家用太陽能熱水器的工作原理及相關要求

摘 要：太陽能熱水器是一種普及率很高的家用生活裝置，在我國乃至全球使用非常廣泛。本文從工作原理、主要構成部件及相關要求、工作的三個步驟、現狀和發展方向、日常維護和使用注意事項五個方面展開論述。

關鍵詞：太陽能熱水器；吸熱；循環

中圖分類號：TU18 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0000-00

1工作原理

太陽能（Solar Energy），一般是指太陽光的熱輻射能量，是一種可再生能源。

太陽能熱水器是利用太陽光線的能量轉化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度的裝置。如圖2，原理是集熱裝置對太陽光有選擇性吸收（吸收比≥0.92，發射比≤0.09（80℃）），將光能轉化為熱能，使集熱裝置中的水不斷加熱。裝置中的水產生溫差，受熱的水分子體積變大不斷上浮、相對較冷的水分子不斷下沉，水產生微循環，周而復始，從而達到對儲水箱內的水進行加熱的效果。

2主要構成部件及相關要求

如圖1，太陽能熱水器主要由集熱器、保溫水箱、支架、連接管道、控制部件等組成，各部件及相關要求具體如下：

2.1系統中的集熱元件——集熱器

集熱器主要是用來搜集熱量的，雖然原理和性質與電熱水器當中的電熱管不一樣，但是在集熱和發熱功能上，兩者是一致的。集熱器只有在太陽的照射達到一定強度時，才可以搜集熱量。太陽能熱水器的工作效果與光照強度、光照時間有直接關系。在生活當中，最常見的集熱器主要有兩種，一種是全玻璃太陽能真空集熱管，這種集熱管有兩層——內管和外管，內管是用來吸收熱量的，上面涂有可選擇性吸收涂層，外管可以用來保溫。另一種是平板集熱器，這種集熱器適合在高層住宅樓內使用，可以將平板集熱器放置在樓頂，既可以充分的吸收太陽光的熱量，又可以節省空間，而且平板集熱器的集熱板上也有吸熱膜，集熱效果良好，因此，最近幾年，平板集熱器的銷售量逐漸呈現上升趨勢。

2.2儲存熱水的容器——保溫儲水箱

集熱管采集的熱量容易消散，因此裝備保溫裝置，通常情況下，都會將已經加熱的水放入保溫箱當中進行保溫，防止熱量的流失。保溫水箱要求保溫效果好，耐腐蝕，水質清潔。太陽能熱水器的保溫水箱由三部分構成，分別是內膽、保溫層和水箱外殼。其中最為重要的是水箱內膽，因此在對于水箱內膽的材料選擇上，需要十分嚴格，仔細挑選，目前市場上的保溫材料良莠不齊，在進行保溫層材料的選擇時，要選擇銹鋼、搪瓷等材質，這種材質的保溫效果相比于其他的材質來說，更勝一籌。

說起容器，就要說一說容量，太陽能熱水器的容量主要是指人們可以進行使用的熱水量，不包括不能進行正常使用的水量，例如，真空管的熱水量。常用的普通太陽能一般儲水100升到350升，有150升、200升、250升、300升，可以根據使用人數多少、光照強度、光照時長和進水溫度的高低等來選擇合適的容量。

2.3支撐集熱器與保溫水箱的架子——支架

太陽能熱水器支架是用來支撐太陽能水箱的，是太陽能熱水器當中不可缺少的一部分。為了確保太陽能熱水器的使用壽命和安全性，必選選擇結構穩固、不生銹、抗氧化和抗風雪的材料。在大多數情況下，一般選擇不銹鋼、鋁合金或鋼材噴塑的材料。

2.4連通各部件的管子——循環管路

太陽能熱水器是將冷水先進入蓄熱水箱，然后通過集熱器將熱量輸送到保溫水箱。蓄熱水箱與室內冷、熱水管路相連，使整套系統形成一個閉合的環路。

2.5指揮控制各部件的大腦——控制系統

一般家用太陽能熱水器需要自動或半自動運行，控制系統是不可少的，常用的控制器是自動上水、水滿斷水并顯示水溫和水位，帶電輔助加熱的太陽能熱水器還有漏電保護、防干燒等功能。目前出現了手機短信控制的智能化太陽能熱水器，具有水溫水位查詢、故障報警、啟動上水、關閉上水、啟動電加熱等功能。

2.6全天候使用的好幫手——電輔加熱功能

當太陽能光線不足，水溫較低時，可以自動或手動使用電加熱，這時太陽能就相當于電熱水器的作用。

3工作的三個步驟

3.1吸熱過程

太陽光被集熱器吸收后把熱傳遞給吸熱管內的水。吸熱管內的水分子吸熱后溫度升高，體積增大、比重減小而上升，形成一個向上的動力，隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部，同時下循環管不斷把溫度較低的水送到集吸熱管內，如此循環往復，最終整箱水都升高至一定的溫度。

3.2循環過程

家用太陽能熱水器通常按自然循環方式工作，沒有外在的動力，設計良好的系統只要有5—6℃以上的溫差就可以循環很好。研究證明，集熱器內管路系統的阻力主要來自沿程阻力，局部阻力的影響要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。當水溫升高后，由于運動粘度減小，沿程阻力變小，局部阻力的影響變大。在一定范圍內，當主管管徑不變時，加大支管管徑，不僅沿程阻力迅速減小，而且局部阻力也將跟著減小。通常，支管的水力半徑應在10mm以上，當主管管徑達到一定值以后，增加主管管徑對減小系統阻力已經沒有多大意義。

3.3使用過程

家用太陽能熱水器的用水方式分為頂水式和落水式。頂水方式是水溫先高后低，容易掌握，使用者容易適應，但是要求自來水保持持續供水能力。落水式使用方式不受自來水供水影響，其缺點是使用過程中水溫先低后高，掌握不好的話容易造成突然缺水。家用太陽能熱水器設計成頂水方式時，必須對水箱內部結構進行合理的設計，以保證出水均勻，避免形成水路“短路”或死角。使用管路最好設計成可以轉換成落水式的連接方式，在自來水壓力不足或停水時應急用。

4現狀和發展方向

4.1我國太陽能產業取得的成就

據統計2015年產量達1.2億平方米，約2300億元的市場規模。中國太陽能熱水器的年生產量是歐洲的2倍，北美的4倍，現已成為世界上最大的太陽能熱水器生產國和最大的太陽能熱水器市場。

4.2太陽能行業存在的問題

在看到進步的同時，也要看到不足：中國太陽能熱水器行業存在著市場主體參差不齊、行業技術標準不完善、企業技術研發實力弱等諸多問題，這成為中國太陽能行業發展過程中的不確定性因素。

4.3未來太陽能的發展方向——陶瓷中空平板型太陽能熱水器

陶瓷太陽能板是以普通陶瓷為基體，立體網狀釩鈦黑瓷為表面層的中空薄壁扁盒式太陽能集熱體。陶瓷太陽能板整體為瓷質材料，不透水、不滲水、強度高、剛性好，不腐蝕、不老化、不退色，無毒、無害、無放射性，陽光吸收率不會衰減，具有長期較高的光熱轉換效率。經國家太陽能熱水器質量監督檢驗中心檢測，陶瓷太陽能板的陽光吸收比為0.95，混凝土結構陶瓷太陽能房頂的日得熱量為8.6MJ，遠高于國家標準。陶瓷太陽能板制造、使用成本低，陽光吸收比不衰減，與建筑同壽命，可以用于與原房頂共用結構層、保溫層、防水層、結構簡單、保溫隔熱效果好于原房頂，在建設時可以與建筑實現一體化：陶瓷太陽能房頂、向陽墻面、陽臺護欄面等。用途也非常廣泛：為居民建筑提供熱水、取暖；為工農業、養殖業提供熱能；也可用于荒漠大規模太陽能熱水發電、風道發電等。

5日常維護和使用注意事項

5.1注意保持整體清潔

（1）首次使用雜物的排除。安裝太陽能熱水器時，輸水管內可能沾有油味或塵埃，首次使用時可打開水龍頭先排除雜物。（2）受熱表面要保持清潔。太陽能熱水器表面，根據地區落塵量來定期擦試，保持熱水器的表面清潔可提高集熱效率。（3）定期清理濾網。水龍頭出口端一般都有濾網裝置，水管內的水垢雜物會聚集到濾網，應定期拆下來清洗，可以加大出水量。（4）定期清洗、檢查、消毒。太陽能熱水器平均每2-3年就需要進行清洗、檢查、消毒，可以自己購買含氯的消毒藥劑倒進進水口中，讓其浸泡一段時間，放出來，能起到一定的消毒殺菌效果。另外，還要對真空管內部進行定期清理，防止真空管內部結水垢影響吸熱效果。

5.2注意上水和出水的安全

（1）上水時間選擇要合理。太陽能熱水器內的存水，應根據當地的水質狀況作定期的排放，上水時間可選于早上集熱器較低溫時，溫度較高時上水容易造成真空管爆裂。（2）注意出水先后順序。當連續晴天多日不使用熱水時，其熱水溫度很高，在使用太陽能熱水器時要先開冷水，后開熱水，以免燙傷。

5.3管道結冰的預防與處置

冬季，管道經常被凍住，如果發現管道內已結冰但管道尚未開裂，氣溫回升后一般即可自動疏通。也可用電吹風烘吹，或拿毛巾裹住水管，然后用溫水慢慢澆淋，切不可用火烘烤、敲擊管道或用開水急燙，那樣會使管道爆裂。多次凍堵容易使管道凍裂，所以需要加強管道保溫措施。

5.4采取防雷措施

在雷暴高發地區，太陽能熱水器需注意防雷防電，可以采取接地處理，打雷時嚴禁洗澡，還要拔掉電加熱插頭。

參考文獻

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收稿日期：2018-06-20

作者簡介：賈永健，男，漢族，山東臨沂人。