太陽(yáng)能熱水器智能防凍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

朱丙坤 孫長(zhǎng)勇 蘇艷東 李鵬啟

（山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,山東 德州253034）

1 概述

近十幾年,隨著人們生活水平的提高,太陽(yáng)能熱水器逐漸被更多家庭所使用。太陽(yáng)能熱水器不但節(jié)約了能源,而且給人們帶來(lái)了方便。但是在使用過程中出現(xiàn)了多種問題困擾著人們,例如：在冬天,太陽(yáng)能熱水器上、下水管被凍住,而無(wú)法使用,甚至被凍裂,給人們?cè)斐闪撕艽蟮睦_。針對(duì)此問題,已有解決的辦法,如給上、下水管加熱,但是這樣會(huì)造成能源浪費(fèi),而且反復(fù)加熱會(huì)使水管加快老化。另外,即使太陽(yáng)能熱水器的戶外管路做了保溫處理,由于沒有熱源補(bǔ)充,管路持續(xù)散熱,長(zhǎng)時(shí)間水管也會(huì)結(jié)冰。本裝置通過智能檢測(cè)系統(tǒng),使上、下水管內(nèi)的水與儲(chǔ)水箱內(nèi)的相對(duì)高溫的水進(jìn)行導(dǎo)流循環(huán),達(dá)到防凍目的,從而解決這一困擾。

2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該項(xiàng)目是涉及智能控制電路的一套太陽(yáng)能熱水器上、下水管路的智能防凍裝置。在冬天室外溫度較低的環(huán)境下,該裝置通過智能檢測(cè)太陽(yáng)能熱水器上、下水管內(nèi)水的溫度,使上、下水管內(nèi)的水與太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)水箱內(nèi)的水（其溫度相對(duì)高于水管內(nèi)水的溫度）進(jìn)行導(dǎo)流循環(huán),從而利用儲(chǔ)水箱內(nèi)相對(duì)高溫的水和水的流動(dòng)來(lái)達(dá)到水管防凍的目的。

3 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

太陽(yáng)能熱水器上、下水管的智能防凍裝置主要包括（如圖1 和2）：

（1）用于智能控制的單片機(jī)（ECU）,安裝在智能防凍裝置上。

（2）用于進(jìn)行上、下水管水導(dǎo)流循環(huán)的導(dǎo)流管,安裝在智能防凍裝置和太陽(yáng)能熱水器之間。

（3）用于檢測(cè)太陽(yáng)能熱水器上、下水管和導(dǎo)流管的6 個(gè)水溫度傳感器,3 個(gè)裝在上、下水管和導(dǎo)流管的上部（與太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)水箱連接的位置）,3 個(gè)裝在上、下水管和導(dǎo)流管的下部（與房頂接觸的位置）。上、下水管和導(dǎo)流管外面包裹著保溫材料,只有與太陽(yáng)能熱水器連接的位置、與房頂接觸的位置這兩個(gè)地方包裹相對(duì)不嚴(yán),保溫效果較差容易被凍住,其它位置相對(duì)保溫較好。

（4）用于控制上、下水管水導(dǎo)流大小的2 個(gè)節(jié)水門體（有兩個(gè)反向信號(hào)的節(jié)水門位置傳感器、節(jié)水門、節(jié)水門驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)以及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等）,安裝在智能防凍裝置上。上、下水管在不進(jìn)行導(dǎo)流循環(huán)的時(shí)候,節(jié)水門是完全關(guān)閉的。

（5）用于進(jìn)行上、下水管水導(dǎo)流循環(huán)的泵水裝置（葉輪、葉輪驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等）,安裝在智能防凍裝置上。

（6）用于保護(hù)電路的保險(xiǎn)絲,安裝在智能防凍裝置上。

（7）用于總電源打開或關(guān)閉的電源總開關(guān),安裝在智能防凍裝置上,同時(shí)作為裝置的啟動(dòng)信號(hào)。

（8）用于給智能設(shè)備供電的整流變壓器（把220V 交流電整流變壓為12V直流電）。

本項(xiàng)目是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:

在冬天室外溫度較低的環(huán)境下,打開智能防凍裝置開關(guān),啟動(dòng)設(shè)備。6 個(gè)溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)上、下水管和導(dǎo)流管的上、下6 個(gè)位置水的溫度,當(dāng)一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器檢測(cè)到上、下水管和導(dǎo)流管水的溫度降低接近于0 度時(shí),單片機(jī)接收到低溫信號(hào)后控制1 個(gè)或2 個(gè)節(jié)水門電機(jī)旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門,同時(shí)泵水裝置電機(jī)在單片機(jī)的控制下也進(jìn)行旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)葉輪泵水進(jìn)行上、下水管、導(dǎo)流管與太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止上、下水管和導(dǎo)流管被凍住。

圖1 智能防凍裝置結(jié)構(gòu)連接簡(jiǎn)圖

上方的溫度傳感器安裝在與太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)水箱連接的位置,下方的溫度傳感器鏈接在與房頂接觸的位置。上水管的下端接通到自來(lái)水管,下水管的下端接通到太陽(yáng)能熱水器的噴頭。

4 項(xiàng)目實(shí)施方案

在冬天室外溫度較低的環(huán)境下,打開智能防凍裝置開關(guān),啟動(dòng)設(shè)備。

圖2 智能防凍裝置電路簡(jiǎn)圖

（1）當(dāng)上水管上的1 個(gè)或2 個(gè)溫度傳感器檢測(cè)到水的溫度降低接近于0 度時(shí),單片機(jī)接收到低溫信號(hào),控制節(jié)水門體1 電機(jī)旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時(shí)泵水裝置電機(jī)在單片機(jī)的控制下也進(jìn)行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)葉輪泵水進(jìn)行上水管、導(dǎo)流管與太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止上水管被凍住。

（2）當(dāng)下水管上的1 個(gè)或2 個(gè)溫度傳感器檢測(cè)到水的溫度降低接近于0 度時(shí),單片機(jī)接收到低溫信號(hào),控制節(jié)水門體2 電機(jī)旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時(shí)泵水裝置電機(jī)在單片機(jī)的控制下也進(jìn)行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)葉輪泵水進(jìn)行下水管、導(dǎo)流管與太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止下水管被凍住。

（3）當(dāng)導(dǎo)流管上的1 個(gè)或2 個(gè)溫度傳感器檢測(cè)到水的溫度降低接近于0 度時(shí),單片機(jī)接收到低溫信號(hào),控制節(jié)水門體1 電機(jī)旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時(shí)泵水裝置電機(jī)在單片機(jī)的控制下也進(jìn)行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)葉輪泵水進(jìn)行上水管、導(dǎo)流管與太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止導(dǎo)流管被凍住。

（4）當(dāng)上水管和導(dǎo)流管上同時(shí)有1 個(gè)、2 個(gè)或者是1 個(gè)和2 個(gè)的溫度傳感器檢測(cè)到水的溫度降低接近于0 度時(shí),單片機(jī)接收到低溫信號(hào),控制節(jié)水門體1 電機(jī)旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時(shí)泵水裝置電機(jī)在單片機(jī)的控制下也進(jìn)行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)葉輪泵水進(jìn)行上水管、導(dǎo)流管與太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止上水管和導(dǎo)流管被凍住。

（5）當(dāng)下水管和導(dǎo)流管上同時(shí)有1 個(gè)、2 個(gè)或者是1 個(gè)和2 個(gè)的溫度傳感器檢測(cè)到水的溫度降低接近于0 度時(shí),單片機(jī)接收到低溫信號(hào),控制節(jié)水門體2 電機(jī)旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時(shí)泵水裝置電機(jī)在單片機(jī)的控制下也進(jìn)行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)葉輪泵水進(jìn)行下水管、導(dǎo)流管與太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止下水管和導(dǎo)流管被凍住。

（6）當(dāng)上水管和下水管上同時(shí)有1 個(gè)、2 個(gè)或者是1 個(gè)和2 個(gè)的溫度傳感器檢測(cè)到水的溫度降低接近于0 度時(shí),單片機(jī)接收到低溫信號(hào),控制節(jié)水門體1 和節(jié)水門體2 電機(jī)同時(shí)旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時(shí)泵水裝置電機(jī)在單片機(jī)的控制下也進(jìn)行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)葉輪泵水進(jìn)行上水管、下水管與太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止上水管和下水管被凍住。

（7）當(dāng)上水管、下水管和導(dǎo)流管上同時(shí)有1 個(gè)、2 個(gè)或者是1 個(gè)和2 個(gè)的溫度傳感器檢測(cè)到水的溫度降低接近于0 度時(shí),單片機(jī)接收到低溫信號(hào),控制節(jié)水門體1 和制節(jié)水門體2 電機(jī)同時(shí)旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時(shí)泵水裝置電機(jī)在單片機(jī)的控制下也進(jìn)行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)葉輪泵水進(jìn)行上水管、下水管、導(dǎo)流管與太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止上水管、下水管和導(dǎo)流管被凍住。

（8）特別注意的是：當(dāng)太陽(yáng)能熱水器上、下水管的智能防凍裝置不起作用的時(shí)候,2 個(gè)節(jié)水門是完全關(guān)閉的,不影響太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)的使用；當(dāng)太陽(yáng)能熱水器上、下水管的智能防凍裝置起作用的時(shí)候,也不影響太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)的使用。同時(shí)通過智能控制節(jié)水門的開度大小和泵水裝置的泵水量大小,不但可以達(dá)到防凍的目的,同時(shí)也可以節(jié)約電能源。

5 智能防凍系統(tǒng)的發(fā)展方向

對(duì)于該裝置來(lái)說(shuō),并不僅僅只局限于太陽(yáng)能熱水器的智能防凍,也可以根據(jù)人們的需求來(lái)對(duì)于該裝置進(jìn)行改動(dòng),以滿足人們的需要?，F(xiàn)大致設(shè)想了以下幾種智能防凍裝置的發(fā)展方向。

（1）基于家庭常用管路的智能防凍系統(tǒng)。這一方面主要是針對(duì)于一些裸露在室外的水管的智能防凍,智能防凍系統(tǒng)一方面可以通過促進(jìn)水管內(nèi)水的循環(huán)流動(dòng)來(lái)達(dá)到防凍的目的。還有一些城市的水管還可以直接供給熱水,另一方面也可以再跟熱水管路進(jìn)行連接,然后通過水溫傳感器檢測(cè)到低溫,然后進(jìn)行熱冷水的一個(gè)互換,同時(shí)還能達(dá)到循環(huán)流動(dòng)的一個(gè)效果。

（2）基于消防管路的智能防凍系統(tǒng)。這一方面主要是針對(duì)于北方嚴(yán)寒地區(qū)高層建筑的消防管路的智能防凍。一方面嚴(yán)寒地區(qū)冬季多干燥,且處于高層的建筑通風(fēng)效果好,門、窗以及很多走廊提供了良好的通風(fēng)條件,這些大多還都是逃生的必經(jīng)之路。所以發(fā)生火災(zāi)時(shí),火災(zāi)的擴(kuò)散途徑較多且擴(kuò)散迅速,所以對(duì)于消防管路的智能防凍也就至關(guān)重要。

（3）基于汽車管路的智能防凍系統(tǒng)。這一方面主要是針對(duì)于汽車行駛至一些寒冷地區(qū)時(shí)的智能防凍,像平時(shí)的汽車防凍,可能冷卻液就可以滿足汽車防凍的需求。但是如果是一些極寒地區(qū)的話,冷卻液的效果可就要大打折扣了,尤其是汽車還需要?？繒r(shí)。這時(shí)我們可以設(shè)想汽車上加裝我們智能防凍裝置,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于汽車管路的智能防凍。

6 結(jié)論

該項(xiàng)目可以利用智能控制電路,精準(zhǔn)便捷地實(shí)現(xiàn)管路循環(huán),達(dá)到管路防凍目的。并且使用該智能防凍裝置時(shí),不影響太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)的使用。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,應(yīng)用價(jià)值高,應(yīng)用前景廣泛。