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“无水箱”太阳能热水器实现新突破
来源: 新浪地产  时间:2014-09-02 15:23:55 作者:
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  受河南省科技厅委托,近些年,郑州市科技局组织有关专家,对锦彩无水箱太阳能项目进行了成果鉴定。鉴定委员会听取了研制单位的汇报,审查了相关资料,经质疑和讨论,一致认为:锦彩无水箱太阳能可实现集热储热一体化;在单个集热模块上加装保温防爆罩,实现了过热及破损防护;通过稳定可靠的控制系统和进出水管组合一体盖将集热过程中形成的压力逆流循环经冷水管路泄压,实现了无压集热,承压运行;采用模块化设计,可根据需要组合成相应系统。

  专家认为,锦彩无水箱太阳能具有模块化、标准化、集热和储热一体化、安装方便、运行安全可靠等特点。经国家太阳能热水器质量监督检验中心检测,该太阳能热水系统符合GB/T 19141-2011、GB26969-2011等标准的要求。经用户使用表明:锦彩无水箱太阳能性能稳定、外型美观、占用空间小,实现了建筑一体化安装要求,经济社会效益显著,推广应用前景广阔。鉴于锦彩无水箱太阳能“设计合理、技术先进,在玻璃法兰口真空集热管、进出水组合一体盖及法兰密封装置设计方面有创新,达到国内同类产品领先水平”,鉴定委员会同意通过鉴定。

  有水箱太阳能的罪与罚

  现有的太阳能与建筑一体化市场是“阳台壁挂分体式太阳能”的天下。然而,这款产品具有先天性的缺陷,我总结为“六宗罪”:一、有水箱,占空间,遭排斥;二、二次四级换热,吸热效果差,水温低;三、安装有角度要求,影响外立面;四、水箱寿命短且易漏水;五、介质必须两年一更换,否则系统瘫痪;六、顶出式混水,影响洗澡。

  其实,这些问题都不难解决。核心问题就在于取消水箱,而取消水箱的核心难题,就是解决好用于装水的闷晒容器。

  从集热原理来分,国内在取消水箱方面的探索形式分为真空管式和相变式两种。其中,对于真空管装水的闷晒容器的研究,已经有十多年的时间,但由于一些核心的技术难关无法逾越,许多探索者都失败了,教训很惨。从2002年起,我本人就致力于Φ58mm、Φ70mm真空管的研究,是国内首先生产Φ58 mm、Φ70 mm、Φ102 mm、Φ125 mm、Φ160 mm三腔、内置反射板真空管的个人和单位。经过不懈的努力,终于2009年底攻克了技术难关,研制成功了专利产品Φ125mm玻璃法兰口真空太阳能集热管,并以此作为模块,根据客户的不同需求,组装生产模块化无水箱太阳能热水系统。目前,有关无水箱太阳能的产品和系统,本人均已获得完整、连续的知识产权保护。有一些龙头企业,由于没能攻克技术难关,逐步放弃了对大管的研究,转而做起了相变式产品,也已推向市场,售价却高达1万多元/台。我认为,这是一种无奈的舍本逐末。

  我将以Φ125mm玻璃法兰口真空太阳能集热管为核心部件的锦彩无水箱太阳能的优势也总结为六条:一、无水箱,把阳台还给业主;二、直接换热,热水温度是有水箱产品的两倍;三、可垂直安装,能完美融入建筑;四、寿命达20年,是有水箱产品的两倍;五、无需换热介质,系统运行可靠;六、杜绝因混水导致水温低的技术难题。

  无水箱太阳能的由来

  无水箱太阳能并不是没有水箱,而是水箱和大口径真空管集热器合二为一,水装在大口径真空管里。它实际就是一台闷晒式热水器,但技术上有所创新、突破。

  上世纪80年代,市场上便有闷晒储水式热水器产品在售,结构很简单,一般有这么几种:一、黑色塑料或橡胶袋式;二、涂黑色的储水桶、箱式;三、涂黑大口径钢管并排放在箱体里,底部用岩棉类保温,上面加盖玻璃板,称为保温箱式,等等。上世纪90年代,随着平板太阳能热水器进入市场,在长江以南用得比较好,但价格比较较高,难以普及。这时的全玻璃真空管太阳能热水器是新产品,口径很小,规格都是内径37mm、外径47mm、长1.2米的——这就是原版的清华技术。

  真空管是太阳能热水器的核心,其结构如同一个拉长的暖瓶胆,内外层之间为真空。在内玻璃管的表面上利用特种工艺涂有光谱选择性吸收涂层,最大限度地吸收太阳辐射能。经阳光照射,光能转化成热能,传递给水,使水温升高。因热水比重小,向上运动,流向上部水箱中的上层,而比重大的冷水下降,流入真空管。不过,这样循环,造成冷热水的对流热损较大,而且,真空管里的水温要高于水箱5℃才能启动循环。比如,水箱里的水温是10℃,管内的水温是5℃,阳光必须将管内的水加热到15℃,才开始循环。特别是到了冬天,如果水箱里的水温是40℃,刚够洗澡,管内水温是10℃,阳光必须将管子里的水加热到45℃,才能循环。若阳光无法连续照射真空管,热水器将难以启动,这就是其阴天升温慢的原因。

  由于我国的水质不好,加上真空管口径小、温度高,随着热水器的使用,结垢会很严重。用不了多长时间,管内水垢就满了,热效率降得很低,返修率特别高。业内的解决办法,就是将管的直径加大,这就有了Φ58mm管、Φ70mm管,等等。

  待管径加大到70mm后,问题又来了。由于水量和管径是一个2次方函数关系,管径的变化带来了水量成级数的变化,水量大了,可吸热面积却相对小了,水从真空管到水箱里,上述必须有5℃温差才循环的“循环滞后效应”起动就更明显了,浪费的热能也更多。

  发现这种情况后,人们就想到,为什么非要这么循环?干脆把管子的直径加粗到能容下一定水量,把水箱取消掉,直接闷晒,不就行了吗?这就是无水箱太阳能的由来。

  实现了哪些突破?

  管径加粗,可以闷晒,密封问题就来了。

  由于整根管子变成了一个两层的闷晒容器,太阳照晒时,盛水的内管温度很高,直径发生很大变化(空晒需承受300℃左右的温差收缩变化),而外管是环境温度,直径不变化。于是,外管难以消化掉内管的膨胀力,就会爆管、漏水。这就是用大管闷晒的核心难题,多少年来,人们都解决不了。

  我们用法兰的形式解决了这个问题!

  我们将内外管合在一起,加工成一个法兰口,使内管的膨胀力充分地传导过渡给外管,从而彻底解决了管子因300℃左右的温差爆管问题。经过法兰口密封的大管子漏水问题也解决了,管子非常稳定。这就是我们的核心突破!

  所以说,我们的初衷并不是要搞什么颠覆,而是解决问题,没想到,由于大管问题解决得太好了,组装成的无水箱太阳能反倒形成了对有水箱太阳能最彻底的颠覆!

  大管的加工工艺和成品率

  我们普通太阳能所用的小管,壁厚通常是1.3~1.5mm。之所以采用这么薄的管,就是为了加工时让它快速溶解、快速焊接。

  我们无水箱太阳能所采用的是3.3的高硼硅玻璃管——这种管子咱们国家1985年以前生产不了,都是由美国康宁公司生产,壁厚3.0mm(内管和外管都是),法兰的厚度是9mm,法兰口的堆料量是65~85g。

  从理论上讲,3.3的硼硅料是不可高温常时间二次加工的。原因是,3.3高硼硅玻璃料性短,高温料性易变,二氧化硼易挥发。那么,怎么将这么粗的高硼硅玻璃管密封起来呢?经过不懈的摸索和努力,我们采用了一种可靠的工艺,让它在短时间内快速融化、快速焊接,确保熔接。目前我们的成品率是96%!一般小管的成品率(管理好的企业)是96%~97%。

  采用了一种什么“可靠的工艺”?

  再说就涉及到我们的商业机密了。我们的成品率已经达到96%,小管的成品率才不过如此,可见我们的工艺非常成熟。

  3.3硼硅料二次烧制加工本身就是一个难点,我们又增加了更难的法兰技术,因此,就3.3硼硅料加工法兰这个技术来说,一般厂家想达到这个工艺,确实有点难度。目前国内能做到,成品率还这么高的,除了我们,还没听说有第二家。因为这个法兰源自德国技术,而我们是德国菲斯曼公司的法兰供货商。正是因为受到很多给德国加工法兰的启发,在雄厚的法兰加工技术基础上,我们用了八年的时间,才探索出了3.3硼硅料壁厚3.0mmz中空双层玻璃法兰加工技术,具有一定的偶然性和不可复制性。

  无压集热、承压运行

  众所周知,水受热,水温度升高,体积增大,超过100℃就汽化,体积急剧膨胀,如不能解决这一问题,热水器将无法运行使用。

  业内解决闷晒式热水器因集热造成水温过高、压力过大的方法,通常就是装一个泄压阀,一个水汽分离阀,或者,在热水器管路高点加一个电磁阀通向大气。然而,如果热水器在阳光照射条件较大的状态下几天不用,所装的水将会沸腾,电磁阀在高温状态下大部分都不可靠。这是一个巨大的隐患。这一难题挡住了不少热水器同行。

  而我们的无水箱太阳能热水器将这些通用的原件统统都设置在热水管路之中,将无压集热、承压运行转化简便顺畅,并可根据光照条件,设定一个85℃上限65℃下限自动温控系统。当热水器温度到达85℃时,防爆遮阳一体罩将自动遮挡阳光,当温度低于65℃时,防爆遮阳一体罩自动打开。如遇极端状态,我们设有二级安全保护装置,即安全阀(0.3Pa)和终极安全保护防爆膜片(0.4Pa),这两个保护装置打开释放压力后,可确保热水器的安全。

  我们怎么解决“负压”?

  一般热水器负压多产生于密闭系统类热水器,而我们的热水器常态下非运行是和大气相通的,不存在负压;有压运行时,是和自来水系统相通的,更不存在负压现象;在极端状态下,我们的热水器设有防爆膜片(±0.4Pa)。

  无水箱太阳能怎么除垢

  在热水器的使用过程中,肯定会产生水垢。除了沈阳的水呈弱碱性,不产生水垢外,我国大部分地区的水都是弱碱性,都会结水垢。郑州用的是黄河地表水,水垢就更严重了。

  对此,我们采取的措施是,将进水口设计在下部,出水口设计在上部。由于水垢不能很厚地附着在玻璃上,如我们家里使用的暖瓶一样,都是结成很薄的片就脱落了。这样,底部进水的水流就会把这些薄水垢片带到出水口的下边,而出水口又很高,不会流出去造成水管堵塞。即便偶尔有一些小碎片进入出水口,由于我们用是4分的水管,畅通性很好,也不会堵。

  那么,水垢的量是多少呢?我们做的实验表明,像郑州,三年时间所结的水垢仅占到管容积的2%,很少,无需清洗。而同在郑州,在同样的条件下,小管三年时间所结的水垢能占到管容积的15%~20%,五年能占到60%,必须清洗一下。

  从清洗的方法来说,我们大管的口是螺纹,管口直径是72mm,和我们喝水的杯子口一样大,拧开后,很容易将水垢片倒出来。业主自己就可以操作,但我们还是建议由我们的售后服务人员操作,以免业主破坏其他配件。小管就不可能这么容易了。

  综上所述,无水箱太阳能必将成为太阳能与建筑一体化的趋势,是太阳能光热利用发展史上的一次革命!

标签:太阳能热水器 先天性缺陷 玻璃法兰口
编辑: 王梦瑶
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