雙層內(nèi)膽太陽能熱水器的開發(fā)與應(yīng)用

于彤娟 曲行鍇 王振宇 孫赫佳 孫家棟

（1、大連三洋冷鏈有限公司 大連 116600；2、賽德隆國際電器（中國）有限公司 大連 116318；3、大連派思燃氣系統(tǒng)股份有限公司 大連116600）

1 前言

目前國內(nèi)熱水器產(chǎn)品主要有電熱水器、燃氣熱水器、太陽能熱水器和空氣能熱水器。熱水器市場仍然以傳統(tǒng)的電熱水器和燃氣熱水器為主導(dǎo)，伴隨著近幾年房地產(chǎn)市場的火爆發(fā)展，電熱水器、燃氣熱水器行業(yè)都得到了快速發(fā)展，并且漸漸趨于飽和。然而，2009年太陽能熱水器“下鄉(xiāng)”，標志著太陽能熱水器得到國家認可，中國太陽能熱水器行業(yè)已邁入新的時代。未來5-10年中國太陽能熱水器市場保有量仍將保持20%以上的增長率。

太陽能熱水器行業(yè)經(jīng)歷了近幾年快速發(fā)展，目前年生產(chǎn)量是歐洲的2倍，北美的4倍，現(xiàn)已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國和最大的太陽能熱水器市場。但伴隨著家電下鄉(xiāng)隊伍的壯大，太陽能熱水器市場的品牌數(shù)量迅速達到了驚人的4000個左右。品牌集中度太低、產(chǎn)品品質(zhì)良莠不齊也成為制約太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)健康、快速發(fā)展的瓶頸。

新一代的太陽能熱水器要有更多的技術(shù)創(chuàng)新才能給消費者更多的信心。首先在加熱方式上，普通太陽能熱水器主要是利用平板或真空管吸收太陽能量，對管內(nèi)的水進行加熱，而新型的太陽能熱水器必須利用蓄熱介質(zhì)吸收太陽能，并且進行熱量蓄積，然后對內(nèi)層儲水桶進行持續(xù)加熱；其次在加熱時效上，普通太陽能熱水器只能進行即時加熱，比較容易受到天氣及季節(jié)的影響，而新型的太陽能熱水器要做到用蓄積的熱量對水進行四次甚至更多次加熱，即使在長時間陰雨天氣仍能使用；最后是在熱水器結(jié)構(gòu)上，普通太陽能熱水器是單層保溫，集熱管與儲水桶相通，實現(xiàn)水的循環(huán)流動，而新型的太陽能熱水器則要做到雙層,內(nèi)層為儲水桶，外層為循環(huán)傳熱介質(zhì)，然后通過發(fā)泡層保溫，達到雙層保溫的效果。太陽能行業(yè)發(fā)展早期技術(shù)不完善，沒有安裝電加熱裝置，但是隨著科技創(chuàng)新的成熟以及消費者要求的增加，現(xiàn)在太陽能熱水器大部分都安裝了電加熱裝置，這樣太陽能熱水器就具備了電熱水器的功能。但是，隨著這種光電互補技術(shù)的普及，不銹鋼內(nèi)膽在電熱水器領(lǐng)域出現(xiàn)的“易腐蝕”、“水質(zhì)易變壞”的問題事故在太陽能熱水器上也經(jīng)常出現(xiàn)，一定程度上引起了消費者對整個太陽能行業(yè)的質(zhì)疑。因此，具備“水質(zhì)潔凈、健康耐用”特性的搪瓷內(nèi)膽在太陽能行業(yè)的全面推廣是必然趨勢。在國際市場上，注重健康成為消費者的共識，搪瓷內(nèi)膽太陽能熱水器成為國際市場首選產(chǎn)品。

2 太陽能的相關(guān)概述

太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進入一個節(jié)約能源減少污染的時代。

太陽能資源具有普遍、無害、巨大、長久的優(yōu)點；也具有分散性、不穩(wěn)定性、效率低和成本高的缺點。

隨著能源形式的變化，常規(guī)能源的貯量日益下降，其價格必然上漲，而控制環(huán)境污染也必須增大投資。大力開發(fā)新能源和可再生能源的利用技術(shù)將成為減少環(huán)境污染的重要措施，向新能源過渡的時期遲早要到來。從長遠看，太陽能利用技術(shù)和裝置的大量應(yīng)用，也必然可以制約礦物能源價格的上漲。因此，太陽能利用也可以解決很大的經(jīng)濟問題。

太陽能輻射數(shù)據(jù)可以從縣級氣象臺站取得，也可以從國家氣象局取得。從氣象局取得的數(shù)據(jù)是水平面的輻射數(shù)據(jù)，包括：水平面總輻射，水平面直接輻射和水平面散射輻射。從全國來看，我國是太陽能資源相當豐富的國家，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4 kWh/㎡以上，西藏最高達7 kWh/㎡。

就目前來說，人類直接利用太陽能還處于初級階段，主要有太陽能集熱、太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能暖房、太陽能發(fā)電等方式。

早期最廣泛的太陽能應(yīng)用即用于將水加熱，現(xiàn)今全世界已有數(shù)百萬太陽能熱水裝置。太陽能熱水系統(tǒng)主要元件包括收集器、儲存裝置及循環(huán)管路三部分。此外，可能還有輔助的能源裝置（如電熱器等）以供應(yīng)無日照時使用，另外尚可能有強制循環(huán)用的水，以控制水位或控制電動部份或溫度的裝置以及接到負載的管路等。依循環(huán)方式太陽能熱水系統(tǒng)可分自然循環(huán)式和強制循環(huán)式兩種。

3 太陽能熱水器結(jié)構(gòu)分析

太陽能熱水器按使用分類，可分為季節(jié)性熱水器、全年性熱水器以及有輔助熱源的全天候太陽能熱水器。按集熱器原理和結(jié)構(gòu)可分為平板型熱水器和真空管熱水器。按工質(zhì)流動方式不同，一般分為悶曬型、循環(huán)型和直流型三種。按承壓方式，目前分非承壓與全承壓式太陽能熱水器。其中非承壓以100-300升為主要容積，全承壓以工程及大容積為主。趨勢是由目前的整體式向分體式發(fā)展，水箱由非承壓式向全承壓式過渡。太陽能熱水器將有由三季度使用向全年全天候使用發(fā)展，由以提效率為主向高性能、長壽命發(fā)展。在我國北方地區(qū)，帶輔助加熱系統(tǒng)的太陽能熱水器將成為市場的主流產(chǎn)品。隨著管路防凍保溫技術(shù)的發(fā)展，太陽能熱水器系統(tǒng)運行會更趨可靠。自動排空閥的推廣、伴熱帶的應(yīng)用，是太陽能熱水器防凍抗冬的兩大技術(shù)進步，并因而成功的解決了太陽能熱水器在北方的冬季應(yīng)用問題。各種電子裝置將在太陽能熱水器上更多的應(yīng)用，使用會更趨方便。如：電子水溫顯示、電子水位顯示、自動排空裝置、電子流量計等。未來幾年，還會出現(xiàn)全自動調(diào)節(jié)出使用者所需要的水溫與水壓的全智能人性化的太陽能熱水器。

未來太陽能熱水器市場將呈現(xiàn)多元化。首先與房地產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)結(jié)合會更趨緊密。隨著小康住宅的建設(shè)，太陽能熱水器直接進入家庭，將構(gòu)成市場銷售的主渠道。

其次，家電連鎖銷售企業(yè)的逐步介入，預(yù)示著太陽能熱水器已經(jīng)進入大眾消費市場，將作為一種家用必需品普及。

三是各種類型的太陽能熱水器淡旺季銷售趨于平衡。工程采購將拉動秋冬季太陽能熱水器本該為淡季的市場銷售，從而使得該行業(yè)旺季更旺，淡季卻不淡。

四是行業(yè)內(nèi)出口企業(yè)增多，出口量加大。

4 雙層內(nèi)膽太陽能熱水器技術(shù)及優(yōu)勢

太陽能雙層內(nèi)膽換熱水箱，是承壓式太陽能雙層內(nèi)膽換熱水箱，除具有普通太陽能熱水器節(jié)能減排、凈化空氣的功能外，還具有內(nèi)膽使用壽命相對可以延長、不易漏水、換熱面積大、效率高、保溫性能好，生產(chǎn)成本低、加工工藝簡單、符合環(huán)保要求等多項特點。

另外，承壓分體式太陽能熱水箱已經(jīng)是一種成熟的產(chǎn)品，在國內(nèi)已經(jīng)有熱水器廠生產(chǎn)這種產(chǎn)品7年多了，他們的存在給我們的研發(fā)提供了參考，同時也讓我們研發(fā)太陽能熱水器充滿信心。值得特別說明的是，我們的雙層內(nèi)膽換熱式熱水器已經(jīng)通過了專利申請（專利號ZL 2008 2 0231242.1），并且得到國內(nèi)外很多同行和客戶的認可。下面對雙層換熱太陽能熱水器結(jié)構(gòu)進行介紹。

里層內(nèi)膽是設(shè)有進水管和出水管的普通熱水器內(nèi)膽，里層內(nèi)膽的壁是有內(nèi)腔的雙層結(jié)構(gòu)（即外層內(nèi)膽），在里層內(nèi)膽上設(shè)有與外層內(nèi)膽相通的介質(zhì)輸出管及介質(zhì)進入管。里層內(nèi)膽的壁可以全部是由外層內(nèi)膽的雙層結(jié)構(gòu)，也可以將外層內(nèi)膽分別設(shè)置在里層內(nèi)膽側(cè)壁和封頭（一側(cè)或兩側(cè)）的兩部分，兩部分之間用介質(zhì)導(dǎo)管相連?？梢栽诶飳觾?nèi)膽內(nèi)設(shè)置加熱管，以便當熱介質(zhì)不能及時與里層內(nèi)膽中的冷水實現(xiàn)熱交換時，加熱里層內(nèi)膽中的冷水，供用戶使用。具體結(jié)構(gòu)如圖1。

具體加工方法可在普通內(nèi)膽的中桶外增加一個稍大尺寸的外桶，該外桶與普通內(nèi)膽中桶焊接在一起，在側(cè)壁上形成一個環(huán)形柱狀的空腔；同時在內(nèi)膽的封頭外（一側(cè)或兩側(cè)）再焊接一個尺寸稍大的封頭，該封頭與普通內(nèi)膽封頭之間也形成另一個封閉空腔；通過一個介質(zhì)管子將兩個空腔連接在一起。

在里層內(nèi)膽上，可同現(xiàn)有技術(shù)一樣安裝陽極棒和泄壓閥等部件，電控部分可以和太陽能系統(tǒng)或熱泵系統(tǒng)連接在一起。

本雙層內(nèi)膽換熱水箱與太陽能熱交換系統(tǒng)的連接如圖2所示，現(xiàn)有200L換熱式熱水器可以安裝1m2換熱面積，而本雙層內(nèi)膽太陽能熱水器200L可以安裝1.5～2 m2換熱面積。

此雙層內(nèi)膽太陽能熱水器較一般太陽能熱水器有其獨具的創(chuàng)新之處：

·承壓式設(shè)計：出水強勁，滿足按摩式洗浴，提高洗浴舒適度。

·搪瓷雙層內(nèi)膽：內(nèi)膽搪瓷，防腐、防銹，優(yōu)化水質(zhì)，滿足生活用水。雙層內(nèi)膽，除了可以解決單層內(nèi)膽壽命短的難題外，還具有外膽換熱面積大，效率高，且其加工工藝較簡單，具有一定的成本優(yōu)勢。

·光、電雙能源：在陰雨連天或者陽光照耀不足時，有電輔助加熱，可保證系統(tǒng)全天候提供熱水。

·分體設(shè)計：安裝靈活方便，不受樓層限制，便于維護。

·采用U型管和防凍儲能技術(shù)：真空管內(nèi)不走水，不凍管、不炸管、不結(jié)垢，大大提高了熱效率。

·智能控制，防漏電隔離“安全墻”：操作簡便，安全可靠。

·橫立兩用，隨意選擇：80L、100L的熱水器可以橫立兩用，方便用戶多種選擇。

·獨創(chuàng)專利：該產(chǎn)品采用了我公司的專利雙層內(nèi)膽(專利號ZL 2008 2 0231242.1，2008年12月申請，2009年10月授權(quán)并公告)，具有換熱效率高，用料省，工藝簡便，質(zhì)量可靠的特點。

·安裝簡單,占地面積?。嚎砂惭b在陽臺上,不需要循環(huán)泵。

5 介質(zhì)循環(huán)隔板結(jié)構(gòu)介紹

為了安裝方便，現(xiàn)有的雙層內(nèi)膽水箱，無論是立式還是橫式，其介質(zhì)進口與介質(zhì)出口均安裝在介質(zhì)腔的同側(cè)，導(dǎo)致部分介質(zhì)未經(jīng)過全面熱交換就近從介質(zhì)出口流出，減少了換熱面積、降低了熱轉(zhuǎn)換效率。為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述問題，我們在兩層內(nèi)膽中間的空腔內(nèi)設(shè)有位于介質(zhì)進口與介質(zhì)出口之間的豎直隔板，豎直隔板的上面留有介質(zhì)通道；在介質(zhì)進口的另一側(cè)還設(shè)有第二豎直隔板，第二豎直隔板的上面留有第二介質(zhì)通道。該結(jié)構(gòu)所設(shè)置的豎直隔板，限制了介質(zhì)循環(huán)路徑，阻止介質(zhì)未經(jīng)過全面熱交換而直接從介質(zhì)出口流出，可有效增加介質(zhì)的換熱面積，提高熱轉(zhuǎn)換效率，減少能量損失。該結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請實用新型專利（專利號ZL 2010 2 0555174.1），并且通過了試驗驗證，全面實現(xiàn)外層內(nèi)膽的全面積換熱。具體結(jié)構(gòu)如圖3。

如圖3所示：同現(xiàn)有技術(shù)一樣，里層內(nèi)膽（橫式或立式）與外套之間有介質(zhì)腔，與介質(zhì)腔相通有位于同側(cè)的介質(zhì)進口和介質(zhì)出口，與現(xiàn)有技術(shù)所不同的是在所述介質(zhì)腔內(nèi)設(shè)有位于介質(zhì)進口與介質(zhì)出口之間的豎直隔板，豎直隔板的上面留有介質(zhì)通道。豎直隔板的高度可根據(jù)需要而定，但要保證即能正常工作，又具有最大換熱面積。在介質(zhì)進口遠離介質(zhì)出口的另一側(cè)還設(shè)有第二豎直隔板，第二豎直隔板的上面留有第二介質(zhì)通道。

6 太陽能雙層內(nèi)膽熱水器的應(yīng)用

為了提高市場競爭能力，雙層內(nèi)膽太陽能熱水器在應(yīng)用方面正致力于技術(shù)方面的一些新突破，如目前正在開發(fā)的兩種高端綜合型的太陽能熱水器： 一種是太陽能/熱泵/電綜合型熱水器（如圖4），另一種是太陽能/燃氣/電綜合型熱水器（如圖5）。前者的技術(shù)特點是相對于電輔助加熱太陽能熱水器，該產(chǎn)品更節(jié)能，由于熱泵熱水器可以在陰天雨天工作，故其能效比一般都大于3%；后者的技術(shù)特點是燃氣熱水器具有功率大、加熱快的特點，該產(chǎn)品結(jié)合燃氣熱水器，能夠使用戶在光照不足電加熱無法滿足熱水需求的情況下快速補充熱水。

7 結(jié)論

太陽能雙層內(nèi)膽的加工工藝就是在現(xiàn)有電熱水器內(nèi)膽外側(cè)增加了一層外層膽，成本只增加了部分鋼材的費用和一部分制造成本，其單臺成本比電熱水器增加300-500左右。再加上雙層內(nèi)膽太陽能熱水器使用成本低廉，體積小巧，其市場前景是非常廣闊的。

綜合以上情況，雙層內(nèi)膽太陽能熱水器的投產(chǎn)后，將會產(chǎn)生極大的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1] 于彤娟，太陽能雙層內(nèi)膽熱水器開發(fā)可行性報告，賽德隆國際電器（中國）有限公司，2009；

[2] 中國國家標準化管理委員會，多能源組合熱水器（送審稿），2009.