玻璃金屬熔封太陽能集熱管 中溫採暖
1 普通太陽能集熱部件
1）現有真空管太陽能集熱管主要包括：雙（三）層同軸全玻璃真空太陽能集熱管因結構簡單， 價格低廉為市場廣泛使用。 但因玻璃管內有水， 極容易結冰， 造成集熱管破損漏水， 導致整個系統無法使用， 形成安全隱患。
2）熱管式全玻璃真空太陽能集熱管結構規避了雙層同軸全玻璃真空太陽能集熱管管中有水存在的問題隱患。 但因全玻璃結構限制， 造成管內工品質受限， 冷凝段換熱能力不足， 影響集熱管的集熱換熱性能。
3）內插鋁翼金屬熱管 /U 型管太陽能集熱管解決了普通集熱管管內有水存在以及不能承壓運行， 冬季系統防凍的問題， 但由於內管依然採用玻璃， 以及與換熱部件鋁翼、金屬熱管之間為接觸換熱， 甚至存在間隙， 導致換熱性能較差。
4）玻璃金屬壓封太陽能集熱管此類集熱管在結構上規避了雙層同軸全玻璃真空太陽能集熱管及其衍生產品存在的諸多問題， 在用於生活熱水時具有較好的表現。 但由於玻璃和金屬之間採用鉛絲或鋁絲壓封結垢， 導致集熱管在空曬溫度較高時壓封位置容易漏氣， 即使在正常條件下也存在壓封漏氣的危險， 造成集熱管失真空集熱失效， 另因壓封生產成本過高而在市場佔有率上表現不佳。
2 普通太陽能採暖問題
2.1 熱負荷問題
按照賴豔萍 2011 年發表的《北方農村典型住宅的能耗比較分析》所述， 標準建築面積為 86m2， 24 個典型地區的設計熱負荷單位平均值164.09W/㎡， 24 個典型地區的平均熱負荷單位平均值 116.54W/㎡。 按平均熱負荷 100W/ ㎡計算， 則需要採暖設備總功率為 8.6kW， 24 小時總耗能量達到 206.4kW ●h。 現有太陽能採暖系統一般配比為集熱面積：採暖面積為 1:10 ～ 1:4， 即集熱面積為 8.6 ㎡～ 21.5 ㎡。 按太陽能輻照為 17MJ/ ㎡， 系統集熱效率為 50% 管道損失 10% 計算， 則得熱量最大為17.34kWh ～45.69kWh， 太陽能貢獻率最大為 8.4% ～ 22.1%， 平均僅能滿足 2h ～ 5.3h 的採暖需求， 而在冬至前後極寒天氣， 則採暖時間和效果將短， 更差， 導致實際體驗效果很差。 而當系統的效率未能達到上述最佳效率時， 則系統的實際體驗效果將更差。
2.2 可靠性問題
太陽能採暖系統可靠性突出的問題主要有以下三個方面：
1）全玻璃真空集熱管易碎問題：受限於初投資， 採用橫置聯集管系統， 致使集熱管中存有大量的水。 易導致整個系統內水流出， 造成系統無法運行， 形成嚴重安全隱患。
採用內插鋁翼金屬熱管 /U 型管式太陽能集熱管和玻璃金屬壓封結構太陽能集熱管時， 集熱系統在冬季運行時系統可靠性比較高， 但因成本比較高而極少為市場所使用。
2）非採暖季節夏季過熱問題：北方地區全年大約有 6 ～ 8 個月時間處於非採暖季。 非採暖季節會產生大量的熱能， 僅僅依靠生活熱水是無法消耗掉如此巨量的熱能，
3）平板集熱器因高溫熱損較大， 抗過熱性能優於真空集熱管系統。 受限於成本控制， 在冬季大溫差條件下熱損過大， 集熱效率明顯低下， 且平板集熱器玻璃蓋板容易髒， 累積灰塵， 尤其在冬季容易積雪， 造成蓋板玻璃透射明顯下降， 甚至不透射太陽能而進一步嚴重影響系統集熱效率。
2.3 得熱量問題
北方寒冷地區太陽能採暖系統主要有真空管式太陽能系統和平板式太陽能採暖系統。
依據標準 GB/T19141 ～ 2011《家用太陽能熱水系統技術條件》要求，太陽能集熱系統測試條件為，集熱實驗開始時儲熱水箱內的水溫為 20℃，環境溫度為 8℃～ 35℃。出水溫度不低於 45℃太陽輻照量為 17M/ ㎡時，分離直接式太陽能熱水系統的日有用得熱量≥ 6.6M/㎡，集熱效率≥ 38.8%。上述測試條件所獲得的真空管或平板太陽能集熱系統的熱性能僅可用於一般生活熱水使用。
但對於北方寒冷地區條件下，環境溫度一般在 0℃以下，一般白天溫度可以達到 -20℃以 下， 採暖 采 用 風 盤 或 者 水 暖 時 一 般 要 求在 50℃以上，而絕大多數太陽能熱水系統或採暖系統貼斜屋面安裝，致使安裝角度小於30°，從而導致集熱系統的得熱量進一步下降。因此，按照一般太陽能熱水工程設計太陽能採暖系統必然會嚴重影響了太陽能採暖系統的體驗效果。
因此，在使用普通太陽能系統作為採暖系統時，需要按照低溫大溫差環境設計選用集熱效率，從而加大普通太陽能集熱面積，以獲得足夠的採暖需求的熱量，滿足使用要求。
另一方面，則需要開發新型的太陽能集熱管和集熱器，使其能夠在低溫及大溫差條件下能夠獲得優良的集熱系統，以滿足系統得熱量要求，以獲得足夠的採暖需求的熱量，滿足使用要求。
3 中溫太陽能集熱管技術特徵
如圖所示，為玻璃金屬熔封熱管式中溫太陽集熱管。該集熱管主要有罩玻璃管、玻璃金屬熔封端金屬熱管、帶有選擇性吸收塗層的吸熱板，以及上述部件構成的高真空夾層，集熱管尾部由中高溫專用的非蒸散型吸氣劑和蒸散型真空指示劑組成的中高溫複合吸氣劑。
當太陽光透過罩玻璃管照射到帶有選擇性吸收塗層的吸熱板上，具有超低發射比的高吸收中高溫選擇性吸收塗層將太陽能轉化熱能，經吸熱板與吸熱板焊接一體的金屬熱管相變換熱傳輸到金屬熱管冷凝端，並經過金屬熱管冷凝端輸送熱能，實現中溫太陽能集熱管高效的集熱、換熱和輸送熱能。
玻璃金屬熔封熱管式中溫太陽集熱管具有如下技術優勢：
1）玻璃金屬熔封技術
採用玻璃金屬熔封專利技術，大幅度提高了玻璃和金屬熔接的牢固度，並具有優良的抗冷熱衝擊能力，最大冷熱衝擊溫差可達到 220℃；玻璃與金屬之間採用內外複合熔封技術，確保玻璃金屬熔封接頭具有可靠的封接強度與密封性能。
2）雙膜技術
採用 Ti-Si-NO/Cu 超低發射比的高吸收中高溫選擇性吸收塗層，具有高吸收、低發射、抗老化等優點；採用 Sol-gel 技術，製備獨特結構的高透罩玻璃管，具有優良的高透、耐候性能。塗層吸收比 α ≥ 0.94，發射比ε ≤ 0.05，透射比 τ=0.93 ～ 0.96。 400℃條件下，72 小時老化實驗，塗層性能線無明顯變化。
3）玻璃技術
採用優質 B 級硼矽罩玻璃管，並在表面製備增透塗層，使其具有優良的機械性能和光學性能。
4）複合吸氣劑技術
合理的高溫排氣工藝和複合吸氣劑技術，可確保真空集熱管壽命達到 20年以上，滿足工業化產品的要求。
5）相變熱管技術
採用金屬熱管式真空集熱管為集熱元件，系統啟動速度快。具有良好的低溫抗凍性能，能夠在 -40℃環境條件下可靠工作。長期穩定工作在 100℃，可使集熱器平均效率可達 55%。
4 中溫太陽能集熱管技術優勢
安全可靠性
與普通全玻璃真空集熱管、玻璃金屬壓封集熱管比較，採用玻璃金屬熔封中溫太陽能集熱管具有更高的安全可靠性，相對于普通集熱管承受 90℃的冷熱衝擊，該集熱管可以承受不低於 200℃的多次冷熱衝擊，基本解決了集熱系統空曬上水時爆管問題。
採用金屬熱管翅片吸熱體結構，即使因外力造成集熱管外管破損，甚至造成金屬熱管吸熱體部分銅管破損也不會導致系統漏水或工質洩露，同時由於熱管的單向導熱性，也不會因集熱管破損而較大影響集熱器的熱損性能。
金屬熱管翅片吸熱體位於集熱管高真空腔體內，即使在空曬溫度達到 300℃ 以上時，銅管和翅片也不會氧化變性，冷凝段部分採用抗氧化處理，使其高溫抗氧化能力得到大幅度提高。採用 Ti-Si-NO/Cu 結構塗層，是塗層具有優良的抗老化性能而不會因過熱或長期使用而導致性能衰減。
針對該中溫集熱管，特別開發並採用了適合中高溫條件下應用的、由非蒸散型吸氣劑和蒸散型真空指示劑組成的複合吸氣劑，配合高溫高效的排氣工藝，可以確保集熱管真空長期維持在 10-3Pa 高真空狀態，確保集熱管真空壽命達到 20 年以上，達到工業品質量級別。
通過上述技術實現，該集熱管可在零下40℃超低溫環境下和 150℃中高溫條件下長期安全可靠使用。解決了常規真空集熱管在低溫和高溫條件下可靠性差的問題。
高效得熱性
採用 Ti-Si-NO/Cu 超低發射比的高吸收中高溫選擇性吸收塗層，具有高吸收、低發射性能，規模化生產吸收比可以達到 0.94，發射比低於0.06，尤其適合中高溫條件使用；採用增透技術使罩玻璃管具有高透光能力，使罩玻璃管透射比最高達到0.96，遠高於普通集熱管罩玻璃管透射比 0.90。高吸收比的選擇性吸收塗層和增透技術，使集熱管具有優良的集熱性能。
集熱管採用超高真空技術和複合吸氣劑，配合超低發射選擇性吸收塗層，使集熱管的熱損達到最低。
採用紫銅相變換熱熱管技術，以及吸熱體與熱管一體化焊接技術，消除了普通集熱管玻璃內管，玻璃內管與金屬翅片、熱管之間接觸熱阻過大的問題。實現集熱管高速高效傳熱。
在輻照 1000W/ ㎡條件，集熱管冷凝段空曬溫度可以到達 270℃以上，遠高於普通集熱管空曬時管內溫度。通過上述技術實現，該集熱管具有優良的集熱管，換熱和輸送熱能的性能。尤其適合在零下 40℃超低溫環境下和 100℃中高溫條件下長期高效得熱。
方便安裝性
集熱管安裝角度可以採用小角度安裝、或者平鋪安裝，通過調整集熱管翅片與水平面安裝角度略大於當地緯度，使集熱管集熱效率在冬季採暖季節達到最優。集熱管也可以採用常規大角度安裝，或採用橫置聯集管結構水準對插安裝，滿足不同場地、不同用戶的安裝使用條件。
中溫太陽能集熱管可廣泛應用於食品、紡織、化工、煙草、建築等領域。
5 太陽能採暖系統應用考慮
採用太陽能採暖實施採用應用時應有如下考慮：優先考慮建築熱負荷問題。應通過各種保溫措施降低建築熱負荷，從而降低供熱系統的供熱量，降低系統初投資和運行成本；
優先從高可靠、高性能、高性價比方面選用中溫太陽能採暖系統，首先確保太陽能採暖系統在應用過程中具有較高的可靠性。而較高的集熱性能則是系統好用的根本保障。
對於非採暖季節太陽能系統過熱問題，採用中溫太陽能採暖系統，在非採暖季節時，充分發揮其中溫集熱特性，可為用戶提供純淨水，開水甚至蒸汽，滿足用戶日常需求。配合使用低溫發電機組，可以在非採暖季節實現低溫太陽能發電，實現熱、電、水三聯供，在滿足基本用熱、用水需求時，可通過並網發電獲取額外的經濟效益。
獲取。
依據標準 GB/T19141 ～ 2011《家用太陽能熱水系統技術條件》要求，太陽能集熱系統測試條件為，集熱實驗開始時儲熱水箱內的水溫為 20℃，環境溫度為 8℃～ 35℃。出水溫度不低於 45℃太陽輻照量為 17M/ ㎡時，分離直接式太陽能熱水系統的日有用得熱量≥ 6.6M/㎡，集熱效率≥ 38.8%。上述測試條件所獲得的真空管或平板太陽能集熱系統的熱性能僅可用於一般生活熱水使用。
但對於北方寒冷地區條件下，環境溫度一般在 0℃以下，一般白天溫度可以達到 -20℃以 下， 採暖 采 用 風 盤 或 者 水 暖 時 一 般 要 求在 50℃以上，而絕大多數太陽能熱水系統或採暖系統貼斜屋面安裝，致使安裝角度小於30°，從而導致集熱系統的得熱量進一步下降。因此，按照一般太陽能熱水工程設計太陽能採暖系統必然會嚴重影響了太陽能採暖系統的體驗效果。
因此，在使用普通太陽能系統作為採暖系統時，需要按照低溫大溫差環境設計選用集熱效率，從而加大普通太陽能集熱面積，以獲得足夠的採暖需求的熱量，滿足使用要求。
另一方面，則需要開發新型的太陽能集熱管和集熱器，使其能夠在低溫及大溫差條件下能夠獲得優良的集熱系統，以滿足系統得熱量要求，以獲得足夠的採暖需求的熱量，滿足使用要求。
3 中溫太陽能集熱管技術特徵
如圖所示，為玻璃金屬熔封熱管式中溫太陽集熱管。該集熱管主要有罩玻璃管、玻璃金屬熔封端金屬熱管、帶有選擇性吸收塗層的吸熱板，以及上述部件構成的高真空夾層，集熱管尾部由中高溫專用的非蒸散型吸氣劑和蒸散型真空指示劑組成的中高溫複合吸氣劑。
當太陽光透過罩玻璃管照射到帶有選擇性吸收塗層的吸熱板上，具有超低發射比的高吸收中高溫選擇性吸收塗層將太陽能轉化熱能，經吸熱板與吸熱板焊接一體的金屬熱管相變換熱傳輸到金屬熱管冷凝端，並經過金屬熱管冷凝端輸送熱能，實現中溫太陽能集熱管高效的集熱、換熱和輸送熱能。
玻璃金屬熔封熱管式中溫太陽集熱管具有如下技術優勢：
1）玻璃金屬熔封技術
採用玻璃金屬熔封專利技術，大幅度提高了玻璃和金屬熔接的牢固度，並具有優良的抗冷熱衝擊能力，最大冷熱衝擊溫差可達到 220℃；玻璃與金屬之間採用內外複合熔封技術，確保玻璃金屬熔封接頭具有可靠的封接強度與密封性能。
2）雙膜技術
採用 Ti-Si-NO/Cu 超低發射比的高吸收中高溫選擇性吸收塗層，具有高吸收、低發射、抗老化等優點；採用 Sol-gel 技術，製備獨特結構的高透罩玻璃管，具有優良的高透、耐候性能。塗層吸收比 α ≥ 0.94，發射比ε ≤ 0.05，透射比 τ=0.93 ～ 0.96。 400℃條件下，72 小時老化實驗，塗層性能線無明顯變化。
3）玻璃技術
採用優質 B 級硼矽罩玻璃管，並在表面製備增透塗層，使其具有優良的機械性能和光學性能。
4）複合吸氣劑技術
合理的高溫排氣工藝和複合吸氣劑技術，可確保真空集熱管壽命達到 20年以上，滿足工業化產品的要求。
5）相變熱管技術
採用金屬熱管式真空集熱管為集熱元件，系統啟動速度快。具有良好的低溫抗凍性能，能夠在 -40℃環境條件下可靠工作。長期穩定工作在 100℃，可使集熱器平均效率可達 55%。
4 中溫太陽能集熱管技術優勢
安全可靠性
與普通全玻璃真空集熱管、玻璃金屬壓封集熱管比較，採用玻璃金屬熔封中溫太陽能集熱管具有更高的安全可靠性，相對于普通集熱管承受 90℃的冷熱衝擊，該集熱管可以承受不低於 200℃的多次冷熱衝擊，基本解決了集熱系統空曬上水時爆管問題。
採用金屬熱管翅片吸熱體結構，即使因外力造成集熱管外管破損，甚至造成金屬熱管吸熱體部分銅管破損也不會導致系統漏水或工質洩露，同時由於熱管的單向導熱性，也不會因集熱管破損而較大影響集熱器的熱損性能。
金屬熱管翅片吸熱體位於集熱管高真空腔體內，即使在空曬溫度達到 300℃ 以上時，銅管和翅片也不會氧化變性，冷凝段部分採用抗氧化處理，使其高溫抗氧化能力得到大幅度提高。採用 Ti-Si-NO/Cu 結構塗層，是塗層具有優良的抗老化性能而不會因過熱或長期使用而導致性能衰減。
針對該中溫集熱管，特別開發並採用了適合中高溫條件下應用的、由非蒸散型吸氣劑和蒸散型真空指示劑組成的複合吸氣劑，配合高溫高效的排氣工藝，可以確保集熱管真空長期維持在 10-3Pa 高真空狀態，確保集熱管真空壽命達到 20 年以上，達到工業品質量級別。
通過上述技術實現，該集熱管可在零下40℃超低溫環境下和 150℃中高溫條件下長期安全可靠使用。解決了常規真空集熱管在低溫和高溫條件下可靠性差的問題。
高效得熱性
採用 Ti-Si-NO/Cu 超低發射比的高吸收中高溫選擇性吸收塗層，具有高吸收、低發射性能，規模化生產吸收比可以達到 0.94，發射比低於0.06，尤其適合中高溫條件使用；採用增透技術使罩玻璃管具有高透光能力，使罩玻璃管透射比最高達到0.96，遠高於普通集熱管罩玻璃管透射比 0.90。高吸收比的選擇性吸收塗層和增透技術，使集熱管具有優良的集熱性能。
集熱管採用超高真空技術和複合吸氣劑，配合超低發射選擇性吸收塗層，使集熱管的熱損達到最低。
採用紫銅相變換熱熱管技術，以及吸熱體與熱管一體化焊接技術，消除了普通集熱管玻璃內管，玻璃內管與金屬翅片、熱管之間接觸熱阻過大的問題。實現集熱管高速高效傳熱。
在輻照 1000W/ ㎡條件，集熱管冷凝段空曬溫度可以到達 270℃以上，遠高於普通集熱管空曬時管內溫度。通過上述技術實現，該集熱管具有優良的集熱管，換熱和輸送熱能的性能。尤其適合在零下 40℃超低溫環境下和 100℃中高溫條件下長期高效得熱。
方便安裝性
集熱管安裝角度可以採用小角度安裝、或者平鋪安裝，通過調整集熱管翅片與水平面安裝角度略大於當地緯度，使集熱管集熱效率在冬季採暖季節達到最優。集熱管也可以採用常規大角度安裝，或採用橫置聯集管結構水準對插安裝，滿足不同場地、不同用戶的安裝使用條件。
中溫太陽能集熱管可廣泛應用於食品、紡織、化工、煙草、建築等領域。
5 太陽能採暖系統應用考慮
採用太陽能採暖實施採用應用時應有如下考慮：優先考慮建築熱負荷問題。應通過各種保溫措施降低建築熱負荷，從而降低供熱系統的供熱量，降低系統初投資和運行成本；
優先從高可靠、高性能、高性價比方面選用中溫太陽能採暖系統，首先確保太陽能採暖系統在應用過程中具有較高的可靠性。而較高的集熱性能則是系統好用的根本保障。
對於非採暖季節太陽能系統過熱問題，採用中溫太陽能採暖系統，在非採暖季節時，充分發揮其中溫集熱特性，可為用戶提供純淨水，開水甚至蒸汽，滿足用戶日常需求。配合使用低溫發電機組，可以在非採暖季節實現低溫太陽能發電，實現熱、電、水三聯供，在滿足基本用熱、用水需求時，可通過並網發電獲取額外的經濟效益。
獲取。