双层内胆太阳能热水器的开发与应用

于彤娟 曲行锴 王振宇 孙赫佳 孙家栋

（1、大连三洋冷链有限公司 大连 116600；2、赛德隆国际电器（中国）有限公司 大连 116318；3、大连派思燃气系统股份有限公司 大连116600）

1 前言

目前国内热水器产品主要有电热水器、燃气热水器、太阳能热水器和空气能热水器。热水器市场仍然以传统的电热水器和燃气热水器为主导，伴随着近几年房地产市场的火爆发展，电热水器、燃气热水器行业都得到了快速发展，并且渐渐趋于饱和。然而，2009年太阳能热水器“下乡”，标志着太阳能热水器得到国家认可，中国太阳能热水器行业已迈入新的时代。未来5-10年中国太阳能热水器市场保有量仍将保持20%以上的增长率。

太阳能热水器行业经历了近几年快速发展，目前年生产量是欧洲的2倍，北美的4倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场。但伴随着家电下乡队伍的壮大，太阳能热水器市场的品牌数量迅速达到了惊人的4000个左右。品牌集中度太低、产品品质良莠不齐也成为制约太阳能热水器产业健康、快速发展的瓶颈。

新一代的太阳能热水器要有更多的技术创新才能给消费者更多的信心。首先在加热方式上，普通太阳能热水器主要是利用平板或真空管吸收太阳能量，对管内的水进行加热，而新型的太阳能热水器必须利用蓄热介质吸收太阳能，并且进行热量蓄积，然后对内层储水桶进行持续加热；其次在加热时效上，普通太阳能热水器只能进行即时加热，比较容易受到天气及季节的影响，而新型的太阳能热水器要做到用蓄积的热量对水进行四次甚至更多次加热，即使在长时间阴雨天气仍能使用；最后是在热水器结构上，普通太阳能热水器是单层保温，集热管与储水桶相通，实现水的循环流动，而新型的太阳能热水器则要做到双层,内层为储水桶，外层为循环传热介质，然后通过发泡层保温，达到双层保温的效果。太阳能行业发展早期技术不完善，没有安装电加热装置，但是随着科技创新的成熟以及消费者要求的增加，现在太阳能热水器大部分都安装了电加热装置，这样太阳能热水器就具备了电热水器的功能。但是，随着这种光电互补技术的普及，不锈钢内胆在电热水器领域出现的“易腐蚀”、“水质易变坏”的问题事故在太阳能热水器上也经常出现，一定程度上引起了消费者对整个太阳能行业的质疑。因此，具备“水质洁净、健康耐用”特性的搪瓷内胆在太阳能行业的全面推广是必然趋势。在国际市场上，注重健康成为消费者的共识，搪瓷内胆太阳能热水器成为国际市场首选产品。

2 太阳能的相关概述

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

太阳能资源具有普遍、无害、巨大、长久的优点；也具有分散性、不稳定性、效率低和成本高的缺点。

随着能源形式的变化，常规能源的贮量日益下降，其价格必然上涨，而控制环境污染也必须增大投资。大力开发新能源和可再生能源的利用技术将成为减少环境污染的重要措施，向新能源过渡的时期迟早要到来。从长远看，太阳能利用技术和装置的大量应用，也必然可以制约矿物能源价格的上涨。因此，太阳能利用也可以解决很大的经济问题。

太阳能辐射数据可以从县级气象台站取得，也可以从国家气象局取得。从气象局取得的数据是水平面的辐射数据，包括：水平面总辐射，水平面直接辐射和水平面散射辐射。从全国来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在4 kWh/㎡以上，西藏最高达7 kWh/㎡。

就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电等方式。

早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分自然循环式和强制循环式两种。

3 太阳能热水器结构分析

太阳能热水器按使用分类，可分为季节性热水器、全年性热水器以及有辅助热源的全天候太阳能热水器。按集热器原理和结构可分为平板型热水器和真空管热水器。按工质流动方式不同，一般分为闷晒型、循环型和直流型三种。按承压方式，目前分非承压与全承压式太阳能热水器。其中非承压以100-300升为主要容积，全承压以工程及大容积为主。趋势是由目前的整体式向分体式发展，水箱由非承压式向全承压式过渡。太阳能热水器将有由三季度使用向全年全天候使用发展，由以提效率为主向高性能、长寿命发展。在我国北方地区，带辅助加热系统的太阳能热水器将成为市场的主流产品。随着管路防冻保温技术的发展，太阳能热水器系统运行会更趋可靠。自动排空阀的推广、伴热带的应用，是太阳能热水器防冻抗冬的两大技术进步，并因而成功的解决了太阳能热水器在北方的冬季应用问题。各种电子装置将在太阳能热水器上更多的应用，使用会更趋方便。如：电子水温显示、电子水位显示、自动排空装置、电子流量计等。未来几年，还会出现全自动调节出使用者所需要的水温与水压的全智能人性化的太阳能热水器。

未来太阳能热水器市场将呈现多元化。首先与房地产业、建筑业结合会更趋紧密。随着小康住宅的建设，太阳能热水器直接进入家庭，将构成市场销售的主渠道。

其次，家电连锁销售企业的逐步介入，预示着太阳能热水器已经进入大众消费市场，将作为一种家用必需品普及。

三是各种类型的太阳能热水器淡旺季销售趋于平衡。工程采购将拉动秋冬季太阳能热水器本该为淡季的市场销售，从而使得该行业旺季更旺，淡季却不淡。

四是行业内出口企业增多，出口量加大。

4 双层内胆太阳能热水器技术及优势

太阳能双层内胆换热水箱，是承压式太阳能双层内胆换热水箱，除具有普通太阳能热水器节能减排、净化空气的功能外，还具有内胆使用寿命相对可以延长、不易漏水、换热面积大、效率高、保温性能好，生产成本低、加工工艺简单、符合环保要求等多项特点。

另外，承压分体式太阳能热水箱已经是一种成熟的产品，在国内已经有热水器厂生产这种产品7年多了，他们的存在给我们的研发提供了参考，同时也让我们研发太阳能热水器充满信心。值得特别说明的是，我们的双层内胆换热式热水器已经通过了专利申请（专利号ZL 2008 2 0231242.1），并且得到国内外很多同行和客户的认可。下面对双层换热太阳能热水器结构进行介绍。

里层内胆是设有进水管和出水管的普通热水器内胆，里层内胆的壁是有内腔的双层结构（即外层内胆），在里层内胆上设有与外层内胆相通的介质输出管及介质进入管。里层内胆的壁可以全部是由外层内胆的双层结构，也可以将外层内胆分别设置在里层内胆侧壁和封头（一侧或两侧）的两部分，两部分之间用介质导管相连。可以在里层内胆内设置加热管，以便当热介质不能及时与里层内胆中的冷水实现热交换时，加热里层内胆中的冷水，供用户使用。具体结构如图1。

具体加工方法可在普通内胆的中桶外增加一个稍大尺寸的外桶，该外桶与普通内胆中桶焊接在一起，在侧壁上形成一个环形柱状的空腔；同时在内胆的封头外（一侧或两侧）再焊接一个尺寸稍大的封头，该封头与普通内胆封头之间也形成另一个封闭空腔；通过一个介质管子将两个空腔连接在一起。

在里层内胆上，可同现有技术一样安装阳极棒和泄压阀等部件，电控部分可以和太阳能系统或热泵系统连接在一起。

本双层内胆换热水箱与太阳能热交换系统的连接如图2所示，现有200L换热式热水器可以安装1m2换热面积，而本双层内胆太阳能热水器200L可以安装1.5～2 m2换热面积。

此双层内胆太阳能热水器较一般太阳能热水器有其独具的创新之处：

·承压式设计：出水强劲，满足按摩式洗浴，提高洗浴舒适度。

·搪瓷双层内胆：内胆搪瓷，防腐、防锈，优化水质，满足生活用水。双层内胆，除了可以解决单层内胆寿命短的难题外，还具有外胆换热面积大，效率高，且其加工工艺较简单，具有一定的成本优势。

·光、电双能源：在阴雨连天或者阳光照耀不足时，有电辅助加热，可保证系统全天候提供热水。

·分体设计：安装灵活方便，不受楼层限制，便于维护。

·采用U型管和防冻储能技术：真空管内不走水，不冻管、不炸管、不结垢，大大提高了热效率。

·智能控制，防漏电隔离“安全墙”：操作简便，安全可靠。

·横立两用，随意选择：80L、100L的热水器可以横立两用，方便用户多种选择。

·独创专利：该产品采用了我公司的专利双层内胆(专利号ZL 2008 2 0231242.1，2008年12月申请，2009年10月授权并公告)，具有换热效率高，用料省，工艺简便，质量可靠的特点。

·安装简单,占地面积小：可安装在阳台上,不需要循环泵。

5 介质循环隔板结构介绍

为了安装方便，现有的双层内胆水箱，无论是立式还是横式，其介质进口与介质出口均安装在介质腔的同侧，导致部分介质未经过全面热交换就近从介质出口流出，减少了换热面积、降低了热转换效率。为了解决现有技术所存在的上述问题，我们在两层内胆中间的空腔内设有位于介质进口与介质出口之间的竖直隔板，竖直隔板的上面留有介质通道；在介质进口的另一侧还设有第二竖直隔板，第二竖直隔板的上面留有第二介质通道。该结构所设置的竖直隔板，限制了介质循环路径，阻止介质未经过全面热交换而直接从介质出口流出，可有效增加介质的换热面积，提高热转换效率，减少能量损失。该结构已经申请实用新型专利（专利号ZL 2010 2 0555174.1），并且通过了试验验证，全面实现外层内胆的全面积换热。具体结构如图3。

如图3所示：同现有技术一样，里层内胆（横式或立式）与外套之间有介质腔，与介质腔相通有位于同侧的介质进口和介质出口，与现有技术所不同的是在所述介质腔内设有位于介质进口与介质出口之间的竖直隔板，竖直隔板的上面留有介质通道。竖直隔板的高度可根据需要而定，但要保证即能正常工作，又具有最大换热面积。在介质进口远离介质出口的另一侧还设有第二竖直隔板，第二竖直隔板的上面留有第二介质通道。

6 太阳能双层内胆热水器的应用

为了提高市场竞争能力，双层内胆太阳能热水器在应用方面正致力于技术方面的一些新突破，如目前正在开发的两种高端综合型的太阳能热水器： 一种是太阳能/热泵/电综合型热水器（如图4），另一种是太阳能/燃气/电综合型热水器（如图5）。前者的技术特点是相对于电辅助加热太阳能热水器，该产品更节能，由于热泵热水器可以在阴天雨天工作，故其能效比一般都大于3%；后者的技术特点是燃气热水器具有功率大、加热快的特点，该产品结合燃气热水器，能够使用户在光照不足电加热无法满足热水需求的情况下快速补充热水。

7 结论

太阳能双层内胆的加工工艺就是在现有电热水器内胆外侧增加了一层外层胆，成本只增加了部分钢材的费用和一部分制造成本，其单台成本比电热水器增加300-500左右。再加上双层内胆太阳能热水器使用成本低廉，体积小巧，其市场前景是非常广阔的。

综合以上情况，双层内胆太阳能热水器的投产后，将会产生极大的经济效益和社会效益。

[1] 于彤娟，太阳能双层内胆热水器开发可行性报告，赛德隆国际电器（中国）有限公司，2009；

[2] 中国国家标准化管理委员会，多能源组合热水器（送审稿），2009.