智能化太陽能空氣能壁掛式熱水器相關技術研究

金建榮

摘要：環保節能是當前社會關注的焦點，太陽能和空氣能等可再生能源近年逐漸受到重視。文章以智能化太陽能空氣能壁掛式熱水器為研究對象，分析其市場狀況，探討熱水器的設計、控制、優化等相關技術，最后得出結論：智能化技術是提高太陽能空氣能熱水器整體效率的關鍵，而控制系統的改進是實現智能化的核心。未來，太陽能空氣能熱水器將借助人工智能、物聯網等新技術實現更高效、更綠色的應用。

關鍵詞：智能化；太陽能；空氣能；壁掛式熱水器

中圖分類號：TK515? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0036-03

0 引言

隨著世界能源價格的上漲和人們環保意識的增強，太陽能熱水器與建筑結合將極大地推動節能省地型建筑的大面積推廣。發展太陽能與空氣能相結合的熱水供應系統，在節能減排、環境保護和資源保護等方面有著重要作用，是我國現階段促進清潔能源行業發展的一種重要方式。太陽能熱水器利用太陽能輻射熱量加熱水，空氣能熱水器則利用空氣中的熱量加熱水，兩者均屬于清潔能源熱水器。智能化技術可以進一步提高太陽能空氣能熱水器的整體效率，提升用戶使用體驗感。智能化太陽能空氣能壁掛式熱水器結合太陽能、熱能和壁掛式熱水器的特點，拓寬了太陽能熱水器的使用條件，解決了低樓層住戶不方便使用太陽能熱水器的問題，并且太陽能空氣能熱水器外觀精美，能與建筑景觀融為一體，適合在大中城市推廣應用［1］。在前人對陽臺壁掛太陽能-空氣源復合熱泵系統［2］、平板型陽臺壁掛式太陽能熱水器［3］、智能控制系統在陽臺壁掛式太陽能熱水系統中的應用［4］等研究的基礎上，本文以智能化太陽能空氣能壁掛式熱水器為研究對象，探討其設計、控制過程中相關技術應用及未來技術的發展趨勢，提出優化建議，以期為未來熱水器與人工智能、物聯網等新技術相結合的研發工作提供借鑒。

1 市場狀況

隨著人們消費需求的多樣化及網絡信息基礎設施建設的完善，家電的智能化已成為家電行業新的發展方向。從消費者體驗和使用的角度來說，無論是一二級市場還是三四級市場，智能化熱水器都大有可為。2021年，全球智能太陽能市場總規模達到1 257.28億元，中國智能太陽能市場規模達到374.29億元，占全球市場總份額的29.77%。預計2021—2027年，智能太陽能市場將以15.16%的復合年增長率穩步增長，預計到2027年全球市場總規模將達到2 959.24億元。中國太陽能熱利用專業委員會發布的《2022年中國太陽能光熱行業運行狀況報告》指出，太陽能熱利用產業依然朝著平板化、模塊化、智能化方向發展。在此背景下，智能化的節能環保熱水器將占據更大的市場份額。

2 太陽能空氣能壁掛式熱水器的結構設計

太陽能空氣能壁掛式熱水器是一種集太陽能和熱泵于一體的清潔能源產品，在氣溫比較低的時候，可以利用平板集熱器吸收的熱能解決熱泵的除霜問題，還能在一定程度上解決熱泵換熱不足的問題。在結構上，太陽能空氣能壁掛式熱水器主要由平板集熱器、熱泵和保溫水箱3個部分組成。平板集熱器主要是利用太陽輻射熱量對水進行加熱；熱泵則是從空氣中吸取熱量傳遞到保溫水箱；保溫水箱是儲存熱水的地方，保證用戶能隨時使用熱水［5］。太陽能空氣能熱水器在設計過程中，需要考慮熱水器的容量、熱水溫度、供水壓力等因素。

2.1 高效平板集熱器主要技術

平板型太陽能集熱器是太陽能低溫熱利用的重要裝置，主要由透明玻璃蓋板、吸熱板、循環管道、保溫層及外殼等部分構成。

（1）透明玻璃蓋板是平板型集熱器中覆蓋吸熱板的板狀器件，由透明鋼化玻璃材料制成。透明鋼化玻璃蓋板材料表面涂抹熱反射涂層，具有太陽透射比高、導熱系數小、打擊強度高等特點，可承受1 500 kg的靜載和1.04 kg的鋼柱從0.6 m高度自由落體沖擊，還可有效應對暴雨、大風、冰雹等惡劣天氣。

（2）吸熱板采用銅鋁復合工藝制成，在吸熱翼片的兩面鋁板中間夾上銅管，不需要焊接，通過壓碾復合工藝使銅管和鋁板緊密結合，制成吸熱翼片，這種工藝制作的吸熱板承壓能力強，使用壽命長。在傳統的吸熱板涂層中，有的產品在達到70 ℃時涂層會脫落，吸熱效率差、反射率高，對能源浪費極大。為使吸熱板能最大限度地吸收太陽能輻射，可以在吸熱板表面涂上一層平板太陽能吸熱板用吸熱涂料，該涂料吸熱效果好、附著力大、耐候與防水性能優異，對太陽光的吸收率高、反射率低，解決了吸熱板涂層在高溫下脫落、吸熱效率差、反射率高、壽命短等問題。

（3）集熱器的保溫層可采用聚氨酯保溫材料，噴涂15 mm的厚度于外殼四周和20 mm的厚度于底部，并覆蓋一層反光薄錫紙，旨在減少熱量向四周環境散失。相比使用礦棉、玻璃纖維和聚苯乙烯等保溫材料，聚氨酯保溫材料可以顯著提高保溫性能。

（4）外殼采用鋁合金材料，在運輸和安裝時比傳統使用的鋼木結構材料更加方便，同時降低了生產成本。硅膠彈性密封能有效避免外殼密封問題，如漏水和集熱器內出現水珠等現象。

2.2 高效熱泵的技術問題

高效熱泵的研制技術主要包括以下幾個方面：①熱泵循環系統的設計優化；②制冷劑的選擇與優化；③熱源和熱回收系統的設計與優化；④壓縮機的設計與制造；⑤控制系統的優化；⑥熱泵材料的研發與應用；⑦熱泵系統監測和評價技術。

為解決高效熱泵的技術問題，本研究提出以下建議。

（1）采用先進集成技術改進壓縮機、儲液罐、蒸發器、冷凝器、節流裝置、四通閥、風扇、鏈接銅管等構件，研制熱泵從低溫熱源的熱能轉移到高溫熱源的新技術。

（2）研究解決壓縮機、儲液罐、蒸發器、冷凝器、節流裝置等部件要求高效率的轉換而帶來的質量問題和加工、安裝的工效問題。

（3）采用熱泵腳底彈簧減振、隔振技術，在管道泵加裝橡膠隔振裝置，該隔振裝置輕巧堅固，能有效消除機械結構振動，隔振效率高。

（4）外罩采用鍍鋁鋅鋼板填充吸音棉隔聲屏障技術，具有結構強度高、重量輕、造型美觀、造價低、吸隔聲性能好的特點。

2.3 保溫水箱技術

研究保溫水箱技術主要是為了提高水箱的保溫性能，延長熱水的保溫時間，減少熱量損失，達到節約能源、降低用戶能源消費成本的目的。目前，常見的保溫水箱技術主要有以下幾種。

（1） 外保溫技術。外保溫技術是通過在水箱外部添加保溫材料，如聚氨酯、聚苯乙烯等，減少水箱外壁散熱，提高水箱保溫性能。

（2） 內加熱技術。內加熱技術是在水箱內部安裝加熱器，通過加熱器對水進行加熱，使水溫保持在設定溫度，延長水的保溫時間。

（3） 蓄熱技術。蓄熱技術是通過在水箱內部添加陶瓷、蓄熱石等蓄熱材料，使水箱具有更好的保溫性能。這種技術能延長水箱的保溫時間，使能量利用更高效。

（4） 光伏技術。光伏技術是一種利用太陽能發電的技術，在保溫水箱中使用光伏技術，可以通過太陽能發電，為水箱提供電力，減少用戶的能源消費。

（5） 智能控制技術。智能控制技術可以通過智能控制系統管理和控制保溫水箱的溫度，提高水箱的保溫性能，還能節約能源。

本研究建議保溫水箱內膽采用SUS304不銹鋼材料，保溫層可采用聚氨酯保溫材料。保溫層聚氨酯整體發泡，接頭用高頻電阻縫焊焊接，可以避免水箱生銹、漏水。支架采用高強度鋁合金型材制作，具有重量輕、堅固、耐腐蝕、便于搬運與安裝、維護少、價格低的特點。

3 智能化控制系統的設計

太陽能空氣能壁掛式熱水器智能化控制系統設計基于嵌入式控制技術，采用多種傳感器獲取環境溫度、濕度、太陽輻射等數據，實現熱水器的自動控制與管理。系統包括以下模塊。

（1） 傳感器模塊：采用多個傳感器獲取環境溫度、濕度、太陽輻射等數據，以便后續控制邏輯的分析與處理。

（2） 控制模塊：根據傳感器模塊獲取的數據，結合PID（Proportional Integration Differentiation）控制算法和模糊控制算法，實現對熱水器的控制與管理。在太陽能供熱模式下，根據太陽輻射數據及水溫數據自動控制太陽能板的傾斜角度等參數，實現最佳采集效果；在空氣能供熱模式下，利用室內外溫度及濕度差等判斷是否啟動空氣能供熱。

（3） 通信模塊：用于熱水器與用戶之間的通信，可以通過手機App或物聯網平臺實現遠程控制、數據查詢等功能。

（4） 顯示模塊：用于顯示熱水器的運行狀態、溫度等信息，方便用戶了解熱水器運行情況。

該智能化控制系統采用嵌入式軟硬件結合的設計，保證系統的高效性、穩定性和實用性。通過安裝在各個位置的傳感器采集各工況的參數傳輸到智能控制器，由智能控制器發出指令控制各閥門、泵等部件工作，使換熱器與換熱水箱實現換熱介質循環、自動上水、輔助加熱等功能。通過感應器獲取相關信息，將太陽能空氣能熱水器系統的本地運行信息發送至智能云端，接受智能云端的控制策略。智能云端主要包括云端服務器及計算軟件，接收太陽能和空氣能組件的實際運行數據。智能云端利用網絡與App服務器（或Web客戶端）連接，向服務器傳輸系統操作數據，同時接受服務器的操作參數設置。智能數據服務的主要作用在于實現對用戶數據的保存及智能管理策略的操作，保證系統工作環境處于最優經濟狀態。遠程客戶端（App或Web客戶端）通過互聯網連接到智能云端，接收智能云端發送的工作信息，向客戶顯示運行狀態，并將客戶設定的參數信息傳輸給智能云端，實現客戶對熱水器的遠程操控。

4 太陽能空氣能熱水器優化研究

在太陽能空氣能熱水器的使用過程中，還存在需要優化研究的問題。首先，需要進一步優化太陽能熱水單元、熱泵熱水單元的協同控制，可單獨或同時啟動太陽能熱水單元、熱泵熱水單元，優先利用太陽能，提高產品性價比。其次，在太陽能熱水供應系統中，集熱器和水箱的選用和運行維護很關鍵，直接影響系統的能源消耗和運行效率，因此在實際應用中，需要進行合理的選擇和優化。對于集熱器的選型，建議采用不同的機組類型：中型和大型集熱器選擇單級水冷式機組；小型集熱器選擇雙級水冷式機組；超大型集熱器選擇兩級水冷式機組。此外，對于多個熱水供應系統，應采用一體化機組進行監控，可以設置多個集熱器進行控制。同時，熱水器的自清潔功能也需要進一步加強，以減少對系統的影響［6］。再次，空氣能存在噪音大、效率低等問題，因此需要通過改進空氣循環系統、優化制冷和制熱控制系統等方式提高空氣能熱水器的整體效率。最后，選用熱泵時也需要考慮節能問題，提高熱泵效率，減少能源浪費。

5 結語

智能化技術是提高太陽能空氣能熱水器整體效率的關鍵，而控制系統的改進是實現智能化的核心。智能化技術的應用將進一步提高太陽能空氣能熱水器的整體效率。未來，太陽能空氣能熱水器將更多地應用人工智能、物聯網等新技術，實現負荷預測、自適應控制等功能，從而提高熱水器使用的便捷性和舒適度，提升智能化的水平。同時，太陽能空氣能熱水器在新能源領域的應用也將不斷拓展，借助人工智能、物聯網等新技術將會實現更高效、更綠色的應用。

6 參考文獻

［1］王朝輝.住宅小區空氣源熱泵替代陽臺壁掛式太陽能的工程實踐［J］.建筑·建材·裝飾，2021（1）：138-140.

［2］魏林濱，王強，周傳波，等.一種新型陽臺壁掛太陽能-空氣源復合熱泵系統［J］.山東建筑大學學報，2009，24（1）：73-77.

［3］黃堅強.平板型陽臺壁掛式太陽能熱水器的應用分析［J］.才智，2011（8）：91-92.

［4］趙清紅，劉法鑫，郝海濱.智能控制系統在陽臺壁掛式太陽能熱水系統中的應用［J］.建設科技，2018（17）：50-51.

［5］劉家琦.太陽能和空氣源熱泵聯合供熱系統［J］.潔凈與空調技術，2022（2）：81-83.

［6］李薇薇，王朗.太陽能與空氣源熱泵熱水供應系統相關探討［J］.工程技術，2022（9）：205-207.