管道排空太陽能熱水器

馬翠忠 周正穎

摘 ?要：管道排空是太陽能熱水器管道防凍的最佳方法，改變儲水箱的結構，使水流從水箱上部進出，通過控制虹吸的產(chǎn)生與否以切換工作狀態(tài)。虹吸環(huán)境下正常使用，打破虹吸環(huán)境，實現(xiàn)管道排空。此方案不增加成本，不消耗電能，室外沒有運動部件，工作可靠。調(diào)溫與開關不再共用一個閥，而是單獨設置、串聯(lián)工作，2個閥各司其職，水溫穩(wěn)定。利用互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)線作為水位傳感器，成本低，工作可靠。

關鍵詞：太陽能熱水器;管道排空;虹吸;水位傳感器

中圖分類號：TM925 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

由于太陽能熱水器工作在室外并且管道內(nèi)部存水長期處于靜止狀態(tài)，普通的保溫措施根本不能防止水的結冰，管道凍堵在我國北方是正常現(xiàn)象。筆者所在地區(qū)（北緯34.6°）每年近一個月因此而不能使用，大量浪費了太陽能資源，管道被凍壞的情況也經(jīng)常出現(xiàn)，更何況東北、西北地區(qū)。目前解決這一問題的辦法主要有2種：一是利用電熱線為管道增溫，此法需要消耗常規(guī)能源，由此產(chǎn)生的火災事故也時有發(fā)生;二是將管道內(nèi)的水排空，管道排空是冬季管道防凍的最佳方法，也是治本之法。目前管道排空的方法是利用電磁閥放置在水箱外將管路阻斷，這一方法成本較高，排空閥自身的保溫很難解決，并且操作復雜、故障率高。由于上述原因，管道排空法使用率很低，解決管道凍堵的主要措施是電熱線加熱，此法的使用率也不高（至少筆者所在地區(qū)是這樣），只有少數(shù)品牌采用，大多數(shù)熱水器管路只是簡單地保溫。在沒有外力的情況下，水往低處流是自然規(guī)律，這也是所有水箱的出水口都設計在底部的原因。虹吸現(xiàn)象是一個特例，可以實現(xiàn)局部區(qū)域水往高處流，正是利用這一現(xiàn)象，使進出水管上置具備了可能性，是該設計的理論基礎。虹吸是有條件的，該設計就是通過改變這個條件從而控制虹吸的產(chǎn)生與否，達到管道排空的目的，虹吸環(huán)境下正常使用，打破虹吸環(huán)境，實現(xiàn)管道排空。此方案不增加成本，不消耗電能，室外沒有運動部件，工作可靠。

1 儲水箱的優(yōu)化設計（圖1）

（1）進出水管上置：水流高位進、高位出是管道排空的前提，利用虹吸原理，熱水能順利下流，打破虹吸后，水箱內(nèi)的水不能流出，輸水管道可以排空。

除了功能上的改變，進出水管上置，還杜絕了因水管與水箱接口密封不良或密封元件老化造成的漏水，降低了故障率。但水管與水箱仍需密封，防止水蒸氣進入保溫層。

（2）進出水管在保溫層內(nèi)經(jīng)過一定距離后橫向引出：有2個作用，一是延長傳導距離，減少進出水管的傳導散熱，二是水箱外殼上部沒有孔洞，有利于保溫層防水。

（3）進出水管設計2個：根據(jù)安裝位置，選擇其中一個用于進出水，以盡量縮短室外部分管道長度;另一個用于放置水位、水溫傳感器。

（4）溢流管在保溫層內(nèi)向下引出：一是減少溢流管的傳導散熱，二是利用熱空氣向上運動的原理，切斷了熱空氣溢出的通道，防止水箱內(nèi)、外空氣對流散熱。對自動上水的熱水器，溢流管被閑置，個別廠家設置2個溢流管，內(nèi)、外空氣對流散熱尤其嚴重，對于此種情況，應加彎頭向下20 cm以避免內(nèi)外空氣自然對流。

（5）溢流管中間加三通：防止非專業(yè)人員自行安裝時不加三通，管道內(nèi)存水形成水堵，導致水箱外部空氣無法進入而形成負壓壓壞水箱。本人就遇到過類似的例子，水箱被壓扁后，外表看不出任何異樣，而容量卻只有原來的10%。

（6）水箱的所有對外接口使用非金屬材料，最大限度地減少傳導散熱。在非必要的情況下，盡量減少接口數(shù)量。

（7）自帶支座：水箱、支座一體，用T形鋼將兩端的支座連接成一個整體，剛性好，只要用角鋼簡單支撐即可。目前的支架多采用異型鋼，使問題復雜化，增加了制造成本，不符合設計原則，有型材可用絕不用異型材。異型材鋼板厚度較薄，防腐處理要求高，使用壽命遠不及角鋼，得不償失，而角鋼只要普通的防腐即可達到使用要求。

2 熱水器的安裝及使用

2.1 管道安裝（圖2）

目前市場上的組合閥調(diào)溫與開關共用一個閥門，洗浴過程中關閉后再次打開，調(diào)溫閥的開啟程度很難與原來保持一致，導致水溫變化極大，使用極其不便。該方案調(diào)溫閥4單獨設置，與冷水開關閥5串聯(lián)工作，2個閥門各司其職，以保證聯(lián)動閥關閉重開后水溫穩(wěn)定。管道不能出現(xiàn)反坡，否則將造成排空不徹底導致凍堵。樓房的管道井口都是高出樓面的，管道不能沿樓面鋪設，應在井口與熱水器之間架設鋼纜并拉緊，管道沿鋼纜鋪設。控制管應高出進出水管20 cm，確保控制管道內(nèi)不能進水，否則自身會形成虹吸，達不到控制虹吸的目的。不使用自動上水模式電磁閥2不用安裝，自動上水或門鈴報警時溢流信號管（圖中未畫出）可不安裝。

2.2 使用方法

氣溫較高時，控制閥1處于關閉狀態(tài)，熱水器正常使用。需要排空時打開控制閥，進出水管上部的水全部退回到水箱內(nèi)部，不能形成虹吸，打開熱水閥6，管道即可排空。管道排空后再次使用時，關閉控制閥，打開進水閥將管道內(nèi)充滿水，再次形成虹吸環(huán)境，即可正常使用，使用完畢應及時給熱水器補水并將管道排空。

3 普通熱水器的改裝

對于已經(jīng)安裝正在使用的大量普通熱水器，該方案不對熱水器本體結構做任何改變，重新加裝進出水管，經(jīng)過改裝后同樣可達到管道排空的目的。

（1）如圖3所示，將原來的進出水管截斷固定于高位，用來放置水位傳感器。將溢流管上的三通水平安裝，以方便軟管插入。

（2）將高壓軟管從溢流管插入，沉入水箱底部，即可形成水流高位進、高位出的工作模式（圖3右部）。安裝、使用方法同上。

（3）軟管外徑應小于溢流管內(nèi)徑2 mm以上，確保溢流及內(nèi)外空氣對流正常。

（4）使用的軟管不能在熱水中折90°彎，使用普通軟管，可以在軟管中插入不銹鋼絲做支撐。

（5）對可插拔的溢流管，可使用薄壁金屬管作進出水管，既不怕熱水燙，又可以最大限度地利用有限的空間。

（6）對進出水管設置在水箱腹部或有備用接口的熱水器，可將其改裝成溢流管，如圖3中間部分所示。這樣軟管只要能插入原溢流管即可，可提高改裝的靈活性。

4 熱水器的智能化

熱水的存量及水溫是用戶使用時需要了解的重要參數(shù)，在家庭成員較多時以判斷剩余熱水能否完成一次洗浴。水溫顯示利用熱敏元件和配套的溫度顯示器即可，該文利用水的導電性提供一種水位指示方案。

4.1 水位指示

利用互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)線作為水位傳感器：如圖4所示，根據(jù)水箱直徑，將網(wǎng)線剪成不同長度，除一根公用外可形成7個電極，水位到了某個電極，相應的電極即有電流通過，經(jīng)三極管放大后點亮響應指示燈。7號電極應低于溢流管，水位傳感器應在熱水器安裝時根據(jù)距離的長短現(xiàn)場制作，或由廠家配備不同長度系列，以避免室外產(chǎn)生接頭，造成接觸不良。

4.2 自動上水

利用電磁閥為熱水器加水，最上部的7號電極用于關閉電磁閥。繼電器常閉觸點串聯(lián)在電磁閥啟動電路中，利用阻容元件啟動繼電器，因為只要瞬間接通繼電器，常閉觸點斷開，關閉電磁閥。

利用定時器每天定時啟動電磁閥，可以實現(xiàn)全自動上水。定時器受控于4號線，即在剩余水量不足一半時才開啟。

4.3 電子門鈴水滿報警

傳統(tǒng)的安裝方法是利用溢流信號管提示熱水器水滿的，用戶在打開上水閥并離開洗浴室后，水滿后用戶往往不能及時發(fā)現(xiàn)，造成水的浪費，用聲音報警很有必要，電子門鈴是最佳選擇。在手動上水時，通過繼電器啟動電子門鈴報警。在無上述系統(tǒng)時，可用雙線的一端固定于溢流管口處，另一端連接門鈴開關，利用水的導電性啟動電子門鈴。

參考文獻

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