智能化太阳能空气能壁挂式热水器相关技术研究

金建荣

摘要：环保节能是当前社会关注的焦点，太阳能和空气能等可再生能源近年逐渐受到重视。文章以智能化太阳能空气能壁掛式热水器为研究对象，分析其市场状况，探讨热水器的设计、控制、优化等相关技术，最后得出结论：智能化技术是提高太阳能空气能热水器整体效率的关键，而控制系统的改进是实现智能化的核心。未来，太阳能空气能热水器将借助人工智能、物联网等新技术实现更高效、更绿色的应用。

关键词：智能化；太阳能；空气能；壁挂式热水器

中图分类号：TK515  文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）06-0036-03

0 引言

随着世界能源价格的上涨和人们环保意识的增强，太阳能热水器与建筑结合将极大地推动节能省地型建筑的大面积推广。发展太阳能与空气能相结合的热水供应系统，在节能减排、环境保护和资源保护等方面有着重要作用，是我国现阶段促进清洁能源行业发展的一种重要方式。太阳能热水器利用太阳能辐射热量加热水，空气能热水器则利用空气中的热量加热水，两者均属于清洁能源热水器。智能化技术可以进一步提高太阳能空气能热水器的整体效率，提升用户使用体验感。智能化太阳能空气能壁挂式热水器结合太阳能、热能和壁挂式热水器的特点，拓宽了太阳能热水器的使用条件，解决了低楼层住户不方便使用太阳能热水器的问题，并且太阳能空气能热水器外观精美，能与建筑景观融为一体，适合在大中城市推广应用［1］。在前人对阳台壁挂太阳能-空气源复合热泵系统［2］、平板型阳台壁挂式太阳能热水器［3］、智能控制系统在阳台壁挂式太阳能热水系统中的应用［4］等研究的基础上，本文以智能化太阳能空气能壁挂式热水器为研究对象，探讨其设计、控制过程中相关技术应用及未来技术的发展趋势，提出优化建议，以期为未来热水器与人工智能、物联网等新技术相结合的研发工作提供借鉴。

1 市场状况

随着人们消费需求的多样化及网络信息基础设施建设的完善，家电的智能化已成为家电行业新的发展方向。从消费者体验和使用的角度来说，无论是一二级市场还是三四级市场，智能化热水器都大有可为。2021年，全球智能太阳能市场总规模达到1 257.28亿元，中国智能太阳能市场规模达到374.29亿元，占全球市场总份额的29.77%。预计2021—2027年，智能太阳能市场将以15.16%的复合年增长率稳步增长，预计到2027年全球市场总规模将达到2 959.24亿元。中国太阳能热利用专业委员会发布的《2022年中国太阳能光热行业运行状况报告》指出，太阳能热利用产业依然朝着平板化、模块化、智能化方向发展。在此背景下，智能化的节能环保热水器将占据更大的市场份额。

2 太阳能空气能壁挂式热水器的结构设计

太阳能空气能壁挂式热水器是一种集太阳能和热泵于一体的清洁能源产品，在气温比较低的时候，可以利用平板集热器吸收的热能解决热泵的除霜问题，还能在一定程度上解决热泵换热不足的问题。在结构上，太阳能空气能壁挂式热水器主要由平板集热器、热泵和保温水箱3个部分组成。平板集热器主要是利用太阳辐射热量对水进行加热；热泵则是从空气中吸取热量传递到保温水箱；保温水箱是储存热水的地方，保证用户能随时使用热水［5］。太阳能空气能热水器在设计过程中，需要考虑热水器的容量、热水温度、供水压力等因素。

2.1 高效平板集热器主要技术

平板型太阳能集热器是太阳能低温热利用的重要装置，主要由透明玻璃盖板、吸热板、循环管道、保温层及外壳等部分构成。

（1）透明玻璃盖板是平板型集热器中覆盖吸热板的板状器件，由透明钢化玻璃材料制成。透明钢化玻璃盖板材料表面涂抹热反射涂层，具有太阳透射比高、导热系数小、打击强度高等特点，可承受1 500 kg的静载和1.04 kg的钢柱从0.6 m高度自由落体冲击，还可有效应对暴雨、大风、冰雹等恶劣天气。

（2）吸热板采用铜铝复合工艺制成，在吸热翼片的两面铝板中间夹上铜管，不需要焊接，通过压碾复合工艺使铜管和铝板紧密结合，制成吸热翼片，这种工艺制作的吸热板承压能力强，使用寿命长。在传统的吸热板涂层中，有的产品在达到70 ℃时涂层会脱落，吸热效率差、反射率高，对能源浪费极大。为使吸热板能最大限度地吸收太阳能辐射，可以在吸热板表面涂上一层平板太阳能吸热板用吸热涂料，该涂料吸热效果好、附着力大、耐候与防水性能优异，对太阳光的吸收率高、反射率低，解决了吸热板涂层在高温下脱落、吸热效率差、反射率高、寿命短等问题。

（3）集热器的保温层可采用聚氨酯保温材料，喷涂15 mm的厚度于外壳四周和20 mm的厚度于底部，并覆盖一层反光薄锡纸，旨在减少热量向四周环境散失。相比使用矿棉、玻璃纤维和聚苯乙烯等保温材料，聚氨酯保温材料可以显著提高保温性能。

（4）外壳采用铝合金材料，在运输和安装时比传统使用的钢木结构材料更加方便，同时降低了生产成本。硅胶弹性密封能有效避免外壳密封问题，如漏水和集热器内出现水珠等现象。

2.2 高效热泵的技术问题

高效热泵的研制技术主要包括以下几个方面：①热泵循环系统的设计优化；②制冷剂的选择与优化；③热源和热回收系统的设计与优化；④压缩机的设计与制造；⑤控制系统的优化；⑥热泵材料的研发与应用；⑦热泵系统监测和评价技术。

为解决高效热泵的技术问题，本研究提出以下建议。

（1）采用先进集成技术改进压缩机、储液罐、蒸发器、冷凝器、节流装置、四通阀、风扇、链接铜管等构件，研制热泵从低温热源的热能转移到高温热源的新技术。

（2）研究解决压缩机、储液罐、蒸发器、冷凝器、节流装置等部件要求高效率的转换而带来的质量问题和加工、安装的工效问题。

（3）采用热泵脚底弹簧减振、隔振技术，在管道泵加装橡胶隔振装置，该隔振装置轻巧坚固，能有效消除机械结构振动，隔振效率高。

（4）外罩采用镀铝锌钢板填充吸音棉隔声屏障技术，具有结构强度高、重量轻、造型美观、造价低、吸隔声性能好的特点。

2.3 保溫水箱技术

研究保温水箱技术主要是为了提高水箱的保温性能，延长热水的保温时间，减少热量损失，达到节约能源、降低用户能源消费成本的目的。目前，常见的保温水箱技术主要有以下几种。

（1） 外保温技术。外保温技术是通过在水箱外部添加保温材料，如聚氨酯、聚苯乙烯等，减少水箱外壁散热，提高水箱保温性能。

（2） 内加热技术。内加热技术是在水箱内部安装加热器，通过加热器对水进行加热，使水温保持在设定温度，延长水的保温时间。

（3） 蓄热技术。蓄热技术是通过在水箱内部添加陶瓷、蓄热石等蓄热材料，使水箱具有更好的保温性能。这种技术能延长水箱的保温时间，使能量利用更高效。

（4） 光伏技术。光伏技术是一种利用太阳能发电的技术，在保温水箱中使用光伏技术，可以通过太阳能发电，为水箱提供电力，减少用户的能源消费。

（5） 智能控制技术。智能控制技术可以通过智能控制系统管理和控制保温水箱的温度，提高水箱的保温性能，还能节约能源。

本研究建议保温水箱内胆采用SUS304不锈钢材料，保温层可采用聚氨酯保温材料。保温层聚氨酯整体发泡，接头用高频电阻缝焊焊接，可以避免水箱生锈、漏水。支架采用高强度铝合金型材制作，具有重量轻、坚固、耐腐蚀、便于搬运与安装、维护少、价格低的特点。

3 智能化控制系统的设计

太阳能空气能壁挂式热水器智能化控制系统设计基于嵌入式控制技术，采用多种传感器获取环境温度、湿度、太阳辐射等数据，实现热水器的自动控制与管理。系统包括以下模块。

（1） 传感器模块：采用多个传感器获取环境温度、湿度、太阳辐射等数据，以便后续控制逻辑的分析与处理。

（2） 控制模块：根据传感器模块获取的数据，结合PID（Proportional Integration Differentiation）控制算法和模糊控制算法，实现对热水器的控制与管理。在太阳能供热模式下，根据太阳辐射数据及水温数据自动控制太阳能板的倾斜角度等参数，实现最佳采集效果；在空气能供热模式下，利用室内外温度及湿度差等判断是否启动空气能供热。

（3） 通信模块：用于热水器与用户之间的通信，可以通过手机App或物联网平台实现远程控制、数据查询等功能。

（4） 显示模块：用于显示热水器的运行状态、温度等信息，方便用户了解热水器运行情况。

该智能化控制系统采用嵌入式软硬件结合的设计，保证系统的高效性、稳定性和实用性。通过安装在各个位置的传感器采集各工况的参数传输到智能控制器，由智能控制器发出指令控制各阀门、泵等部件工作，使换热器与换热水箱实现换热介质循环、自动上水、辅助加热等功能。通过感应器获取相关信息，将太阳能空气能热水器系统的本地运行信息发送至智能云端，接受智能云端的控制策略。智能云端主要包括云端服务器及计算软件，接收太阳能和空气能组件的实际运行数据。智能云端利用网络与App服务器（或Web客户端）连接，向服务器传输系统操作数据，同时接受服务器的操作参数设置。智能数据服务的主要作用在于实现对用户数据的保存及智能管理策略的操作，保证系统工作环境处于最优经济状态。远程客户端（App或Web客户端）通过互联网连接到智能云端，接收智能云端发送的工作信息，向客户显示运行状态，并将客户设定的参数信息传输给智能云端，实现客户对热水器的远程操控。

4 太阳能空气能热水器优化研究

在太阳能空气能热水器的使用过程中，还存在需要优化研究的问题。首先，需要进一步优化太阳能热水单元、热泵热水单元的协同控制，可单独或同时启动太阳能热水单元、热泵热水单元，优先利用太阳能，提高产品性价比。其次，在太阳能热水供应系统中，集热器和水箱的选用和运行维护很关键，直接影响系统的能源消耗和运行效率，因此在实际应用中，需要进行合理的选择和优化。对于集热器的选型，建议采用不同的机组类型：中型和大型集热器选择单级水冷式机组；小型集热器选择双级水冷式机组；超大型集热器选择两级水冷式机组。此外，对于多个热水供应系统，应采用一体化机组进行监控，可以设置多个集热器进行控制。同时，热水器的自清洁功能也需要进一步加强，以减少对系统的影响［6］。再次，空气能存在噪音大、效率低等问题，因此需要通过改进空气循环系统、优化制冷和制热控制系统等方式提高空气能热水器的整体效率。最后，选用热泵时也需要考虑节能问题，提高热泵效率，减少能源浪费。

5 结语

智能化技术是提高太阳能空气能热水器整体效率的关键，而控制系统的改进是实现智能化的核心。智能化技术的应用将进一步提高太阳能空气能热水器的整体效率。未来，太阳能空气能热水器将更多地应用人工智能、物联网等新技术，实现负荷预测、自适应控制等功能，从而提高热水器使用的便捷性和舒适度，提升智能化的水平。同时，太阳能空气能热水器在新能源领域的应用也将不断拓展，借助人工智能、物联网等新技术将会实现更高效、更绿色的应用。

6 参考文献

［1］王朝辉.住宅小区空气源热泵替代阳台壁挂式太阳能的工程实践［J］.建筑·建材·装饰，2021（1）：138-140.

［2］魏林滨，王强，周传波，等.一种新型阳台壁挂太阳能-空气源复合热泵系统［J］.山东建筑大学学报，2009，24（1）：73-77.

［3］黄坚强.平板型阳台壁挂式太阳能热水器的应用分析［J］.才智，2011（8）：91-92.

［4］赵清红，刘法鑫，郝海滨.智能控制系统在阳台壁挂式太阳能热水系统中的应用［J］.建设科技，2018（17）：50-51.

［5］刘家琦.太阳能和空气源热泵联合供热系统［J］.洁净与空调技术，2022（2）：81-83.

［6］李薇薇，王朗.太阳能与空气源热泵热水供应系统相关探讨［J］.工程技术，2022（9）：205-207.