吉宽太阳能热水器水箱保温层质量效果分析

2014-12-06林成刚

大众科技 2014年2期

周帆林成刚谢刚

（1.吉宽太阳能设备有限公司，广西南宁 530023；2.中国科技开发院广西分院，广西南宁 530022）

1 前言

在我国，太阳能光热利用因其技术最成熟、产品最多、成本相对较低而成为利用太阳能资源的主流，太阳能热水技术是当前最为普遍应用领域。当人们突破太阳能热水器的集热技术瓶颈并使集热技术不断完善、提升以及普遍应用后，人们开始关注起热水箱的保温问题。由于太阳能不好储存，太阳能热水器保温效果好坏显得非常重要，只有保温效果达到一定标准，才能保证阴天或者晚上尤其是冬天晚上没有太阳的时候，太阳能热水器中也有热水可用。太阳能热水器水箱由内胆、外壳和中间的保温层三部分组成，它把集热管在白天加热的水贮存起来，供人们在晚上或阴天使用。

一般地，太阳热水器的水箱外壳与内胆之间的保温层，对热水保温起着非常关键的作用，保温层的材料和加工工艺直接影响热水器的保温性能。如果太阳能热水器出现的保温效果差、降温快的现象，主要是因为保温层的质量差造成的。而保温层质量的影响因素较多，主要的如保温层的寿命因素（外壳与内胆的材料、焊接工艺、水箱箱壁结构等）、材料性能因素（材料导热系数、成型性能、发泡性能等）、发泡工艺因素（发泡压力、成型次数、发泡次数等）、以及厚度等。本文的广西品牌产品吉宽太阳能热水器具有高效保温效果，本文结合生产实践体会，对太阳能热水器水箱保温层质量的影响因素、提高保温水平的技术措施、保温效果进行分析。

2 太阳能热水器水箱保温因素及措施分析

2.1 水箱保温层寿命因素对保温效果的影响及其保证技术措施

（1）保温层寿命因素分析

水箱保温层寿命的影响因素一是水箱外壳内胆的材料（材质和厚度），二是水箱的结构既要有一定强度又要防止热桥效应，三是外桶内胆的焊接质量，还有保温层的发泡密度。这些都是决定保温层寿命的重要因素，处理不好会影响保温层寿命从而出现质量问题。如有的产品内胆材料采用镀锌板、板层薄（0.2～0.29mm），采用手工电焊焊缝粗糙、焊接不过关，就会腐蚀生锈导致漏水，影响保温效果甚至用不了多久就产品报废。

（2）保温层寿命的保障技术措施

内胆材料、焊接和保温层的发泡密度都是决定它寿命的关键因素，而解决好寿命问题是保障保温层保温效果的基础。为此，吉宽产品采取一些有效的保证技术措施，除了后述的保温层材料、成型技术外，内胆材料采用食品级不锈钢板、板厚 0.32mm；内置桶托，永久放置于水箱内部，避免下方保温层因时间受压变薄而上方保温层拉空引起的整体保温效果下降；优化水箱结构设计以确保强度、防止热桥，采用工夹具定位精确冲压、全自动连续焊接，以确保寒风质量。这些措施起到了支撑保温层寿命的基础作用。

2.2 保温材料对保温效果的影响及其保障技术措施

（1）保温材料的影响因素分析

水箱保温层的保温材料对其保温效果的影响主要看其导热性能，即材料的导热系数λ，它数值越大导热能力越强，数值越小绝热（即保温）性能越好。该参数的大小，主要取决于传热介质的成分和结构，同时还与温度、湿度、压力、密度、以及热流的方向有关。成分相同的材料，导热系数不一定相同，即便是已经成型的同一种保温材料制品，其导热系数也会因为使用的具体系统、具体环境不同而有所差异。

一般地，保温材料有硬质聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚乙烯塑料泡沫、岩棉等。当前，经过多年的实践并综合考虑保温材料的保温性能、加工成型性能、经济性等多因素，产业界多数情况下考虑使用硬质聚氨脂泡沫塑料。硬质聚氨脂泡沫塑料是用聚醚（白料）与多异氰酸脂（黑料）为主要原料，再加入阻燃剂、稳泡剂和发泡剂等，经混合搅拌、化学反应而成的一种微孔发泡体，其导热系数一般在0.016～0.055W/(m·℃)。使用温度-100～100℃。该材料使用时执行原石油部部颁标准（SYJ18-1986）。事实证明，有些太阳热水器产品为降低成本采用导热较高的材料（苯板、岩棉），一夜温度能下降十几度，隔夜、阴天就会没有热水，几个月后保温效果直线下降，一两年后基本不保温。

（2）保温材料方面的保障技术措施

行业内广泛的经验表明：在不增加泡沫填充密度的基础上降低泡沫成型时的收缩率是太阳能热水器用料的关键所在。吉宽太阳能热水器水箱保温层除采用导热系数低、耐高温的进口聚氨酯原材料（或异氰酸酯和组合聚醚）外，针对成型收缩的问题从配方、选材等多方面着手，研制开发了太阳能热水器适用的组合料（已获国家发明专利），在高效保温太阳能热水器生产线上的应用取得了令人满意的效果：泡沫保温层与外壳经久不剥离，内胆外壳变形几率低，更加安全。

2.3 保温层发泡工艺对保温效果的影响及其保障技术措施

（1）保温层发泡工艺对保温效果的影响分析

太阳能热水器保温层采用的聚氨酯保温材料，是由异氰酸酯和组合聚醚两种原料在一定条件下发生化学反应生成，聚氨酯的密度在40kg/m3时保温效果最佳，过高过低都保温效果都不佳。作为一种非常优秀保温材料，聚氨酯硬泡以其极低的导热系数和方便的成型工艺，在多个方面具有着不可替代的地位。然而，作为反应成型的聚合物，其成型收缩性(完成成型反应后泡沫体积小于成型过程中最大体积)造成填充密度的不易掌控而不可避免的成为它的主要缺陷。成型收缩性的存在，常使得泡沫体最终体积小于所填充的腔体体积，发生泡沫与壳体剥离现象，严重影响了制品的外观、保温效果甚至使用寿命。

要形成最佳密度的聚氨酯，生产过程中对压强和温度的要求较高，如果生产设备和工艺简陋，工艺较难控制，聚氨酯保温将下降。因此，在多数应用场合，聚氨酯保温层常采用提高填充泡沫密度、采取模塑成型的方式来解决这一问题。太阳能热水器因其特殊的结构(较薄的外壳与内胆、复杂的管口形状)而不便采取模塑成型，而高密度填充又必然会提高成本。权衡质量与成本的要求，聚氨酯保温层的成型工艺和技术要求高，要求生产保温层的封闭的车间室内温度控制在20～30℃，同时要有高温熟化处理设备，等等。例如有的产品采用进口聚氨酯整体发泡，全自动高压发泡机进行发泡，一次发泡成型，保温层密度大；经高压高温熟化工艺处理，闭孔率达到98%以上，大大减少热量损失，确保最佳保温。

实践证明：传统的低压发泡、多次发泡工艺会带来的保温层发泡不均匀甚至有空洞、导热系数高等系列问题。有些产品的保温层采用密度一般的自由泡沫填充（手工搅拌、手工发泡等），这给太阳能热水器带来的缺陷有：泡沫层与外壳脱离、泡沫成型时挤压外壳、内胆导致变形，特别以上缺陷发生在集热管口时尤为严重，造成大量的工艺次品；其次发泡效果不均匀，保温层之间的空隙大，孔与孔之间大小不均，导致保温性能差。再次，只注重节约成本而缺省高温熟化处理工艺。而太阳能热水器放在楼顶经长期的高温爆晒，如果发泡料不经熟化处理、反应不充分，高温下会进行二次发泡，向内挤压内胆，向外膨胀，胀破外桶皮。总的结果是，导致发泡料不均匀，闭孔率极低，有的地方泡孔过大，热量极易穿透、散失快，一夜温度能降10℃～20℃。3～5年后保温效果迅速下降，达不到保温作用甚至整台太阳热水器报废。

（2）保温层发泡的保障技术措施

吉宽产品在生产过程中，一是使用微电脑控制全自动恒温恒压发泡技术，保证发泡料定量成比例，发泡均匀；二是研制了具有发明专利的发泡工夹具进行一次成型，闭孔率高；三是经高温熟化处理，避免二次发泡，保温性能稳定持久，使用寿命比较高。有实验数据表明，采用上述措施生产的保温层，导热系数很低，一般在0.02W/㎡•K左右，保温效果好。对比使用手工发泡生产的保温层，由于压力低，需多次发泡才能完成，保温层密度小，导热系数高达 0.05W/㎡•K，与全自动高压发泡机生产的保温层相比其保温效果要相差很多。

2.4 保温层厚度对保温效果的影响及其保障技术措施

（1）保温层厚度影响保温效果的分析

无疑，太阳能水箱保温层的厚度对水箱的保温效果有较大的影响。有研究表明，水箱保温层厚度达到一定数值时，保温效果没有太大增加的空间，对影响保温效果的各种因素分析表明，保温效果主要取决于保温层的材料及厚度。在太阳能热水器中，水箱外胆直径与内胆直径之差除 2就是保温层的厚度，每个品牌的太阳能热水器产品的保温层厚度都不一样，一般标准为50mm，实际中在55～60mm之间，有的超厚水箱保温层，比普通保温层加厚20%以上，保温时间更持久。但有的企业为了节约成本不计质量，热水器的保温层越做越薄。水箱保温层的厚度连40mm都达不到，这种水箱在寒冷的冬天贮存热水几个小时内就会下降十几度，到了晚上或阴天经常会出现没有热水可用的情况。

（2）保温层厚度的技术保证措施

吉宽太阳能热水器在明确试验目的、试验地点、试验时间、环境条件、试验样机、起始水量及温度、测试仪器、数据采集时点的基础上，对保温层不同厚度（40mm、50mm、60mm、70mm、80mm）进行对比实验分析。经过试验认为，以70mm保温层的起始升温速度、保温时间、晚上及阴天的降温速度等综合保温效果较好，并兼具经济性。

要实现70mm保温层，水箱外桶和内胆的真空管插口的冲孔加工精度、发泡时外桶内胆夹装精度等提出了新要求，这通过研制新的冲压、发泡架等工夹具来保证。

3 吉宽太阳能热水器水箱的保温效果分析

3.1 使用现场试验的数据分析

以吉宽太阳能热水器以某品牌机对比试验，经过数据有效性判断后，可以得出以下结论：

（1）在初始升温阶段，两台热水器的热水在吸热而没有热量扩散，温度上升主要是相同的真空集热管起作用，故两热水器的温度上升速度是相同的。

（2）到2.5个小时后开始出现两热水器的升温差，表示保温层在起作用，即吉宽保温层的热水器因能更好地防止热量扩散而升温更高、更快。

（3）阴雨天真空集热管其作用较小，几乎仅是保温层在起作用。吉宽保温层的热水器与某品牌保温层的热水器相比，日降温度少5℃，约少降温71.4%。

（4）阴天是真空集热管起作用、保温层起主要作用，吉宽保温层的热水器与某品牌保温层的热水器相比，日升温度高7℃，约多升温58.3%。

（5）晴天是真空集热管起主要作用，吉宽保温层的热水器与某品牌保温层的热水器相比，日升温度高3～4℃，平均多升温21.2%。

（6）阴雨天（环境温度约 23度）吉宽保温层的热水降温仅2℃，表明吉宽保温层的热水器面对间歇性雨天条件下仍可能使用。

（7）在环境温度在22℃以上的阴天，吉宽保温层的热水温升有19℃，即热水水温仍有40℃（一般浴水的温度）以上。这表明该气候下吉宽保温层的热水器仍可使用，辅以电加热、煤气加热则其全年使用天数更长。

结论：吉宽保温层的热水器比某品牌保温层的热水器的升温、保温性能明显；吉宽保温层的热水器比某品牌保温层的热水器在环境气候变化下使用条件更为广泛：即晴天可使用，在阴天、间歇性阴雨天，尤其我国南方多阴雨天气候的条件下可与电加热联用使用，也适合于北方多干阴天气的条件下联电使用。

3.2 吉宽高效保温太阳能热水器的专业检测情况

目前还没有专门检测水箱保温效果的有关标准，比较选用相同的真空集热管的其他品牌产品看，吉宽高效保温太阳能热水器有比较好的热效果参数。

2010年8月由广西壮族自治区产品质量监督检测院检测，送检样品平均日效率50%，平均热损系数≦0.7(W/m2.C)； 2012年6月由国家太阳能热水器质量监督检验中心检测，送检样品日有用得热量为8.9MJ/m2，平均热损因数≦11(W/m3.K)；2012年6月由国家太阳能热水器质量监督检验中心检测，对广西吉宽太阳能设备有限公司生产的家用太阳能热水系统的能效系数（CTP）、日有用得热量Qs(e)（MJ/m2）和平均热损因数Usl(e)[W/（m3.K）]项目进行检测，所见项目符合GB26969-2011的相关要求，其能效等级为1级。

根据上述专业机构检测报告的具体检测参数以及收集产品市场资料，吉宽高效保温太阳能热水器与一些品牌产品的技术性能参数对比具有较好的热参数水平，如表1所示。