智能化太陽(yáng)能空氣能壁掛式熱水器相關(guān)技術(shù)研究

金建榮

摘要：環(huán)保節(jié)能是當(dāng)前社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，太陽(yáng)能和空氣能等可再生能源近年逐漸受到重視。文章以智能化太陽(yáng)能空氣能壁掛式熱水器為研究對(duì)象，分析其市場(chǎng)狀況，探討熱水器的設(shè)計(jì)、控制、優(yōu)化等相關(guān)技術(shù)，最后得出結(jié)論：智能化技術(shù)是提高太陽(yáng)能空氣能熱水器整體效率的關(guān)鍵，而控制系統(tǒng)的改進(jìn)是實(shí)現(xiàn)智能化的核心。未來(lái)，太陽(yáng)能空氣能熱水器將借助人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高效、更綠色的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能化；太陽(yáng)能；空氣能；壁掛式熱水器

中圖分類號(hào)：TK515? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）06-0036-03

0 引言

隨著世界能源價(jià)格的上漲和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，太陽(yáng)能熱水器與建筑結(jié)合將極大地推動(dòng)節(jié)能省地型建筑的大面積推廣。發(fā)展太陽(yáng)能與空氣能相結(jié)合的熱水供應(yīng)系統(tǒng)，在節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)和資源保護(hù)等方面有著重要作用，是我國(guó)現(xiàn)階段促進(jìn)清潔能源行業(yè)發(fā)展的一種重要方式。太陽(yáng)能熱水器利用太陽(yáng)能輻射熱量加熱水，空氣能熱水器則利用空氣中的熱量加熱水，兩者均屬于清潔能源熱水器。智能化技術(shù)可以進(jìn)一步提高太陽(yáng)能空氣能熱水器的整體效率，提升用戶使用體驗(yàn)感。智能化太陽(yáng)能空氣能壁掛式熱水器結(jié)合太陽(yáng)能、熱能和壁掛式熱水器的特點(diǎn)，拓寬了太陽(yáng)能熱水器的使用條件，解決了低樓層住戶不方便使用太陽(yáng)能熱水器的問(wèn)題，并且太陽(yáng)能空氣能熱水器外觀精美，能與建筑景觀融為一體，適合在大中城市推廣應(yīng)用［1］。在前人對(duì)陽(yáng)臺(tái)壁掛太陽(yáng)能-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)［2］、平板型陽(yáng)臺(tái)壁掛式太陽(yáng)能熱水器［3］、智能控制系統(tǒng)在陽(yáng)臺(tái)壁掛式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用［4］等研究的基礎(chǔ)上，本文以智能化太陽(yáng)能空氣能壁掛式熱水器為研究對(duì)象，探討其設(shè)計(jì)、控制過(guò)程中相關(guān)技術(shù)應(yīng)用及未來(lái)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，提出優(yōu)化建議，以期為未來(lái)熱水器與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)相結(jié)合的研發(fā)工作提供借鑒。

1 市場(chǎng)狀況

隨著人們消費(fèi)需求的多樣化及網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的完善，家電的智能化已成為家電行業(yè)新的發(fā)展方向。從消費(fèi)者體驗(yàn)和使用的角度來(lái)說(shuō)，無(wú)論是一二級(jí)市場(chǎng)還是三四級(jí)市場(chǎng)，智能化熱水器都大有可為。2021年，全球智能太陽(yáng)能市場(chǎng)總規(guī)模達(dá)到1 257.28億元，中國(guó)智能太陽(yáng)能市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到374.29億元，占全球市場(chǎng)總份額的29.77%。預(yù)計(jì)2021—2027年，智能太陽(yáng)能市場(chǎng)將以15.16%的復(fù)合年增長(zhǎng)率穩(wěn)步增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2027年全球市場(chǎng)總規(guī)模將達(dá)到2 959.24億元。中國(guó)太陽(yáng)能熱利用專業(yè)委員會(huì)發(fā)布的《2022年中國(guó)太陽(yáng)能光熱行業(yè)運(yùn)行狀況報(bào)告》指出，太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)業(yè)依然朝著平板化、模塊化、智能化方向發(fā)展。在此背景下，智能化的節(jié)能環(huán)保熱水器將占據(jù)更大的市場(chǎng)份額。

2 太陽(yáng)能空氣能壁掛式熱水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能空氣能壁掛式熱水器是一種集太陽(yáng)能和熱泵于一體的清潔能源產(chǎn)品，在氣溫比較低的時(shí)候，可以利用平板集熱器吸收的熱能解決熱泵的除霜問(wèn)題，還能在一定程度上解決熱泵換熱不足的問(wèn)題。在結(jié)構(gòu)上，太陽(yáng)能空氣能壁掛式熱水器主要由平板集熱器、熱泵和保溫水箱3個(gè)部分組成。平板集熱器主要是利用太陽(yáng)輻射熱量對(duì)水進(jìn)行加熱；熱泵則是從空氣中吸取熱量傳遞到保溫水箱；保溫水箱是儲(chǔ)存熱水的地方，保證用戶能隨時(shí)使用熱水［5］。太陽(yáng)能空氣能熱水器在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮熱水器的容量、熱水溫度、供水壓力等因素。

2.1 高效平板集熱器主要技術(shù)

平板型太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能低溫?zé)崂玫闹匾b置，主要由透明玻璃蓋板、吸熱板、循環(huán)管道、保溫層及外殼等部分構(gòu)成。

（1）透明玻璃蓋板是平板型集熱器中覆蓋吸熱板的板狀器件，由透明鋼化玻璃材料制成。透明鋼化玻璃蓋板材料表面涂抹熱反射涂層，具有太陽(yáng)透射比高、導(dǎo)熱系數(shù)小、打擊強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可承受1 500 kg的靜載和1.04 kg的鋼柱從0.6 m高度自由落體沖擊，還可有效應(yīng)對(duì)暴雨、大風(fēng)、冰雹等惡劣天氣。

（2）吸熱板采用銅鋁復(fù)合工藝制成，在吸熱翼片的兩面鋁板中間夾上銅管，不需要焊接，通過(guò)壓碾復(fù)合工藝使銅管和鋁板緊密結(jié)合，制成吸熱翼片，這種工藝制作的吸熱板承壓能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)。在傳統(tǒng)的吸熱板涂層中，有的產(chǎn)品在達(dá)到70 ℃時(shí)涂層會(huì)脫落，吸熱效率差、反射率高，對(duì)能源浪費(fèi)極大。為使吸熱板能最大限度地吸收太陽(yáng)能輻射，可以在吸熱板表面涂上一層平板太陽(yáng)能吸熱板用吸熱涂料，該涂料吸熱效果好、附著力大、耐候與防水性能優(yōu)異，對(duì)太陽(yáng)光的吸收率高、反射率低，解決了吸熱板涂層在高溫下脫落、吸熱效率差、反射率高、壽命短等問(wèn)題。

（3）集熱器的保溫層可采用聚氨酯保溫材料，噴涂15 mm的厚度于外殼四周和20 mm的厚度于底部，并覆蓋一層反光薄錫紙，旨在減少熱量向四周環(huán)境散失。相比使用礦棉、玻璃纖維和聚苯乙烯等保溫材料，聚氨酯保溫材料可以顯著提高保溫性能。

（4）外殼采用鋁合金材料，在運(yùn)輸和安裝時(shí)比傳統(tǒng)使用的鋼木結(jié)構(gòu)材料更加方便，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。硅膠彈性密封能有效避免外殼密封問(wèn)題，如漏水和集熱器內(nèi)出現(xiàn)水珠等現(xiàn)象。

2.2 高效熱泵的技術(shù)問(wèn)題

高效熱泵的研制技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：①熱泵循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化；②制冷劑的選擇與優(yōu)化；③熱源和熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化；④壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與制造；⑤控制系統(tǒng)的優(yōu)化；⑥熱泵材料的研發(fā)與應(yīng)用；⑦熱泵系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)技術(shù)。

為解決高效熱泵的技術(shù)問(wèn)題，本研究提出以下建議。

（1）采用先進(jìn)集成技術(shù)改進(jìn)壓縮機(jī)、儲(chǔ)液罐、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置、四通閥、風(fēng)扇、鏈接銅管等構(gòu)件，研制熱泵從低溫?zé)嵩吹臒崮苻D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩吹男录夹g(shù)。

（2）研究解決壓縮機(jī)、儲(chǔ)液罐、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置等部件要求高效率的轉(zhuǎn)換而帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題和加工、安裝的工效問(wèn)題。

（3）采用熱泵腳底彈簧減振、隔振技術(shù)，在管道泵加裝橡膠隔振裝置，該隔振裝置輕巧堅(jiān)固，能有效消除機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)，隔振效率高。

（4）外罩采用鍍鋁鋅鋼板填充吸音棉隔聲屏障技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、重量輕、造型美觀、造價(jià)低、吸隔聲性能好的特點(diǎn)。

2.3 保溫水箱技術(shù)

研究保溫水箱技術(shù)主要是為了提高水箱的保溫性能，延長(zhǎng)熱水的保溫時(shí)間，減少熱量損失，達(dá)到節(jié)約能源、降低用戶能源消費(fèi)成本的目的。目前，常見的保溫水箱技術(shù)主要有以下幾種。

（1） 外保溫技術(shù)。外保溫技術(shù)是通過(guò)在水箱外部添加保溫材料，如聚氨酯、聚苯乙烯等，減少水箱外壁散熱，提高水箱保溫性能。

（2） 內(nèi)加熱技術(shù)。內(nèi)加熱技術(shù)是在水箱內(nèi)部安裝加熱器，通過(guò)加熱器對(duì)水進(jìn)行加熱，使水溫保持在設(shè)定溫度，延長(zhǎng)水的保溫時(shí)間。

（3） 蓄熱技術(shù)。蓄熱技術(shù)是通過(guò)在水箱內(nèi)部添加陶瓷、蓄熱石等蓄熱材料，使水箱具有更好的保溫性能。這種技術(shù)能延長(zhǎng)水箱的保溫時(shí)間，使能量利用更高效。

（4） 光伏技術(shù)。光伏技術(shù)是一種利用太陽(yáng)能發(fā)電的技術(shù)，在保溫水箱中使用光伏技術(shù)，可以通過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電，為水箱提供電力，減少用戶的能源消費(fèi)。

（5） 智能控制技術(shù)。智能控制技術(shù)可以通過(guò)智能控制系統(tǒng)管理和控制保溫水箱的溫度，提高水箱的保溫性能，還能節(jié)約能源。

本研究建議保溫水箱內(nèi)膽采用SUS304不銹鋼材料，保溫層可采用聚氨酯保溫材料。保溫層聚氨酯整體發(fā)泡，接頭用高頻電阻縫焊焊接，可以避免水箱生銹、漏水。支架采用高強(qiáng)度鋁合金型材制作，具有重量輕、堅(jiān)固、耐腐蝕、便于搬運(yùn)與安裝、維護(hù)少、價(jià)格低的特點(diǎn)。

3 智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能空氣能壁掛式熱水器智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于嵌入式控制技術(shù)，采用多種傳感器獲取環(huán)境溫度、濕度、太陽(yáng)輻射等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)熱水器的自動(dòng)控制與管理。系統(tǒng)包括以下模塊。

（1） 傳感器模塊：采用多個(gè)傳感器獲取環(huán)境溫度、濕度、太陽(yáng)輻射等數(shù)據(jù)，以便后續(xù)控制邏輯的分析與處理。

（2） 控制模塊：根據(jù)傳感器模塊獲取的數(shù)據(jù)，結(jié)合PID（Proportional Integration Differentiation）控制算法和模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器的控制與管理。在太陽(yáng)能供熱模式下，根據(jù)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)及水溫?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)控制太陽(yáng)能板的傾斜角度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳采集效果；在空氣能供熱模式下，利用室內(nèi)外溫度及濕度差等判斷是否啟動(dòng)空氣能供熱。

（3） 通信模塊：用于熱水器與用戶之間的通信，可以通過(guò)手機(jī)App或物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)查詢等功能。

（4） 顯示模塊：用于顯示熱水器的運(yùn)行狀態(tài)、溫度等信息，方便用戶了解熱水器運(yùn)行情況。

該智能化控制系統(tǒng)采用嵌入式軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的高效性、穩(wěn)定性和實(shí)用性。通過(guò)安裝在各個(gè)位置的傳感器采集各工況的參數(shù)傳輸?shù)街悄芸刂破鳎芍悄芸刂破靼l(fā)出指令控制各閥門、泵等部件工作，使換熱器與換熱水箱實(shí)現(xiàn)換熱介質(zhì)循環(huán)、自動(dòng)上水、輔助加熱等功能。通過(guò)感應(yīng)器獲取相關(guān)信息，將太陽(yáng)能空氣能熱水器系統(tǒng)的本地運(yùn)行信息發(fā)送至智能云端，接受智能云端的控制策略。智能云端主要包括云端服務(wù)器及計(jì)算軟件，接收太陽(yáng)能和空氣能組件的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。智能云端利用網(wǎng)絡(luò)與App服務(wù)器（或Web客戶端）連接，向服務(wù)器傳輸系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)，同時(shí)接受服務(wù)器的操作參數(shù)設(shè)置。智能數(shù)據(jù)服務(wù)的主要作用在于實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶數(shù)據(jù)的保存及智能管理策略的操作，保證系統(tǒng)工作環(huán)境處于最優(yōu)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。遠(yuǎn)程客戶端（App或Web客戶端）通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接到智能云端，接收智能云端發(fā)送的工作信息，向客戶顯示運(yùn)行狀態(tài)，并將客戶設(shè)定的參數(shù)信息傳輸給智能云端，實(shí)現(xiàn)客戶對(duì)熱水器的遠(yuǎn)程操控。

4 太陽(yáng)能空氣能熱水器優(yōu)化研究

在太陽(yáng)能空氣能熱水器的使用過(guò)程中，還存在需要優(yōu)化研究的問(wèn)題。首先，需要進(jìn)一步優(yōu)化太陽(yáng)能熱水單元、熱泵熱水單元的協(xié)同控制，可單獨(dú)或同時(shí)啟動(dòng)太陽(yáng)能熱水單元、熱泵熱水單元，優(yōu)先利用太陽(yáng)能，提高產(chǎn)品性價(jià)比。其次，在太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)中，集熱器和水箱的選用和運(yùn)行維護(hù)很關(guān)鍵，直接影響系統(tǒng)的能源消耗和運(yùn)行效率，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)行合理的選擇和優(yōu)化。對(duì)于集熱器的選型，建議采用不同的機(jī)組類型：中型和大型集熱器選擇單級(jí)水冷式機(jī)組；小型集熱器選擇雙級(jí)水冷式機(jī)組；超大型集熱器選擇兩級(jí)水冷式機(jī)組。此外，對(duì)于多個(gè)熱水供應(yīng)系統(tǒng)，應(yīng)采用一體化機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控，可以設(shè)置多個(gè)集熱器進(jìn)行控制。同時(shí)，熱水器的自清潔功能也需要進(jìn)一步加強(qiáng)，以減少對(duì)系統(tǒng)的影響［6］。再次，空氣能存在噪音大、效率低等問(wèn)題，因此需要通過(guò)改進(jìn)空氣循環(huán)系統(tǒng)、優(yōu)化制冷和制熱控制系統(tǒng)等方式提高空氣能熱水器的整體效率。最后，選用熱泵時(shí)也需要考慮節(jié)能問(wèn)題，提高熱泵效率，減少能源浪費(fèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

智能化技術(shù)是提高太陽(yáng)能空氣能熱水器整體效率的關(guān)鍵，而控制系統(tǒng)的改進(jìn)是實(shí)現(xiàn)智能化的核心。智能化技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步提高太陽(yáng)能空氣能熱水器的整體效率。未來(lái)，太陽(yáng)能空氣能熱水器將更多地應(yīng)用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)、自適應(yīng)控制等功能，從而提高熱水器使用的便捷性和舒適度，提升智能化的水平。同時(shí)，太陽(yáng)能空氣能熱水器在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用也將不斷拓展，借助人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)將會(huì)實(shí)現(xiàn)更高效、更綠色的應(yīng)用。

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