兩種家用一體式太陽能熱水器的應用分析

■ 王帥

我國的太陽能熱水器主要有真空管型和平板型兩種。到2021年底，新增太陽能熱水系統總量2705.2萬平米，其中，真空管型太陽能熱水系統銷量1994.5萬m2，占73.7%，平板型太陽能集熱系統銷售710.7萬m2，占26.3%，其中，民用建筑熱水和零售市場約占總銷量的80%。

如果僅從市場份額的變化來看，在過去的7年，平板太陽能熱水器的市場份額一直在提高，從2010 年的6%提高到2021 年的26%，市場份額提高了4 倍多，在太陽能熱水市場的競爭力和話語權逐漸增強。太陽能熱水器可以安裝到建筑物的屋頂和陽臺上，現在國內的大部分太陽能熱水器是安裝在屋頂，有分體式和一體式兩種，為用戶提供生活熱水。

一體式真空管型熱水器和平板型熱水器的產品結構

一體式真空管型熱水器和一體式平板型熱水器均由集熱部件，水箱，支架三部分組成，如下圖1、圖2所示。太陽能熱水器的支架用以固定水箱及集熱單元，需要具有一定的強度和抗腐蝕性能，大多采用噴塑鋼板、不銹鋼、鋁合金型材等。

圖1 一體式真空管型熱水器

圖2 一體式平板型熱水器

集熱單元。真空管型熱水器的集熱單元是全玻璃真空太陽能集熱管，如圖3所示。全玻璃真空太陽能集熱管內、外管之間的夾層抽成高真空，真空度應小于或等于5×10-2Pa，內管外壁上具有太陽選擇性吸收涂層，吸收涂層將太陽的輻射能轉化成熱能，吸收率可達92%以上，熱能通過內管的傳導加熱管內流體?，F有真空管的外管外徑58mm，常見長度有1800mm、2100mm等規格，真空管的空曬溫度可達250℃，長期不用時需對真空管進行遮擋，以免造成水箱及保溫層的損壞。

圖3 全玻璃真空太陽能集熱管結構

平板型熱水器的集熱單元是平板集熱器，結構如圖4所示。吸熱部件為吸熱涂層基板，一般為銅或鋁，吸熱板表面上有太陽選擇性吸收涂層，涂層有藍膜、黑膜等，藍膜的吸收率可達92%以上。吸熱板下為集分水器流道，流道與基板進行焊接，涂層將太陽的輻射能轉化成熱能。熱能加熱流道內的流體一般為防凍液，流道下是聚氨酯保溫層，可以防止熱量的散失，上面為高透光的鋼化玻璃蓋板，四周是邊框，下面是背板。背板的常見規格有2350mm×900mm、2000mm×1000mm、5960mm×2520mm等多種規格，平板集熱器的空曬溫度可達150～220℃，長期不用時也需對平板集熱器進行遮蓋。

圖4 平板集熱器

水箱。真空管型熱水器的水箱大部分是非承壓水箱，如圖5所示。內膽采用SUS304不銹鋼，厚度0.4mm，真空管常見孔距有75mm、78mm、80mm，水箱直徑360mm左右，聚氨酯保溫層的厚度40～60mm，采用高壓聚氨酯發泡工藝，外殼采用彩鋼板、鋁合金或不銹鋼，在水箱上安裝上下水口。以市場上常見18只1.8米真空管熱水器為例，水箱孔距75mm，水箱容積140升，水箱重量為28公斤。

圖5 真空管型熱水器水箱

平板型熱水器水箱大多采用承壓水箱，如圖6所示，使用1.8mm搪瓷鋼，采用濕法搪瓷工藝進行通體搪瓷，內膽耐壓在10kg以上，在水箱外徑上安裝夾套，夾套采用1.2mmSPCC鋼板，內注入防凍液，根據熱水器安裝地域的氣候條件選擇適合的防凍液型號。聚氨酯保溫層的厚度40～60mm，采用高壓聚氨酯發泡工藝，外殼采用彩鋼板。以市場上常見120升水箱為例，需配2000mm×1000mm平板一張，水箱內徑370mm，夾套層外徑386mm，水箱外殼外徑，水箱重量可達55kg。

圖6 平板型熱水器水箱

真空管型和平板型熱水器的系統構成及特點

真空管型和平板型熱水器，均需要通過水管將室內的冷水輸送到水箱內，在使用時將水箱內的熱水輸送到室內，可選配控制儀，顯示水箱的水溫、水位，組成太陽能集熱系統，系統圖如圖7、圖8所示。在水箱內配備電加熱器，可以在需要的時候對水箱進行加熱，獲得溫度適宜的生活熱水。

圖7 真空管型熱水器系統圖

圖8 平板型熱水器系統圖

上水方式。真空管型熱水器采用單管上下水的方式，水管大多選擇四分、六分鋁塑管，現在的大部分用戶會安裝水溫、水位控制儀，顯示水箱的水溫及水位，帶自動上水功能，可以根據天氣情況設置上水水位及上水時間，也有部分用戶不安裝控制儀，會增加溢流管，水箱水滿溢流管排水，然后關閉上水閥。

平板型熱水器采用冷水進、熱水出的雙管進出水方式，頂水運行，水管大多選擇四分鋁塑管，水箱常滿，水溫探頭不與水箱的水接觸。

運行壓力。真空管型熱水器由于采用自然落水的方式，出水壓力和流量直接受安裝位置和用水點的高度差有關，頂樓用戶的水位高差約3米，實際出水量只有3-5升/分，高差為10米時，實際出水量約6-10升/分，出水量偏小，在太陽能水溫比較高的時候，由于太陽能的熱水與自來水的冷水壓力差距較大，會出現水溫調整比較困難的情況。

平板型熱水器水箱承壓，出水壓力和進水壓力幾乎相等，以自來水水壓0.4Mpa為例，出水量約為12-15升/分，由于系統承壓，太陽能的熱水與自來水的冷水壓力差距很小，水溫調整比較方便，洗浴時的舒適性較好。

系統效率。天津大學周志華老師在天津搭建平臺進行測試，得出結論，在測試條件相同情況下，無論典型日還是全年平均值，平板式熱水器集熱效率均高于真空管式，日出東方集團檢測中心通過測試真空管型和平板型熱水器在典型日的熱損因數和及熱效率。（見下表1、表2），可以看出平板型熱水器的熱損因數變化較小，真空管型熱水器的熱損因數受環境影響較大，平板型熱水器的單位面積集熱量和集熱效率相比于真空管型熱水器更高。

表1 真空管型熱水器典型日測試數據

表2 平板型熱水器典型日測試數據

使用區域。真空管型熱水器可以在全國進行銷售，在北方只要做好管路的防凍，即使在極寒地區，也能提供熱水。第一代平板型熱水器，由于熱水器的流道內充滿水，只能在南方部分區域銷售，隨著新結構產品的出現，流道內的介質是防凍液，在河北、山東、甘肅、遼寧、西藏等北方區域使用，在冬天仍能提供熱水，不過產品在極寒地區推廣較少，應用案例較少。

系統成本。通過走訪市場和參考網上的產品銷售價格，可以看出真空管型的價格低于平板型。（具體見下表3）。

表3 真空管型與平板型價格對比

經濟性。家庭熱水器的種類主要包括燃氣熱水器、電熱水器、太陽能熱水器，對比三種熱水器的經濟性，以江蘇省連云港市自來水年平均溫度為17 ℃，居民每天的熱水用水量100 L，熱水水溫40 ℃，那么加熱這些水全年所需熱量Q[5]為

公式中，Cp＝4.2 kJ/（kg·K）；v為每天用水量，L，取v=100 L；ρ為水的密度，取ρ＝1000 kg/m3，t r為熱水溫度，取tr＝40 ℃，tlp為冷水年平均溫度，℃，取tl＝17 ℃，n為全年用水天數，取n=360天

將以上參數代入后，Q＝3478 MJ

考慮到太陽能熱水器，一年有10%的時間會因為天氣等原因，需要啟動電加熱，分析三種產品的費用情況見上表4。其中電熱水器產品價格最低，但其運行成本最高；真空管型太陽能熱水器年運行成本最低；平板型太陽能熱水器產品價格最高，年化成本相比燃氣熱水器和電熱水器都低，使用舒適度上，平板型太陽能熱水器與燃氣熱水器和電熱水器相當。

表4 熱水器運行參數對比表

故障維護。2000年后，多數品牌的家用太陽能熱水器產品質量均有明顯進步和提升，壽命期都超過了15年，有的已經使用了20年以上。

真空管型熱水器常見問題有四點：

真空管積垢問題，部分地區每隔2～5年需要清洗；由于上水不當會造成真空管的破損，更換成本達100元/根［5］；溫控儀的水溫水位探頭長期放在高溫水中，容易損壞；用戶水箱選擇偏大，春夏秋三季水溫太高，用水溫度調節困難。

平板型熱水器常見問題有二點：不同區域輻照不同，防凍液的注液量要區別安裝，否則會因為防凍液溫度太高造成水箱漲箱；平板面積大，防風能力稍差。

從一體式真空管型和平板型太陽能熱水器的產品結構和系統構成集特點可以看出，真空管型具有結構簡單、使用區域廣、推廣量大的優點，但也存在水流量小，使用感偏差的缺點；平板型具有承壓頂水運行、水流量大，使用方便舒適的優點，但也存在重量大、價格貴、使用區域窄，用戶量少的缺點。

目前國內外能源價格持續走高，“碳達峰、碳中和”目標需要落實，太陽能熱水在中國仍然有一定的市場。在我國的部分農村市場，太陽能仍然為農戶安裝熱水器的首選產品。2021年6月，住房和城鄉建設部等15部門印發《關于加強縣城綠色低碳建設的意見》，要求縣城新建住宅以6層為主，多地政府積極享用，出臺具體措施。比如，福建省提出，倡導低碳生活方式，加大城鎮建筑可再生資源應用，提出具備日照條件的居住建筑優先推廣應用太陽能熱水系統，可以看出一體式太陽能熱水器正在迎來新的發展機遇。

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