钒钛黑瓷太阳能集热器成本低廉、寿命期长、抗老化性好,为改变传统农村住宅的非环保采暖方式提供了新的发展思路。然而现阶段的钒钛黑瓷太阳能集热器仅是一种末端集热设备,针对其的研究还存在诸多不足。若能提升钒钛黑瓷太阳能集热器的效率,探索该系统与农村住宅其他能源设备的耦合机理,建立成熟的建筑一体化构成模式,将突破该类型集热系统的发展瓶颈问题,进一步拓展太阳能采暖技术在农村住宅中的一体化应用。对钒钛黑瓷太阳能集热系统的热性能进行了实验室测试,结果表明其实验室集热效率在51%～52%之间。于山东菏泽一农宅进行了应用测试,测试结果表明,该项目在冬季的室内卧室温度为12.1～15.0℃,系统的平均集热效率为50.63%。钒钛黑瓷太阳能集热系统的热性能符合相关行业要求,具有全部或部分替代传统能源采暖的可能性。从理论的角度出发,分析了钒钛黑瓷太阳能集热器的传热过程与热性能。针对钒钛黑瓷太阳能集热器建立了计算方法,设计了参照模型,分别分析了空气温度、太阳辐照强度、采光面积、翅片宽度、翅片厚度、盖板层数、盖板厚度、盖板透过率、质量流量及进口温度对其的影响,并由此设计出优化的集热器模型。将优化模型与参照模型进行对比,其瞬时效率提高了 23.94%。基于上述基础研究结果,本文进行了钒钛黑瓷太阳能集热系统与辅热系统的优化设计。研究首先得出最适宜利用太阳能集热的农宅形式为面宽进深比较大的平屋顶建筑,并阐述了最佳倾角与集热面积的估算方法。其次,针对典型农宅所采用的钒钛黑瓷太阳能供热系统做出了设计。再次,通过计算分析,确定了生物质锅炉系统为最为节能、经济、环保的辅助能源。最后,分析得出了钒钛黑瓷太阳能集热-生物质锅炉辅热系统的主要参数,建立了其优化模型,并以典型农宅为例做出了优化设计。探讨了钒钛黑瓷太阳能集热板与农宅建筑屋面、墙面的一体化构成,并形成了一套完整的《钒钛黑瓷太阳能热水系统农宅建筑一体化构造图集》。分析表明,在冬季采暖、夏季不制冷的模式下,安装钒钛黑瓷太阳能集热板对建筑的冬季室内环境影响明显,但对夏季室内环境影响不大,且墙面安装的钒钛黑瓷太阳能集热器比屋面安装情况对建筑热环境的影响要小。虽然各种构造方法均会带来建筑成本的增加,但整体式屋面与整体式墙面是最为经济的形式。综上所述,本文从理论上优化了钒钛黑瓷太阳能集热器的热性能,证明了钒钛黑瓷太阳能农宅采暖在技术及经济方面具有可行性,并阐述了钒钛黑瓷太阳能采暖系统与农宅建筑有效集成的方法。本研究有利于进一步拓展太阳能热利用技术的研究思路,缓解我国农村住宅用能需求持续增长对能源供应造成的紧张现状,对于提升钒钛黑瓷太阳能集热系统的建筑应用、切实改善环境与减轻雾霾治理难度有一定的科学意义。