关于太阳能热水器输水管的防冻探究

常相进

(河间市黎民居中学 河北 河间 062456)

物理学科作为自然科学是为人类发展而服务的，物理教学更是如此.“能源与可持续发展”作为九年级人教实验版的最后一章，更多关注对绿色无污染能源的开发和利用，加之考虑到增强学生学以致用的能力和动手能力，学习此章之后，笔者指导学生做了“关于太阳能热水器输水管的防冻探究”.

1 提出问题

太阳表面温度约6 000℃，它以光和热的形式照射我们的地球，据估计在过去漫长的11亿年中，太阳仅消耗了它本身能量的2%.今后足以供给地球人类再使用几十亿年，真是取之不尽，用之不竭.

太阳能热水器就是利用集热器直接把太阳能转化为水的内能，它清洁、无污染、综合成本低，所以国家大力推崇，用户认可度也高.但目前仍有不足，如在北方的冬天，现行的太阳能热水器输水管中的水常常会存在冰冻问题，这影响了用户的正常使用.

2 分析问题

教师要求学生从实际入手，通过各种途径观察太阳能热水器本身结构，了解其工作原理，分析为什么会存在输水管的冰冻问题.通过自身实践，学生们了解到常见太阳能热水器的结构如图1所示(图中没有画出加热管).

图1

所以

因此，对(4)式展开并取一级近似得

所以，反射光子频率的相对变化量为

其中取入射光波长λ=663 nm.

以上只讨论了光子与电子的一维对心碰撞.若光子与原子碰撞，或考虑非对心碰撞，或考虑微粒与光子碰撞前的速度，则反射光子频率相对变化量会更小一些.康普顿只是在光子与石墨晶体中的电子作用的实验中测出了光反射前后的频率变化，而其他情况下很难测出光反射前后的频率变化.因此，一般情况下“光经物体表面反射后频率近似不变”.

原解由于近似计算

而使太阳帆获得的冲力的相对变化量为

显然，原解是一个精度极高的近似.这正是原解应用动量定理求太阳帆获得的冲力时认为光子频率不变的物理本质.

如果考虑太阳帆获得的能量，就不能忽略反射光子频率的微小变化，太阳帆增加的能量正是所有反射光子频率的微小变化而减小的能量的累积.因此，太阳帆与光子相互作用的过程中能量守恒，只是原解中由于没有明确说明是近似计算而使读者发生了误解.

从图1可看出，由于采用的是从保温水箱底部上水的方式供水，这样在用户停止用水时，输水管中仍存满水.这样学生就自然而然地总结出了输水管存在冰冻问题的两个原因：

(1)外界环境温度达到0℃以下；

(2)在停止用水时，输水管中存有水，有水可冻.

3 解决方案

3.1 生产厂家解决方案及评估

太阳能热水器生产厂家通过安装人员采用在输水管外面加一条伴热带并用保温材料加以包裹的方法防冻.这样处理不仅费工、费料、费电，而且最糟糕的是气温一旦降到-15℃以下，输水管伴热带很难防止输水管中的水冰冻.这样水管很易冻裂，导致用户长期不能使用，因此也影响了太阳能热水器的推广和普及.

在此笔者特意设置了这样的问题：厂家的做法是从输水管存在冰冻问题的两个原因中哪一个入手？效果怎么样？

学生很容易答出：这样做是从改变外界局部环境温度入手，效果不是很理想.在此基础上进一步引导：“我们能不能从另外一个原因入手，即在停止用水时，让输水管排空，管中无水可冻呢？你们既要运用自己的智慧，又要学会合作探究，老师期待着你们的探究成果能申请国家专利，也为节能减排做出自己的贡献！”几天之后，学生们拿出他们的解决方案.

3.2 学生解决方案

对现有太阳能热水器改装，使其达到停止用水时，输水管排空，使之无水可冻.改装后的太阳能热水器的主要结构如图2所示.

图2

改装时,首先将输水管从保温水箱的底部进出水口卸下，并将进出水口封死.然后从保温水箱的溢水孔插进一根内径1.5 cm的PVC管到水箱内底部，另一端连接缓冲瓶在中央位置的进水口处，缓冲瓶的最上端为进气孔，它连一个密闭性好内径为0.5 cm的PVC管子(进气管)，在此管子下方(用户方便控制的地方)安装一个密闭性好的阀门(进气阀)；再用一根内径为1 cm的PVC管子一端连接缓冲瓶最下端的出水口处，另一端连接从保温水箱底部出水口卸下来的原输水管.在室内，将原输水管的上水阀和下水阀之间断开，上端连接“220 V，80 W”抽水机的进水口，下端连接抽水机的出水口，到此改装完毕.

工作过程和原理解释如下.

(1)使用热水时将上水阀、进气阀关闭，打开下水阀，按下抽水机按钮(按着时抽水机工作，松开手时抽水机停止工作)至有水从下水阀流出时就松开按钮，热水便可源源不断地流下来.

原理：当抽水机工作时，保温水箱内热水被抽到下水阀.设保温水箱内水面到缓冲瓶的高度为h,大气压强为p0.当松开按钮后抽水机停止工作，设此时缓冲瓶内剩余气体压强为p1，因为此时仍有

p1

所以此时热水仍源源不断地从保温水箱流入缓冲瓶，再流入输水管(也可用联通器原理解释).又因缓冲瓶的作用保证了热水不会从缓冲瓶流入进气管.

(2)不用热水时，下水阀仍然保持打开，只需再打开进气阀即可阻断热水.

原理：打开进气阀后，缓冲瓶内气压与保温水箱内气压相同，都为一个大气压p0，所以由保温水箱到缓冲瓶管道内热水回流到保温箱内，缓冲瓶及输水管内热水经下水阀流出排空.

(3)往保温箱内供冷水时，关闭下水阀和进气阀，打开上水阀即可.

原理：若上水流量大于从缓冲瓶内流入保温箱内水流量，同样是上涨的水位使得缓冲瓶内气压增大，可防止水流到进气管.上水流量若小则不需赘述.

4 改装后的太阳能热水器与原太阳能热水器比较

(1)因改装后太阳能热水器输水管在不用时呈排空状态，所以输水管不必再用保温材料加以包裹，安装技术要求降低.

(2)原太阳能热水器用伴热带，按每户平均使用2 m，功率为25 W/m,每天使用5 h，每年的冰冻天数为90 d计算，则每年消耗的电能大约为多少？改装后的太阳能热水器用的是抽水机，抽水机的功率为80 W,每次开启按工作5 s，每天平均开启30次，则每年消耗的电能大约为多少？学生能算出原太阳能热水器用伴热带，则每年消耗的电能大约为23 kW·h，而改装后的太阳能热水器每年消耗的电能大约为1 kW·h，所以改装后的太阳能热水器比原来的节约电能.

(3)改装后的太阳能热水器不会因为严寒有水管冰冻问题，使用时间更长，有利于推广和普及.

5 新型太阳能热水器的设计

在以上基础上，为了延伸和拓展学生的知识层面，进而鼓励学生，“大家已知道在停止用水时，只要使输水管排空，就不会存在输水管冰冻问题.若让你们根据这个原理制作新型太阳能热水器，相信你们会交出一份满意的答卷.”一星期后，各探究小组交来的作业五花八门，现把其中设计原理如图3所示的做一展示.

它的工作过程和原理解释如下.

(1)在非冰冻期内，给根据潜水艇原理制成的沉浮器抽气，沉浮器因充水而下沉.因进出水口与沉浮器固定在一起，随沉浮器到达热水内.其使用方法同原来太阳能热水器一样.

(2)在冰冻期内，使用时给沉浮器抽气，让沉浮器下沉，进出水口随沉浮器到达热水内，热水随即从下水阀流出.停止用水时，给沉浮器充气，沉浮器带着进出水口浮出水面，进出水管内的热水从下水阀内流出排空.

(3)储水瓶的作用是防止过量抽气时把水抽到充抽气管内.

总之，不论是改装后的太阳能热水器还是学生设计的新型太阳能热水器，在冰冻期都可使输水管排空，使之无水可冻，彻底解决了输水管的防冻问题.这对太阳能热水器的推广和普及会起到积极作用.另外通过这次探究活动，学生们不仅对压强差、物体的浮沉条件以及电学理解得更加深刻，同时也体会到物理知识与生活密切相关，同时也培养了学生的合作意识，提高了学生的实际动手能力.

图3