分級加熱平板太陽能熱泵熱水器的相關技術研究

黃可煜 謝彤 卓民權

【摘 要】文章介紹了南寧可煜能源科技有限公司研發分級加熱平板太陽能熱泵熱水器的相關技術，依托公司高新技術企業實力，集成多項先進技術，研制分級加熱平板太陽能熱泵熱水器。

【關鍵詞】平板太陽能熱水器;熱泵;分級加熱

【中圖分類號】TU822 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）07-0053-02

0 引言

南寧可煜能源科技有限公司針對目前市場上太陽能熱水器存在的一些缺點，進行新產品開發，采用平板集熱器與分級加熱水箱技術結合，同時集成快速加熱、低電耗、低成本等技術方案，使水箱內的水能實現快速升溫，出水溫度高，提高熱水利用率;集成現有的太陽能熱水器技術、空氣源熱泵熱水器技術，2個系統升級互補利用技術，可解決陰雨天太陽能產熱水不足、溫度不高的缺點，對太陽能熱水器新產品升級與科技進步有重要的意義。

1 市場需求

節能減排環保成為時代發展的主流，平板太陽能熱泵熱水器以其眾多優點在熱水器行業迅速發展。現在人們的生活水平逐步提高，對生活的品質要求也隨之提高，安全舒適節能的平板太陽能熱泵熱水器自然受到人們的喜歡。我國石油和煤等能源越來越貴，而且是不可再生的。太陽能熱泵熱水器也更加符合人們對節能的需求。越來越多人意識到平板太陽能熱泵熱水器將會取代其他熱水器。當前，我國的平板太陽能熱泵熱水器還處在初期發展的階段。雖然發展的速度很快，但是要完全取代其他的熱水器的市場在短時間內是不可能的。現在電熱水器、燃氣熱水器和太陽能熱水器在熱水器市場上的份額特別大，平板太陽能熱泵熱水器只占了很小的份額。我國普通老百姓家的收入并不是特別富有，而平板太陽能熱泵熱水器的價格相對較高，很多人還是愿意花錢買更加便宜的熱水器。平板太陽能熱泵熱水器的迅速發展是必然趨勢，但是還存在很多方面的問題需要解決。

國外對平板太陽能熱泵熱水器雖然有廣泛需求，但是品質要求較高。日本熱水器市場新增的產品70%為平板太陽能熱泵熱水器。在歐洲市場，平板太陽能熱泵熱水器同樣在高速發展，2015年后，燃氣熱水器、燃氣采暖爐、電熱水器等產品原則上不允許單獨使用，只作為太陽能熱水器或空氣能熱水器的輔助加熱裝置進行配置。到2020年，歐盟使用可再生能源的比例將占全部能源消耗的20%。美國平板太陽能熱泵熱水器市場發展整體上慢于歐洲及日本，但近年規定購置平板太陽能熱水器、平板太陽能熱泵熱水器等節能設備，居民該項支出額的30%可以抵所得稅。

東盟成為全球經濟快速發展的地區，對能源的需求大大增加，每年以10%以上的速度增長，必將催生平板太陽能熱泵熱水器市場。例如，越南政府計劃在2015～2025年期間用新的能源資源替換掉長期以來使用的礦物燃料，預計風能和太陽能將占總能源資源的一半。越南位于亞赤道區域，冬天太陽輻射量每天為3～4.5 kW·h/㎡，夏天輻射量每天為4.5～6.5 kW·h/㎡，陽光照射時間為1 800～2 700 h/a。越南政府提倡公眾參與利用太陽能的五年國家計劃，將3萬個180 L容量的太陽能熱水器推向市場，向公眾宣傳太陽能，使太陽能熱利用技術本土化。越南每年進口數以千計的此類配件，計劃安裝的太陽能熱水器每年可節約5 700萬kW·h電能、減少23 000 t溫室氣體排放量。

2 研究內容

結合自主專利及高強度太陽能熱水器水箱聚氨酯泡沫保溫材料、平板太陽能吸熱板用吸熱涂料等自有技術，集成高效平板太陽能集熱器、新型高效分級加熱保溫水箱、高效空氣能熱泵熱水器、能源梯級利用智能控制等技術;采用平板集熱器與分級加熱水箱技術結合，同時集成快速加熱、低電耗、低成本等技術方案，使水箱內的水能實現快速升溫，出水溫度高，提高熱水利用率;集成現有的太陽能熱水器技術、空氣源熱泵熱水器技術，2個系統升級互補利用技術，可解決陰雨天太陽能產熱水不足、溫度不高的缺點，并且達到節能的目的;采用公司最新研發聚氨酯高效保溫材料技術，并結合自有聚氨酯發泡填充技術，密度高、質量輕、導熱系數小，比現有保溫材料保溫效果好。吸熱板表面采用新研究的平板太陽能吸熱板用吸熱涂料，具有吸熱效果好、使用壽命長、附著力大、耐候與防水性能優異等特點。

（1）分級加熱水箱結構的技術研究。采用已獲得專利技術設計，蓄水箱由2個中間有保溫層隔開的水箱組成，2個蓄水箱間由外置式的“U”形（包括長管、短管、連接管）分流水管連接。依據流體熱力學溫度梯度原理，可將水溫低的水箱上層的熱水傳遞給水溫高的水箱中，使得較高溫度的熱水加快傳遞流動，始終能讓一個水箱補進去的水都是熱的，從而能較快地把水加熱到設定溫度并且有效地防止了熱水與冷水的混合，使得高溫水箱內的水能快速達到使用溫度，出水溫度高，熱水利用率高。這克服了現有傳統單一水箱熱水使用時冷水補充進去使冷熱水混合，溫度迅速下降，熱水利用率低，且出水溫度不穩定，大大影響使用的舒適性及耗能較大的問題。

在水溫高的儲熱水箱設計熱泵的熱交換器把水加熱到設定溫度，使得出水溫度高、適溫熱水流出快速;即使遇連續雨雪天氣，僅需少量電進行局部加熱即可滿足熱水使用需求，縮短了加熱時間。克服現有單一的保溫水箱補水時熱冷水易混合、水箱的水溫度下降快難以洗浴及電加熱的頻率高、加熱整箱水時間長、耗電多，剩余熱水溫度下降快不能洗浴等熱資源浪費的問題。

（2）儲水箱與平板集熱器的連接設計研究。現有的平板集熱器與水箱的連接，絕大多數是在水箱的兩邊端蓋各開一個孔與平板集熱器連接，這樣的連接接頭與彎頭多不利于熱水的循環，而且安裝時要求地面平衡，平板熱水器經常出現產不出熱水的現象，嚴重影響了平板太陽能熱水器的推廣。我們采用的連接方法是在儲水箱的底部與平板集熱器的頂部都設計有2個連接口，水箱的水與平板集熱器的水通過連接管道循環冷熱水交換，因冷水與熱水的比重不一樣，水箱溫度低的水與平板集熱器水溫高的水通過連接口管道反復的順暢循環交換，使保溫水箱的水不斷升溫加熱。

我們采用2塊獨立的集熱板各自連接分級的水箱，集熱板不連通，只是改變了水箱的結構，由原來單一的水箱升級為2個水箱，通過“U”形管來連接2個水箱，此平板太陽能與分級加熱水箱組合創新屬全國首創，升級后的新型熱水器加熱快速、出水溫度提高，節能明顯。

（3）多能源方式互補技術研究。采用自有專利，集成現有的太陽能熱水器和空氣源熱泵熱水器技術，2個系統升級互補結合起來可彌補陰雨天太陽能產熱水不足的缺點，節能明顯，而且可全天候24 h供應熱水。與傳統太陽能帶電輔助熱水器和熱泵熱水器相比都要節能。

（4）高效平板集熱器的主要技術研究。吸熱板是平板集熱器的主要組成部分，采用銅鋁復合工藝制成，在吸熱翼片的兩面鋁板中間夾著銅管，通過壓碾復合工藝，無需焊接工藝，使銅管和鋁板之間緊密結合，制成一個吸熱翼片，這樣的工藝承壓能力強，壽命更長。吸熱板涂層在集熱器中是最重要的組成部分，吸熱涂層的性能、質量關乎著熱水器的熱水使用。在傳統的吸熱板涂層中，有的產品在達到70 ℃時涂層會脫落，且由于吸熱效率差、反射率高等原因，吸熱效率僅為85%，反射率高達10%，這極大地浪費能源和降低使用效率。為了使吸熱板可以最大限度地吸收太陽能輻射并將其轉換成熱能傳遞給銅管里的水，在吸熱板表面涂上一層公司自有技術的平板太陽能吸熱板用吸熱涂料。該涂料吸熱效果好、使用壽命長、附著力大、耐候與防水性能優異，對太陽光的吸收率可達到93%，明顯提高光轉換率及太陽能板的硬度，反射率為（5±3）%，吸熱率提高35%，達到了高吸熱、低散熱的高效標準;解決了吸熱板涂層在高溫下會脫落、吸熱效率低、反射率高、壽命短等問題。

外殼用鋁合金材料組成，堅固美觀，質量輕盈，比傳統使用的鋼木結構材料輕，便于運輸和安裝，降低了成本。并采用硅膠彈性密封，有效避免外殼密封問題出現的漏水、集熱器內霧化有水珠等現象。

高效保溫層采用本公司已申請發明專利的聚氨酯保溫材料發泡填充，在集熱器外殼里側的四周噴涂一層15 mm厚及底部噴涂20 mm厚的聚氨酯保溫層，且在保溫層表面鋪一層反光薄錫紙，目的是減少集熱器向四周環境散失熱量，保溫性能比用礦棉、玻璃纖維和聚苯乙烯等保溫材料的效果好，有利于提高使用效率。

3 總結

本公司通過該新產品的研發，針對傳統熱水器的一些技術缺陷進行突破。例如，傳統的平板集熱器出水溫度低，且因與水箱的連接設計原因經常出現產不出熱水的現象，嚴重影響人們的使用需求。為此，單獨采用了2塊獨立的集熱板各自連接分級的水箱，水箱的結構由原來單一的水箱升級為2個水箱，2個水箱內的冷熱水不相混，提高加熱效率，升級后的新型熱水器加熱快速、出水溫度高，并且節能明顯。還采用新型的集熱器-水箱連接方法，使得水箱溫度低的水與平板集熱器水溫高的水通過連接口管道反復的順暢循環交換，從而使保溫水箱的水不斷升溫加熱。該新產品的研發，對增強企業的競爭力和發展能力有重要意義。

參 考 文 獻

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[3]張月紅，徐國英，張小松.太陽能與空氣復合源熱泵熱水系統多模式運行實驗特性[J].化工學報，2010（2）.

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[責任編輯：鐘聲賢]