新型太陽能平板集熱器設計及熱泵集成一體化系統探討

孫學斌

摘 要 本文綜述了一種新型供熱水系統，將太陽能平板集熱器與熱泵制熱系統有機結合，平板集熱器取代熱泵系統蒸發器，有效避免傳統蒸發器工作結霜等一系列技術難題，同時極大提升系統能效的技術優勢，是太陽能平板集熱器在節能領域的一大創新應用，具有廣闊的市場應用前景。

關鍵詞 太陽能；熱泵；平板集熱器；集成系統

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

目前，市場上熱水系統有電熱水器、燃氣熱水器、太陽能熱水器以及后來居上的空氣能熱泵熱水器等。這些系統或獨立或結合，前兩者市場保有量大，后兩者屬新能源符合國家提倡的節能減排政策大力提倡推廣，環保問題引起各界廣泛關注，新能源廣泛應用得到大家的廣泛共識。

但由于太陽能系統依靠“太陽”的輻照，集熱器熱效率轉換高，但天氣依賴性強，陰雨雪天或光照不強時，依靠電輔熱等其他能源加熱，消耗常規能源；而熱泵熱水器雖在上述條件正常制熱，但受環境溫度影響大，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，能兼顧太陽能集熱器與熱泵熱水器系統兩者優勢，還能解決蒸發器冬季結霜難題，進一步提升系統能效，是本系統研究重點，對節能環保有重要的推廣意義。

1 國內外熱水系統的發展概述

平板太陽能熱水器以其優越性在國內外特別是國外已有多年的應用史?？諝饽軣岜脽崴到y在國外發展較早，國內起步較晚但發展迅猛，近兩年來，以其節能優勢獲各地政府大力推廣，甚至延伸到北方的供暖領域。尤其到冬季供熱需求旺盛時，系統的能效偏低、耗電高、結霜問題一直困擾著行業技術人員。

2 平板集熱系統的技術創新

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，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濺射方式鍍氮氧化鈦作為吸收層，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）用潔凈醫用熱風循環烘箱，在70℃～80℃溫度條件下，持續30min～50min實施烘干處理；（5）將烘干銅箔集熱板置于所述鍍膜機鍍膜室內，且鍍膜機抽真空。真空室的真空度在1.0E-2到E-3Pa范圍內；（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，同時充N2、O2氣，鈦離子與N2、O2發生反應生成氮氧化鈦，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行射頻濺射。陰極接通直流電，向鍍膜室內充氬氣和氧氣，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，但磁控濺射的幾個限制條件還需繼續攻關。

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，這就對設備提出更高要求，也是國內磁控濺射發展攻關的地方：若用石英靶反應，由于石英靶不導電，需要實行射頻濺射，國內缺少這種需要負偏壓可達2 000V的中頻電源，并且還要有專業防護手段防備高頻泄露。若采用純硅靶與O2反應，用于快速抽真空的大口徑分子泵，產品技術還有待進一步研發。

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氣氛、磁場、真空、電子能量等因素高度一致，這也是采用連續鍍膜主要技術原因，這種連續傳動狀態下保持真空密封的研發正在進行。

2）對吸熱板芯技術改進。紫銅管焊接流道，傳導熱阻更低，熱傳遞工質摩擦阻力更小，熱管熱容量小，光動快，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%；結構牢固可靠、不銹蝕、不破損、壽命長、承壓能力大、耐冷熱沖擊、抗震動沖擊，四季均可使用。

3）創新開發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、免維護等優點。采用導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）產品采用雙循環系統，介質抗凍不結垢、無需鹽酸清洗、無腐蝕，對環境不產生污染，不堵塞管路，熱效率保持穩定不變；水箱主推立式夾套方式，循環進出口采用高度差設計，有效提高換熱效率。

3 帶平板集熱器的熱泵集成一體機技術創新

將上述平板集熱器作為系統吸熱部件，持續與陽光及空氣中熱量進行熱交換。內部為冷媒介質，汽化溫度很低，通過汽化循環不斷將熱量傳遞。周而復始，系統能效得到極大提升。更重要的是，由于太陽能平板集熱器表面溫度高，冬季等環境溫度較低時，也不會出現結霜等現象，解決了系統在環境溫度低時能效不高問題。

產品與國內外同類技術、產品的比較，如表1所示。

4 結論

新型與建筑一體化平板集熱器符合國家產業政策，產品對發展我國新能源具有十分重要的意義。該項目選定產品技術起點高，具有較高的附加值，項目經濟效益明顯。

平板集熱器作為熱泵系統熱交換關鍵部件，兼顧太陽能集熱器與熱泵熱水器系統兩者優勢，還能解決蒸發器冬季結霜難題，進一步提升系統能效，對節能環保具有重要的推廣意義。

參考文獻

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