朱丙坤 孫長勇 蘇艷東 李鵬啟

（山東華宇工學(xué)院 機械工程學(xué)院,山東 德州253034）

1 概述

近十幾年,隨著人們生活水平的提高,太陽能熱水器逐漸被更多家庭所使用。太陽能熱水器不但節(jié)約了能源,而且給人們帶來了方便。但是在使用過程中出現(xiàn)了多種問題困擾著人們,例如：在冬天,太陽能熱水器上、下水管被凍住,而無法使用,甚至被凍裂,給人們造成了很大的困擾。針對此問題,已有解決的辦法,如給上、下水管加熱,但是這樣會造成能源浪費,而且反復(fù)加熱會使水管加快老化。另外,即使太陽能熱水器的戶外管路做了保溫處理,由于沒有熱源補充,管路持續(xù)散熱,長時間水管也會結(jié)冰。本裝置通過智能檢測系統(tǒng),使上、下水管內(nèi)的水與儲水箱內(nèi)的相對高溫的水進行導(dǎo)流循環(huán),達到防凍目的,從而解決這一困擾。

2 項目簡介

該項目是涉及智能控制電路的一套太陽能熱水器上、下水管路的智能防凍裝置。在冬天室外溫度較低的環(huán)境下,該裝置通過智能檢測太陽能熱水器上、下水管內(nèi)水的溫度,使上、下水管內(nèi)的水與太陽能熱水器儲水箱內(nèi)的水（其溫度相對高于水管內(nèi)水的溫度）進行導(dǎo)流循環(huán),從而利用儲水箱內(nèi)相對高溫的水和水的流動來達到水管防凍的目的。

3 項目研究內(nèi)容

太陽能熱水器上、下水管的智能防凍裝置主要包括（如圖1 和2）：

（1）用于智能控制的單片機（ECU）,安裝在智能防凍裝置上。

（2）用于進行上、下水管水導(dǎo)流循環(huán)的導(dǎo)流管,安裝在智能防凍裝置和太陽能熱水器之間。

（3）用于檢測太陽能熱水器上、下水管和導(dǎo)流管的6 個水溫度傳感器,3 個裝在上、下水管和導(dǎo)流管的上部（與太陽能熱水器儲水箱連接的位置）,3 個裝在上、下水管和導(dǎo)流管的下部（與房頂接觸的位置）。上、下水管和導(dǎo)流管外面包裹著保溫材料,只有與太陽能熱水器連接的位置、與房頂接觸的位置這兩個地方包裹相對不嚴(yán),保溫效果較差容易被凍住,其它位置相對保溫較好。

（4）用于控制上、下水管水導(dǎo)流大小的2 個節(jié)水門體（有兩個反向信號的節(jié)水門位置傳感器、節(jié)水門、節(jié)水門驅(qū)動直流電機以及齒輪傳動機構(gòu)等）,安裝在智能防凍裝置上。上、下水管在不進行導(dǎo)流循環(huán)的時候,節(jié)水門是完全關(guān)閉的。

（5）用于進行上、下水管水導(dǎo)流循環(huán)的泵水裝置（葉輪、葉輪驅(qū)動直流電機及齒輪傳動機構(gòu)等）,安裝在智能防凍裝置上。

（6）用于保護電路的保險絲,安裝在智能防凍裝置上。

（7）用于總電源打開或關(guān)閉的電源總開關(guān),安裝在智能防凍裝置上,同時作為裝置的啟動信號。

（8）用于給智能設(shè)備供電的整流變壓器（把220V 交流電整流變壓為12V直流電）。

本項目是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:

在冬天室外溫度較低的環(huán)境下,打開智能防凍裝置開關(guān),啟動設(shè)備。6 個溫度傳感器實時檢測上、下水管和導(dǎo)流管的上、下6 個位置水的溫度,當(dāng)一個或多個溫度傳感器檢測到上、下水管和導(dǎo)流管水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號后控制1 個或2 個節(jié)水門電機旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門,同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行旋轉(zhuǎn),驅(qū)動葉輪泵水進行上、下水管、導(dǎo)流管與太陽能熱水器儲水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止上、下水管和導(dǎo)流管被凍住。

圖1 智能防凍裝置結(jié)構(gòu)連接簡圖

上方的溫度傳感器安裝在與太陽能熱水器儲水箱連接的位置,下方的溫度傳感器鏈接在與房頂接觸的位置。上水管的下端接通到自來水管,下水管的下端接通到太陽能熱水器的噴頭。

4 項目實施方案

在冬天室外溫度較低的環(huán)境下,打開智能防凍裝置開關(guān),啟動設(shè)備。

圖2 智能防凍裝置電路簡圖

（1）當(dāng)上水管上的1 個或2 個溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節(jié)水門體1 電機旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動葉輪泵水進行上水管、導(dǎo)流管與太陽能熱水器儲水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止上水管被凍住。

（2）當(dāng)下水管上的1 個或2 個溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節(jié)水門體2 電機旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動葉輪泵水進行下水管、導(dǎo)流管與太陽能熱水器儲水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止下水管被凍住。

（3）當(dāng)導(dǎo)流管上的1 個或2 個溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節(jié)水門體1 電機旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動葉輪泵水進行上水管、導(dǎo)流管與太陽能熱水器儲水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止導(dǎo)流管被凍住。

（4）當(dāng)上水管和導(dǎo)流管上同時有1 個、2 個或者是1 個和2 個的溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節(jié)水門體1 電機旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動葉輪泵水進行上水管、導(dǎo)流管與太陽能熱水器儲水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止上水管和導(dǎo)流管被凍住。

（5）當(dāng)下水管和導(dǎo)流管上同時有1 個、2 個或者是1 個和2 個的溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節(jié)水門體2 電機旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動葉輪泵水進行下水管、導(dǎo)流管與太陽能熱水器儲水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止下水管和導(dǎo)流管被凍住。

（6）當(dāng)上水管和下水管上同時有1 個、2 個或者是1 個和2 個的溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節(jié)水門體1 和節(jié)水門體2 電機同時旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動葉輪泵水進行上水管、下水管與太陽能熱水器儲水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止上水管和下水管被凍住。

（7）當(dāng)上水管、下水管和導(dǎo)流管上同時有1 個、2 個或者是1 個和2 個的溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節(jié)水門體1 和制節(jié)水門體2 電機同時旋轉(zhuǎn)打開節(jié)水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動葉輪泵水進行上水管、下水管、導(dǎo)流管與太陽能熱水器儲水箱水的導(dǎo)流循環(huán),防止上水管、下水管和導(dǎo)流管被凍住。

（8）特別注意的是：當(dāng)太陽能熱水器上、下水管的智能防凍裝置不起作用的時候,2 個節(jié)水門是完全關(guān)閉的,不影響太陽能熱水器系統(tǒng)的使用；當(dāng)太陽能熱水器上、下水管的智能防凍裝置起作用的時候,也不影響太陽能熱水器系統(tǒng)的使用。同時通過智能控制節(jié)水門的開度大小和泵水裝置的泵水量大小,不但可以達到防凍的目的,同時也可以節(jié)約電能源。

5 智能防凍系統(tǒng)的發(fā)展方向

對于該裝置來說,并不僅僅只局限于太陽能熱水器的智能防凍,也可以根據(jù)人們的需求來對于該裝置進行改動,以滿足人們的需要。現(xiàn)大致設(shè)想了以下幾種智能防凍裝置的發(fā)展方向。

（1）基于家庭常用管路的智能防凍系統(tǒng)。這一方面主要是針對于一些裸露在室外的水管的智能防凍,智能防凍系統(tǒng)一方面可以通過促進水管內(nèi)水的循環(huán)流動來達到防凍的目的。還有一些城市的水管還可以直接供給熱水,另一方面也可以再跟熱水管路進行連接,然后通過水溫傳感器檢測到低溫,然后進行熱冷水的一個互換,同時還能達到循環(huán)流動的一個效果。

（2）基于消防管路的智能防凍系統(tǒng)。這一方面主要是針對于北方嚴(yán)寒地區(qū)高層建筑的消防管路的智能防凍。一方面嚴(yán)寒地區(qū)冬季多干燥,且處于高層的建筑通風(fēng)效果好,門、窗以及很多走廊提供了良好的通風(fēng)條件,這些大多還都是逃生的必經(jīng)之路。所以發(fā)生火災(zāi)時,火災(zāi)的擴散途徑較多且擴散迅速,所以對于消防管路的智能防凍也就至關(guān)重要。

（3）基于汽車管路的智能防凍系統(tǒng)。這一方面主要是針對于汽車行駛至一些寒冷地區(qū)時的智能防凍,像平時的汽車防凍,可能冷卻液就可以滿足汽車防凍的需求。但是如果是一些極寒地區(qū)的話,冷卻液的效果可就要大打折扣了,尤其是汽車還需要?？繒r。這時我們可以設(shè)想汽車上加裝我們智能防凍裝置,從而實現(xiàn)對于汽車管路的智能防凍。

6 結(jié)論

該項目可以利用智能控制電路,精準(zhǔn)便捷地實現(xiàn)管路循環(huán),達到管路防凍目的。并且使用該智能防凍裝置時,不影響太陽能熱水器系統(tǒng)的使用。該裝置結(jié)構(gòu)簡單,應(yīng)用價值高,應(yīng)用前景廣泛。