一、陶瓷太阳能房顶用于取暖的可行性分析
1、主要应用区域
长江流域、华北、西北地区；包括江苏、浙江、安徽、江西、湖南、湖北、四川、河南、河北、山东、山西、陕西、甘肃、青海、内蒙古、北京市、天津市、上海市，共18个省、市。
长江流域冬季气温20℃至—5℃，主要区段15℃至0℃；华北地区冬季气温20℃至—15℃，主要区段15℃至—5℃；西北地区冬季气温15℃至—20℃，主要区段10℃至—10℃。
2、主要应用建筑物
独立住宅：别墅、城镇独立民居、农居。
城市集中供暖一般要求室温达到16—18℃。根据北京市调查，北京郊区农村住宅取暖季节平均室温8℃，白天有时达到14℃，夜晚平均室温只有6℃。独立取暖的城镇独立民居和别墅的室温一般根据用户的经济状况、能源获得和使用的方便程度、是否另有住宅、是否有其他栖身之处，而采取各种取暖态度：高度舒适、一般舒适、关闭无人房间的取暖设备、降低室温节约开支、最低限度取暖、人去楼空。
我国独立住宅普遍居住密度低，以我国国情、民情、人均GDP、能源价格、人均能源占有量、大气环境状况，使用常规能源使我国独立住宅普遍达到标准室温，其前景、后果都难以想象。
陶瓷太阳能房顶可能是独立住宅解决取暖问题的一条重要出路。
3、应用方式
热水散热器取暖方式要求热水进口温度达到60—90℃，冬天太阳能热水系统难以经常达到此温度，即便可以达到，储能水箱也难以在连续数天阴天内始终保持这样的温度。
热水地暖要求地板表面达到26—28℃，热水加热地板取暖方式要求热水进口温度达到35—50℃，水温过高会使室内过热，缩短热水管使用寿命，当使用集中供暖热水时还需要混合冷水调节水温。陶瓷太阳能房顶在取暖季节水温可以达到70℃，在寒冷时段也能达到50℃以上，试验表明，水温70℃室外储能水箱24小时内降温5度左右，60℃时降温3—4度，50℃时降温2—3度，40℃时降温1—2度.。
所以，以陶瓷太阳能房顶提供建筑物取暖的方式应该采用热水地暖的取暖方式。
4、能量估算
根据建设部2005年10月1日《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，北京地区围护结构达到节能50%的建筑热负荷指标为20.6w/m²，全年按120天采暖，90天制冷，则100m²的建筑冬季采暖总负荷为5932.8KWh.即：510万千卡，冷负荷指标为35W/m²，100m²的建筑夏季制冷总负荷为7560KWh，即：650万千卡。
设陶瓷太阳能房顶倾角30度，陶瓷太阳能房顶可以比平房顶面积大15％，去掉四面或三面检查、维修道，陶瓷太阳板面积为100平方米，取暖季节平均每个晴天每平方米陶瓷太阳板可将35千克水增温25度以上，按25度计算，则获得热能875千卡，取暖季节按120天计，陶瓷太阳能房顶获得总热能是1050万千卡，取暖季节中晴天率约60％，获得热能630万千卡。
陶瓷太阳能房顶采用大容量储能水箱，在取暖季节以前把热量储存起来用于取暖季节使用，以山东天虹弧板有限公司36平方米陶瓷太阳能房顶为例计算：南面车间挡住1/6面积的阳光，实际使用面积小于30平方米，储能水箱总容量5300公升，在2010年11月15日以前3个储能水箱的水温都已经超过50℃，自来水温度15℃，增温35度，储备热能CM△T＝5300×35＝18.55万千卡，折合为100平方米房顶，则为61.83万千卡，与630万千卡相加为691.83万千卡。对于保温良好的独立住宅，陶瓷太阳能房顶可以提供取暖用能。
大体上说，我国北方取暖季节晴天可以占到3/5，甚至更高的比例，南方晴天比例少些，但气温较高，所需取暖热量也少些。根据各地实际情况，采取各种措施，业主逐步熟悉使用要点，养成节能习惯。根据上述能量估算，陶瓷太阳能房顶可以基本满足我国独立住宅冬季取暖要求。在今后的技术进步和不断总结提高的基础上，陶瓷太阳能房顶必将在我国独立住宅上逐步普及，也可能会在相对容易实现充分保温、业主文化层次较高的新建的节能别墅建筑上率先普及。
制冷季节平均每个晴天每平方米陶瓷太阳板可将35千克水增温60度以上，按60度计算，则获得热能2100千卡，制冷季节按90天计，陶瓷太阳能房顶获得总热能是1890万千卡，制冷季节中晴天率设为45％,获得热能850.5万千卡。此外，进入制冷季节前，可以采用储能水箱，把热量储存起来用于制冷季节使用。独立住宅的陶瓷太阳能房顶用于制冷须等待正在进行的国内小型吸收式空调机组工业化过程、经济型产品。陶瓷太阳能房顶现在可以提供非住宅建筑部分制冷用能。制冷的效率低于取暖的效率。
5、措施
在建筑允许的前提下尽量扩大陶瓷太阳能房顶的面积、采用大容量储能水箱、取暖季节前利用秋末冬初的晴天存储热水。使用中在晴天或连续晴天采用阳光累进加热提高温度存储热水，在阳光使水达到最高温度点时将热水放入储能水箱（一般在下午2—3点钟），同时使温度较低的水进入陶瓷太阳板进行加热，并在阳光失去加热作用以前，将陶瓷太阳板中的热水放入保温水箱，以充分利用太阳能。储能水箱设置在建筑物内部、有效利用储能水箱保温时期的散热，尽量努力加强建筑保温、区别常用和不常用、有人和无人房间的热能输送、温度调节。采取上述措施，独立住宅可以在保持一定舒适度的前提下实现取暖用能基本来自太阳能。
6、储能水箱保温效果
| 水箱材料 | 保温层 厚度 （毫米） | 容量 （公升） | 第一天 气温 8-19℃ | 第一天 气温 10-22℃ | 第三天 气温 11-22℃ | 第四天 气温 12-16℃ | 第五天 气温 5-13℃ | 第六天 气温 3-15℃ | 第七天 气温 5-14℃ | 第八天 气温 7-13℃ | 第九天 气温 3-16℃ |
| 不锈钢 | 80 | 840 | 75.5 | 69.5 | 64 | 59 | 55 | 51 | 47 | 44 | 41 |
| 不锈钢 | 80 | 2000 | 74 | 70 | 65 | 61 | 58 | 55 | 51 | 48 | 45 |
| 陶瓷坛 | 80 | 1000 | 73 | 69 | 65 | 60 | 56 | 53 | 50 | 48 | 45 |
7、示范房顶现状
山东天虹弧板有限公司建造在山东省科学院新材料研究所试验车间院内的试验、示范性混凝土结构陶瓷太阳能房顶已经建成，陶瓷太阳板面积36平方米，院内面积比较狭小，进入11月份后，在太阳轨迹最高时段的中午时分，南面车间挡住1/6面积的阳光，全天实际使用面积小于30平方米，采用3个储能水箱，总容水量5300公升，取暖装置正在安装，尚未使用。在2010年11月15日前3个储能水箱的水温都已经超过50℃，自来水温度15℃，增温35度，储备热能CM△T＝5300×35＝18.55万千卡，折合为100平方米房顶，则为61.83万千卡，相当于100平方米独立住宅，取暖季节所需总热量510万千卡的12.12％。储能水箱最高水温曾经达到75.5℃，以此计算自开始运行以来15天内曾经得到过的热量超过106万千卡，占取暖季节所需总热量510万千卡的20.78％。30平方米陶瓷太阳板带动水量5300公升，折合176.7公升/㎡。近半个月天气比较好，晴天占多数，天气也比较暖和。试验还在继续进行。
8、小结
根据分析、估算和示范房顶、储能水箱性能试验，初步认为：
1）在长江流域、华北、西北地区的独立住宅上可以建造全面积陶瓷太阳能房顶，陶瓷太阳能房顶可以提供大部分取暖用能或者基本解决取暖问题。
2）陶瓷太阳能房顶面积与加热房间面积的设计比值，对于新设计建造、保温良好、使用合理的别墅可以采取1:1，城镇独立民居取1:1—2:1，一般农居取3:1，即对于保温不好的独立住宅，100平方米陶瓷太阳能房顶只能提供33平方米房间的取暖用能。我国独立住宅普遍居住人口密度低，用户可以根据当时的水箱储能情况和房间实际使用情况调节用能或者启动辅助能源装置。实际上现在在使用的独立住宅冬天也很少能够做到每个房间、每个角落都达到集中供暖要求的标准温度16—18℃，事实上也没有必要。
3）陶瓷太阳能房顶用于取暖应该采用热水地暖的取暖方式。
二、独立住宅采用陶瓷太阳能房顶取暖初步设计、使用原则：
1． 陶瓷太阳能房顶与原房顶共用结构层、保温层、防水层。以降低造价、提高房顶的隔热、保温效果。
2． 采用全面积陶瓷太阳能房顶，在建筑允许情况下，尽量扩大陶瓷太阳能房顶的面积。
3． 尽量采用“厂”字形一面坡房顶。以最大限度利用太阳能。房顶四周应有维修通道和梯道，至少上下两端应设水平的检查、维护、排水通道。四周设细筋防护栏，减少阴影。
4． 最低处的陶瓷太阳板的下边到最高水平面的高度差不大于8米，目前陶瓷太阳板出厂承压检验是12米水柱。
5．采用混凝土结构陶瓷太阳能房顶。使陶瓷太阳能房顶与建筑同寿命。采用混凝土外框彩钢板结构陶瓷太阳能房顶，可以提高施工进度，但是会影响结构寿命。全彩钢板结构陶瓷太阳能房顶用于原彩钢板房顶，如厂房、仓库等房顶。
6．采用大容量储能水箱、2个以上水箱，一大一小或两大一小，小水箱可及时使用当天热水，大水箱用于存储热水，每平方米太阳板配置100—150公升容量，即100平方米陶瓷太阳能房顶配置10—15立方米储能水箱，以在晴天或连续晴天采取累进加热提高温度存储热水，充分利用太阳能。
7．无论春夏秋冬，当每天水温达到最高点时(一般是下午2—3点钟)将陶瓷太阳板中的热水放入保温水箱，以免阳光减弱，水温下降，损失热能；此后可使温度较低的水进入陶瓷太阳板进行加热，并在阳光失去加热作用以前，将陶瓷太阳板中的热水放入保温水箱，以充分利用太阳能，这些过程尽量做到定温、定时自动进行，最好实现智能化控制。
8、设计、制造专门的陶瓷太阳能房顶给、排、循环水控制及温度显示系统。
9．冬季生活热水可采用通过储能水箱中的盘管加热，以保持热水新鲜、清洁或者与小水箱共用。其他季节所需的生活热水可以只使用小水箱。
10、陶瓷太阳能房顶可以提供独立住宅全年充足的生活热水。夏季晴天水温可达90—100℃，用于空调，须等待正在进行的国内小型吸收式空调机组工业化过程、经济型产品。
山东天虹弧板有限公司 曹树梁
2010.7.4