两种家用一体式太阳能热水器的应用分析

2023-06-15王帅

现代家电 2023年5期

■ 王帅

我国的太阳能热水器主要有真空管型和平板型两种。到2021年底，新增太阳能热水系统总量2705.2万平米，其中，真空管型太阳能热水系统销量1994.5万m2，占73.7%，平板型太阳能集热系统销售710.7万m2，占26.3%，其中，民用建筑热水和零售市场约占总销量的80%。

如果仅从市场份额的变化来看，在过去的7年，平板太阳能热水器的市场份额一直在提高，从2010 年的6%提高到2021 年的26%，市场份额提高了4 倍多，在太阳能热水市场的竞争力和话语权逐渐增强。太阳能热水器可以安装到建筑物的屋顶和阳台上，现在国内的大部分太阳能热水器是安装在屋顶，有分体式和一体式两种，为用户提供生活热水。

一体式真空管型热水器和平板型热水器的产品结构

一体式真空管型热水器和一体式平板型热水器均由集热部件，水箱，支架三部分组成，如下图1、图2所示。太阳能热水器的支架用以固定水箱及集热单元，需要具有一定的强度和抗腐蚀性能，大多采用喷塑钢板、不锈钢、铝合金型材等。

图1 一体式真空管型热水器

图2 一体式平板型热水器

集热单元。真空管型热水器的集热单元是全玻璃真空太阳能集热管，如图3所示。全玻璃真空太阳能集热管内、外管之间的夹层抽成高真空，真空度应小于或等于5×10-2Pa，内管外壁上具有太阳选择性吸收涂层，吸收涂层将太阳的辐射能转化成热能，吸收率可达92%以上，热能通过内管的传导加热管内流体。现有真空管的外管外径58mm，常见长度有1800mm、2100mm等规格，真空管的空晒温度可达250℃，长期不用时需对真空管进行遮挡，以免造成水箱及保温层的损坏。

图3 全玻璃真空太阳能集热管结构

平板型热水器的集热单元是平板集热器，结构如图4所示。吸热部件为吸热涂层基板，一般为铜或铝，吸热板表面上有太阳选择性吸收涂层，涂层有蓝膜、黑膜等，蓝膜的吸收率可达92%以上。吸热板下为集分水器流道，流道与基板进行焊接，涂层将太阳的辐射能转化成热能。热能加热流道内的流体一般为防冻液，流道下是聚氨酯保温层，可以防止热量的散失，上面为高透光的钢化玻璃盖板，四周是边框，下面是背板。背板的常见规格有2350mm×900mm、2000mm×1000mm、5960mm×2520mm等多种规格，平板集热器的空晒温度可达150～220℃，长期不用时也需对平板集热器进行遮盖。

图4 平板集热器

水箱。真空管型热水器的水箱大部分是非承压水箱，如图5所示。内胆采用SUS304不锈钢，厚度0.4mm，真空管常见孔距有75mm、78mm、80mm，水箱直径360mm左右，聚氨酯保温层的厚度40～60mm，采用高压聚氨酯发泡工艺，外壳采用彩钢板、铝合金或不锈钢，在水箱上安装上下水口。以市场上常见18只1.8米真空管热水器为例，水箱孔距75mm，水箱容积140升，水箱重量为28公斤。

图5 真空管型热水器水箱

平板型热水器水箱大多采用承压水箱，如图6所示，使用1.8mm搪瓷钢，采用湿法搪瓷工艺进行通体搪瓷，内胆耐压在10kg以上，在水箱外径上安装夹套，夹套采用1.2mmSPCC钢板，内注入防冻液，根据热水器安装地域的气候条件选择适合的防冻液型号。聚氨酯保温层的厚度40～60mm，采用高压聚氨酯发泡工艺，外壳采用彩钢板。以市场上常见120升水箱为例，需配2000mm×1000mm平板一张，水箱内径370mm，夹套层外径386mm，水箱外壳外径，水箱重量可达55kg。

图6 平板型热水器水箱

真空管型和平板型热水器的系统构成及特点

真空管型和平板型热水器，均需要通过水管将室内的冷水输送到水箱内，在使用时将水箱内的热水输送到室内，可选配控制仪，显示水箱的水温、水位，组成太阳能集热系统，系统图如图7、图8所示。在水箱内配备电加热器，可以在需要的时候对水箱进行加热，获得温度适宜的生活热水。

图7 真空管型热水器系统图

图8 平板型热水器系统图

上水方式。真空管型热水器采用单管上下水的方式，水管大多选择四分、六分铝塑管，现在的大部分用户会安装水温、水位控制仪，显示水箱的水温及水位，带自动上水功能，可以根据天气情况设置上水水位及上水时间，也有部分用户不安装控制仪，会增加溢流管，水箱水满溢流管排水，然后关闭上水阀。

平板型热水器采用冷水进、热水出的双管进出水方式，顶水运行，水管大多选择四分铝塑管，水箱常满，水温探头不与水箱的水接触。

运行压力。真空管型热水器由于采用自然落水的方式，出水压力和流量直接受安装位置和用水点的高度差有关，顶楼用户的水位高差约3米，实际出水量只有3-5升/分，高差为10米时，实际出水量约6-10升/分，出水量偏小，在太阳能水温比较高的时候，由于太阳能的热水与自来水的冷水压力差距较大，会出现水温调整比较困难的情况。

平板型热水器水箱承压，出水压力和进水压力几乎相等，以自来水水压0.4Mpa为例，出水量约为12-15升/分，由于系统承压，太阳能的热水与自来水的冷水压力差距很小，水温调整比较方便，洗浴时的舒适性较好。

系统效率。天津大学周志华老师在天津搭建平台进行测试，得出结论，在测试条件相同情况下，无论典型日还是全年平均值，平板式热水器集热效率均高于真空管式，日出东方集团检测中心通过测试真空管型和平板型热水器在典型日的热损因数和及热效率。（见下表1、表2），可以看出平板型热水器的热损因数变化较小，真空管型热水器的热损因数受环境影响较大，平板型热水器的单位面积集热量和集热效率相比于真空管型热水器更高。

表1 真空管型热水器典型日测试数据

表2 平板型热水器典型日测试数据

使用区域。真空管型热水器可以在全国进行销售，在北方只要做好管路的防冻，即使在极寒地区，也能提供热水。第一代平板型热水器，由于热水器的流道内充满水，只能在南方部分区域销售，随着新结构产品的出现，流道内的介质是防冻液，在河北、山东、甘肃、辽宁、西藏等北方区域使用，在冬天仍能提供热水，不过产品在极寒地区推广较少，应用案例较少。

系统成本。通过走访市场和参考网上的产品销售价格，可以看出真空管型的价格低于平板型。（具体见下表3）。

表3 真空管型与平板型价格对比

经济性。家庭热水器的种类主要包括燃气热水器、电热水器、太阳能热水器，对比三种热水器的经济性，以江苏省连云港市自来水年平均温度为17 ℃，居民每天的热水用水量100 L，热水水温40 ℃，那么加热这些水全年所需热量Q[5]为

公式中，Cp＝4.2 kJ/（kg·K）；v为每天用水量，L，取v=100 L；ρ为水的密度，取ρ＝1000 kg/m3，t r为热水温度，取tr＝40 ℃，tlp为冷水年平均温度，℃，取tl＝17 ℃，n为全年用水天数，取n=360天

将以上参数代入后，Q＝3478 MJ

考虑到太阳能热水器，一年有10%的时间会因为天气等原因，需要启动电加热，分析三种产品的费用情况见上表4。其中电热水器产品价格最低，但其运行成本最高；真空管型太阳能热水器年运行成本最低；平板型太阳能热水器产品价格最高，年化成本相比燃气热水器和电热水器都低，使用舒适度上，平板型太阳能热水器与燃气热水器和电热水器相当。

表4 热水器运行参数对比表

故障维护。2000年后，多数品牌的家用太阳能热水器产品质量均有明显进步和提升，寿命期都超过了15年，有的已经使用了20年以上。

真空管型热水器常见问题有四点：

真空管积垢问题，部分地区每隔2～5年需要清洗；由于上水不当会造成真空管的破损，更换成本达100元/根［5］；温控仪的水温水位探头长期放在高温水中，容易损坏；用户水箱选择偏大，春夏秋三季水温太高，用水温度调节困难。

平板型热水器常见问题有二点：不同区域辐照不同，防冻液的注液量要区别安装，否则会因为防冻液温度太高造成水箱涨箱；平板面积大，防风能力稍差。

从一体式真空管型和平板型太阳能热水器的产品结构和系统构成集特点可以看出，真空管型具有结构简单、使用区域广、推广量大的优点，但也存在水流量小，使用感偏差的缺点；平板型具有承压顶水运行、水流量大，使用方便舒适的优点，但也存在重量大、价格贵、使用区域窄，用户量少的缺点。

目前国内外能源价格持续走高，“碳达峰、碳中和”目标需要落实，太阳能热水在中国仍然有一定的市场。在我国的部分农村市场，太阳能仍然为农户安装热水器的首选产品。2021年6月，住房和城乡建设部等15部门印发《关于加强县城绿色低碳建设的意见》，要求县城新建住宅以6层为主，多地政府积极享用，出台具体措施。比如，福建省提出，倡导低碳生活方式，加大城镇建筑可再生资源应用，提出具备日照条件的居住建筑优先推广应用太阳能热水系统，可以看出一体式太阳能热水器正在迎来新的发展机遇。

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