一種太陽能熱水器戶外水管防凍結構設計

李玉榮，楊娟芳，申賓德，王得宏

(武威職業(yè)學院，甘肅 武威 733000)

0 引 言

在全面建成小康社會的關鍵時期，加快推進綠色低碳發(fā)展，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、推進生態(tài)文明建設的內在要求。甘肅省河西走廊作為一帶一路黃金節(jié)點，典型的大陸性氣候，由于天然陽光充足，日照時數(shù)2200～3030 h，無霜期85～165天，太陽輻射量127～138千卡/m2，因此為大力發(fā)展新能源產業(yè)提供了得天獨厚的條件。

河西走廊武威、金昌、張掖、酒泉和嘉峪關城區(qū)六層居民建筑均超過城區(qū)建筑一半，新型城鎮(zhèn)社區(qū)多為三層建筑，農村地區(qū)人口眾多且多居住磚混平房，為風光互補分布式發(fā)電系統(tǒng)以及太陽能熱水器推廣應用提供的便利。通過推廣太陽能熱水器的使用可以節(jié)約能源消耗，尤其在農村推廣使用，減少通過散煤或秸稈燒水問題，對促進國家廣大農村地區(qū)大氣污染治理將具有重要意義。但太陽能熱水器在使用過程中故障率較高，尤其冬季戶外水管結冰問題嚴重導致了太陽能熱水器推廣應用。

1 太陽能熱水器戶外管道防凍技術現(xiàn)狀

太陽能熱水器的真空管和水箱具有保溫防護措施不會被結冰，但戶外管道即使保溫措施很好，管道折彎處、過墻處等部位還是特別容易結冰，甚至造成開裂漏水結成瀑布冰塊。由于太陽能熱水器一般都安裝在房頂，發(fā)生漏水、結冰的情況不但維修麻煩且易對建筑物外觀造成破壞，給住戶帶來困擾，目前常采用的防凍或維修措施主要有以下幾個方面。

(1) 采用電伴熱帶保溫措施 在我國北方，很多家庭在安裝太陽能熱水器的時候都會多安裝一個伴熱帶，其外形與電線相似，纏繞在戶外水管上面可以為水管保溫和解凍。

當冬季氣溫持續(xù)低于0 ℃時，需開啟電伴熱帶使之為太陽能戶外水管進行預熱保護。尤其北方嚴寒地區(qū)，當氣溫始終在零下時，就要一直開啟加熱防凍裝置。其他地區(qū)如果夜間氣溫比較低，可在晚上啟動防凍裝置，白天關閉。一般情況20 min左右就可以化凍，但耗電量較大，且大多數(shù)家庭長期使用中容易出現(xiàn)電線老化現(xiàn)象，更換比較麻煩。

(2) 滴水防凍法[1]對于沒有安裝伴熱帶的太陽能熱水器，如遇天氣較冷，可以在晚上用完熱水后將水箱上滿水。然后在水龍頭下接一水盆，把熱水閥松開一點，使其慢慢滴水，以保持管道內水的流動，一般晚上下漏一盆水的流量可避免戶外管道凍堵，但是該方案容易忘記關閉水龍頭，存在一定的安全隱患。

(3) 戶外管道內結冰維修 冬季戶外管道結冰堵塞現(xiàn)象常發(fā)生，當戶外管道內已結冰但管道尚未開裂時可通過伴熱帶加熱除冰，也可用電吹風烘吹或用毛巾裹住水管后溫水慢慢澆淋融冰，否則只能等氣溫回升后自動疏通。當發(fā)生多次結冰時容易導致管道凍裂如圖1(a)所示，因此需要加強管道保溫措施。

圖1 太陽能熱水器外觀圖

2 太陽能熱水器戶外水管防凍結構設計

太陽能熱水器外觀如圖1所示，其各部分結構名稱如圖2所示。白天真空管內壁吸光集熱材料利用照射到外表面的陽光熱量對內部冷水進行加熱，真空管內熱水和水箱內冷水因密度不同形成對流使水溫均勻持續(xù)上升，夜間降溫時水箱內熱水保溫層的作用下防止熱量散失。

圖2 太陽能熱水器結構示意圖

(1) 防凍結構設計原理[2]太陽能熱水器戶外水管(上下水管)通常采用尼龍材料，其柔韌性較好且能耐-40 ℃甚至更低溫度，冬季很少有凍裂現(xiàn)象。太陽能熱水器戶外水管通常在2 m左右，由于管徑限制而導致其內水溫損失后很難和保溫桶內熱水形成對流，同時在靜態(tài)下導熱系數(shù)很低，冬季常發(fā)生戶外水管內部結冰現(xiàn)象，尤其在深夜氣溫最低時。

本文中設計防凍結構原理如圖3所示，在保溫桶內安裝一個吸熱能力很強的塊體，并在戶外水管內無約束安裝一根導熱能力極強的傳熱絲，并通過釬焊將傳熱絲和吸熱塊結合，當戶外水管因熱量散失導致水溫降低時，吸熱塊將從保溫桶內吸收熱量并通過傳熱絲傳導熱量補充戶外水管熱量散失導致的戶外水管結冰現(xiàn)象。

圖3 防凍結構設計原理

(2) 吸熱塊和傳熱絲材料選取 溫度在0～100 ℃范圍變化時靜態(tài)水的熱導率很低(如表1所示)，大約在0.5～0.7 W/(mK)之間變化，當冬季水管內熱量散失水溫降低時無法靠熱傳導完成溫度補償。太陽能熱水器集熱管管徑在150 mm左右，靠對流換熱完成保溫桶內冷水加熱，而戶外水管管徑只有20 mm左右，當冬季水管內熱量散失水溫降低時也無法靠對流完成溫度補償?；谝陨蟽蓚€方面的限制，太陽能熱水器戶外水管冬季經常發(fā)生凍裂現(xiàn)象，而本文中太陽能熱水器防凍結構設計的核心是采用具有極強的導熱系數(shù)的吸熱塊和傳熱絲補償冬季戶外水管溫度散失。

表1 水的熱導率隨溫度變化表

常見導熱系數(shù)較高的部分金屬材料如表2所示。

表2 常見金屬材料150 ℃的熱導率[3]

純銅導熱系數(shù)僅次于純銀但價格卻比純銀便宜很多。在導熱塊的機械切削加工和和傳熱絲的塑形拉拔成型工藝中，純銅相比其他常見導熱系數(shù)較高的金屬也具有很大的優(yōu)勢，便于加工制造。因此太陽能熱水器吸熱塊和傳熱絲材料可優(yōu)先選用純銅，考慮到太陽能熱水器的戶外水管管徑約為20 mm ，可選取傳熱絲直徑為4～5 mm。

(2) 純銅傳熱絲熱膨脹分析

如圖4所示以d=4、L=100 mm的純銅傳熱絲為例，當溫度上升100 ℃時的線膨脹量δ為：

δ=熱膨脹系數(shù)×全長×溫度變化

=17.7×10-6(1/℃) ×100 mm×100 ℃

=0.177(mm)

圖4 純銅傳熱絲線膨脹量計算示意圖

如果將戶外水管內的純銅傳熱絲設計為自由端，其因溫差變化產生的線膨脹或收縮量在戶外水管內的自由伸縮不會影響太陽能熱水器的正常使用。

3 防凍結構應用

該防凍結構裝配方式如圖5所示，首先將現(xiàn)有太陽能熱水器保溫桶進出水管與連接接頭、戶外水管拆下，然后通過機械加工手段在保溫桶進出水管上加工新的進出水口，最后將吸熱體與傳熱絲釬焊連接在一起后插入進出水管內部并安裝回太陽能熱水器。

圖5 防凍結構安裝示意圖 1.吸熱塊 2.新進出水口和傳熱絲 3.保溫桶進出水管 4.連接接頭 5.戶外水管

4 結 語

(1) 本文設計的防凍結構采用純銅作為吸熱和導熱材料具有導熱系數(shù)高，安裝方便，并且對老舊太陽能維修改造方便的優(yōu)點。

(2) 本文設計的防凍結構導熱絲在戶外水管內產生的線膨脹量或自由收縮量很小，不會影響太陽能的正常使用。

(3) 本設計中導熱銅絲通過傳熱對戶外水管散熱補償量可能會受長度限制，尚需進一步研究改進。