吉寬太陽(yáng)能熱水器水箱保溫層質(zhì)量效果分析

周 帆 林成剛 謝 剛

（1.吉寬太陽(yáng)能設(shè)備有限公司，廣西 南寧 530023；2.中國(guó)科技開發(fā)院廣西分院，廣西 南寧 530022）

1 前言

在我國(guó)，太陽(yáng)能光熱利用因其技術(shù)最成熟、產(chǎn)品最多、成本相對(duì)較低而成為利用太陽(yáng)能資源的主流，太陽(yáng)能熱水技術(shù)是當(dāng)前最為普遍應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)人們突破太陽(yáng)能熱水器的集熱技術(shù)瓶頸并使集熱技術(shù)不斷完善、提升以及普遍應(yīng)用后，人們開始關(guān)注起熱水箱的保溫問(wèn)題。由于太陽(yáng)能不好儲(chǔ)存，太陽(yáng)能熱水器保溫效果好壞顯得非常重要，只有保溫效果達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，才能保證陰天或者晚上尤其是冬天晚上沒有太陽(yáng)的時(shí)候，太陽(yáng)能熱水器中也有熱水可用。太陽(yáng)能熱水器水箱由內(nèi)膽、外殼和中間的保溫層三部分組成，它把集熱管在白天加熱的水貯存起來(lái)，供人們?cè)谕砩匣蜿幪焓褂谩?/p>

一般地，太陽(yáng)熱水器的水箱外殼與內(nèi)膽之間的保溫層，對(duì)熱水保溫起著非常關(guān)鍵的作用，保溫層的材料和加工工藝直接影響熱水器的保溫性能。如果太陽(yáng)能熱水器出現(xiàn)的保溫效果差、降溫快的現(xiàn)象，主要是因?yàn)楸貙拥馁|(zhì)量差造成的。而保溫層質(zhì)量的影響因素較多，主要的如保溫層的壽命因素（外殼與內(nèi)膽的材料、焊接工藝、水箱箱壁結(jié)構(gòu)等）、材料性能因素（材料導(dǎo)熱系數(shù)、成型性能、發(fā)泡性能等）、發(fā)泡工藝因素（發(fā)泡壓力、成型次數(shù)、發(fā)泡次數(shù)等）、以及厚度等。本文的廣西品牌產(chǎn)品吉寬太陽(yáng)能熱水器具有高效保溫效果，本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐體會(huì)，對(duì)太陽(yáng)能熱水器水箱保溫層質(zhì)量的影響因素、提高保溫水平的技術(shù)措施、保溫效果進(jìn)行分析。

2 太陽(yáng)能熱水器水箱保溫因素及措施分析

2.1 水箱保溫層壽命因素對(duì)保溫效果的影響及其保證技術(shù)措施

（1）保溫層壽命因素分析

水箱保溫層壽命的影響因素一是水箱外殼內(nèi)膽的材料（材質(zhì)和厚度），二是水箱的結(jié)構(gòu)既要有一定強(qiáng)度又要防止熱橋效應(yīng)，三是外桶內(nèi)膽的焊接質(zhì)量，還有保溫層的發(fā)泡密度。這些都是決定保溫層壽命的重要因素，處理不好會(huì)影響保溫層壽命從而出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。如有的產(chǎn)品內(nèi)膽材料采用鍍鋅板、板層薄（0.2～0.29mm），采用手工電焊焊縫粗糙、焊接不過(guò)關(guān)，就會(huì)腐蝕生銹導(dǎo)致漏水，影響保溫效果甚至用不了多久就產(chǎn)品報(bào)廢。

（2）保溫層壽命的保障技術(shù)措施

內(nèi)膽材料、焊接和保溫層的發(fā)泡密度都是決定它壽命的關(guān)鍵因素，而解決好壽命問(wèn)題是保障保溫層保溫效果的基礎(chǔ)。為此，吉寬產(chǎn)品采取一些有效的保證技術(shù)措施，除了后述的保溫層材料、成型技術(shù)外，內(nèi)膽材料采用食品級(jí)不銹鋼板、板厚 0.32mm；內(nèi)置桶托，永久放置于水箱內(nèi)部，避免下方保溫層因時(shí)間受壓變薄而上方保溫層拉空引起的整體保溫效果下降；優(yōu)化水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以確保強(qiáng)度、防止熱橋，采用工夾具定位精確沖壓、全自動(dòng)連續(xù)焊接，以確保寒風(fēng)質(zhì)量。這些措施起到了支撐保溫層壽命的基礎(chǔ)作用。

2.2 保溫材料對(duì)保溫效果的影響及其保障技術(shù)措施

（1）保溫材料的影響因素分析

水箱保溫層的保溫材料對(duì)其保溫效果的影響主要看其導(dǎo)熱性能，即材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ，它數(shù)值越大導(dǎo)熱能力越強(qiáng)，數(shù)值越小絕熱（即保溫）性能越好。該參數(shù)的大小，主要取決于傳熱介質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)，同時(shí)還與溫度、濕度、壓力、密度、以及熱流的方向有關(guān)。成分相同的材料，導(dǎo)熱系數(shù)不一定相同，即便是已經(jīng)成型的同一種保溫材料制品，其導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)因?yàn)槭褂玫木唧w系統(tǒng)、具體環(huán)境不同而有所差異。

一般地，保溫材料有硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚乙烯塑料泡沫、巖棉等。當(dāng)前，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐并綜合考慮保溫材料的保溫性能、加工成型性能、經(jīng)濟(jì)性等多因素，產(chǎn)業(yè)界多數(shù)情況下考慮使用硬質(zhì)聚氨脂泡沫塑料。硬質(zhì)聚氨脂泡沫塑料是用聚醚（白料）與多異氰酸脂（黑料）為主要原料，再加入阻燃劑、穩(wěn)泡劑和發(fā)泡劑等，經(jīng)混合攪拌、化學(xué)反應(yīng)而成的一種微孔發(fā)泡體，其導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.016～0.055W/(m·℃)。使用溫度-100～100℃。該材料使用時(shí)執(zhí)行原石油部部頒標(biāo)準(zhǔn)（SYJ18-1986）。事實(shí)證明，有些太陽(yáng)熱水器產(chǎn)品為降低成本采用導(dǎo)熱較高的材料（苯板、巖棉），一夜溫度能下降十幾度，隔夜、陰天就會(huì)沒有熱水，幾個(gè)月后保溫效果直線下降，一兩年后基本不保溫。

（2）保溫材料方面的保障技術(shù)措施

行業(yè)內(nèi)廣泛的經(jīng)驗(yàn)表明：在不增加泡沫填充密度的基礎(chǔ)上降低泡沫成型時(shí)的收縮率是太陽(yáng)能熱水器用料的關(guān)鍵所在。吉寬太陽(yáng)能熱水器水箱保溫層除采用導(dǎo)熱系數(shù)低、耐高溫的進(jìn)口聚氨酯原材料（或異氰酸酯和組合聚醚）外，針對(duì)成型收縮的問(wèn)題從配方、選材等多方面著手，研制開發(fā)了太陽(yáng)能熱水器適用的組合料（已獲國(guó)家發(fā)明專利），在高效保溫太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)線上的應(yīng)用取得了令人滿意的效果：泡沫保溫層與外殼經(jīng)久不剝離，內(nèi)膽外殼變形幾率低，更加安全。

2.3 保溫層發(fā)泡工藝對(duì)保溫效果的影響及其保障技術(shù)措施

（1）保溫層發(fā)泡工藝對(duì)保溫效果的影響分析

太陽(yáng)能熱水器保溫層采用的聚氨酯保溫材料，是由異氰酸酯和組合聚醚兩種原料在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成，聚氨酯的密度在40kg/m3時(shí)保溫效果最佳，過(guò)高過(guò)低都保溫效果都不佳。作為一種非常優(yōu)秀保溫材料，聚氨酯硬泡以其極低的導(dǎo)熱系數(shù)和方便的成型工藝，在多個(gè)方面具有著不可替代的地位。然而，作為反應(yīng)成型的聚合物，其成型收縮性(完成成型反應(yīng)后泡沫體積小于成型過(guò)程中最大體積)造成填充密度的不易掌控而不可避免的成為它的主要缺陷。成型收縮性的存在，常使得泡沫體最終體積小于所填充的腔體體積，發(fā)生泡沫與殼體剝離現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了制品的外觀、保溫效果甚至使用壽命。

要形成最佳密度的聚氨酯，生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)壓強(qiáng)和溫度的要求較高，如果生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡(jiǎn)陋，工藝較難控制，聚氨酯保溫將下降。因此，在多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，聚氨酯保溫層常采用提高填充泡沫密度、采取模塑成型的方式來(lái)解決這一問(wèn)題。太陽(yáng)能熱水器因其特殊的結(jié)構(gòu)(較薄的外殼與內(nèi)膽、復(fù)雜的管口形狀)而不便采取模塑成型，而高密度填充又必然會(huì)提高成本。權(quán)衡質(zhì)量與成本的要求，聚氨酯保溫層的成型工藝和技術(shù)要求高，要求生產(chǎn)保溫層的封閉的車間室內(nèi)溫度控制在20～30℃，同時(shí)要有高溫熟化處理設(shè)備，等等。例如有的產(chǎn)品采用進(jìn)口聚氨酯整體發(fā)泡，全自動(dòng)高壓發(fā)泡機(jī)進(jìn)行發(fā)泡，一次發(fā)泡成型，保溫層密度大；經(jīng)高壓高溫熟化工藝處理，閉孔率達(dá)到98%以上，大大減少熱量損失，確保最佳保溫。

實(shí)踐證明：傳統(tǒng)的低壓發(fā)泡、多次發(fā)泡工藝會(huì)帶來(lái)的保溫層發(fā)泡不均勻甚至有空洞、導(dǎo)熱系數(shù)高等系列問(wèn)題。有些產(chǎn)品的保溫層采用密度一般的自由泡沫填充（手工攪拌、手工發(fā)泡等），這給太陽(yáng)能熱水器帶來(lái)的缺陷有：泡沫層與外殼脫離、泡沫成型時(shí)擠壓外殼、內(nèi)膽導(dǎo)致變形，特別以上缺陷發(fā)生在集熱管口時(shí)尤為嚴(yán)重，造成大量的工藝次品；其次發(fā)泡效果不均勻，保溫層之間的空隙大，孔與孔之間大小不均，導(dǎo)致保溫性能差。再次，只注重節(jié)約成本而缺省高溫熟化處理工藝。而太陽(yáng)能熱水器放在樓頂經(jīng)長(zhǎng)期的高溫爆曬，如果發(fā)泡料不經(jīng)熟化處理、反應(yīng)不充分，高溫下會(huì)進(jìn)行二次發(fā)泡，向內(nèi)擠壓內(nèi)膽，向外膨脹，脹破外桶皮?？偟慕Y(jié)果是，導(dǎo)致發(fā)泡料不均勻，閉孔率極低，有的地方泡孔過(guò)大，熱量極易穿透、散失快，一夜溫度能降10℃～20℃。3～5年后保溫效果迅速下降，達(dá)不到保溫作用甚至整臺(tái)太陽(yáng)熱水器報(bào)廢。

（2）保溫層發(fā)泡的保障技術(shù)措施

吉寬產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中，一是使用微電腦控制全自動(dòng)恒溫恒壓發(fā)泡技術(shù)，保證發(fā)泡料定量成比例，發(fā)泡均勻；二是研制了具有發(fā)明專利的發(fā)泡工夾具進(jìn)行一次成型，閉孔率高；三是經(jīng)高溫熟化處理，避免二次發(fā)泡，保溫性能穩(wěn)定持久，使用壽命比較高。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用上述措施生產(chǎn)的保溫層，導(dǎo)熱系數(shù)很低，一般在0.02W/㎡?K左右，保溫效果好。對(duì)比使用手工發(fā)泡生產(chǎn)的保溫層，由于壓力低，需多次發(fā)泡才能完成，保溫層密度小，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 0.05W/㎡?K，與全自動(dòng)高壓發(fā)泡機(jī)生產(chǎn)的保溫層相比其保溫效果要相差很多。

2.4 保溫層厚度對(duì)保溫效果的影響及其保障技術(shù)措施

（1）保溫層厚度影響保溫效果的分析

無(wú)疑，太陽(yáng)能水箱保溫層的厚度對(duì)水箱的保溫效果有較大的影響。有研究表明，水箱保溫層厚度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，保溫效果沒有太大增加的空間，對(duì)影響保溫效果的各種因素分析表明，保溫效果主要取決于保溫層的材料及厚度。在太陽(yáng)能熱水器中，水箱外膽直徑與內(nèi)膽直徑之差除 2就是保溫層的厚度，每個(gè)品牌的太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)品的保溫層厚度都不一樣，一般標(biāo)準(zhǔn)為50mm，實(shí)際中在55～60mm之間，有的超厚水箱保溫層，比普通保溫層加厚20%以上，保溫時(shí)間更持久。但有的企業(yè)為了節(jié)約成本不計(jì)質(zhì)量，熱水器的保溫層越做越薄。水箱保溫層的厚度連40mm都達(dá)不到，這種水箱在寒冷的冬天貯存熱水幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就會(huì)下降十幾度，到了晚上或陰天經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)沒有熱水可用的情況。

（2）保溫層厚度的技術(shù)保證措施

吉寬太陽(yáng)能熱水器在明確試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)時(shí)間、環(huán)境條件、試驗(yàn)樣機(jī)、起始水量及溫度、測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集時(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)保溫層不同厚度（40mm、50mm、60mm、70mm、80mm）進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為，以70mm保溫層的起始升溫速度、保溫時(shí)間、晚上及陰天的降溫速度等綜合保溫效果較好，并兼具經(jīng)濟(jì)性。

要實(shí)現(xiàn)70mm保溫層，水箱外桶和內(nèi)膽的真空管插口的沖孔加工精度、發(fā)泡時(shí)外桶內(nèi)膽夾裝精度等提出了新要求，這通過(guò)研制新的沖壓、發(fā)泡架等工夾具來(lái)保證。

3 吉寬太陽(yáng)能熱水器水箱的保溫效果分析

3.1 使用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析

以吉寬太陽(yáng)能熱水器以某品牌機(jī)對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)有效性判斷后，可以得出以下結(jié)論：

（1）在初始升溫階段，兩臺(tái)熱水器的熱水在吸熱而沒有熱量擴(kuò)散，溫度上升主要是相同的真空集熱管起作用，故兩熱水器的溫度上升速度是相同的。

（2）到2.5個(gè)小時(shí)后開始出現(xiàn)兩熱水器的升溫差，表示保溫層在起作用，即吉寬保溫層的熱水器因能更好地防止熱量擴(kuò)散而升溫更高、更快。

（3）陰雨天真空集熱管其作用較小，幾乎僅是保溫層在起作用。吉寬保溫層的熱水器與某品牌保溫層的熱水器相比，日降溫度少5℃，約少降溫71.4%。

（4）陰天是真空集熱管起作用、保溫層起主要作用，吉寬保溫層的熱水器與某品牌保溫層的熱水器相比，日升溫度高7℃，約多升溫58.3%。

（5）晴天是真空集熱管起主要作用，吉寬保溫層的熱水器與某品牌保溫層的熱水器相比，日升溫度高3～4℃，平均多升溫21.2%。

（6）陰雨天（環(huán)境溫度約 23度）吉寬保溫層的熱水降溫僅2℃，表明吉寬保溫層的熱水器面對(duì)間歇性雨天條件下仍可能使用。

（7）在環(huán)境溫度在22℃以上的陰天，吉寬保溫層的熱水溫升有19℃，即熱水水溫仍有40℃（一般浴水的溫度）以上。這表明該氣候下吉寬保溫層的熱水器仍可使用，輔以電加熱、煤氣加熱則其全年使用天數(shù)更長(zhǎng)。

結(jié)論：吉寬保溫層的熱水器比某品牌保溫層的熱水器的升溫、保溫性能明顯；吉寬保溫層的熱水器比某品牌保溫層的熱水器在環(huán)境氣候變化下使用條件更為廣泛：即晴天可使用，在陰天、間歇性陰雨天，尤其我國(guó)南方多陰雨天氣候的條件下可與電加熱聯(lián)用使用，也適合于北方多干陰天氣的條件下聯(lián)電使用。

3.2 吉寬高效保溫太陽(yáng)能熱水器的專業(yè)檢測(cè)情況

目前還沒有專門檢測(cè)水箱保溫效果的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比較選用相同的真空集熱管的其他品牌產(chǎn)品看，吉寬高效保溫太陽(yáng)能熱水器有比較好的熱效果參數(shù)。

2010年8月由廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)院檢測(cè)，送檢樣品平均日效率50%，平均熱損系數(shù)≦0.7(W/m2.C)； 2012年6月由國(guó)家太陽(yáng)能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，送檢樣品日有用得熱量為8.9MJ/m2，平均熱損因數(shù)≦11(W/m3.K)；2012年6月由國(guó)家太陽(yáng)能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，對(duì)廣西吉寬太陽(yáng)能設(shè)備有限公司生產(chǎn)的家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的能效系數(shù)（CTP）、日有用得熱量Qs(e)（MJ/m2）和平均熱損因數(shù)Usl(e)[W/（m3.K）]項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，所見項(xiàng)目符合GB26969-2011的相關(guān)要求，其能效等級(jí)為1級(jí)。

根據(jù)上述專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)報(bào)告的具體檢測(cè)參數(shù)以及收集產(chǎn)品市場(chǎng)資料，吉寬高效保溫太陽(yáng)能熱水器與一些品牌產(chǎn)品的技術(shù)性能參數(shù)對(duì)比具有較好的熱參數(shù)水平，如表1所示。

表1 吉寬高效保溫太陽(yáng)能熱水器與一些品牌產(chǎn)品的技術(shù)性能參數(shù)對(duì)比

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