浅析家用平板太阳能热水器发展新机遇

　　太阳能热水器的新机遇

　　推进生态文明建设是中国今后几年经济社会发展的基本目标之一，可再生能源利用作为生态文明建设的重要措施，得到各级政府部门的积极推进。太阳能热利用技术是目前实际应用最多、并在经济性上能与常规能源相竞争的可再生能源利用技术。2013年5月10日，工业和信息化部发布了《工业和信息化部关于促进太阳能热水器行业健康发展的指导意见》，提出通过加强太阳能热水器在城镇市场的推广应用，优先推广高效太阳能热水器;到2015年，太阳能热水器在整个热水器行业(包括电热水器、燃气热水器、太阳能热水器)的比重超过40%，能效2级以上产品的市场占有率达到50%。

　　太阳能热利用是可再生能源利用的重要领域，中国太阳能热利用最成熟的产品是太阳能热水器。近几年，太阳能热水器行业快速增长。据统计，2012年，太阳能热水器产量约为4968万平方米(约合2484万台)，实现销售收入400多亿元，提供就业机会30多万个。以2012年全国太阳能热水器保有量为2亿平方米测算，每年可节能3000万吨标准煤，减少二氧化碳排放7470万吨，具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。

　　中国太阳能热水器行业已经形成机械装备、原材料加工、太阳能集热管、集热器等核心零配件以及热水器整机装配、生产、市场营销、安装服务等相互配套的产业链，并形成以重点区域为中心的太阳能热水器产业集群，涌现出多家品牌企业。到2015年，行业将培育3家年产销量超过500万平方米(250万台)的龙头企业，培育5家以上年产销量超过200万平方米(100万台)的企业。

　　平板太阳能热水器重焕生机

　　平板太阳能集热器是最早出现的太阳能集热装置，尽管早在17世纪后期已被发明，但是直至20世纪60年代才真正进入实际应用。在中国太阳能热利用技术发展过程中，平板式太阳能集热器是最早得到应用的产品，曾一度占据中国太阳能热水器市场统治地位。但是，由于初期产品技术和结构的缺陷，这种产品的发展并不顺利。近十年，全玻璃真空管集热器的生产成本大幅降低，而平板太阳能集热器的生产成本却没有明显下降。同时，在全玻璃真空管太阳能热水器生产厂及商家的宣传推动下，平板太阳能热水器受到巨大冲击，市场份额一度下降为10%左右。

　　随着平板集热器制造技术的进步和节能减排要求的提高，中国平板太阳能热水器的产量从2004年开始逐渐回升。由于统计口径不同，目前国内市场平板太阳能热水器的市场份额数据差异较大，较为保守的估计为12%左右，乐观的估计约为35%，一般认为以25%作为分析的基础数据较为恰当。

　　全玻璃真空管太阳能热水器使用中逐渐暴露出的问题，让人们重新把眼光转向平板太阳能热水器。自2009年起，中国太阳能热水器市场在政策驱动下快速发展。按照中国太阳能热利用行业协会的统计，近几年，太阳能热水器行业年产销量平均增长幅度超过30%，除了农村市场销量保持增长，支撑行业高速发展的主要动力还来自城镇住宅用户和工程应用领域需求量的迅速增长。在城镇市场，平板太阳能热水器具有明显的应用优势，这令平板太阳能热水器的市场规模在近三年以年均50%左右的速度增长。以30%的年增长率估算，到2015年，平板太阳能热水器的市场规模将发展为目前的2倍左右，市场份额约为30%~40%。这与工业和信息化部关于调整产品结构的规划是一致的。目前，欧美及日本市场平板太阳能热水器的份额约为90%，这一局面已经维持多年，估计今后几年也不会有太大变化。

　　平板太阳能集热器的优点是安全性好、易于与建筑物一体化安装。同时，平板式太阳能集热器具有较强的耐压能力，适用于承压系统。在城镇住宅用户和工程应用领域，承压系统的优势显而易见。

　　同时，平板太阳能集热器的各项技术已达到较高水平，产品性能大幅提高，市场竞争力显著增强。以往，平板式太阳能集热器的不足主要是冬季难以获得较高温度的热水。然而，在现有技术水平下，当集热器内的水温低于50℃时，平板型集热器的瞬时热效率大于真空管集热器。平板太阳能集热器的平均日效率为48%~58%，全玻璃真空管太阳能热水器的平均日效率为45%~55%。在相同条件下，平板太阳能热水器在南方冬季的平均日效率略高于全玻璃真空管太阳能热水器。按全年使用效果考核，在相同条件下，采用平板型集热器的太阳能热水器能够提供更多的热水。中国平板太阳能热水器将再次进入快速发展时期。

　　平板太阳能吸热涂层

　　平板太阳能吸热涂层的质量问题近年来备受关注。2013年7月，中国太阳能热利用产业联盟召开了全国平板太阳能集热器板芯涂层质量分析交流会，国内主要平板集热器生产企业进行了深入交流。尽管各家企业的情况以及对各种材料的认知差异较大，但是交流中企业普遍认为，没有一种涂层具有全面优于其他涂层的优势，涂料涂层、阳极氧化、黑铬、蓝膜(真空磁控溅射金属镀膜)均有存在的合理性，不应简单地将某一类涂层评价为先进或落后;对于太阳能低温应用，发射率的作用并不显著，在中国现有应用条件下，耐候性是更为重要的问题。

　　目前蓝膜材料的代表性生产企业是德国TINOX、BULETEC、ALANOD公司等。蓝膜具有较高的发射率和较低的吸收率，是目前热性能最好的涂层材料。但是，蓝膜存在一个突出问题，就是耐候性明显不如其他涂层材料。一些德国的蓝膜材料生产企业指出，欧洲并不对蓝膜材料进行盐雾试验，这主要是因为整板制造商一般认为涂膜通常不会在类似盐雾的环境下工作。蓝膜材料生产企业声称，这类产品在欧洲地区的使用寿命不少于25年，关键是整板设计合理以及太阳能集热器的运行条件符合预期要求。对于中国的太阳能集热器整板生产企业而言，在设计和制造过程中能够多大程度符合蓝膜材料的应用要求，是一个不可回避的问题。从行业调查数据可以看出，使用同一种蓝膜材料，不同整板企业形成的数据差异较大。有的企业表示，使用蓝膜的集热器与其他集热器在故障率方面并无明显差异;而有的企业的情况正好相反，使用蓝膜的集热器的故障率比其他集热器要高得多。目前，国内已有多家企业生产蓝膜材料，但是至今多数国产蓝膜的热性能与进口产品存在明显差异，在耐候性方面的差距更大。

　　黑铬是目前国内平板太阳能集热器涂层的主要材料。高质量的黑铬涂层不仅具有良好的耐候性，而且热性能与进口蓝膜材料十分接近。据某企业介绍，自2006年开始生产黑铬涂层材料以来，从未发生因涂层产品功能遭到物理或化学破坏而造成损失的问题。其他企业提供的信息也比较一致，无论是热性能还是耐候性，高质量的黑铬是目前国内太阳能集热器比较理想的涂层材料。但是，黑铬生产过程可能产生环境问题，这是影响该类材料发展的重要因素。

　　阳极氧化涂层材料在几种常用材料中使用历史最长，一些资料对其热性能和耐候性的评价较低。但是，国内企业近年来在阳极氧化技术方面取得了突破，较好地解决了热性能和耐候性问题。业内企业对目前质量水平较好的阳极氧化涂层材料评价较为正面。从实际应用情况来看，国内一些太阳能热水工程项目已经投入使用10年，其阳极氧化涂层至今仍然保持了良好的性能。据了解，在日本市场，采用阳极氧化涂层的太阳能集热器的比重超过40%。

　　近年来，德国和日本企业均在向中国市场推销涂料型涂层。涂料型涂层的突出特点是具有良好的耐候性，能够耐受500小时以上的中性盐雾试验，同时具备良好的抗紫外线能力，可以满足正常条件下使用15年的要求。日本国内太阳能应用数据显示，经测试，从用户正常使用超过20年的太阳能集热器上拆卸下来的吸热体，主要技术指标基本保持不变。目前使用涂料型涂层最多的地区是日本，市场占有率约为40%。涂料型涂层的涂装工艺分为预涂型和后涂型。其中，采用后涂型吸热体的太阳能集热器具备以下特点：吸热板与流道之间采用超声波焊接工艺连接，传热性能好;采用吸热板与流道先焊接后涂装的工艺，避免了焊接过程损伤吸热体表面，吸热体表面得到充分利用;由于采用超低流量喷涂技术，吸热涂层均匀一致，保证了整个吸热表面热性能的一致性。而预涂型的整板生产工艺与使用蓝膜相同，整板生产企业可以节省涂装设备的投资。

　　不同涂层材料的吸收率比较接近，较高的为95%左右，最低的也可以达到92%;而发射率的差异较大，较高的达到20%，较低的仅为5%。太阳能热水器行业曾出现以发射率区分涂层优劣的提议。但是，有不同意见认为，在太阳能低温利用领域，例如生活热水供应，发射率对集热器效率的影响较小，而对于多数集热器生产企业和系统承包企业而言，较高的耐候性对于降低维修率意义重大。

　　据企业提供的数据，就用于制取生活热水的太阳能热水器而言，采用吸收率/发射率为95%/5%的蓝膜和采用吸收率/发射率为92%/20%的涂料膜，在整板其他设计和制造条件相同的情况下，热效率差异一般在2%以内，多数情况下差异约为1%。从实际应用效果来看，在北方地区冬季运行条件下，前者获得的热水温度比后者高5℃左右;而在北方地区其他季节或者在其他地区应用时，前者获得的热水温度比后者高2℃左右。整板设计和制造环节对集热器性能的影响远远大于涂层材料热性能差异的影响。

　　太阳能利用准则的变化

　　在中国的技术规范中，对于带辅助热源的太阳能热水系统，首要先进行太阳能单独加热的热性能试验，再进行太阳能与辅助热源联合运行的热性能试验。后者检测得到的太阳能加热部分单位面积的日有用得热量与前者检测得到的同一性能指标的比值是带辅助热源太阳能热水系统的联合运行热性能系数(CHP)。

　　根据相关标准要求，对于混合加热系统，应进行联合运行热性能系数CHP的检测，在满足标准试验条件下检测计算出的CHP应大于等于0.80。但是，若CHP≥0.80，就需要保证太阳能热水系统基本满足最大热负荷需求。但是，当太阳能热水系统按较小容量设计时，辅助热源的容量将大幅增加，CHP指标很难达到这一要求。

　　事实上，近年来太阳能热利用技术发展的趋势之一，就是在供热系统中以较小容量的太阳能集热系统与较大容量的辅助热源配套。这种系统的技术经济性较优，虽然冬季辅助热源运行费用较高，但是夏季太阳能集热系统的过剩容量大大降低。

　　同时，一些应用场所的太阳能集热器安装面积有限，无法按照最大热负荷条件配备足够的太阳能集热器。据了解，国外太阳能集热器的容量最小只有10%左右，小于50%的情况非常多。这类太阳能集热器容量较小的系统更受市场欢迎，也更有利于太阳能热水系统的推广应用。这种方案正逐渐成为太阳能热利用的主流方案。换言之，在全球范围内，符合CHP≥80%的系统并不常见，这与目前中国的情况有所不同，今后中国太阳能热利用方案也会朝着这个方向发展。对于规模较大的太阳能热水系统，这种方案更加合理。所以，若以CHP≥80%作为合格与否的判定要求，限制太阳能集热器容量较小的系统进入市场，未必有利于太阳能热利用市场的健康发展。

　　在太阳能热利用领域，通常以太阳能保证率来衡量太阳能利用水平。但是，对于高密度的建筑物，即使是处于太阳能资源丰富地区的12层以下多层住宅建筑物，受安装条件和相邻建筑物太阳阴影等条件制约，要求所有用户都能够配备太阳能保证率≥60%的太阳能热水系统，是无法实现的。这就面临两种选择，或是不安装太阳能热水器，或是降低太阳能保证率。以往要求低纬度地区设置在阳台栏板上的集热器和构成阳台栏板的集热器应有适当的倾角。但是，若要求在阳台护栏安装的集热器有一定的倾角，会使结构更加复杂，进而影响产品的安全性、可靠性，并增加了成本。事实上，安装时设置一定的倾角，在低纬度地区对太阳能集热器运行效率的改善作用非常有限。因此，降低太阳能保障率的指标要求，可以让太阳能热利用到广泛应用，对于在高密度住宅区推广太阳能十分有利。

　　在欧洲的太阳能采暖项目中，太阳能保证率一直处于较低水平，约为中国相关规范要求的1/3。有专家认为，在较低的太阳能保证率下，太阳能集热器获得的热量能够得到最大限度的利用，提高了太阳能采暖系统的经济性。

　　较低的太阳能保证率可以提高太阳能采暖系统的运行效率与可靠性。国内企业关心的循环工质的使用寿命问题，在欧洲太阳能采暖系统中几乎不存在。虽然欧洲采用的防冻液与中国使用的产品是相同的，但是使用寿命可达到15年，而中国的使用寿命仅为3~5年。这主要是因为欧洲太阳能热水系统的回水温度一般控制在30℃以下，而且由于太阳能保证率较低，全年几乎不会出现循环工制过热的情况。此外，较低的回水温度可以显著提高集热器的热效率。

　　事实上，太阳能集热器的造价较高，配套面积较小的集热器可将节省的购置费用用于购买辅助热源装置，降低系统总造价。为了保证太阳能热水系统在最不利的运行条件下仍具备良好的使用性能，无论以空气源热泵还是燃气热水器作为辅助热源，这些辅助热源的容量不会受到太阳能集热器配置的影响而变化。太阳能保证率为30%的太阳能—空气源热泵热水系统与太阳能保证率为60%的同类系统相比，太阳能集热器的面积减少，系统总造价降低。虽然前者的运行费用有所增加，但是前者在全生命周期内的总费用支出可能仍低于后者。

　　太阳能热水装置集成应用

　　为了获得稳定的热水供应，家用太阳能热水器通常配有辅助热源，其中采用电热元件辅助电加热的方式最为常见。近年来，采用其他辅助热源的太阳能热水系统的开发成为行业技术发展的热点课题，采用空气源热泵或燃气加热装置的方案较为常见。国内外企业对太阳能热水器、空气源热泵热水器以及燃气热水器之间的两两组合和三单元组合系统，进行了一系列的研究和开发。

　　空气源热泵的工作原理是利用环境空气作为低温热源，通过蒸汽压缩式热泵循环将来自低温热源的热能温度升高到可以利用的温度。与电热元件相比，在额定运行条件下，热泵的电力消耗约为电热元件的1/4。由此可见，与采用电热元件作为辅助加热装置的系统相比，太阳能—空气源热泵组合系统的电费支出仅为前者的1/4，为电热水器的1/10左右。利用热泵作为辅助热源，安装位置较为灵活，仅需通风良好。

　　空气源热泵的运行性能主要受蒸发器进风温度的影响，日照条件对热泵的供热能力没有影响。在进风温度较低时，热泵的制热能力和热力效率会明显下降。因此，标准型空气源热泵一般只适宜在进风温度≥-7℃的条件下运行。此外，作为辅助热源，空气源热泵的制造成本较高。

　　燃气热水器的热输出能力不受日照和气象条件影响，由于热输出功率较大，能够快速响应热负荷变化。在多数情况下，即使太阳能热水器无法运行，作为辅助热源的燃气热水器仍可以快速输出热水，而且系统造价低廉。但是，燃气热水器的运行费用较高，燃气的燃烧产物会产生一定的环境污染，烟气中的CO等物质具有较强的危险性，需要严格控制浓度。此外，燃气泄漏可能导致火灾等事故。

　　现有的空气源热泵或燃气热水器通常是按照单独使用的要求设计的。当这些热源装置作为系统单元组合运行或者与太阳能热水器组合运行时，可能会产生以下新的问题：

　　——不同单元间的运行参数不同，尽管某个单元处于正常状态，但是可能导致其他单元进入非正常运行状态;

　　——某个单元发生故障时，故障的影响可能通过相互之间的接口传递，使影响扩大;

　　——不同的单元具有不同的运行特性，运行状态的优化程度对其使用性能和运行费用的影响较大;

　　——热源装置组合之后，可能导致某些运行条件与单独使用时有较大差异，进而使得相应的热源装置处于非正常运行状态;

　　——组成热水系统的各热源单元的容量配置的合理性，也是需要考虑的重要问题，过高的配置可能影响系统的经济性，而过低的配置则可能导致热水供应能力无法达到预期使用要求。

　　采用空气源热泵或燃气加热装置作为太阳能辅助热源，可以对太阳能热水器的技术经济性产生显著影响。然而，当一些按独立运行要求设计的热源装置组合运行时，这些装置相互之间的影响可能是不良的，必须认真处理。为了提高系统的技术经济性、安全性和可靠性，诸如降低太阳能保证率、超温限制、减少燃气加热装置最小温差以及应对燃气泄漏的安全设计等措施在系统设计和安装过程中需要得到妥善考虑。