1. 前言
太阳能与建筑相结合，是太阳能产业要取得进一步发展的必然趋势，也是建筑业要利用可再生能源达到建筑节能目的的重要途径。
近年来，我国太阳热水器产业有了长足的进展，年产量已居世界首位；太阳能界与建筑界的科技人员正在共同努力，探索太阳能与建筑相结合的种种方式，并已取得了一些有益的经验。然而，这两个不同技术领域科技人员的合作才刚刚开始，已取得的经验也比较初浅。为要真正实现太阳能与建筑的有机结合，特别是要形成太阳能与建筑相结合的产业化，还有一系列技术、观念、认识、政策等问题亟待科研单位、生产企业和政府部门共同解决。
2.太阳集热器在建筑节能中的应用范围
民用住宅与公共建筑的能耗约占全球总能耗的1/3左右。近年来，我国城乡建筑发展非常迅速。全国每年建成的住宅建筑面积达11～13亿m2，其中城镇4～5亿m2，农村7～8亿m2；每年建成的房屋建筑面积达16～17亿m2。众所周知，在全部建筑能耗中，热水、采暖和空调占了很大的比重。
太阳能热利用技术在建筑节能中发挥着十分重要的作用，已经研究成功的各种被动太阳能系统和主动太阳能系统正在我国和世界各地得以广泛的应用。太阳集热器是主动太阳能系统的关键部件。根据不同的需要，可用太阳集热器组成不同的系统，既可为民用或公用建筑提供热水，也可为这些建筑提供采暖或空调。因此，太阳集热器的应用对于建筑节能具有极其重要的意义。
太阳集热器可分为平板型集热器和真空管集热器两大类。目前，平板型集热器和真空管集热器都已广泛应用于太阳能热水；真空管集热器还己开始用于建筑的太阳能采暖和太阳能空调。
（1）太阳能热水
太阳能热水系统按照其运行方式，可分为自然循环式、强迫循环式和直流定温放水式等几种。目前在我国，家用太阳热水器和小型太阳能热水系统多用自然循环式，而大中型太阳能热水系统多用强迫循环式或直流定温放水式；另外，无论家用太阳热水器或公用太阳能热水系统，绝大多数都采用单循环，即集热器内被加热的水直接进入储水箱提供使用。然而应当指出，单循环虽然可以降低热水器的成本，但对于硬水质的地区来说，难以避免水在集热器流道内结垢，从而不仅降低热水器的热性能，严重时还会堵塞流道；对于冬季寒冷的北方地区来说，还难以避免集热器内的水结冰，导致吸热体冻裂。
我国平板型集热器的种类很多。按吸热板的结构型式，可分为管板式、翼管式和扁盒式等几种；按吸热板的材料，又可分为铜铝复合、全铜、防锈铝、不锈钢等多种。目前全国生产量最多的是铜铝复合平板型集热器。我国自1987年从国外引进第一条铜铝复合太阳条生产线以来，全国各地又先后建立了18条生产线。对于吸热板上的涂层，相当一部分企业已选用选择性吸收涂层，还有一部分企业仍使用非选择性吸收涂层；对于透明盖板，只有少数企业选用高强度的钢化玻璃，绝大多数企业仍使用普通玻璃；对于储水箱，只有少数企业选用承压储水箱并采用项水法取热水，大多数家用热水器仍使用非承压储水箱并采用落水法取热水。国内使用的储水箱内胆材料有不锈钢、搪瓷等几种。
真空管热水器是由真空管集热器和储水箱组成的热水器。按真空管吸热体的材料，可分为玻璃吸热体和金属吸热体两大类。前者又称为全玻璃真空管，后者以热管式真空管为代表。
全玻璃真空管家用热水器一般都是将真空管直接插入非承压水箱，采用落水法取热水。热管式真空管家用热水器则是将热管冷凝段插入水箱，鉴于它的外形，较易解决防水垢问题；目前既有非承压水箱，也有承压水箱。
对于用平板型集热器或真空管集热器组成的大中型太阳能热水系统，通常都采用强制循环。太阳能热水系统一般包括太阳集热器组、储水箱、循环泵、光敏探头、电控柜和管道等。
（2）太阳能采暖
在一定意义上说，太阳能采暖系统是太阳能热水系统中的一种。实际上，太阳能采暖系统通常可以跟太阳能热水系统联合使用。在此情况下，一方面要适当增加太阳集热器的采光面积；另一方面由于采暖是在寒冷季节才需要，因而要使用防冻或抗冻的真空管集热器。目前在十分重视环境保护的欧美国家，已经建成大批集太阳能热水和太阳能采暖于一体的太阳能综合系统。
另一种太阳能采暖系统是通过太阳集热器与水--水热泵相结合的方式来实现，即由太阳集热器为热泵提供低温热源，再由热泵为建筑物提供采暖所需要的热水。
若对上述两种太阳能采暖系统（即：主要依靠太阳集热器的采暖系统及太阳集热器与水——水热泵相结合的采暖系统两种）之间进行比较，后者比前者能达到较大的采暖建筑面积与集热器采光面积比，且可采用较低的集热器远行温度：但后者比前者要消耗更多的电能用于驱动热泵。因此，后者适用于电力比较充裕的地区。
（3）太阳能空调
夏天强烈的太阳辐照恰好与夏季迫切的制冷需求相匹配，因此用太阳能进行空调最能发挥其充分利用自然条件这一特点。当前，已经研究、建成太阳能空调系统的国家和地区有：意大利、西班牙、德国、美国、日本、中国、韩国、新加坡、香港等。
太阳能制冷空调一般可以通过太阳能集热器与吸收式或吸附式制冷机相结合来实现。在太阳能空调系统中，集热器用于向制冷机提供发生器所需要的热源，因而为了使制冷机达到较大的性能系数（COP），应当有较高集热器运行温度，这就要求选用在较高运行温度下仍具有较高热效率的真空管集热器。
太阳能吸收式空调系统不仅可以夏季提供制冷，而且可以冬季提供采暖，过渡季节提供生活热水。正由于同一套太阳能系统可以满足全年不同季节的制冷、采暖和热水的要求，因而显著地提高了太阳能系统的利用率和经济性。
3．太阳热水器与建筑相结合的基本条件
尽管我国太阳热水器技术和产业都有了较大的发展，但是我国太阳热水器产品的品种、功能和质量都远远不能满足市场的需求，特别是不能满足建筑设计、建筑结构和建筑安装的要求，这就需要我们继续努力推动太阳能产业取得更大的发展。笔者认为，要实现太阳热水器与建筑的有机结合，至少应当具备以下三个基本条件：
（1）太阳热水器成为建筑的配套设备
为要使太阳热水器能尽早步人建筑行业，尽早能被建筑设计师们采纳，我们首先要研究太阳热水器与建筑外观相协调的总体方案（依据南方或北方、城镇或农村、楼房或平房等不同情况），设计出与建筑结构相适应的各种太阳热水器产品（依据平屋顶、斜屋顶、阳台等不同条件）；同时，要重视太阳热水器产品的标准化、系列化以及施工安装的规范化，加强与建筑设计部门（包括建筑总体、建筑结构、给水排水、暖通空调等各个专业）的密切合作，使太阳热水器尽快列入建筑设计标准图册和建筑设计技术规范，使之真正成为建筑的配套设备。
（2）太阳热水器完善自身的使用功能
为要使太阳热水器成为能与电热水器、燃气热水器竞争的产品，除了太阳热水器在节能和环保两方面具有优势之外，还应当在功能上可与常规能源热水器媲美。例如，人们希望一年四季都能用上热水，这就要求太阳热水器具有防冻或抗冻功能；人们希望洗浴时热水犹如自来水那样喷淋，这就要求太阳热水器采用顶水法取出热水；人们希望供热水设备不要因水垢而堵塞，这就要求热水器将集热器回路与生活热水回路分开；人们希望即使阴雨、下雪天也能用上热水，这就要求太阳热水器跟辅助能源配套；等等。由此可见，防冻抗冻、承压水箱、双循环系统、辅助电加热等技术改进都应是我国太阳热水器产品的发展趋势，也将是我国太阳能领域科研单位、高等院校和生产企业的重要任务。
（3）太阳热水器提高自身的耐久可靠性
太阳热水器跟彩电、冰箱一样，都属于家庭的耐用消费品。消费者花钱买了太阳热水器，就希望使用的时间越长越好。因此，今后的太阳热水器既要有优良的热性能，又要大大提高耐久性、可靠性（如：耐压、抗冻结、防过热、防结垢、防倒流、电气安全等等）。为了做到这一点，我们不仅要求从太阳热水器主体（包括：集热器、储水箱等）的结构设计、选用材料和制造工艺等方面予以保证，还要求对太阳热水器的另配件（如：管道、密封圈、手动阀、电磁阀、循环泵、水位计、温控仪、电加热器等等）进行认真调查，严格选取，研究开发，确保这些另配件的使用寿命和可靠程度可以跟热水器主体相匹配，从而使太阳热水器成为名副其实的耐用消费品。
4．在与建筑结合中有产业化前景的太阳能产品
如前所述，要真正实现太阳能与建筑的有机结合，必须先解决太阳热水器的防冻抗冻、承压水箱、双循环系统、辅助电加热等技术问题。从这个意义上说，能够满足这些要求、易被建筑设计师们采用、因而具有产业化前景的太阳能产品应属平板型集热器和热管式真空管集热器，以及由这两类产品组成的家用太阳热水器、太阳能热水系统和各种其它太阳能热利用系统。
（1）平板型集热器
北京市太阳能研究所于1987年从国外引进我国第一条铜铝复合太阳条生产线，经科技人员对该技术消化吸收，完善提高，精益求精，其产品质量在国内同类产品中一直居领先水平。目前，吸热板的涂层采用连续化铝阳极氧化选择性吸收涂层；集热器的透明盖板选用高强度的钢化玻璃；另外，采用承压储水箱及顶水法取热水。
为了解决平板型太阳热水器过冬问题，北京太阳能所早有“抗冻太阳热水器”问世，这是将集热器吸热板的局部材料作特殊改进后，利用吸热板内水的“顺序冻结”以达到抗冻的目的；太阳能所还曾研究开发过一种“防冻太阳热水器”，它是采用双循环系统，即集热器内被加热的防冻液通过热交换器将热量传递给储水箱内待用的水。抗冻热水器和防冻热水器都采用承压水箱，并在进水口安装泄水阔，以便将进水管排空，防止水管冻裂。
这里，我们不妨提一下目前国内太阳能界存在的一种误解。一部分人认为，真空管热水器的热效率总是比平板型热水器高，因而无论何地都是使用真空管热水器好。其实这种想法是缺乏科学依据的。理论分析和实验结果都已经表明：在我国绝大部分地区的春夏秋三季，平板型热水器的热效率都比真空管热水器高；即使在我国相当一部分地区的冬季，平板型热水器的热效率仍比真空管热水器高。究其原因有两个：一是因为在相同的采光面积内，平板型集热器的吸热板面积比真空管集热器大；二是在太阳热水器的工作温度内，平板型集热器的瞬时效率不一定比真空管集热器低。正因为如此，目前全世界太阳热水器的90％以上都是平板型热水器。
（2）热管式真空管集热器
热管式真空管集热器是北京太阳能所研制生产的一种金属吸热体真空管高科技产品，曾荣获国家技术发明奖和北京市科技进步一等奖。在热管式真空管集热器中，抗冻的铜一水热管作为高效的传热元件，在-20～一30℃的环境温度下不会冻裂；玻璃一金属之间的封接采用先进的热压封技术；铜铝复合太阳条用作吸热扳，其表面磁控溅射铝-氮-氧选择性吸收涂层；玻璃管采用高强度的硼硅玻璃，抗雹能力强。
由于真空管内不走水，而且真空管与集管之间采用“干性连接”，因而热管式真空管集热器具有耐冰冻。承压大。启动快、保温好、耐冷热冲击、运行安全可靠、易于安装维修等许多特点，特别适用于太阳能热水系统和各种其它太阳能热利用系统。
热管式真空管太阳能热水系统已在我国及许多国家得到了成功的应用。有一大批太阳能热水系统己安装在我国工厂、学校、机关等许多单位及城镇的各种住宅建筑中；还有一批太阳能热水和采暖综合系统安装在斜屋顶的建筑上，采用强制循环，储水箱放置在斜屋顶底下，整体外形十分美观。
此外，由于热管式真空管集热器在85～90℃运行温度下仍具有卓越的热性能，因而特别适用于太阳能空调。作为科学技术部支持的“九五”国家科技攻关项目，一套太阳能空调及供热综合示范系统已于1999年在我国山东省乳山市建成。太阳能空调系统采用热管式真空管集热器与溴化锂吸收式制冷机相结合的方案，由集热器为制冷机提供88℃的热媒水。该系统除了夏天用于空调，还可冬天用于采暖，其他季节提供热水。该太阳能空调系统的制冷功率100kW，空调建筑面积1000m2，热水供应能力32吨/天。
我所于1996年在河北省三河市的桑普工业园建成年产 50万支热管式真空管的工业化生产线。在8000m2的生产厂房内，拥有热管制做、溅射镀膜、热压封接、真空排气等一大批先进的生产设备和检测仪器，产品不仅在国内市场销售，而且大量出口德国、法国、英国、奥地利、日本、韩国等十几个国家，这些都为太阳能与建筑结合的产业化提供了必要的物质条件。
5．结语
热水、采暖和空调都是建筑能耗的重要部分。太阳集热器不仅可以有效地用于太阳能热水，而且可以高效地用于太阳能采暖和太阳能空调。
实践经验己经证明，平板型集热器和热管式真空管集热器是两类较易满足建筑设计要求、达到太阳能与建筑有机结合的太阳能产品，具有广阔的发展前景。
在建筑界和太阳能界科技人员的密切配合、共同努力下，必将会设计出更多、更好的太阳能与建筑有机结合的太阳能系统，加速实现太阳能与建筑相结合的产业化，从而为新世纪的建筑节能事业创出一条新路。