太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展歷史現(xiàn)狀及管道冷水問(wèn)題解決方案

盧文博　馬路寬 李新號(hào)

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，人民生活水平日益提高，熱水器在我國(guó)居民使用率逐年提高。自上世紀(jì)90年代末以來(lái)，我國(guó)的太陽(yáng)能熱水器行業(yè)一直呈現(xiàn)著增長(zhǎng)的趨勢(shì)。尤其隨著全球化石能源危機(jī)和溫室效應(yīng)等國(guó)際能源問(wèn)題的提出和重視，更加快了太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展步伐。因此，本文將主要對(duì)熱水器的發(fā)展歷史及當(dāng)前主流熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，并分析太陽(yáng)能熱水器在使用過(guò)程中易出現(xiàn)的管道冷水問(wèn)題，并系統(tǒng)地分析了產(chǎn)生原因，給出了解決方法。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱水器；發(fā)展史；現(xiàn)狀；管道冷水問(wèn)題

太陽(yáng)能熱水器利用的是太陽(yáng)輻射散熱的能量，對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行吸收并傳遞熱能給水箱內(nèi)水，以達(dá)到提高水溫，為人們生活供給熱水的目的。太陽(yáng)能熱水器的發(fā)明和普及改善了人們的生活，減少了生活中常規(guī)能源尤其是化石能源的消耗。

一、太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展歷程

太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展最早要追溯到18世紀(jì)60年代瑞士科學(xué)家設(shè)計(jì)的第一臺(tái)太陽(yáng)能集熱器。它奠定了太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展方向和核心原理，為后來(lái)熱水器的設(shè)計(jì)和完善提供了模板和基礎(chǔ)。在1891年，世界上第一臺(tái)真正意義的太陽(yáng)能熱水器在美國(guó)馬里州發(fā)明問(wèn)世，根據(jù)設(shè)計(jì)原理命名為悶曬式太陽(yáng)能熱水器。悶曬式太陽(yáng)能熱水器設(shè)計(jì)布局結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，對(duì)工藝要求較低。同時(shí)缺點(diǎn)很明顯，保溫性能差，熱水必須在當(dāng)天傍晚及時(shí)用完，很大程度上制約了太陽(yáng)能熱水器的應(yīng)用與發(fā)展。

在20世紀(jì)40年代，熱水器的發(fā)展步入正軌。當(dāng)時(shí)在美國(guó)生產(chǎn)了6萬(wàn)多套太陽(yáng)能熱水器，實(shí)現(xiàn)了初步的大規(guī)模生產(chǎn)，邁出了全球普及的第一步。在隨后的40年里，太陽(yáng)能熱水器迅速地發(fā)展壯大規(guī)模，到20世紀(jì)80年代，全球已經(jīng)有超過(guò)300多萬(wàn)臺(tái)太陽(yáng)能熱水器投入使用。

近10年里，歐洲的太陽(yáng)能熱水器使用率一直呈現(xiàn)著迅猛的增長(zhǎng)趨勢(shì)，不僅一直保持著17%以上的增長(zhǎng)率，而且還提出了在2020年達(dá)到14億平方米覆蓋面積的宏偉預(yù)言。由此可見歐洲國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能熱水器的重視程度之高。

太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展在我國(guó)起步較晚。1958年在天津大學(xué)設(shè)立的太陽(yáng)能浴室才算是我們對(duì)太陽(yáng)能熱水器研究與開發(fā)的真正起步。

在20世紀(jì)70年代，我國(guó)興起了對(duì)太陽(yáng)能的開發(fā)利用為核心的科技浪潮，開始重視研發(fā)太陽(yáng)能的吸收利用和太陽(yáng)能熱水器的設(shè)計(jì)。起初，我們以平板式和悶曬式為主，但生產(chǎn)和研發(fā)都受到技術(shù)與工業(yè)水平的制約，難以追趕國(guó)外先進(jìn)水平，只能進(jìn)口外國(guó)設(shè)備對(duì)熱水器進(jìn)行研究學(xué)習(xí)。直到1987年，我國(guó)對(duì)平板集熱器的設(shè)計(jì)制造有了重大突破，建立了全玻璃真空集熱管和熱管真空管集熱器工業(yè)，使得太陽(yáng)能熱水器的制造水平達(dá)到一個(gè)新的高度。

隨后十多年，我國(guó)的太陽(yáng)能熱水器行業(yè)保持著旺盛的生命力，一直快速地進(jìn)行著更新?lián)Q代和設(shè)計(jì)研發(fā)。在1992年時(shí)，在我國(guó)進(jìn)行過(guò)一次全國(guó)性的普及調(diào)查，調(diào)查顯示當(dāng)時(shí)我國(guó)在太陽(yáng)能熱水器行業(yè)的年平均生產(chǎn)量?jī)H為不到50萬(wàn)平方米。而在2000年的追樣調(diào)查種，這個(gè)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)了近13倍，達(dá)到了640萬(wàn)平方米的數(shù)值，可這還不是我國(guó)太陽(yáng)能熱水器的生產(chǎn)量臨界值，在2005年的調(diào)查顯示太陽(yáng)能熱水器年產(chǎn)量達(dá)到了1500萬(wàn)平方米，在2006年又突破了1800萬(wàn)平方米，行業(yè)產(chǎn)量的固定資產(chǎn)已經(jīng)達(dá)到了200億元以上。就目前來(lái)看，我國(guó)已經(jīng)成為世界上太陽(yáng)能熱水器的最大生產(chǎn)國(guó)和最大銷售市場(chǎng)，我國(guó)的太陽(yáng)能熱水器的年平均生產(chǎn)量已經(jīng)是歐洲的2倍，北美的4倍之多。

二、我國(guó)太陽(yáng)能熱水器發(fā)展成果和存在問(wèn)題

太陽(yáng)能熱水器是現(xiàn)在我國(guó)大力提倡普及的熱水器設(shè)備。相比其他熱水器，太陽(yáng)能熱水器不但節(jié)省常規(guī)能源，沒(méi)有任何污染物或廢棄物產(chǎn)生，可以高效產(chǎn)出熱水，而且運(yùn)行費(fèi)用幾乎為零，長(zhǎng)期使用經(jīng)濟(jì)效益好，使用壽命也很長(zhǎng)，切實(shí)響應(yīng)了我國(guó)建設(shè)能源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的號(hào)召。雖然太陽(yáng)能熱水器有著其他類型熱水器無(wú)法比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)，但它的推廣還有著很多的難坎等待突破與完善，如熱水器設(shè)備單價(jià)過(guò)高，熱水器工作運(yùn)行效果易受自然光照情況影響等，這些都將制約著太陽(yáng)能熱水器在我國(guó)的推廣普及。

幾年前《中國(guó)婦女報(bào)》曾經(jīng)對(duì)我國(guó)熱水使用現(xiàn)狀和我國(guó)熱水的期望進(jìn)行過(guò)一次調(diào)查，調(diào)查顯示超過(guò)九成的家庭用戶支持增加生活中熱水的使用范圍，還有近六成的家庭用戶贊同理想的熱水使用量達(dá)到我國(guó)現(xiàn)狀的4倍以上，其中新增熱水使用范圍包括洗衣服、洗米、洗菜等多個(gè)方面?；谶@次調(diào)查，相關(guān)方面的專家認(rèn)為：我國(guó)在家庭熱水使用總量這方面的增長(zhǎng)趨勢(shì)在至少3年內(nèi)不會(huì)低于歐美等國(guó)的增長(zhǎng)趨勢(shì)，甚至有望在4年內(nèi)與歐洲的人均使用量持平。由此可以推測(cè)出，我國(guó)的太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)在近10年內(nèi)至少還將保持約300億的增長(zhǎng)空間，足夠每年提供250萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行更換維修而不會(huì)出現(xiàn)市場(chǎng)飽和。

由以上分析可見，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器的市場(chǎng)依舊有著迅猛的增長(zhǎng)趨勢(shì)和旺盛的生命力，未來(lái)發(fā)展前途廣闊，但需要去完善的方面也有很多?，F(xiàn)有熱水器還普遍存在一個(gè)共同的問(wèn)題就是每次使用時(shí)管道內(nèi)貯存無(wú)用冷水的浪費(fèi)。另一方面是用戶等待一段時(shí)間才接到熱水，影響了其進(jìn)一步推廣使用。而針對(duì)即熱式電熱水器，在開啟熱水器后，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)管口出水水溫?zé)o法達(dá)到使用要求。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，熱水器在設(shè)備開啟后平均約需要釋放20s水后才能流出達(dá)到適宜水溫的水。

在家庭生活中使用太陽(yáng)能熱水器時(shí)，有著很明顯的冷水浪費(fèi)現(xiàn)象。因?yàn)樘?yáng)能熱水器安裝位置往往在小區(qū)樓層的樓頂，在家庭用戶使用熱水時(shí)，從熱水器到用戶家之間的管路中均為自然溫度的冷水，這些水無(wú)法當(dāng)做熱水使用，所以一般會(huì)被白白流失。用戶根據(jù)所在樓層的不同而會(huì)放掉不同量的純凈水。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，這些水不能作為熱水使用，可卻也是可再利用的純凈水資源，是一種生活中存在而無(wú)法避免的水資源浪費(fèi)。由此可見，水資源的浪費(fèi)發(fā)生在每一戶家庭的每一次用水上。

三、解決方案

發(fā)現(xiàn)這一生活中的水浪費(fèi)后，我們現(xiàn)在試給出下面幾種辦法來(lái)嘗試解決這個(gè)問(wèn)題。

（一）三閥單口式（設(shè)備及閥門布置詳見圖1）

1.準(zhǔn)備階段。在安裝完成之后，打開冷水開關(guān)和電磁閥，關(guān)閉熱水開關(guān)，使自來(lái)水沿上下水管流入水箱內(nèi)，并等待太陽(yáng)輻射將水箱內(nèi)水加熱至一定水溫。

2.回流階段。準(zhǔn)備使用熱水時(shí)，打開電磁閥和冷水開關(guān)，關(guān)閉熱水開關(guān)，依靠高位水箱的自身重力勢(shì)能將上下水管中的管路存水回壓至冷水管路內(nèi)。

3.正流階段?；亓魍瓿珊?，打開電磁閥、冷水開關(guān)和熱水開關(guān)，使自來(lái)水和水箱內(nèi)熱水混合后從熱水開關(guān)內(nèi)流出，通過(guò)控制冷水開關(guān)大小來(lái)控制淋浴噴頭出水水溫。

（二）回流水箱式（設(shè)備及閥門布置詳見圖2）

1.準(zhǔn)備階段。開啟入水開關(guān)，在熱水器管路系統(tǒng)內(nèi)充滿水，并等待太陽(yáng)輻射將太陽(yáng)能熱水器保溫水箱內(nèi)水加熱至一定溫度。

2.回流階段。開啟溫度探頭，并打開水泵及電磁閥開關(guān)，由溫度探頭自動(dòng)檢測(cè)水龍頭出口附近水溫。當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定參數(shù)時(shí)，由電子控制元件控制，開啟電磁閥，并關(guān)閉水龍頭附近閥頭，使下水管內(nèi)冷水靠自身高水位自主回流入回流水箱儲(chǔ)存起來(lái)。

3.正流階段。當(dāng)溫度探頭檢測(cè)水龍頭附近出口水溫達(dá)到設(shè)定參數(shù)時(shí)，由電子控制元件控制關(guān)閉電磁閥，開啟水龍頭處閥頭，使下水管內(nèi)熱水流出水龍頭，使用戶正常使用熱水。

4.節(jié)水階段。當(dāng)回流水箱內(nèi)水位計(jì)檢測(cè)得回流水箱已存有足夠水后，在下一次開啟回路使用熱水時(shí)，由電子控制元件開啟水泵，將回流水箱內(nèi)冷水沿上水管流入太陽(yáng)能熱水器保溫水箱，完成節(jié)水，對(duì)管內(nèi)冷水集中回收再利用。

由有關(guān)統(tǒng)計(jì)計(jì)算表明，我國(guó)人均用水量為國(guó)際平均用水指標(biāo)的1/10，全國(guó)現(xiàn)在有超過(guò)110個(gè)城市在面臨著嚴(yán)重的供水問(wèn)題，尤其在華北地區(qū)，人口稠密，工業(yè)發(fā)達(dá)，現(xiàn)在水資源匱乏和地下空洞問(wèn)題已經(jīng)成為了制約該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。所以，對(duì)日常用水“大戶”太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行管路回流改造設(shè)計(jì)，不僅能夠?yàn)閭€(gè)人家庭提供用水方便和節(jié)省管內(nèi)廢棄冷水，而且能夠?yàn)楸Ｗo(hù)我國(guó)水資源，緩解我國(guó)淡水資源危機(jī)做出力所能及的貢獻(xiàn)。

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【責(zé)編 金 東】