摘要：針對寒冷地區(qū)太陽能集熱器上下水管路易凍冰的問題，介紹3種常用的防凍方法，同時設計一種水循環(huán)式防凍和解凍裝置，闡述其結構及工作原理，選定微型水泵型號。應用表明，該裝置可有效解決太陽能集熱器上下水管路凍冰的問題，為寒冷地區(qū)太陽能集熱器的使用提供了方便。

關鍵詞：太陽能集熱器； 防凍； 解凍； 水泵； 管路

中圖分類號：TK515；TU822.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）06-0046-03

面對全球資源匱乏的挑戰(zhàn)，太陽能作為一種可再生能源，能夠有效緩解和改善能源危機[1]。作為清潔能源的代表，太陽能以其清潔無污染、取之不盡等優(yōu)點，成為目前最理想的能源[2]。太陽能熱水器是一種常見的太陽能利用方式[3]，從太陽能熱水裝置的使用情況上看，集熱管、水箱防凍技術已基本解決，但上下水管路防凍與解凍是太陽能熱水裝置在低溫環(huán)境中使用的瓶頸和障礙[4]，這在冬季氣溫低的地區(qū)尤為突出。很多學者提出一些解決方法，如湯先祥等[5]提出在上下水管路鋪設伴熱帶、水循環(huán)等；李志辰[6]研制了一種基于微電腦控制的太陽能熱水器防凍裝置；趙舵[7]對寒冷地區(qū)太陽能熱利用系統(tǒng)的防凍進行了研究。針對寒冷地區(qū)太陽能集熱器上下水管路易凍冰的問題，介紹幾種常用的防凍裝置，設計一種水循環(huán)式防凍和解凍裝置，闡述其結構及工作原理，并進行相關設計計算。

1太陽能集熱器常用的防凍方法

太陽能集熱器由煙筒口、上下水管路、儲水桶、進出水口、太陽能集熱管、機架等組成，結構如圖1所示。進出水口和煙筒進口之間的上下水管路外漏部分雖設置了保溫層，但天氣寒冷時仍然容易凍冰。

1.1滴水法

天氣寒冷時稍微打開室內太陽能集熱器上下水管路的水龍頭，使上下水管路內部的水輕微流動，從而達到防凍的目的。由于水龍頭的口徑較大，難以精確控制其開口大小，若水龍頭開口大，則水流量大，導致太陽能集熱器儲水桶的存水量下降太快；若水龍頭開口小，則上下水管路內部的水流流速太慢甚至不流動而達不到防凍的目的。為此，在水龍頭進水口處安裝一個錐型排氣閥，如圖2所示。由于錐型排氣閥尺寸小、開口精度較高，可解決滴水量不易控制的問題。氣溫高于冰點時應關閉錐型排氣閥。

1.2伴熱帶法

在上下水管路的外漏部分鋪設伴熱帶，伴熱帶的外囊為保溫材料并用鋁箔材料固定，冬季需要時進行不間斷加熱，以防止上下水管路內的水凍冰，若凍冰也可通過加熱伴熱帶來快速解凍。其缺點是耗電量大、加熱效率低、存在安全隱患[8]。

1.3排空法

天氣寒冷時可將上下水管路內的水排空，以避免凍冰。排空裝置結構如圖3所示。在儲水桶的進出水口處安裝一個電磁閥A，電磁閥A的出口處安裝一個三通，三通的一通連接電磁閥A，二通連接上下水管路，三通連接電磁閥B。電磁閥A常開，電磁閥B常閉。需要排空時，關閉電磁閥A，切斷上下水管路與儲水桶的連接。打開電磁閥B，三通的一端開始通氣，用水端與通氣端相通，此時打開下面的水龍頭，將水排盡。需要用水時，打開電磁閥A，關閉電磁閥B，儲水桶與上下水管路相通，三通的通氣端關閉，開始正常用水。

2水循環(huán)式防凍裝置設計

2.1結構設計

水循環(huán)式防凍裝置結構如圖4所示，由煙筒口、三通A、電磁閥A、三通B、電磁閥B、直流微型水泵、循環(huán)水進口、循環(huán)水管路等組成。

在儲水桶頂部安裝直流微型水泵，水泵的出水口連接儲水桶，進水口與循環(huán)水管路連接。在上下水管路進入煙筒口處，將上下水管路截斷，中間用三通A連接起來。三通的另一出口連接電磁閥A，電磁閥A的出水口與循環(huán)水管路的進口連接。三通B連接在循環(huán)水管路下部，電磁閥B的進水口與三通B的出水口連接。三通、電磁閥、直流微型水泵、循環(huán)水管路和上下水管路均做保溫處理。

2.2工作原理

電磁閥A和電磁閥B為常閉式結構。防凍裝置的控制端在室內。防凍裝置啟動時，首先打開電磁閥A，使上下水管路中的水通過三通A流入循環(huán)水管路進口處，然后啟動直流微型水泵，水泵會將循環(huán)水管路中的水抽入到儲水桶中，而儲水桶中較熱的水通過進出水口自然流入上下水管路中，用以填補上下水管路中的空缺處，從而實現(xiàn)儲水桶中的熱水在循環(huán)水管路中來回循環(huán)。熱水在上下水管路的外漏部分、循環(huán)水管路、儲水桶之間循環(huán)，可有效防止水在上下水管路中凍冰。

防凍裝置停止運行時，首先關閉電磁閥A，使上下水管路中的水不能進入循環(huán)水管路。然后，關閉直流微型水泵，打開電磁閥B，再放掉循環(huán)水管路中的存水，可避免循環(huán)水管路凍冰。

2.3相關設計與參數(shù)計算

2.3.1水泵的選擇 太陽能集熱器高度一般在2m 以內，水泵安裝在儲水桶頂部，因此水泵揚程需大于2 m。

水在循環(huán)水管路中微循環(huán)流動，因此水泵流量要小，且能避免產生負壓，使水泵夜間連續(xù)作業(yè)。根據(jù)工作需要選擇DC30A-1223型直流微型水泵，其各項性能指標均滿足使用要求。直流微型水泵的參數(shù)見表1。

2.3.2循環(huán)水流速計算 循環(huán)水管路中水的流速為：

式中：ν—流速，mm/s；Q—水泵流量，3 L/min；r—水泵進出口半徑，5 mm。

由式（1）計算ν =76.3 mm/s。

3水循環(huán)式解凍裝置設計

3.1結構設計

水循環(huán)式解凍裝置結構如圖5所示，由煙筒口、三通、電磁閥、熱水管路、熱水出水口、進出水口、微型直流泵等組成。儲水桶底部安裝熱水出水口，頂部安裝熱水回水口和微型直流泵。熱水出水口和回水口用U型熱水管路串聯(lián)起來。U型熱水管路纏繞在太陽能上下水管路上并做保溫處理。電磁閥A和電磁閥B均為常閉式結構。

3.2工作原理

太陽能上下水管路的外漏部分凍冰時，會出現(xiàn)儲水桶內部水溫較高但凍冰部分仍不能解凍的現(xiàn)象，導致儲水桶內部的熱水無法使用。此時開啟解凍裝置，打開電磁閥B，關閉電磁閥A，使儲水桶內部的熱水進入U型熱水管路中。開動微型直流泵，熱水從出水口經(jīng)U型熱水管路、回水口回到儲水桶，此時熱水在U型熱水管路內部和儲水桶之間開始循環(huán)，給太陽能上下水管路的外漏部分加熱，進而起到輔助解凍的作用。

當解凍工作完成時，關閉電磁閥B，使儲水桶內部的熱水無法進入U型熱水管路中，同時打開位于U型熱水管路底部的電磁閥A，通過三通的出水口排掉熱水管路內部的存水，以防止再次凍冰。

3.3相關設計計算

水循環(huán)式解凍裝置選擇DC30A-1223型直流微型水泵，其流量、流速、揚程等各項性能指標與水循環(huán)式防凍裝置所選用的直流微型水泵相同，均可滿足熱水循環(huán)的使用要求。

4結論

針對寒冷地區(qū)太陽能集熱器上下水管路易凍冰的問題，介紹3種常用的防凍方法，設計一種水循環(huán)式防凍和解凍裝置，介紹其結構及工作原理，并對水循環(huán)管路的水流量、流速、揚程等主要參數(shù)進行計算，選定循環(huán)水泵型號。應用表明，水循環(huán)式防凍裝置和解凍裝置既可單獨使用，也可聯(lián)合使用，能夠有效解決太陽能集熱器上下水管路易凍冰的問題，為寒冷地區(qū)太陽能集熱器的使用提供了便利。