新型太阳能平板集热器设计及热泵集成一体化系统探讨

孙学斌

摘 要 本文综述了一种新型供热水系统，将太阳能平板集热器与热泵制热系统有机结合，平板集热器取代热泵系统蒸发器，有效避免传统蒸发器工作结霜等一系列技术难题，同时极大提升系统能效的技术优势，是太阳能平板集热器在节能领域的一大创新应用，具有广阔的市场应用前景。

关键词 太阳能；热泵；平板集热器；集成系统

中图分类号 TU83 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）11-0009-02

目前，市场上热水系统有电热水器、燃气热水器、太阳能热水器以及后来居上的空气能热泵热水器等。这些系统或独立或结合，前两者市场保有量大，后两者属新能源符合国家提倡的节能减排政策大力提倡推广，环保问题引起各界广泛关注，新能源广泛应用得到大家的广泛共识。

但由于太阳能系统依靠“太阳”的辐照，集热器热效率转换高，但天气依赖性强，阴雨雪天或光照不强时，依靠电辅热等其他能源加热，消耗常规能源；而热泵热水器虽在上述条件正常制热，但受环境温度影响大，冬季等低温天气能效也不高，对电能的消耗也很大。综上，研制一套系统，能兼顾太阳能集热器与热泵热水器系统两者优势，还能解决蒸发器冬季结霜难题，进一步提升系统能效，是本系统研究重点，对节能环保有重要的推广意义。

1 国内外热水系统的发展概述

平板太阳能热水器以其优越性在国内外特别是国外已有多年的应用史。空气能热泵热水系统在国外发展较早，国内起步较晚但发展迅猛，近两年来，以其节能优势获各地政府大力推广，甚至延伸到北方的供暖领域。尤其到冬季供热需求旺盛时，系统的能效偏低、耗电高、结霜问题一直困扰着行业技术人员。

2 平板集热系统的技术创新

1）高耐候性磁控溅射选择性吸收涂层。采用直流孪生靶真空溅射镀膜机，以铜集热板为基材，钛靶为阴极，硅靶作为孪生靶，钛靶在镀钛中采用反应溅射方式镀氮氧化钛作为吸收层，孪生靶用来镀氧化硅作为减反层，采用的射频溅射方式。

钛靶反应溅射步骤：（1）铜箔集热板正面处理；（2）去除铜箔正面的油污和氧化皮；（3）铜箔及热板烘干；（4）用洁净医用热风循环烘箱，在70℃～80℃温度条件下，持续30min～50min实施烘干处理；（5）将烘干铜箔集热板置于所述镀膜机镀膜室内，且镀膜机抽真空。真空室的真空度在1.0E-2到E-3Pa范围内；（6）给真空室充氩气，且给铜箔集热板接通直流电，轰击铜箔集热板正面，去除铜箔集热板正面残存的氧化皮和附着的气体；（7）给钛靶接通直流电，钛靶起靶溅射，同时充N2、O2气，钛离子与N2、O2发生反应生成氮氧化钛，且沉积粘合在铜箔集热板正面而形成氮氧化钛选择性吸收膜。

硅靶射频溅射：在氮氧化钛选择性吸收膜表面镀二氧化硅保护膜，以石英靶作为第二阴极，作为孪生靶，采用中频电流方式进行射频溅射。阴极接通直流电，向镀膜室内充氩气和氧气，石英靶起靶溅射且沉积粘合在所述氮氧化钛选择性吸收膜表面形成二氧化硅保护膜。

目前在平板镀膜方面已取得磁控溅射膜系部分阶段成果和部分专利，但磁控溅射的几个限制条件还需继续攻关。

首先，成熟用于平板的磁控溅射膜系基本都是硅基膜系，无论金属如何变，但都用SiO2作为减反层，这就对设备提出更高要求，也是国内磁控溅射发展攻关的地方：若用石英靶反应，由于石英靶不导电，需要实行射频溅射，国内缺少这种需要负偏压可达2 000V的中频电源，并且还要有专业防护手段防备高频泄露。若采用纯硅靶与O2反应，用于快速抽真空的大口径分子泵，产品技术还有待进一步研发。

其次，整板镀膜是趋势，保持整板性能的一致性就要求溅射空间内气氛、磁场、真空、电子能量等因素高度一致，这也是采用连续镀膜主要技术原因，这种连续传动状态下保持真空密封的研发正在进行。

2）对吸热板芯技术改进。紫铜管焊接流道，传导热阻更低，热传递工质摩擦阻力更小，热管热容量小，光动快，在天气阴睛多变的情况下，比其它热水器吸热能力高20%～30%；；選择性干涉涂层，吸热效果好，吸收率αmax=94.5%，εmin=3%；结构牢固可靠、不锈蚀、不破损、寿命长、承压能力大、耐冷热冲击、抗震动冲击，四季均可使用。

3）创新开发的超纯铁素体不锈钢整板虹吸金属流道具有极高的热效率和高耐候性及使用寿命长、免维护等优点。采用导热性高的超纯铁素体不锈钢做整板虹吸金属流道的双面用千吨级液压机拉伸出虹吸的金属流道形状，虹吸的金属流道周边用钨极氩弧焊焊接。

4）产品采用双循环系统，介质抗冻不结垢、无需盐酸清洗、无腐蚀，对环境不产生污染，不堵塞管路，热效率保持稳定不变；水箱主推立式夹套方式，循环进出口采用高度差设计，有效提高换热效率。

3 带平板集热器的热泵集成一体机技术创新

将上述平板集热器作为系统吸热部件，持续与阳光及空气中热量进行热交换。内部为冷媒介质，汽化温度很低，通过汽化循环不断将热量传递。周而复始，系统能效得到极大提升。更重要的是，由于太阳能平板集热器表面温度高，冬季等环境温度较低时，也不会出现结霜等现象，解决了系统在环境温度低时能效不高问题。

产品与国内外同类技术、产品的比较，如表1所示。

4 结论

新型与建筑一体化平板集热器符合国家产业政策，产品对发展我国新能源具有十分重要的意义。该项目选定产品技术起点高，具有较高的附加值，项目经济效益明显。

平板集热器作为热泵系统热交换关键部件，兼顾太阳能集热器与热泵热水器系统两者优势，还能解决蒸发器冬季结霜难题，进一步提升系统能效，对节能环保具有重要的推广意义。

参考文献

[1]肖宙锋.浅谈太阳能热水系统性能及集热器应用设计[J].中国科技纵横，2010（15）：15-16.

[2]霍志臣，罗振涛.国内外平板太阳能热水器发展概况[J].太阳能，2006（6）：11-12.