吉寬太陽能熱水器水箱保溫層質量效果分析

周 帆 林成剛 謝 剛

（1.吉寬太陽能設備有限公司，廣西 南寧 530023；2.中國科技開發院廣西分院，廣西 南寧 530022）

1 前言

在我國，太陽能光熱利用因其技術最成熟、產品最多、成本相對較低而成為利用太陽能資源的主流，太陽能熱水技術是當前最為普遍應用領域。當人們突破太陽能熱水器的集熱技術瓶頸并使集熱技術不斷完善、提升以及普遍應用后，人們開始關注起熱水箱的保溫問題。由于太陽能不好儲存，太陽能熱水器保溫效果好壞顯得非常重要，只有保溫效果達到一定標準，才能保證陰天或者晚上尤其是冬天晚上沒有太陽的時候，太陽能熱水器中也有熱水可用。太陽能熱水器水箱由內膽、外殼和中間的保溫層三部分組成，它把集熱管在白天加熱的水貯存起來，供人們在晚上或陰天使用。

一般地，太陽熱水器的水箱外殼與內膽之間的保溫層，對熱水保溫起著非常關鍵的作用，保溫層的材料和加工工藝直接影響熱水器的保溫性能。如果太陽能熱水器出現的保溫效果差、降溫快的現象，主要是因為保溫層的質量差造成的。而保溫層質量的影響因素較多，主要的如保溫層的壽命因素（外殼與內膽的材料、焊接工藝、水箱箱壁結構等）、材料性能因素（材料導熱系數、成型性能、發泡性能等）、發泡工藝因素（發泡壓力、成型次數、發泡次數等）、以及厚度等。本文的廣西品牌產品吉寬太陽能熱水器具有高效保溫效果，本文結合生產實踐體會，對太陽能熱水器水箱保溫層質量的影響因素、提高保溫水平的技術措施、保溫效果進行分析。

2 太陽能熱水器水箱保溫因素及措施分析

2.1 水箱保溫層壽命因素對保溫效果的影響及其保證技術措施

（1）保溫層壽命因素分析

水箱保溫層壽命的影響因素一是水箱外殼內膽的材料（材質和厚度），二是水箱的結構既要有一定強度又要防止熱橋效應，三是外桶內膽的焊接質量，還有保溫層的發泡密度。這些都是決定保溫層壽命的重要因素，處理不好會影響保溫層壽命從而出現質量問題。如有的產品內膽材料采用鍍鋅板、板層薄（0.2～0.29mm），采用手工電焊焊縫粗糙、焊接不過關，就會腐蝕生銹導致漏水，影響保溫效果甚至用不了多久就產品報廢。

（2）保溫層壽命的保障技術措施

內膽材料、焊接和保溫層的發泡密度都是決定它壽命的關鍵因素，而解決好壽命問題是保障保溫層保溫效果的基礎。為此，吉寬產品采取一些有效的保證技術措施，除了后述的保溫層材料、成型技術外，內膽材料采用食品級不銹鋼板、板厚 0.32mm；內置桶托，永久放置于水箱內部，避免下方保溫層因時間受壓變薄而上方保溫層拉空引起的整體保溫效果下降；優化水箱結構設計以確保強度、防止熱橋，采用工夾具定位精確沖壓、全自動連續焊接，以確保寒風質量。這些措施起到了支撐保溫層壽命的基礎作用。

2.2 保溫材料對保溫效果的影響及其保障技術措施

（1）保溫材料的影響因素分析

水箱保溫層的保溫材料對其保溫效果的影響主要看其導熱性能，即材料的導熱系數λ，它數值越大導熱能力越強，數值越小絕熱（即保溫）性能越好。該參數的大小，主要取決于傳熱介質的成分和結構，同時還與溫度、濕度、壓力、密度、以及熱流的方向有關。成分相同的材料，導熱系數不一定相同，即便是已經成型的同一種保溫材料制品，其導熱系數也會因為使用的具體系統、具體環境不同而有所差異。

一般地，保溫材料有硬質聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚乙烯塑料泡沫、巖棉等。當前，經過多年的實踐并綜合考慮保溫材料的保溫性能、加工成型性能、經濟性等多因素，產業界多數情況下考慮使用硬質聚氨脂泡沫塑料。硬質聚氨脂泡沫塑料是用聚醚（白料）與多異氰酸脂（黑料）為主要原料，再加入阻燃劑、穩泡劑和發泡劑等，經混合攪拌、化學反應而成的一種微孔發泡體，其導熱系數一般在0.016～0.055W/(m·℃)。使用溫度-100～100℃。該材料使用時執行原石油部部頒標準（SYJ18-1986）。事實證明，有些太陽熱水器產品為降低成本采用導熱較高的材料（苯板、巖棉），一夜溫度能下降十幾度，隔夜、陰天就會沒有熱水，幾個月后保溫效果直線下降，一兩年后基本不保溫。

（2）保溫材料方面的保障技術措施

行業內廣泛的經驗表明：在不增加泡沫填充密度的基礎上降低泡沫成型時的收縮率是太陽能熱水器用料的關鍵所在。吉寬太陽能熱水器水箱保溫層除采用導熱系數低、耐高溫的進口聚氨酯原材料（或異氰酸酯和組合聚醚）外，針對成型收縮的問題從配方、選材等多方面著手，研制開發了太陽能熱水器適用的組合料（已獲國家發明專利），在高效保溫太陽能熱水器生產線上的應用取得了令人滿意的效果：泡沫保溫層與外殼經久不剝離，內膽外殼變形幾率低，更加安全。

2.3 保溫層發泡工藝對保溫效果的影響及其保障技術措施

（1）保溫層發泡工藝對保溫效果的影響分析

太陽能熱水器保溫層采用的聚氨酯保溫材料，是由異氰酸酯和組合聚醚兩種原料在一定條件下發生化學反應生成，聚氨酯的密度在40kg/m3時保溫效果最佳，過高過低都保溫效果都不佳。作為一種非常優秀保溫材料，聚氨酯硬泡以其極低的導熱系數和方便的成型工藝，在多個方面具有著不可替代的地位。然而，作為反應成型的聚合物，其成型收縮性(完成成型反應后泡沫體積小于成型過程中最大體積)造成填充密度的不易掌控而不可避免的成為它的主要缺陷。成型收縮性的存在，常使得泡沫體最終體積小于所填充的腔體體積，發生泡沫與殼體剝離現象，嚴重影響了制品的外觀、保溫效果甚至使用壽命。

要形成最佳密度的聚氨酯，生產過程中對壓強和溫度的要求較高，如果生產設備和工藝簡陋，工藝較難控制，聚氨酯保溫將下降。因此，在多數應用場合，聚氨酯保溫層常采用提高填充泡沫密度、采取模塑成型的方式來解決這一問題。太陽能熱水器因其特殊的結構(較薄的外殼與內膽、復雜的管口形狀)而不便采取模塑成型，而高密度填充又必然會提高成本。權衡質量與成本的要求，聚氨酯保溫層的成型工藝和技術要求高，要求生產保溫層的封閉的車間室內溫度控制在20～30℃，同時要有高溫熟化處理設備，等等。例如有的產品采用進口聚氨酯整體發泡，全自動高壓發泡機進行發泡，一次發泡成型，保溫層密度大；經高壓高溫熟化工藝處理，閉孔率達到98%以上，大大減少熱量損失，確保最佳保溫。

實踐證明：傳統的低壓發泡、多次發泡工藝會帶來的保溫層發泡不均勻甚至有空洞、導熱系數高等系列問題。有些產品的保溫層采用密度一般的自由泡沫填充（手工攪拌、手工發泡等），這給太陽能熱水器帶來的缺陷有：泡沫層與外殼脫離、泡沫成型時擠壓外殼、內膽導致變形，特別以上缺陷發生在集熱管口時尤為嚴重，造成大量的工藝次品；其次發泡效果不均勻，保溫層之間的空隙大，孔與孔之間大小不均，導致保溫性能差。再次，只注重節約成本而缺省高溫熟化處理工藝。而太陽能熱水器放在樓頂經長期的高溫爆曬，如果發泡料不經熟化處理、反應不充分，高溫下會進行二次發泡，向內擠壓內膽，向外膨脹，脹破外桶皮。總的結果是，導致發泡料不均勻，閉孔率極低，有的地方泡孔過大，熱量極易穿透、散失快，一夜溫度能降10℃～20℃。3～5年后保溫效果迅速下降，達不到保溫作用甚至整臺太陽熱水器報廢。

（2）保溫層發泡的保障技術措施

吉寬產品在生產過程中，一是使用微電腦控制全自動恒溫恒壓發泡技術，保證發泡料定量成比例，發泡均勻；二是研制了具有發明專利的發泡工夾具進行一次成型，閉孔率高；三是經高溫熟化處理，避免二次發泡，保溫性能穩定持久，使用壽命比較高。有實驗數據表明，采用上述措施生產的保溫層，導熱系數很低，一般在0.02W/㎡?K左右，保溫效果好。對比使用手工發泡生產的保溫層，由于壓力低，需多次發泡才能完成，保溫層密度小，導熱系數高達 0.05W/㎡?K，與全自動高壓發泡機生產的保溫層相比其保溫效果要相差很多。

2.4 保溫層厚度對保溫效果的影響及其保障技術措施

（1）保溫層厚度影響保溫效果的分析

無疑，太陽能水箱保溫層的厚度對水箱的保溫效果有較大的影響。有研究表明，水箱保溫層厚度達到一定數值時，保溫效果沒有太大增加的空間，對影響保溫效果的各種因素分析表明，保溫效果主要取決于保溫層的材料及厚度。在太陽能熱水器中，水箱外膽直徑與內膽直徑之差除 2就是保溫層的厚度，每個品牌的太陽能熱水器產品的保溫層厚度都不一樣，一般標準為50mm，實際中在55～60mm之間，有的超厚水箱保溫層，比普通保溫層加厚20%以上，保溫時間更持久。但有的企業為了節約成本不計質量，熱水器的保溫層越做越薄。水箱保溫層的厚度連40mm都達不到，這種水箱在寒冷的冬天貯存熱水幾個小時內就會下降十幾度，到了晚上或陰天經常會出現沒有熱水可用的情況。

（2）保溫層厚度的技術保證措施

吉寬太陽能熱水器在明確試驗目的、試驗地點、試驗時間、環境條件、試驗樣機、起始水量及溫度、測試儀器、數據采集時點的基礎上，對保溫層不同厚度（40mm、50mm、60mm、70mm、80mm）進行對比實驗分析。經過試驗認為，以70mm保溫層的起始升溫速度、保溫時間、晚上及陰天的降溫速度等綜合保溫效果較好，并兼具經濟性。

要實現70mm保溫層，水箱外桶和內膽的真空管插口的沖孔加工精度、發泡時外桶內膽夾裝精度等提出了新要求，這通過研制新的沖壓、發泡架等工夾具來保證。

3 吉寬太陽能熱水器水箱的保溫效果分析

3.1 使用現場試驗的數據分析

以吉寬太陽能熱水器以某品牌機對比試驗，經過數據有效性判斷后，可以得出以下結論：

（1）在初始升溫階段，兩臺熱水器的熱水在吸熱而沒有熱量擴散，溫度上升主要是相同的真空集熱管起作用，故兩熱水器的溫度上升速度是相同的。

（2）到2.5個小時后開始出現兩熱水器的升溫差，表示保溫層在起作用，即吉寬保溫層的熱水器因能更好地防止熱量擴散而升溫更高、更快。

（3）陰雨天真空集熱管其作用較小，幾乎僅是保溫層在起作用。吉寬保溫層的熱水器與某品牌保溫層的熱水器相比，日降溫度少5℃，約少降溫71.4%。

（4）陰天是真空集熱管起作用、保溫層起主要作用，吉寬保溫層的熱水器與某品牌保溫層的熱水器相比，日升溫度高7℃，約多升溫58.3%。

（5）晴天是真空集熱管起主要作用，吉寬保溫層的熱水器與某品牌保溫層的熱水器相比，日升溫度高3～4℃，平均多升溫21.2%。

（6）陰雨天（環境溫度約 23度）吉寬保溫層的熱水降溫僅2℃，表明吉寬保溫層的熱水器面對間歇性雨天條件下仍可能使用。

（7）在環境溫度在22℃以上的陰天，吉寬保溫層的熱水溫升有19℃，即熱水水溫仍有40℃（一般浴水的溫度）以上。這表明該氣候下吉寬保溫層的熱水器仍可使用，輔以電加熱、煤氣加熱則其全年使用天數更長。

結論：吉寬保溫層的熱水器比某品牌保溫層的熱水器的升溫、保溫性能明顯；吉寬保溫層的熱水器比某品牌保溫層的熱水器在環境氣候變化下使用條件更為廣泛：即晴天可使用，在陰天、間歇性陰雨天，尤其我國南方多陰雨天氣候的條件下可與電加熱聯用使用，也適合于北方多干陰天氣的條件下聯電使用。

3.2 吉寬高效保溫太陽能熱水器的專業檢測情況

目前還沒有專門檢測水箱保溫效果的有關標準，比較選用相同的真空集熱管的其他品牌產品看，吉寬高效保溫太陽能熱水器有比較好的熱效果參數。

2010年8月由廣西壯族自治區產品質量監督檢測院檢測，送檢樣品平均日效率50%，平均熱損系數≦0.7(W/m2.C)； 2012年6月由國家太陽能熱水器質量監督檢驗中心檢測，送檢樣品日有用得熱量為8.9MJ/m2，平均熱損因數≦11(W/m3.K)；2012年6月由國家太陽能熱水器質量監督檢驗中心檢測，對廣西吉寬太陽能設備有限公司生產的家用太陽能熱水系統的能效系數（CTP）、日有用得熱量Qs(e)（MJ/m2）和平均熱損因數Usl(e)[W/（m3.K）]項目進行檢測，所見項目符合GB26969-2011的相關要求，其能效等級為1級。

根據上述專業機構檢測報告的具體檢測參數以及收集產品市場資料，吉寬高效保溫太陽能熱水器與一些品牌產品的技術性能參數對比具有較好的熱參數水平，如表1所示。

表1 吉寬高效保溫太陽能熱水器與一些品牌產品的技術性能參數對比

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