陽臺壁掛太陽能水箱發(fā)臭問題研究

王娟婷，馬季青

（山東力諾瑞特新能源有限公司，山東 濟南 250103)

0 引言

近年來，在應對全球環(huán)境污染及能源短缺的大背景下，大力發(fā)展可再生能源已成為眾多國家能源轉(zhuǎn)型的大趨勢，太陽能以其綠色、經(jīng)濟、安全等優(yōu)點，成為可再生能源開發(fā)中的重要組成部分。太陽能熱水器是一種技術(shù)成熟、應用廣泛的可再生能源產(chǎn)品，在全球很多國家得到了廣泛的應用，在居民熱水、工業(yè)熱能等方面發(fā)揮了巨大的作用[1]。目前城市高層建筑越來越多，傳統(tǒng)的太陽能熱水器已不能滿足人們的安裝使用，陽臺壁掛太陽能逐漸成為高層建筑的標配[2]。專家學者對陽臺壁掛太陽能熱性能、系統(tǒng)能效、智能化開發(fā)等方面的研究頗多[3-6]，但對于陽臺壁掛太陽能實際應用中存在的問題和痛點研究較少。陽臺壁掛太陽能實際應用中存在的問題和痛點主要有水箱漏水、水溫不高、水箱發(fā)臭、控制失靈等，其中最讓人頭疼的就是水箱發(fā)臭問題，處理成本高、難度大，處理后很容易再次發(fā)臭。本文針對陽臺壁掛太陽能實際應用中水箱發(fā)臭問題進行分析，從外部因素和內(nèi)部因素兩個方面分析水箱發(fā)臭的原因，提出水箱發(fā)臭問題的處理方法及預防措施，給太陽能用戶及太陽能廠家提供應用參考。

1 陽臺壁掛太陽能系統(tǒng)介紹

陽臺壁掛太陽能系統(tǒng)是分體雙循環(huán)閉式承壓系統(tǒng)，由水箱、集熱器、支架、附件箱、儲能液等構(gòu)成。陽臺壁掛太陽能系統(tǒng)安裝示意圖見圖1，其運行原理為：儲能液作為循環(huán)介質(zhì)在集熱器中吸收太陽能，溫度升高，通過溫度變化引起的密度差進行自然循環(huán)或通過換熱循環(huán)泵強制循環(huán)，將熱量通過水箱夾套層傳遞給水，從而使水溫上升。由于太陽能是不穩(wěn)定、不連續(xù)的能源，為提高陽臺壁掛太陽能系統(tǒng)的使用舒適性，陽臺壁掛水箱中一般配有電輔助加熱，在太陽能不足時，利用電加熱保障熱水的供應。陽臺壁掛太陽能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件為太陽能集熱器和太陽能水箱。太陽能水箱的功能是儲存、保溫和輸送熱水。目前，市場上普遍使用的承壓水箱主要有不銹鋼內(nèi)膽水箱和搪瓷內(nèi)膽水箱兩種。陽臺壁掛水箱主要為搪瓷內(nèi)膽水箱，配置電加熱、鎂棒和控制器等[7]。陽臺壁掛太陽能系統(tǒng)屬于間接換熱的閉式承壓系統(tǒng)，屬于頂水式供水，即太陽能水箱一直是滿水狀態(tài)，當使用太陽能熱水時，市政自來水會通過水箱進水口補充新鮮水。

圖1 陽臺壁掛太陽能安裝示意圖

2 水箱發(fā)臭問題及發(fā)臭機理

近年來，頻頻爆出陽臺壁掛水箱發(fā)臭的問題，直接影響用戶的使用，且水箱發(fā)臭問題很難解決，水箱清洗難度大、費用高，清理不徹底，導致再次發(fā)臭。水箱發(fā)臭問題是太陽能廠家、房地產(chǎn)商、物業(yè)及用戶都十分頭疼的問題，經(jīng)市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，太陽能水箱發(fā)臭多發(fā)生在使用地表水作為生活飲用水水源的地區(qū)，存在太陽能水箱驗收交付后長期不使用的情況，而且發(fā)臭的水箱多為立式結(jié)構(gòu)。

陽臺壁掛太陽能水箱為什么會發(fā)臭呢？水箱發(fā)臭從根本上說是太陽能水箱一直處于滿水狀態(tài)，如果長期不使用導致水箱中的水長期滯留，水中的微生物、藻類大量滋生，導致水中溶解氧濃度降低，微生物由好氧呼吸轉(zhuǎn)為厭氧呼吸，即發(fā)生腐敗，產(chǎn)生H2S 等氣體，發(fā)出類似臭水溝的氣味，此時水體已腐敗變黑。那么，為什么每天正常使用的水箱不會有發(fā)臭問題呢？眾所周知，我國市政自來水出廠前最后一個工序是使用液氯消毒，殺死大部分微生物、細菌和病毒，為避免自來水在輸送過程產(chǎn)生二次污染，會過度消毒，使水中保留一部分余氯，仍具有一定的抗污染能力，以保證自來水到達用戶端仍然滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》。每天正常使用的水箱由于新鮮水中少量余氯的存在，可以消滅水中一部分微生物，保障水箱中的微生物量保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，因此水箱不會發(fā)臭。

3 水箱發(fā)臭問題分析

3.1 外部因素

地表水作為生活飲用水水源的地區(qū)水箱發(fā)臭概率較高，主要是地表水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)含量較高，雖然自來水經(jīng)過處理后水質(zhì)已滿足生活飲用水衛(wèi)生標準，但不同水源的自來水中的成分會有不同。氮、磷是微生物必要的生產(chǎn)要素，為微生物的滋生和繁殖提供營養(yǎng)物質(zhì)，因此以地表水作為生活飲用水水源的地區(qū)更容易發(fā)生水箱發(fā)臭問題。

陽臺壁掛太陽能是太陽能與建筑一體化的產(chǎn)物[8]，主張同步施工、同步驗收、同步交付使用。但建筑的交付距離用戶真正使用的時間至少半年或者更長的時間。有一些項目太陽能的施工驗收標準需要系統(tǒng)注液后再驗收，因此太陽能系統(tǒng)需要注水注液。水箱內(nèi)的水長期滯留，微生物自然會滋生，根據(jù)微生物生產(chǎn)曲線的延緩期、對數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期，當微生物到達衰亡期，即水中的營養(yǎng)物質(zhì)、溶解氧嚴重不足時，大量微生物死亡，一部分微生物由好氧呼吸轉(zhuǎn)為厭氧呼吸，釋放出H2S等氣體，水箱中的水變質(zhì)變臭。

3.2 內(nèi)部因素

水箱發(fā)臭的內(nèi)部因素主要是水箱的結(jié)構(gòu)及水箱防腐部件。

立式結(jié)構(gòu)的水箱更容易發(fā)生發(fā)臭問題，立式水箱及臥式水箱的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，通過對比發(fā)現(xiàn)，立式水箱的進水口高于水箱的法蘭口，使得立式水箱法蘭口處成為水流水溫相對穩(wěn)定的區(qū)域。臥式水箱的進水口在水箱的最底端，水箱進水時容易在底層出現(xiàn)水流擾動，不利于微生物的附著生存。另外立式水箱內(nèi)的水縱向溫度分區(qū)較明顯，熱水集中在水箱上部，水箱下部水溫較低，這也是立式水箱實際應用更為廣泛的原因之一，立式水箱的熱水輸出率更高，但這也為微生物營造了舒適的溫度環(huán)境。

圖2 陽臺壁掛水箱結(jié)構(gòu)示意圖

陽臺壁掛水箱多為搪瓷內(nèi)膽水箱，內(nèi)膽材質(zhì)為搪瓷鋼板，搪瓷面都會存在一些肉眼看不到的缺陷，為延緩水箱鋼板腐蝕，延長水箱使用壽命，搪瓷水箱都配有陽極氧化部件，市場上應用最為廣泛的就是擠壓成型的鎂棒，鎂棒的主要成分是鎂，占鎂棒總重量的90%以上。鎂棒通過螺紋連接固定在電加熱法蘭盤上，構(gòu)成鎂棒電加熱組件，這也是太陽能水箱行業(yè)應用最多的組件。鎂棒作為防腐部件主要是應用犧牲陽極的原理，鎂棒與內(nèi)膽形成電路，鎂棒在保護內(nèi)膽過程中逐漸被消耗，轉(zhuǎn)化為鎂離子釋放到水中。鎂棒的防腐保護釋放出的鎂離子在溫度和碳酸根離子共同作用下會形成水垢，同時還有大量未消耗完全的鎂棒渣滓，這些固體物質(zhì)沉積在水箱最底部的法蘭口處。圖3為某地區(qū)某小區(qū)的陽臺壁掛太陽能水箱的電加熱和鎂棒組件，可以看到大量的水垢，中間部分已發(fā)黑腐敗。這些沉積在水箱底部的固體物質(zhì)，為微生物提供了可靠的載體，微生物附著在固體表面，避免了水流的沖擊流失，更容易大量繁殖。另外現(xiàn)有的電加熱鎂棒組件為一體結(jié)構(gòu)，電加熱的材質(zhì)為316L 或英格萊800，電加熱管與鎂棒的電位差高于水箱內(nèi)膽鋼板與鎂棒的電位差，因此這種結(jié)構(gòu)存在鎂棒的過度消耗，因此也會產(chǎn)生更多固體沉積物，鎂棒更換周期縮短。但固體沉積物不是水箱發(fā)臭的決定性因素，上文提到市政自來水中有一定的余氯，可以消滅一部分微生物，因此，即使水箱中水垢雜質(zhì)沉積，只要正常每天使用熱水，水箱中源源不斷進入新鮮的自來水，就能保障水箱中的微生物不會過度繁殖，因此也不會出現(xiàn)水體腐敗變質(zhì)的問題。

圖3 鎂棒電加熱組件

4 水箱發(fā)臭問題的處理及預防措施

4.1 水箱發(fā)臭問題的處理

對于已經(jīng)發(fā)臭的水箱，一般的處理方法，就是水箱徹底清潔，需要打開水箱維修蓋、拆除水箱控制部件、打開水箱法蘭盤、電加熱，徹底清理水箱內(nèi)壁、電加熱法蘭盤、電加熱管等。但有些水箱清潔后一兩周再次發(fā)臭。因此，建議水箱清潔后，重新上水，啟動水箱電加熱功能，設置電加熱最高溫度，將水溫升到75℃以上，保溫2h，把水放掉重新上水，重復加熱、保溫、放水步驟，再次上水后，可正常使用，并保證連續(xù)使用，可避免水箱發(fā)臭問題的再次發(fā)生。這樣操作的原理，主要是起到高溫殺菌的作用，另外，需要注意的是，水箱保溫兩小時后放水時盡量使用末端放水，可以將水管路中的微生物同時滅殺，減少水在輸送管路的二次污染。綜上，可知水箱發(fā)臭問題的處理過程比較復雜，需要拆裝水箱的控制部件、電加熱等，電氣部件的拆裝專業(yè)度要求較高，另外，水箱已懸掛安裝，倒立安裝水箱電加熱、法蘭盤、控制部件的難度也較大，且有安裝不到位，水箱漏水的風險。重復加熱、保溫滅菌、放水、上水操作耗時較長。

4.2 預防水箱發(fā)臭的措施

水箱發(fā)臭問題的處理費用高、難度大并且存在再次發(fā)臭和漏水的風險，因此，預防水箱發(fā)臭是更經(jīng)濟更智慧的選擇。預防水箱發(fā)臭的措施從根本上講就是破壞微生物大量滋生的條件，主要包括穩(wěn)定的水環(huán)境、豐富的營養(yǎng)物質(zhì)、可以穩(wěn)定生存的生物載體。因此預防水箱發(fā)臭的措施主要有避免水箱水的長期滯留、增加凈水措施、尋找鎂棒替代品和調(diào)整鎂棒安裝位置。

4.2.1 避免水長期滯留

四是推進綜合執(zhí)法。統(tǒng)籌涉河建設、取水許可及水土保持等執(zhí)法，相對集中行政執(zhí)法職能，責令在監(jiān)督檢查中發(fā)現(xiàn)的嘉興石化等違法項目依法辦理取水許可并編制水土保持方案，避免重復執(zhí)法、執(zhí)法缺位。

避免水箱水的長期滯留，首先房地產(chǎn)開發(fā)商和太陽能企業(yè)需要在太陽能安裝初期到用戶真正使用之前，避免注液注水，調(diào)整太陽能施工安裝驗收規(guī)范的要求，允許太陽能系統(tǒng)不注液、不注水進行驗收，可依靠一部分保證金約束太陽能安裝企業(yè)，在用戶正式入住使用后，再進行系統(tǒng)注液注水，避免因為太陽能系統(tǒng)空置而導致的水箱發(fā)臭問題。用戶正式入住后，如有長時間（兩周以上）不用水的情況，也需要定期放水或定期啟動電加熱高溫滅菌，保持水箱內(nèi)微生物菌群數(shù)量的平衡。

4.2.2 增加凈水措施

凈水措施是從減少微生物來源和微生物營養(yǎng)物質(zhì)兩方面降低水箱發(fā)臭的概率。主要實現(xiàn)形式有全屋凈水、水箱進水預處理、水箱內(nèi)增加凈衛(wèi)裝置等，幾種措施均有較好的效果。全屋凈水和水箱進水預處理需及時清洗過濾網(wǎng)更換濾芯。水箱中增加的凈衛(wèi)裝置，是一種化學消耗品，具有阻垢、抑菌、防腐的作用，通過添加緩釋因子，實現(xiàn)對水箱的持續(xù)保護，這種方式具有良好的效果，但價格較高，使用期限因水質(zhì)、水量的不同而不同。

4.2.3 鎂棒替代品開發(fā)

鎂棒是太陽能水箱防腐應用最普遍的部件，但鎂棒在消耗過程中會釋放大量鎂離子，增加水箱內(nèi)水垢的量，同時鎂棒殘渣成為水箱內(nèi)新的污染物，為微生物提供大量繁殖的載體，容易出現(xiàn)水箱發(fā)臭問題，因此尋找鎂棒的替代品是行業(yè)預防水箱發(fā)臭的重要方向，主要有鋁棒和電子保護兩種替代品。

鋁棒：某企業(yè)發(fā)現(xiàn)將水箱的防腐部件鎂棒更換為鋁棒，會減少水箱發(fā)臭問題的發(fā)生，主要是因為鋁棒消耗得慢，產(chǎn)生的殘渣少，水中的微生物沒有載體，隨水流不斷流失，不會造成微生物過度繁殖的腐敗發(fā)臭的問題。但這種做法是不太可取的。因為鋁棒的活性遠不如鎂棒，而且鋁腐蝕時會產(chǎn)生鈍化膜，因此對水箱的防腐保護大大減小。

電子鎂棒：電子鎂棒實際是電子陽極，屬于外加電流的陰極保護措施，最早應用于管道防腐、船舶防腐等領(lǐng)域，也是在水箱防腐中應用較早的技術(shù)[9-10]。電子鎂棒在內(nèi)膽保護過程中不會改變水質(zhì)，不會產(chǎn)生殘渣，減少了微生物的載體的來源，同時不存在鎂棒更換的問題。但電子鎂棒較普通鎂棒成本高，且在設備不通電狀態(tài)，無法保護內(nèi)膽不被腐蝕。所以實際應用中，安裝電子鎂棒的產(chǎn)品需安裝普通鎂棒進行補充，或者增加儲備電源，保障設備斷電期間的內(nèi)膽保護。

4.2.4 鎂棒位置調(diào)整

目前，行業(yè)上鎂棒最普遍的安裝位置是電加熱法蘭盤上，通過螺紋連接固定，鎂棒直接與電加熱管連接。鎂棒與電加熱管的高電位差，導致鎂棒過度消耗，縮短鎂棒的使用壽命，導致水箱中產(chǎn)生大量水垢和鎂棒殘渣。為避免鎂棒的過度消耗，減少水箱中的水垢和鎂棒殘渣，針對現(xiàn)有的法蘭盤電加熱和鎂棒一體的結(jié)構(gòu)，開發(fā)了鎂棒與電加熱結(jié)構(gòu)分離的內(nèi)膽結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)不同于現(xiàn)有的鎂棒以螺柱固定在電加熱法蘭盤的結(jié)構(gòu)，在內(nèi)膽封頭單獨開孔，焊接內(nèi)螺紋螺柱，將鎂棒直接固定在內(nèi)膽上，該水箱結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)電加熱、鎂棒分離，可單獨拆卸和安裝，便于售后維修，最重要的是電加熱和鎂棒分離，避免兩者之間的高電位差導致的鎂棒過度消耗，實現(xiàn)鎂棒長期保護內(nèi)膽腐蝕的目的，同時避免鎂棒快速消耗而產(chǎn)生的大量鎂離子和鎂棒殘渣，對防止水箱發(fā)臭有一定的作用。

5 結(jié)論

綜上所述，陽臺壁掛太陽能水箱發(fā)臭問題是一個多種因素綜合作用的結(jié)果，是完全可以解決和避免的問題。（1）避免水箱內(nèi)的水長期滯留，防止為微生物大量滋生提供穩(wěn)定的水環(huán)境，（2）根據(jù)水源特點增加一定的凈水措施，減少水箱內(nèi)微生物來源，降低水中營養(yǎng)物質(zhì)的含量；（3）積極調(diào)整水箱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化水箱防腐部件（鎂棒），避免水箱結(jié)構(gòu)和內(nèi)部部件為微生物提供生長載體。