新型太陽能平板集熱器設(shè)計(jì)及熱泵集成一體化系統(tǒng)探討

孫學(xué)斌

摘 要 本文綜述了一種新型供熱水系統(tǒng)，將太陽能平板集熱器與熱泵制熱系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，平板集熱器取代熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器，有效避免傳統(tǒng)蒸發(fā)器工作結(jié)霜等一系列技術(shù)難題，同時(shí)極大提升系統(tǒng)能效的技術(shù)優(yōu)勢，是太陽能平板集熱器在節(jié)能領(lǐng)域的一大創(chuàng)新應(yīng)用，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 太陽能；熱泵；平板集熱器；集成系統(tǒng)

中圖分類號 TU83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）11-0009-02

目前，市場上熱水系統(tǒng)有電熱水器、燃?xì)鉄崴?、太陽能熱水器以及后來居上的空氣能熱泵熱水器等。這些系統(tǒng)或獨(dú)立或結(jié)合，前兩者市場保有量大，后兩者屬新能源符合國家提倡的節(jié)能減排政策大力提倡推廣，環(huán)保問題引起各界廣泛關(guān)注，新能源廣泛應(yīng)用得到大家的廣泛共識。

但由于太陽能系統(tǒng)依靠“太陽”的輻照，集熱器熱效率轉(zhuǎn)換高，但天氣依賴性強(qiáng)，陰雨雪天或光照不強(qiáng)時(shí)，依靠電輔熱等其他能源加熱，消耗常規(guī)能源；而熱泵熱水器雖在上述條件正常制熱，但受環(huán)境溫度影響大，冬季等低溫天氣能效也不高，對電能的消耗也很大。綜上，研制一套系統(tǒng)，能兼顧太陽能集熱器與熱泵熱水器系統(tǒng)兩者優(yōu)勢，還能解決蒸發(fā)器冬季結(jié)霜難題，進(jìn)一步提升系統(tǒng)能效，是本系統(tǒng)研究重點(diǎn)，對節(jié)能環(huán)保有重要的推廣意義。

1 國內(nèi)外熱水系統(tǒng)的發(fā)展概述

平板太陽能熱水器以其優(yōu)越性在國內(nèi)外特別是國外已有多年的應(yīng)用史?？諝饽軣岜脽崴到y(tǒng)在國外發(fā)展較早，國內(nèi)起步較晚但發(fā)展迅猛，近兩年來，以其節(jié)能優(yōu)勢獲各地政府大力推廣，甚至延伸到北方的供暖領(lǐng)域。尤其到冬季供熱需求旺盛時(shí)，系統(tǒng)的能效偏低、耗電高、結(jié)霜問題一直困擾著行業(yè)技術(shù)人員。

2 平板集熱系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新

1）高耐候性磁控濺射選擇性吸收涂層。采用直流孿生靶真空濺射鍍膜機(jī)，以銅集熱板為基材，鈦靶為陰極，硅靶作為孿生靶，鈦靶在鍍鈦中采用反應(yīng)濺射方式鍍氮氧化鈦?zhàn)鳛槲諏?，孿生靶用來鍍氧化硅作為減反層，采用的射頻濺射方式。

鈦靶反應(yīng)濺射步驟：（1）銅箔集熱板正面處理；（2）去除銅箔正面的油污和氧化皮；（3）銅箔及熱板烘干；（4）用潔凈醫(yī)用熱風(fēng)循環(huán)烘箱，在70℃～80℃溫度條件下，持續(xù)30min～50min實(shí)施烘干處理；（5）將烘干銅箔集熱板置于所述鍍膜機(jī)鍍膜室內(nèi)，且鍍膜機(jī)抽真空。真空室的真空度在1.0E-2到E-3Pa范圍內(nèi)；（6）給真空室充氬氣，且給銅箔集熱板接通直流電，轟擊銅箔集熱板正面，去除銅箔集熱板正面殘存的氧化皮和附著的氣體；（7）給鈦靶接通直流電，鈦靶起靶濺射，同時(shí)充N2、O2氣，鈦離子與N2、O2發(fā)生反應(yīng)生成氮氧化鈦，且沉積粘合在銅箔集熱板正面而形成氮氧化鈦選擇性吸收膜。

硅靶射頻濺射：在氮氧化鈦選擇性吸收膜表面鍍二氧化硅保護(hù)膜，以石英靶作為第二陰極，作為孿生靶，采用中頻電流方式進(jìn)行射頻濺射。陰極接通直流電，向鍍膜室內(nèi)充氬氣和氧氣，石英靶起靶濺射且沉積粘合在所述氮氧化鈦選擇性吸收膜表面形成二氧化硅保護(hù)膜。

目前在平板鍍膜方面已取得磁控濺射膜系部分階段成果和部分專利，但磁控濺射的幾個(gè)限制條件還需繼續(xù)攻關(guān)。

首先，成熟用于平板的磁控濺射膜系基本都是硅基膜系，無論金屬如何變，但都用SiO2作為減反層，這就對設(shè)備提出更高要求，也是國內(nèi)磁控濺射發(fā)展攻關(guān)的地方：若用石英靶反應(yīng)，由于石英靶不導(dǎo)電，需要實(shí)行射頻濺射，國內(nèi)缺少這種需要負(fù)偏壓可達(dá)2 000V的中頻電源，并且還要有專業(yè)防護(hù)手段防備高頻泄露。若采用純硅靶與O2反應(yīng)，用于快速抽真空的大口徑分子泵，產(chǎn)品技術(shù)還有待進(jìn)一步研發(fā)。

其次，整板鍍膜是趨勢，保持整板性能的一致性就要求濺射空間內(nèi)氣氛、磁場、真空、電子能量等因素高度一致，這也是采用連續(xù)鍍膜主要技術(shù)原因，這種連續(xù)傳動(dòng)狀態(tài)下保持真空密封的研發(fā)正在進(jìn)行。

2）對吸熱板芯技術(shù)改進(jìn)。紫銅管焊接流道，傳導(dǎo)熱阻更低，熱傳遞工質(zhì)摩擦阻力更小，熱管熱容量小，光動(dòng)快，在天氣陰睛多變的情況下，比其它熱水器吸熱能力高20%～30%；；選擇性干涉涂層，吸熱效果好，吸收率αmax=94.5%，εmin=3%；結(jié)構(gòu)牢固可靠、不銹蝕、不破損、壽命長、承壓能力大、耐冷熱沖擊、抗震動(dòng)沖擊，四季均可使用。

3）創(chuàng)新開發(fā)的超純鐵素體不銹鋼整板虹吸金屬流道具有極高的熱效率和高耐候性及使用壽命長、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。采用導(dǎo)熱性高的超純鐵素體不銹鋼做整板虹吸金屬流道的雙面用千噸級液壓機(jī)拉伸出虹吸的金屬流道形狀，虹吸的金屬流道周邊用鎢極氬弧焊焊接。

4）產(chǎn)品采用雙循環(huán)系統(tǒng)，介質(zhì)抗凍不結(jié)垢、無需鹽酸清洗、無腐蝕，對環(huán)境不產(chǎn)生污染，不堵塞管路，熱效率保持穩(wěn)定不變；水箱主推立式夾套方式，循環(huán)進(jìn)出口采用高度差設(shè)計(jì)，有效提高換熱效率。

3 帶平板集熱器的熱泵集成一體機(jī)技術(shù)創(chuàng)新

將上述平板集熱器作為系統(tǒng)吸熱部件，持續(xù)與陽光及空氣中熱量進(jìn)行熱交換。內(nèi)部為冷媒介質(zhì)，汽化溫度很低，通過汽化循環(huán)不斷將熱量傳遞。周而復(fù)始，系統(tǒng)能效得到極大提升。更重要的是，由于太陽能平板集熱器表面溫度高，冬季等環(huán)境溫度較低時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜等現(xiàn)象，解決了系統(tǒng)在環(huán)境溫度低時(shí)能效不高問題。

產(chǎn)品與國內(nèi)外同類技術(shù)、產(chǎn)品的比較，如表1所示。

4 結(jié)論

新型與建筑一體化平板集熱器符合國家產(chǎn)業(yè)政策，產(chǎn)品對發(fā)展我國新能源具有十分重要的意義。該項(xiàng)目選定產(chǎn)品技術(shù)起點(diǎn)高，具有較高的附加值，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益明顯。

平板集熱器作為熱泵系統(tǒng)熱交換關(guān)鍵部件，兼顧太陽能集熱器與熱泵熱水器系統(tǒng)兩者優(yōu)勢，還能解決蒸發(fā)器冬季結(jié)霜難題，進(jìn)一步提升系統(tǒng)能效，對節(jié)能環(huán)保具有重要的推廣意義。

參考文獻(xiàn)

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