一种太阳能热水器户外水管防冻结构设计

李玉荣，杨娟芳，申宾德，王得宏

(武威职业学院，甘肃 武威 733000)

0 引 言

在全面建成小康社会的关键时期，加快推进绿色低碳发展，是实现可持续发展、推进生态文明建设的内在要求。甘肃省河西走廊作为一带一路黄金节点，典型的大陆性气候，由于天然阳光充足，日照时数2200～3030 h，无霜期85～165天，太阳辐射量127～138千卡/m2，因此为大力发展新能源产业提供了得天独厚的条件。

河西走廊武威、金昌、张掖、酒泉和嘉峪关城区六层居民建筑均超过城区建筑一半，新型城镇社区多为三层建筑，农村地区人口众多且多居住砖混平房，为风光互补分布式发电系统以及太阳能热水器推广应用提供的便利。通过推广太阳能热水器的使用可以节约能源消耗，尤其在农村推广使用，减少通过散煤或秸秆烧水问题，对促进国家广大农村地区大气污染治理将具有重要意义。但太阳能热水器在使用过程中故障率较高，尤其冬季户外水管结冰问题严重导致了太阳能热水器推广应用。

1 太阳能热水器户外管道防冻技术现状

太阳能热水器的真空管和水箱具有保温防护措施不会被结冰，但户外管道即使保温措施很好，管道折弯处、过墙处等部位还是特别容易结冰，甚至造成开裂漏水结成瀑布冰块。由于太阳能热水器一般都安装在房顶，发生漏水、结冰的情况不但维修麻烦且易对建筑物外观造成破坏，给住户带来困扰，目前常采用的防冻或维修措施主要有以下几个方面。

(1) 采用电伴热带保温措施 在我国北方，很多家庭在安装太阳能热水器的时候都会多安装一个伴热带，其外形与电线相似，缠绕在户外水管上面可以为水管保温和解冻。

当冬季气温持续低于0 ℃时，需开启电伴热带使之为太阳能户外水管进行预热保护。尤其北方严寒地区，当气温始终在零下时，就要一直开启加热防冻装置。其他地区如果夜间气温比较低，可在晚上启动防冻装置，白天关闭。一般情况20 min左右就可以化冻，但耗电量较大，且大多数家庭长期使用中容易出现电线老化现象，更换比较麻烦。

(2) 滴水防冻法[1]对于没有安装伴热带的太阳能热水器，如遇天气较冷，可以在晚上用完热水后将水箱上满水。然后在水龙头下接一水盆，把热水阀松开一点，使其慢慢滴水，以保持管道内水的流动，一般晚上下漏一盆水的流量可避免户外管道冻堵，但是该方案容易忘记关闭水龙头，存在一定的安全隐患。

(3) 户外管道内结冰维修 冬季户外管道结冰堵塞现象常发生，当户外管道内已结冰但管道尚未开裂时可通过伴热带加热除冰，也可用电吹风烘吹或用毛巾裹住水管后温水慢慢浇淋融冰，否则只能等气温回升后自动疏通。当发生多次结冰时容易导致管道冻裂如图1(a)所示，因此需要加强管道保温措施。

图1 太阳能热水器外观图

2 太阳能热水器户外水管防冻结构设计

太阳能热水器外观如图1所示，其各部分结构名称如图2所示。白天真空管内壁吸光集热材料利用照射到外表面的阳光热量对内部冷水进行加热，真空管内热水和水箱内冷水因密度不同形成对流使水温均匀持续上升，夜间降温时水箱内热水保温层的作用下防止热量散失。

图2 太阳能热水器结构示意图

(1) 防冻结构设计原理[2]太阳能热水器户外水管(上下水管)通常采用尼龙材料，其柔韧性较好且能耐-40 ℃甚至更低温度，冬季很少有冻裂现象。太阳能热水器户外水管通常在2 m左右，由于管径限制而导致其内水温损失后很难和保温桶内热水形成对流，同时在静态下导热系数很低，冬季常发生户外水管内部结冰现象，尤其在深夜气温最低时。

本文中设计防冻结构原理如图3所示，在保温桶内安装一个吸热能力很强的块体，并在户外水管内无约束安装一根导热能力极强的传热丝，并通过钎焊将传热丝和吸热块结合，当户外水管因热量散失导致水温降低时，吸热块将从保温桶内吸收热量并通过传热丝传导热量补充户外水管热量散失导致的户外水管结冰现象。

图3 防冻结构设计原理

(2) 吸热块和传热丝材料选取 温度在0～100 ℃范围变化时静态水的热导率很低(如表1所示)，大约在0.5～0.7 W/(mK)之间变化，当冬季水管内热量散失水温降低时无法靠热传导完成温度补偿。太阳能热水器集热管管径在150 mm左右，靠对流换热完成保温桶内冷水加热，而户外水管管径只有20 mm左右，当冬季水管内热量散失水温降低时也无法靠对流完成温度补偿。基于以上两个方面的限制，太阳能热水器户外水管冬季经常发生冻裂现象，而本文中太阳能热水器防冻结构设计的核心是采用具有极强的导热系数的吸热块和传热丝补偿冬季户外水管温度散失。

表1 水的热导率随温度变化表

常见导热系数较高的部分金属材料如表2所示。

表2 常见金属材料150 ℃的热导率[3]

纯铜导热系数仅次于纯银但价格却比纯银便宜很多。在导热块的机械切削加工和和传热丝的塑形拉拔成型工艺中，纯铜相比其他常见导热系数较高的金属也具有很大的优势，便于加工制造。因此太阳能热水器吸热块和传热丝材料可优先选用纯铜，考虑到太阳能热水器的户外水管管径约为20 mm ，可选取传热丝直径为4～5 mm。

(2) 纯铜传热丝热膨胀分析

如图4所示以d=4、L=100 mm的纯铜传热丝为例，当温度上升100 ℃时的线膨胀量δ为：

δ=热膨胀系数×全长×温度变化

=17.7×10-6(1/℃) ×100 mm×100 ℃

=0.177(mm)

图4 纯铜传热丝线膨胀量计算示意图

如果将户外水管内的纯铜传热丝设计为自由端，其因温差变化产生的线膨胀或收缩量在户外水管内的自由伸缩不会影响太阳能热水器的正常使用。

3 防冻结构应用

该防冻结构装配方式如图5所示，首先将现有太阳能热水器保温桶进出水管与连接接头、户外水管拆下，然后通过机械加工手段在保温桶进出水管上加工新的进出水口，最后将吸热体与传热丝钎焊连接在一起后插入进出水管内部并安装回太阳能热水器。

图5 防冻结构安装示意图 1.吸热块 2.新进出水口和传热丝 3.保温桶进出水管 4.连接接头 5.户外水管

4 结 语

(1) 本文设计的防冻结构采用纯铜作为吸热和导热材料具有导热系数高，安装方便，并且对老旧太阳能维修改造方便的优点。

(2) 本文设计的防冻结构导热丝在户外水管内产生的线膨胀量或自由收缩量很小，不会影响太阳能的正常使用。

(3) 本设计中导热铜丝通过传热对户外水管散热补偿量可能会受长度限制，尚需进一步研究改进。