太陽能熱水器冬季抽癟原因分析和實驗研究

2012-03-10 01:17:46張景珊趙紅利任偉王國偉堯克光

太陽能 2012年9期

■ 張景珊趙紅利任偉王國偉堯克光

（1.太陽雨太陽能有限公司研發中心；2.洛陽質量技術監督檢驗測試中心）

一引言

太陽能熱水器在家電下鄉的促進下，其數量(這里指的是緊湊式太陽能熱水器)有了突飛猛進的發展。伴隨著太陽能熱水器的普及，其相關的各種故障和問題出現的次數也越來越多，且備受用戶、廠家、經銷商等的關注，尤其是發生在北方寒冷地區的水箱抽癟問題。

圖1 水箱抽癟實例

太陽能熱水器抽癟事故的典型實例如圖1所示，其水箱內膽在外界負壓作用下向內部塌陷，有時還會導致外殼變形扭曲。這類抽癟事件大部分集中在入冬初期和開春前爆發，主要集中在配有控制儀控溫使用的太陽能熱水器上。該事故直接導致熱水器整機報廢，是目前眾多問題中最為嚴重的故障。盡管數據表明太陽能熱水器抽癟的概率不大，但這類導致熱水器整機報廢的事故，對當事經銷商和品牌的經濟、名譽都帶來極為惡劣的影響。因此分析水箱抽癟的原因，研究合理的防抽癟結構，進而避免這類事故的發生是一項既具實際意義又具挑戰性的課題。

筆者走訪了東北地區眾多太陽能熱水器用戶，統計并分析這類抽癟現象發生的頻率和規律。從目前各太陽能熱水器企業在東北地區的售后情況看，所有太陽能品牌都普遍存在水箱抽癟現象。根據某太陽能品牌的統計數據，2010年該類太陽能熱水器共計抽癟75臺，抽癟時間主要集中在入冬初期的11月份到開春的4月份，其中2～4月份發生的概率更高；在區域上，遼寧省出現的頻率最高；從比例上看，太陽能熱水器抽癟的幾率小于0.1%。

二太陽能熱水器冬季抽癟原因分析

一般來講，緊湊式太陽能熱水器盡管為非承壓式，但其通過滾筋、端蓋增強等方式加強內膽筒體的強度，使水箱能抗拒較大壓力，一般情況下的壓力是無法造成其壓塌變形事故的。發生如此嚴重的抽癟事故，應該是由內外大氣壓力差造成的。而要產生壓力差必然和下排氣管(或者側排氣管)的部分或全部被堵塞有關，導致用水時熱水流走，而外部大氣來不及補氣，從而造成內部的負壓，使內膽被壓扁變形，最終抽癟。

熱水器上的排氣管主要起三個作用：上水時，內膽里的空氣通過排氣管排出；用水時，通過排氣管將箱外空氣補入水箱內以平衡大氣壓；水箱高溫時，高溫水蒸氣排出水箱外。普通直插式真空管太陽能熱水器為非承壓結構，如果排氣管由于某種意外阻塞導致上述三項功能不能實現，會使水箱承受正壓(負壓)，可能出現水箱抽癟或者漲壞的現象。

筆者通過使用一套模擬實際用水的實驗裝置，來分析內外壓力差或負壓的大小，模擬實驗高度差為3～22m。裝置放置在樓層的不同高度，其中水箱為承壓式，壁厚1.2mm，能夠抵抗0.6MPa壓力，注滿水后在其一管口接壓力表，另一用水管口接編制軟管直通樓下。

在樓底打開用水閥門，模擬在用水過程中突然縮小通氣閥門，則即使放置于2層，承壓水箱在瞬間也會變形抽癟，且抽癟速度極快，實驗者幾乎來不及拍照和觀察壓力表數據。根據該實驗可知，非承壓的直插式太陽能熱水器一旦出現排氣管通氣不暢的現象，必會導致水箱抽癟事故發生。

同時分析圖1可知，水箱抽癟是由其塑料質的排氣管下折導致排氣管阻塞造成的。通過統計分析，造成排氣管堵塞的原因一般有以下情況：

(1) 冬季高寒地區夜間溫度太低，出現結霜現象。如圖2所示，結霜后水箱內冷凝水珠不能正常排出，被霜體截流形成凍體附著在排氣管壁上，達到一定厚度就會堵塞排氣管。特別是對于使用控制儀控溫的太陽能熱水器，當水溫設置較高時，水汽由側排氣排出，遇見冷空氣結冰后極易出現凍堵現象，且因排水口徑小，其管口更容易凍堵。

(2) 排氣管安裝不正確。圖2中的安裝方式在下雪時，雪易積聚到管口處形成堆積，進而凍堵，造成上述故障。在北方地區，即使是常規正確的安裝方式，當側排氣管插有溫度探頭線等物體時，因管口空隙較小，在連續陰天下雪，也易造成排氣管凍堵。

圖2 排氣口易結霜堵塞的結構

(3) 用戶私自改裝，使用側排氣管或下排氣管上水，破壞了排氣通暢。這種現象較普遍，特別是對于無自來水的農村地區，許多用戶使用自制的水箱補水。其在改裝過程中極易出現這種事故。

(4) 廠家或安裝人員的疏忽，如安裝完畢沒有將塑料護絲拆下，內膽集料造成保溫材料堵塞排氣口，安裝時落入雜物等。

(5) 如果溢流管使用的是軟性材料軟管，在使用中會遇熱后變癟形成堵塞。

三太陽能熱水器上排氣防抽癟閥

通過分析，可以看出使用控制儀控溫的太陽能熱水器更易出現抽癟，但高寒地區冬季如果不使用控制儀和輔助能源，太陽能熱水器又不能正常工作，因此許多研究人員在思考解決這一對矛盾的同時，探索著新的方法。

其中最為常用的方法是對管路添加電伴熱帶。正確合理的電熱帶布置，能保證正確的解凍順序，對防治管路凍堵效果極好，但對側排氣或下排氣引起的管口凍堵、阻塞等現象不起作用。

對于上述情況，有些科研工作者開發出一定程度上能減少熱水器抽癟現象的上排氣閥，裝置如圖3所示。其類似于一般的防雨帽，空心桿內是和大氣連接的光滑通道。該裝置安置在熱水器水箱正上方，平時運行時除了起排氣補氣作用外，其保護罩能在寒冷冬季起到的防止排氣口凍堵的效果，進而達到防抽癟的目的。目前，該類裝置已被許多三、四線廠家推廣應用。

圖3 幾種上排氣閥產品

就調查的結果來看，目前這類上排氣防抽癟閥在高緯度地區應用的效果不是很好。該類上排氣結構比側排氣以及下排氣更易造成熱量的流失，導致熱水器熱損增大，保溫性能下降。這是該類簡易上排氣閥的最大缺點。

對在東北等高緯度地區的太陽能熱水器用戶來說，為保證正常用水，控制儀的溫度普遍設置較高(一般＞60℃)，因此箱體內較高溫度的水汽通過上排氣閥排出，使被風面的霜雪融化，進而又在其附近凝結成冰，易導致霜雪積累，堵封上排氣閥體，使其失去補氣作用。圖4是筆者在東北進行售后服務過程中發現的一例典型案例，其水箱頂部出現明顯的白色鼓包，側排氣也已凝結成冰溜。該白色鼓包正是霜雪凝固并包裹的上排氣閥。所以該類簡單的上排氣閥，在冬季防止排氣管口凍堵的現象并不理想。

圖4 上排氣被霜雪包裹圖片

四新型上排氣呼吸閥實驗

新型上排氣呼吸閥的原理圖如圖5所示，能起到上述上排氣閥的通氣、補氣作用。呼吸膜片由軟膠片和彈簧鋼復合組成，具一定的彈性，因此該呼吸結構還能在僅用水時打開進行補氣，平時則處于關閉狀態，從而減少熱氣外泄，進而大幅度減少熱量散失，并杜絕冬季霜雪在排氣口周圍融化并凍堵的現象。

對安裝有該類新型上排氣呼吸閥的熱水器和常規使用下排氣及側排氣結果的熱水器進行對比熱性能測試，發現該類熱水器的熱損系數和常規產品基本相當，未造成熱量明顯損失。

圖5 新型上排氣呼吸閥示意圖

為進一步證實該類上排氣閥的防抽癟效果，在大型冷庫內進行低溫冷凍實驗。在冷庫放置安裝一臺有該種新型上排氣呼吸閥的熱水器，模擬北方高寒天氣狀況，實驗溫度為?30℃，使用電加熱保持水溫在50℃以上。每8h觀察一次排氣閥周圍水汽凝結情況。經過一周不間斷持續觀察，未發現熱水器頂部有水汽凝結凍堵現象，熱水器運作正常。

為進一步考驗上排氣防抽癟閥在實際環境中的防抽癟效果。在東北地區選取典型區域進行為期兩年的實際應用實驗，在黑龍江佳木斯湯原縣先后安裝了30臺僅使用該新型上排氣呼吸閥的產品。經過兩年多的運行，均無水箱抽癟現象。