分级加热平板太阳能热泵热水器的相关技术研究

黄可煜 谢彤 卓民权

【摘 要】文章介绍了南宁可煜能源科技有限公司研发分级加热平板太阳能热泵热水器的相关技术，依托公司高新技术企业实力，集成多项先进技术，研制分级加热平板太阳能热泵热水器。

【关键词】平板太阳能热水器;热泵;分级加热

【中图分类号】TU822 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）07-0053-02

0 引言

南宁可煜能源科技有限公司针对目前市场上太阳能热水器存在的一些缺点，进行新产品开发，采用平板集热器与分级加热水箱技术结合，同时集成快速加热、低电耗、低成本等技术方案，使水箱内的水能实现快速升温，出水温度高，提高热水利用率;集成现有的太阳能热水器技术、空气源热泵热水器技术，2个系统升级互补利用技术，可解决阴雨天太阳能产热水不足、温度不高的缺点，对太阳能热水器新产品升级与科技进步有重要的意义。

1 市场需求

节能减排环保成为时代发展的主流，平板太阳能热泵热水器以其众多优点在热水器行业迅速发展。现在人们的生活水平逐步提高，对生活的品质要求也随之提高，安全舒适节能的平板太阳能热泵热水器自然受到人们的喜欢。我国石油和煤等能源越来越贵，而且是不可再生的。太阳能热泵热水器也更加符合人们对节能的需求。越来越多人意识到平板太阳能热泵热水器将会取代其他热水器。当前，我国的平板太阳能热泵热水器还处在初期发展的阶段。虽然发展的速度很快，但是要完全取代其他的热水器的市场在短时间内是不可能的。现在电热水器、燃气热水器和太阳能热水器在热水器市场上的份额特别大，平板太阳能热泵热水器只占了很小的份额。我国普通老百姓家的收入并不是特别富有，而平板太阳能热泵热水器的价格相对较高，很多人还是愿意花钱买更加便宜的热水器。平板太阳能热泵热水器的迅速发展是必然趋势，但是还存在很多方面的问题需要解决。

国外对平板太阳能热泵热水器虽然有广泛需求，但是品质要求较高。日本热水器市场新增的产品70%为平板太阳能热泵热水器。在欧洲市场，平板太阳能热泵热水器同样在高速发展，2015年后，燃气热水器、燃气采暖炉、电热水器等产品原则上不允许单独使用，只作为太阳能热水器或空气能热水器的辅助加热装置进行配置。到2020年，欧盟使用可再生能源的比例将占全部能源消耗的20%。美国平板太阳能热泵热水器市场发展整体上慢于欧洲及日本，但近年规定购置平板太阳能热水器、平板太阳能热泵热水器等节能设备，居民该项支出额的30%可以抵所得税。

东盟成为全球经济快速发展的地区，对能源的需求大大增加，每年以10%以上的速度增长，必将催生平板太阳能热泵热水器市场。例如，越南政府计划在2015～2025年期间用新的能源资源替换掉长期以来使用的矿物燃料，预计风能和太阳能将占总能源资源的一半。越南位于亚赤道区域，冬天太阳辐射量每天为3～4.5 kW·h/㎡，夏天辐射量每天为4.5～6.5 kW·h/㎡，阳光照射时间为1 800～2 700 h/a。越南政府提倡公众参与利用太阳能的五年国家计划，将3万个180 L容量的太阳能热水器推向市场，向公众宣传太阳能，使太阳能热利用技术本土化。越南每年进口数以千计的此类配件，计划安装的太阳能热水器每年可节约5 700万kW·h电能、减少23 000 t温室气体排放量。

2 研究内容

结合自主专利及高强度太阳能热水器水箱聚氨酯泡沫保温材料、平板太阳能吸热板用吸热涂料等自有技术，集成高效平板太阳能集热器、新型高效分级加热保温水箱、高效空气能热泵热水器、能源梯级利用智能控制等技术;采用平板集热器与分级加热水箱技术结合，同时集成快速加热、低电耗、低成本等技术方案，使水箱内的水能实现快速升温，出水温度高，提高热水利用率;集成现有的太阳能热水器技术、空气源热泵热水器技术，2个系统升级互补利用技术，可解决阴雨天太阳能產热水不足、温度不高的缺点，并且达到节能的目的;采用公司最新研发聚氨酯高效保温材料技术，并结合自有聚氨酯发泡填充技术，密度高、质量轻、导热系数小，比现有保温材料保温效果好。吸热板表面采用新研究的平板太阳能吸热板用吸热涂料，具有吸热效果好、使用寿命长、附着力大、耐候与防水性能优异等特点。

（1）分级加热水箱结构的技术研究。采用已获得专利技术设计，蓄水箱由2个中间有保温层隔开的水箱组成，2个蓄水箱间由外置式的“U”形（包括长管、短管、连接管）分流水管连接。依据流体热力学温度梯度原理，可将水温低的水箱上层的热水传递给水温高的水箱中，使得较高温度的热水加快传递流动，始终能让一个水箱补进去的水都是热的，从而能较快地把水加热到设定温度并且有效地防止了热水与冷水的混合，使得高温水箱内的水能快速达到使用温度，出水温度高，热水利用率高。这克服了现有传统单一水箱热水使用时冷水补充进去使冷热水混合，温度迅速下降，热水利用率低，且出水温度不稳定，大大影响使用的舒适性及耗能较大的问题。

在水温高的储热水箱设计热泵的热交换器把水加热到设定温度，使得出水温度高、适温热水流出快速;即使遇连续雨雪天气，仅需少量电进行局部加热即可满足热水使用需求，缩短了加热时间。克服现有单一的保温水箱补水时热冷水易混合、水箱的水温度下降快难以洗浴及电加热的频率高、加热整箱水时间长、耗电多，剩余热水温度下降快不能洗浴等热资源浪费的问题。

（2）储水箱与平板集热器的连接设计研究。现有的平板集热器与水箱的连接，绝大多数是在水箱的两边端盖各开一个孔与平板集热器连接，这样的连接接头与弯头多不利于热水的循环，而且安装时要求地面平衡，平板热水器经常出现产不出热水的现象，严重影响了平板太阳能热水器的推广。我们采用的连接方法是在储水箱的底部与平板集热器的顶部都设计有2个连接口，水箱的水与平板集热器的水通过连接管道循环冷热水交换，因冷水与热水的比重不一样，水箱温度低的水与平板集热器水温高的水通过连接口管道反复的顺畅循环交换，使保温水箱的水不断升温加热。

我们采用2块独立的集热板各自连接分级的水箱，集热板不连通，只是改变了水箱的结构，由原来单一的水箱升级为2个水箱，通过“U”形管来连接2个水箱，此平板太阳能与分级加热水箱组合创新属全国首创，升级后的新型热水器加热快速、出水温度提高，节能明显。

（3）多能源方式互补技术研究。采用自有专利，集成现有的太阳能热水器和空气源热泵热水器技术，2个系统升级互补结合起来可弥补阴雨天太阳能产热水不足的缺点，节能明显，而且可全天候24 h供应热水。与传统太阳能带电辅助热水器和热泵热水器相比都要节能。

（4）高效平板集热器的主要技术研究。吸热板是平板集热器的主要组成部分，采用铜铝复合工艺制成，在吸热翼片的两面铝板中间夹着铜管，通过压碾复合工艺，无需焊接工艺，使铜管和铝板之间紧密结合，制成一个吸热翼片，这样的工艺承压能力强，寿命更长。吸热板涂层在集热器中是最重要的组成部分，吸热涂层的性能、质量关乎着热水器的热水使用。在传统的吸热板涂层中，有的产品在达到70 ℃时涂层会脱落，且由于吸热效率差、反射率高等原因，吸热效率仅为85%，反射率高达10%，这极大地浪费能源和降低使用效率。为了使吸热板可以最大限度地吸收太阳能辐射并将其转换成热能传递给铜管里的水，在吸热板表面涂上一层公司自有技术的平板太阳能吸热板用吸热涂料。该涂料吸热效果好、使用寿命长、附着力大、耐候与防水性能优异，对太阳光的吸收率可达到93%，明显提高光转换率及太阳能板的硬度，反射率为（5±3）%，吸热率提高35%，达到了高吸热、低散热的高效标准;解决了吸热板涂层在高温下会脱落、吸热效率低、反射率高、寿命短等问题。

外壳用铝合金材料组成，坚固美观，质量轻盈，比传统使用的钢木结构材料轻，便于运输和安装，降低了成本。并采用硅胶弹性密封，有效避免外壳密封问题出现的漏水、集热器内雾化有水珠等现象。

高效保温层采用本公司已申请发明专利的聚氨酯保温材料发泡填充，在集热器外壳里侧的四周喷涂一层15 mm厚及底部喷涂20 mm厚的聚氨酯保温层，且在保温层表面铺一层反光薄锡纸，目的是减少集热器向四周环境散失热量，保温性能比用矿棉、玻璃纤维和聚苯乙烯等保温材料的效果好，有利于提高使用效率。

3 总结

本公司通过该新产品的研发，针对传统热水器的一些技术缺陷进行突破。例如，传统的平板集热器出水温度低，且因与水箱的连接设计原因经常出现产不出热水的现象，严重影响人们的使用需求。为此，单独采用了2块独立的集热板各自连接分级的水箱，水箱的结构由原来单一的水箱升级为2个水箱，2个水箱内的冷热水不相混，提高加热效率，升级后的新型热水器加热快速、出水温度高，并且节能明显。还采用新型的集热器-水箱连接方法，使得水箱温度低的水与平板集热器水温高的水通过连接口管道反复的顺畅循环交换，从而使保温水箱的水不断升温加热。该新产品的研发，对增强企业的竞争力和发展能力有重要意义。

參 考 文 献

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[责任编辑：钟声贤]