李玉榮，楊娟芳，申賓德，王得宏

(武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000)

0 引 言

在全面建成小康社會的關(guān)鍵時期，加快推進綠色低碳發(fā)展，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、推進生態(tài)文明建設(shè)的內(nèi)在要求。甘肅省河西走廊作為一帶一路黃金節(jié)點，典型的大陸性氣候，由于天然陽光充足，日照時數(shù)2200～3030 h，無霜期85～165天，太陽輻射量127～138千卡/m2，因此為大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)提供了得天獨厚的條件。

河西走廊武威、金昌、張掖、酒泉和嘉峪關(guān)城區(qū)六層居民建筑均超過城區(qū)建筑一半，新型城鎮(zhèn)社區(qū)多為三層建筑，農(nóng)村地區(qū)人口眾多且多居住磚混平房，為風(fēng)光互補分布式發(fā)電系統(tǒng)以及太陽能熱水器推廣應(yīng)用提供的便利。通過推廣太陽能熱水器的使用可以節(jié)約能源消耗，尤其在農(nóng)村推廣使用，減少通過散煤或秸稈燒水問題，對促進國家廣大農(nóng)村地區(qū)大氣污染治理將具有重要意義。但太陽能熱水器在使用過程中故障率較高，尤其冬季戶外水管結(jié)冰問題嚴(yán)重導(dǎo)致了太陽能熱水器推廣應(yīng)用。

1 太陽能熱水器戶外管道防凍技術(shù)現(xiàn)狀

太陽能熱水器的真空管和水箱具有保溫防護措施不會被結(jié)冰，但戶外管道即使保溫措施很好，管道折彎處、過墻處等部位還是特別容易結(jié)冰，甚至造成開裂漏水結(jié)成瀑布冰塊。由于太陽能熱水器一般都安裝在房頂，發(fā)生漏水、結(jié)冰的情況不但維修麻煩且易對建筑物外觀造成破壞，給住戶帶來困擾，目前常采用的防凍或維修措施主要有以下幾個方面。

(1) 采用電伴熱帶保溫措施 在我國北方，很多家庭在安裝太陽能熱水器的時候都會多安裝一個伴熱帶，其外形與電線相似，纏繞在戶外水管上面可以為水管保溫和解凍。

當(dāng)冬季氣溫持續(xù)低于0 ℃時，需開啟電伴熱帶使之為太陽能戶外水管進行預(yù)熱保護。尤其北方嚴(yán)寒地區(qū)，當(dāng)氣溫始終在零下時，就要一直開啟加熱防凍裝置。其他地區(qū)如果夜間氣溫比較低，可在晚上啟動防凍裝置，白天關(guān)閉。一般情況20 min左右就可以化凍，但耗電量較大，且大多數(shù)家庭長期使用中容易出現(xiàn)電線老化現(xiàn)象，更換比較麻煩。

(2) 滴水防凍法[1]對于沒有安裝伴熱帶的太陽能熱水器，如遇天氣較冷，可以在晚上用完熱水后將水箱上滿水。然后在水龍頭下接一水盆，把熱水閥松開一點，使其慢慢滴水，以保持管道內(nèi)水的流動，一般晚上下漏一盆水的流量可避免戶外管道凍堵，但是該方案容易忘記關(guān)閉水龍頭，存在一定的安全隱患。

(3) 戶外管道內(nèi)結(jié)冰維修 冬季戶外管道結(jié)冰堵塞現(xiàn)象常發(fā)生，當(dāng)戶外管道內(nèi)已結(jié)冰但管道尚未開裂時可通過伴熱帶加熱除冰，也可用電吹風(fēng)烘吹或用毛巾裹住水管后溫水慢慢澆淋融冰，否則只能等氣溫回升后自動疏通。當(dāng)發(fā)生多次結(jié)冰時容易導(dǎo)致管道凍裂如圖1(a)所示，因此需要加強管道保溫措施。

圖1 太陽能熱水器外觀圖

2 太陽能熱水器戶外水管防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計

太陽能熱水器外觀如圖1所示，其各部分結(jié)構(gòu)名稱如圖2所示。白天真空管內(nèi)壁吸光集熱材料利用照射到外表面的陽光熱量對內(nèi)部冷水進行加熱，真空管內(nèi)熱水和水箱內(nèi)冷水因密度不同形成對流使水溫均勻持續(xù)上升，夜間降溫時水箱內(nèi)熱水保溫層的作用下防止熱量散失。

圖2 太陽能熱水器結(jié)構(gòu)示意圖

(1) 防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[2]太陽能熱水器戶外水管(上下水管)通常采用尼龍材料，其柔韌性較好且能耐-40 ℃甚至更低溫度，冬季很少有凍裂現(xiàn)象。太陽能熱水器戶外水管通常在2 m左右，由于管徑限制而導(dǎo)致其內(nèi)水溫?fù)p失后很難和保溫桶內(nèi)熱水形成對流，同時在靜態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)很低，冬季常發(fā)生戶外水管內(nèi)部結(jié)冰現(xiàn)象，尤其在深夜氣溫最低時。

本文中設(shè)計防凍結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，在保溫桶內(nèi)安裝一個吸熱能力很強的塊體，并在戶外水管內(nèi)無約束安裝一根導(dǎo)熱能力極強的傳熱絲，并通過釬焊將傳熱絲和吸熱塊結(jié)合，當(dāng)戶外水管因熱量散失導(dǎo)致水溫降低時，吸熱塊將從保溫桶內(nèi)吸收熱量并通過傳熱絲傳導(dǎo)熱量補充戶外水管熱量散失導(dǎo)致的戶外水管結(jié)冰現(xiàn)象。

圖3 防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

(2) 吸熱塊和傳熱絲材料選取 溫度在0～100 ℃范圍變化時靜態(tài)水的熱導(dǎo)率很低(如表1所示)，大約在0.5～0.7 W/(mK)之間變化，當(dāng)冬季水管內(nèi)熱量散失水溫降低時無法靠熱傳導(dǎo)完成溫度補償。太陽能熱水器集熱管管徑在150 mm左右，靠對流換熱完成保溫桶內(nèi)冷水加熱，而戶外水管管徑只有20 mm左右，當(dāng)冬季水管內(nèi)熱量散失水溫降低時也無法靠對流完成溫度補償?；谝陨蟽蓚€方面的限制，太陽能熱水器戶外水管冬季經(jīng)常發(fā)生凍裂現(xiàn)象，而本文中太陽能熱水器防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心是采用具有極強的導(dǎo)熱系數(shù)的吸熱塊和傳熱絲補償冬季戶外水管溫度散失。

表1 水的熱導(dǎo)率隨溫度變化表

常見導(dǎo)熱系數(shù)較高的部分金屬材料如表2所示。

表2 常見金屬材料150 ℃的熱導(dǎo)率[3]

純銅導(dǎo)熱系數(shù)僅次于純銀但價格卻比純銀便宜很多。在導(dǎo)熱塊的機械切削加工和和傳熱絲的塑形拉拔成型工藝中，純銅相比其他常見導(dǎo)熱系數(shù)較高的金屬也具有很大的優(yōu)勢，便于加工制造。因此太陽能熱水器吸熱塊和傳熱絲材料可優(yōu)先選用純銅，考慮到太陽能熱水器的戶外水管管徑約為20 mm ，可選取傳熱絲直徑為4～5 mm。

(2) 純銅傳熱絲熱膨脹分析

如圖4所示以d=4、L=100 mm的純銅傳熱絲為例，當(dāng)溫度上升100 ℃時的線膨脹量δ為：

δ=熱膨脹系數(shù)×全長×溫度變化

=17.7×10-6(1/℃) ×100 mm×100 ℃

=0.177(mm)

圖4 純銅傳熱絲線膨脹量計算示意圖

如果將戶外水管內(nèi)的純銅傳熱絲設(shè)計為自由端，其因溫差變化產(chǎn)生的線膨脹或收縮量在戶外水管內(nèi)的自由伸縮不會影響太陽能熱水器的正常使用。

3 防凍結(jié)構(gòu)應(yīng)用

該防凍結(jié)構(gòu)裝配方式如圖5所示，首先將現(xiàn)有太陽能熱水器保溫桶進出水管與連接接頭、戶外水管拆下，然后通過機械加工手段在保溫桶進出水管上加工新的進出水口，最后將吸熱體與傳熱絲釬焊連接在一起后插入進出水管內(nèi)部并安裝回太陽能熱水器。

圖5 防凍結(jié)構(gòu)安裝示意圖 1.吸熱塊 2.新進出水口和傳熱絲 3.保溫桶進出水管 4.連接接頭 5.戶外水管

4 結(jié) 語

(1) 本文設(shè)計的防凍結(jié)構(gòu)采用純銅作為吸熱和導(dǎo)熱材料具有導(dǎo)熱系數(shù)高，安裝方便，并且對老舊太陽能維修改造方便的優(yōu)點。

(2) 本文設(shè)計的防凍結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱絲在戶外水管內(nèi)產(chǎn)生的線膨脹量或自由收縮量很小，不會影響太陽能的正常使用。

(3) 本設(shè)計中導(dǎo)熱銅絲通過傳熱對戶外水管散熱補償量可能會受長度限制，尚需進一步研究改進。