雙層內膽太陽能熱水器的開發與應用

于彤娟 曲行鍇 王振宇 孫赫佳 孫家棟

（1、大連三洋冷鏈有限公司 大連 116600；2、賽德隆國際電器（中國）有限公司 大連 116318；3、大連派思燃氣系統股份有限公司 大連116600）

1 前言

目前國內熱水器產品主要有電熱水器、燃氣熱水器、太陽能熱水器和空氣能熱水器。熱水器市場仍然以傳統的電熱水器和燃氣熱水器為主導，伴隨著近幾年房地產市場的火爆發展，電熱水器、燃氣熱水器行業都得到了快速發展，并且漸漸趨于飽和。然而，2009年太陽能熱水器“下鄉”，標志著太陽能熱水器得到國家認可，中國太陽能熱水器行業已邁入新的時代。未來5-10年中國太陽能熱水器市場保有量仍將保持20%以上的增長率。

太陽能熱水器行業經歷了近幾年快速發展，目前年生產量是歐洲的2倍，北美的4倍，現已成為世界上最大的太陽能熱水器生產國和最大的太陽能熱水器市場。但伴隨著家電下鄉隊伍的壯大，太陽能熱水器市場的品牌數量迅速達到了驚人的4000個左右。品牌集中度太低、產品品質良莠不齊也成為制約太陽能熱水器產業健康、快速發展的瓶頸。

新一代的太陽能熱水器要有更多的技術創新才能給消費者更多的信心。首先在加熱方式上，普通太陽能熱水器主要是利用平板或真空管吸收太陽能量，對管內的水進行加熱，而新型的太陽能熱水器必須利用蓄熱介質吸收太陽能，并且進行熱量蓄積，然后對內層儲水桶進行持續加熱；其次在加熱時效上，普通太陽能熱水器只能進行即時加熱，比較容易受到天氣及季節的影響，而新型的太陽能熱水器要做到用蓄積的熱量對水進行四次甚至更多次加熱，即使在長時間陰雨天氣仍能使用；最后是在熱水器結構上，普通太陽能熱水器是單層保溫，集熱管與儲水桶相通，實現水的循環流動，而新型的太陽能熱水器則要做到雙層,內層為儲水桶，外層為循環傳熱介質，然后通過發泡層保溫，達到雙層保溫的效果。太陽能行業發展早期技術不完善，沒有安裝電加熱裝置，但是隨著科技創新的成熟以及消費者要求的增加，現在太陽能熱水器大部分都安裝了電加熱裝置，這樣太陽能熱水器就具備了電熱水器的功能。但是，隨著這種光電互補技術的普及，不銹鋼內膽在電熱水器領域出現的“易腐蝕”、“水質易變壞”的問題事故在太陽能熱水器上也經常出現，一定程度上引起了消費者對整個太陽能行業的質疑。因此，具備“水質潔凈、健康耐用”特性的搪瓷內膽在太陽能行業的全面推廣是必然趨勢。在國際市場上，注重健康成為消費者的共識，搪瓷內膽太陽能熱水器成為國際市場首選產品。

2 太陽能的相關概述

太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環境無任何污染。為人類創造了一種新的生活形態，使社會及人類進入一個節約能源減少污染的時代。

太陽能資源具有普遍、無害、巨大、長久的優點；也具有分散性、不穩定性、效率低和成本高的缺點。

隨著能源形式的變化，常規能源的貯量日益下降，其價格必然上漲，而控制環境污染也必須增大投資。大力開發新能源和可再生能源的利用技術將成為減少環境污染的重要措施，向新能源過渡的時期遲早要到來。從長遠看，太陽能利用技術和裝置的大量應用，也必然可以制約礦物能源價格的上漲。因此，太陽能利用也可以解決很大的經濟問題。

太陽能輻射數據可以從縣級氣象臺站取得，也可以從國家氣象局取得。從氣象局取得的數據是水平面的輻射數據，包括：水平面總輻射，水平面直接輻射和水平面散射輻射。從全國來看，我國是太陽能資源相當豐富的國家，絕大多數地區年平均日輻射量在4 kWh/㎡以上，西藏最高達7 kWh/㎡。

就目前來說，人類直接利用太陽能還處于初級階段，主要有太陽能集熱、太陽能熱水系統、太陽能暖房、太陽能發電等方式。

早期最廣泛的太陽能應用即用于將水加熱，現今全世界已有數百萬太陽能熱水裝置。太陽能熱水系統主要元件包括收集器、儲存裝置及循環管路三部分。此外，可能還有輔助的能源裝置（如電熱器等）以供應無日照時使用，另外尚可能有強制循環用的水，以控制水位或控制電動部份或溫度的裝置以及接到負載的管路等。依循環方式太陽能熱水系統可分自然循環式和強制循環式兩種。

3 太陽能熱水器結構分析

太陽能熱水器按使用分類，可分為季節性熱水器、全年性熱水器以及有輔助熱源的全天候太陽能熱水器。按集熱器原理和結構可分為平板型熱水器和真空管熱水器。按工質流動方式不同，一般分為悶曬型、循環型和直流型三種。按承壓方式，目前分非承壓與全承壓式太陽能熱水器。其中非承壓以100-300升為主要容積，全承壓以工程及大容積為主。趨勢是由目前的整體式向分體式發展，水箱由非承壓式向全承壓式過渡。太陽能熱水器將有由三季度使用向全年全天候使用發展，由以提效率為主向高性能、長壽命發展。在我國北方地區，帶輔助加熱系統的太陽能熱水器將成為市場的主流產品。隨著管路防凍保溫技術的發展，太陽能熱水器系統運行會更趨可靠。自動排空閥的推廣、伴熱帶的應用，是太陽能熱水器防凍抗冬的兩大技術進步，并因而成功的解決了太陽能熱水器在北方的冬季應用問題。各種電子裝置將在太陽能熱水器上更多的應用，使用會更趨方便。如：電子水溫顯示、電子水位顯示、自動排空裝置、電子流量計等。未來幾年，還會出現全自動調節出使用者所需要的水溫與水壓的全智能人性化的太陽能熱水器。

未來太陽能熱水器市場將呈現多元化。首先與房地產業、建筑業結合會更趨緊密。隨著小康住宅的建設，太陽能熱水器直接進入家庭，將構成市場銷售的主渠道。

其次，家電連鎖銷售企業的逐步介入，預示著太陽能熱水器已經進入大眾消費市場，將作為一種家用必需品普及。

三是各種類型的太陽能熱水器淡旺季銷售趨于平衡。工程采購將拉動秋冬季太陽能熱水器本該為淡季的市場銷售，從而使得該行業旺季更旺，淡季卻不淡。

四是行業內出口企業增多，出口量加大。

4 雙層內膽太陽能熱水器技術及優勢

太陽能雙層內膽換熱水箱，是承壓式太陽能雙層內膽換熱水箱，除具有普通太陽能熱水器節能減排、凈化空氣的功能外，還具有內膽使用壽命相對可以延長、不易漏水、換熱面積大、效率高、保溫性能好，生產成本低、加工工藝簡單、符合環保要求等多項特點。

另外，承壓分體式太陽能熱水箱已經是一種成熟的產品，在國內已經有熱水器廠生產這種產品7年多了，他們的存在給我們的研發提供了參考，同時也讓我們研發太陽能熱水器充滿信心。值得特別說明的是，我們的雙層內膽換熱式熱水器已經通過了專利申請（專利號ZL 2008 2 0231242.1），并且得到國內外很多同行和客戶的認可。下面對雙層換熱太陽能熱水器結構進行介紹。

里層內膽是設有進水管和出水管的普通熱水器內膽，里層內膽的壁是有內腔的雙層結構（即外層內膽），在里層內膽上設有與外層內膽相通的介質輸出管及介質進入管。里層內膽的壁可以全部是由外層內膽的雙層結構，也可以將外層內膽分別設置在里層內膽側壁和封頭（一側或兩側）的兩部分，兩部分之間用介質導管相連。可以在里層內膽內設置加熱管，以便當熱介質不能及時與里層內膽中的冷水實現熱交換時，加熱里層內膽中的冷水，供用戶使用。具體結構如圖1。

具體加工方法可在普通內膽的中桶外增加一個稍大尺寸的外桶，該外桶與普通內膽中桶焊接在一起，在側壁上形成一個環形柱狀的空腔；同時在內膽的封頭外（一側或兩側）再焊接一個尺寸稍大的封頭，該封頭與普通內膽封頭之間也形成另一個封閉空腔；通過一個介質管子將兩個空腔連接在一起。

在里層內膽上，可同現有技術一樣安裝陽極棒和泄壓閥等部件，電控部分可以和太陽能系統或熱泵系統連接在一起。

本雙層內膽換熱水箱與太陽能熱交換系統的連接如圖2所示，現有200L換熱式熱水器可以安裝1m2換熱面積，而本雙層內膽太陽能熱水器200L可以安裝1.5～2 m2換熱面積。

此雙層內膽太陽能熱水器較一般太陽能熱水器有其獨具的創新之處：

·承壓式設計：出水強勁，滿足按摩式洗浴，提高洗浴舒適度。

·搪瓷雙層內膽：內膽搪瓷，防腐、防銹，優化水質，滿足生活用水。雙層內膽，除了可以解決單層內膽壽命短的難題外，還具有外膽換熱面積大，效率高，且其加工工藝較簡單，具有一定的成本優勢。

·光、電雙能源：在陰雨連天或者陽光照耀不足時，有電輔助加熱，可保證系統全天候提供熱水。

·分體設計：安裝靈活方便，不受樓層限制，便于維護。

·采用U型管和防凍儲能技術：真空管內不走水，不凍管、不炸管、不結垢，大大提高了熱效率。

·智能控制，防漏電隔離“安全墻”：操作簡便，安全可靠。

·橫立兩用，隨意選擇：80L、100L的熱水器可以橫立兩用，方便用戶多種選擇。

·獨創專利：該產品采用了我公司的專利雙層內膽(專利號ZL 2008 2 0231242.1，2008年12月申請，2009年10月授權并公告)，具有換熱效率高，用料省，工藝簡便，質量可靠的特點。

·安裝簡單,占地面積小：可安裝在陽臺上,不需要循環泵。

5 介質循環隔板結構介紹

為了安裝方便，現有的雙層內膽水箱，無論是立式還是橫式，其介質進口與介質出口均安裝在介質腔的同側，導致部分介質未經過全面熱交換就近從介質出口流出，減少了換熱面積、降低了熱轉換效率。為了解決現有技術所存在的上述問題，我們在兩層內膽中間的空腔內設有位于介質進口與介質出口之間的豎直隔板，豎直隔板的上面留有介質通道；在介質進口的另一側還設有第二豎直隔板，第二豎直隔板的上面留有第二介質通道。該結構所設置的豎直隔板，限制了介質循環路徑，阻止介質未經過全面熱交換而直接從介質出口流出，可有效增加介質的換熱面積，提高熱轉換效率，減少能量損失。該結構已經申請實用新型專利（專利號ZL 2010 2 0555174.1），并且通過了試驗驗證，全面實現外層內膽的全面積換熱。具體結構如圖3。

如圖3所示：同現有技術一樣，里層內膽（橫式或立式）與外套之間有介質腔，與介質腔相通有位于同側的介質進口和介質出口，與現有技術所不同的是在所述介質腔內設有位于介質進口與介質出口之間的豎直隔板，豎直隔板的上面留有介質通道。豎直隔板的高度可根據需要而定，但要保證即能正常工作，又具有最大換熱面積。在介質進口遠離介質出口的另一側還設有第二豎直隔板，第二豎直隔板的上面留有第二介質通道。

6 太陽能雙層內膽熱水器的應用

為了提高市場競爭能力，雙層內膽太陽能熱水器在應用方面正致力于技術方面的一些新突破，如目前正在開發的兩種高端綜合型的太陽能熱水器： 一種是太陽能/熱泵/電綜合型熱水器（如圖4），另一種是太陽能/燃氣/電綜合型熱水器（如圖5）。前者的技術特點是相對于電輔助加熱太陽能熱水器，該產品更節能，由于熱泵熱水器可以在陰天雨天工作，故其能效比一般都大于3%；后者的技術特點是燃氣熱水器具有功率大、加熱快的特點，該產品結合燃氣熱水器，能夠使用戶在光照不足電加熱無法滿足熱水需求的情況下快速補充熱水。

7 結論

太陽能雙層內膽的加工工藝就是在現有電熱水器內膽外側增加了一層外層膽，成本只增加了部分鋼材的費用和一部分制造成本，其單臺成本比電熱水器增加300-500左右。再加上雙層內膽太陽能熱水器使用成本低廉，體積小巧，其市場前景是非常廣闊的。

綜合以上情況，雙層內膽太陽能熱水器的投產后，將會產生極大的經濟效益和社會效益。

[1] 于彤娟，太陽能雙層內膽熱水器開發可行性報告，賽德隆國際電器（中國）有限公司，2009；

[2] 中國國家標準化管理委員會，多能源組合熱水器（送審稿），2009.