太陽能熱水器的發(fā)展歷史現(xiàn)狀及管道冷水問題解決方案

盧文博　馬路寬 李新號

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

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

太陽能熱水器利用的是太陽輻射散熱的能量，對太陽光進行吸收并傳遞熱能給水箱內(nèi)水，以達到提高水溫，為人們生活供給熱水的目的。太陽能熱水器的發(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、太陽能熱水器的發(fā)展歷程

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

在20世紀40年代，熱水器的發(fā)展步入正軌。當(dāng)時在美國生產(chǎn)了6萬多套太陽能熱水器，實現(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，太陽能熱水器迅速地發(fā)展壯大規(guī)模，到20世紀80年代，全球已經(jīng)有超過300多萬臺太陽能熱水器投入使用。

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

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

在20世紀70年代，我國興起了對太陽能的開發(fā)利用為核心的科技浪潮，開始重視研發(fā)太陽能的吸收利用和太陽能熱水器的設(shè)計。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，難以追趕國外先進水平，只能進口外國設(shè)備對熱水器進行研究學(xué)習(xí)。直到1987年，我國對平板集熱器的設(shè)計制造有了重大突破，建立了全玻璃真空集熱管和熱管真空管集熱器工業(yè)，使得太陽能熱水器的制造水平達到一個新的高度。

隨后十多年，我國的太陽能熱水器行業(yè)保持著旺盛的生命力，一直快速地進行著更新?lián)Q代和設(shè)計研發(fā)。在1992年時，在我國進行過一次全國性的普及調(diào)查，調(diào)查顯示當(dāng)時我國在太陽能熱水器行業(yè)的年平均生產(chǎn)量僅為不到50萬平方米。而在2000年的追樣調(diào)查種，這個數(shù)據(jù)增長了近13倍，達到了640萬平方米的數(shù)值，可這還不是我國太陽能熱水器的生產(chǎn)量臨界值，在2005年的調(diào)查顯示太陽能熱水器年產(chǎn)量達到了1500萬平方米，在2006年又突破了1800萬平方米，行業(yè)產(chǎn)量的固定資產(chǎn)已經(jīng)達到了200億元以上。就目前來看，我國已經(jīng)成為世界上太陽能熱水器的最大生產(chǎn)國和最大銷售市場，我國的太陽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、我國太陽能熱水器發(fā)展成果和存在問題

太陽能熱水器是現(xiàn)在我國大力提倡普及的熱水器設(shè)備。相比其他熱水器，太陽能熱水器不但節(jié)省常規(guī)能源，沒有任何污染物或廢棄物產(chǎn)生，可以高效產(chǎn)出熱水，而且運行費用幾乎為零，長期使用經(jīng)濟效益好，使用壽命也很長，切實響應(yīng)了我國建設(shè)能源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的號召。雖然太陽能熱水器有著其他類型熱水器無法比擬的諸多優(yōu)點，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)備單價過高，熱水器工作運行效果易受自然光照情況影響等，這些都將制約著太陽能熱水器在我國的推廣普及。

幾年前《中國婦女報》曾經(jīng)對我國熱水使用現(xiàn)狀和我國熱水的期望進行過一次調(diào)查，調(diào)查顯示超過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到我國現(xiàn)狀的4倍以上，其中新增熱水使用范圍包括洗衣服、洗米、洗菜等多個方面。基于這次調(diào)查，相關(guān)方面的專家認為：我國在家庭熱水使用總量這方面的增長趨勢在至少3年內(nèi)不會低于歐美等國的增長趨勢，甚至有望在4年內(nèi)與歐洲的人均使用量持平。由此可以推測出，我國的太陽能熱水器市場在近10年內(nèi)至少還將保持約300億的增長空間，足夠每年提供250萬個太陽能熱水器進行更換維修而不會出現(xiàn)市場飽和。

由以上分析可見，我國太陽能熱水器的市場依舊有著迅猛的增長趨勢和旺盛的生命力，未來發(fā)展前途廣闊，但需要去完善的方面也有很多。現(xiàn)有熱水器還普遍存在一個共同的問題就是每次使用時管道內(nèi)貯存無用冷水的浪費。另一方面是用戶等待一段時間才接到熱水，影響了其進一步推廣使用。而針對即熱式電熱水器，在開啟熱水器后，在相當(dāng)長時間內(nèi)管口出水水溫?zé)o法達到使用要求。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計表明，熱水器在設(shè)備開啟后平均約需要釋放20s水后才能流出達到適宜水溫的水。

在家庭生活中使用太陽能熱水器時，有著很明顯的冷水浪費現(xiàn)象。因為太陽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，從熱水器到用戶家之間的管路中均為自然溫度的冷水，這些水無法當(dāng)做熱水使用，所以一般會被白白流失。用戶根據(jù)所在樓層的不同而會放掉不同量的純凈水。對于用戶來說，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法避免的水資源浪費。由此可見，水資源的浪費發(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后，我們現(xiàn)在試給出下面幾種辦法來嘗試解決這個問題。

（一）三閥單口式（設(shè)備及閥門布置詳見圖1）

1.準備階段。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)，使自來水沿上下水管流入水箱內(nèi)，并等待太陽輻射將水箱內(nèi)水加熱至一定水溫。

2.回流階段。準備使用熱水時，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。回流完成后，打開電磁閥、冷水開關(guān)和熱水開關(guān)，使自來水和水箱內(nèi)熱水混合后從熱水開關(guān)內(nèi)流出，通過控制冷水開關(guān)大小來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，并等待太陽輻射將太陽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)，由溫度探頭自動檢測水龍頭出口附近水溫。當(dāng)水溫達到設(shè)定參數(shù)時，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存起來。

3.正流階段。當(dāng)溫度探頭檢測水龍頭附近出口水溫達到設(shè)定參數(shù)時，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)水位計檢測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，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能熱水器保溫水箱，完成節(jié)水，對管內(nèi)冷水集中回收再利用。

由有關(guān)統(tǒng)計計算表明，我國人均用水量為國際平均用水指標的1/10，全國現(xiàn)在有超過110個城市在面臨著嚴重的供水問題，尤其在華北地區(qū)，人口稠密，工業(yè)發(fā)達，現(xiàn)在水資源匱乏和地下空洞問題已經(jīng)成為了制約該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一。所以，對日常用水“大戶”太陽能熱水器進行管路回流改造設(shè)計，不僅能夠為個人家庭提供用水方便和節(jié)省管內(nèi)廢棄冷水，而且能夠為保護我國水資源，緩解我國淡水資源危機做出力所能及的貢獻。

參考文獻：

1.葛健，《談我國太陽熱水器行業(yè)的發(fā)展歷程》[EB/OL]，2009.06

2.黃維政，《即熱式電熱水器成市場新寵》[N]，《中國消費者報》，2004.07

3.趙磊、李滿，《家用太陽能熱水器使用中存在的問題及解決方法》[J]，《建筑節(jié)能》，2007.35

【責(zé)編 金 東】