管道排空太阳能热水器

马翠忠 周正颖

摘  要：管道排空是太阳能热水器管道防冻的最佳方法，改变储水箱的结构，使水流从水箱上部进出，通过控制虹吸的产生与否以切换工作状态。虹吸环境下正常使用，打破虹吸环境，实现管道排空。此方案不增加成本，不消耗电能，室外没有运动部件，工作可靠。调温与开关不再共用一个阀，而是单独设置、串联工作，2个阀各司其职，水温稳定。利用互联网网线作为水位传感器，成本低，工作可靠。

关键词：太阳能热水器;管道排空;虹吸;水位传感器

中图分类号：TM925                   文献标志码：A

由于太阳能热水器工作在室外并且管道内部存水长期处于静止状态，普通的保温措施根本不能防止水的结冰，管道冻堵在我国北方是正常现象。笔者所在地区（北纬34.6°）每年近一个月因此而不能使用，大量浪费了太阳能资源，管道被冻坏的情况也经常出现，更何况东北、西北地区。目前解决这一问题的办法主要有2种：一是利用电热线为管道增温，此法需要消耗常规能源，由此产生的火灾事故也时有发生;二是将管道内的水排空，管道排空是冬季管道防冻的最佳方法，也是治本之法。目前管道排空的方法是利用电磁阀放置在水箱外将管路阻断，这一方法成本较高，排空阀自身的保温很难解决，并且操作复杂、故障率高。由于上述原因，管道排空法使用率很低，解决管道冻堵的主要措施是电热线加热，此法的使用率也不高（至少笔者所在地区是这样），只有少数品牌采用，大多数热水器管路只是简单地保温。在没有外力的情况下，水往低处流是自然规律，这也是所有水箱的出水口都设计在底部的原因。虹吸现象是一个特例，可以实现局部区域水往高处流，正是利用这一现象，使进出水管上置具备了可能性，是该设计的理论基础。虹吸是有条件的，该设计就是通过改变这个条件从而控制虹吸的产生与否，达到管道排空的目的，虹吸环境下正常使用，打破虹吸环境，实现管道排空。此方案不增加成本，不消耗电能，室外没有运动部件，工作可靠。

1 储水箱的优化设计（图1）

（1）进出水管上置：水流高位进、高位出是管道排空的前提，利用虹吸原理，热水能顺利下流，打破虹吸后，水箱内的水不能流出，输水管道可以排空。

除了功能上的改变，进出水管上置，还杜绝了因水管与水箱接口密封不良或密封元件老化造成的漏水，降低了故障率。但水管与水箱仍需密封，防止水蒸气进入保温层。

（2）进出水管在保温层内经过一定距离后横向引出：有2个作用，一是延长传导距离，减少进出水管的传导散热，二是水箱外壳上部没有孔洞，有利于保温层防水。

（3）进出水管设计2个：根据安装位置，选择其中一个用于进出水，以尽量缩短室外部分管道长度;另一个用于放置水位、水温传感器。

（4）溢流管在保温层内向下引出：一是减少溢流管的传导散热，二是利用热空气向上运动的原理，切断了热空气溢出的通道，防止水箱内、外空气对流散热。对自动上水的热水器，溢流管被闲置，个别厂家设置2个溢流管，内、外空氣对流散热尤其严重，对于此种情况，应加弯头向下20 cm以避免内外空气自然对流。

（5）溢流管中间加三通：防止非专业人员自行安装时不加三通，管道内存水形成水堵，导致水箱外部空气无法进入而形成负压压坏水箱。本人就遇到过类似的例子，水箱被压扁后，外表看不出任何异样，而容量却只有原来的10%。

（6）水箱的所有对外接口使用非金属材料，最大限度地减少传导散热。在非必要的情况下，尽量减少接口数量。

（7）自带支座：水箱、支座一体，用T形钢将两端的支座连接成一个整体，刚性好，只要用角钢简单支撑即可。目前的支架多采用异型钢，使问题复杂化，增加了制造成本，不符合设计原则，有型材可用绝不用异型材。异型材钢板厚度较薄，防腐处理要求高，使用寿命远不及角钢，得不偿失，而角钢只要普通的防腐即可达到使用要求。

2 热水器的安装及使用

2.1 管道安装（图2）

目前市场上的组合阀调温与开关共用一个阀门，洗浴过程中关闭后再次打开，调温阀的开启程度很难与原来保持一致，导致水温变化极大，使用极其不便。该方案调温阀4单独设置，与冷水开关阀5串联工作，2个阀门各司其职，以保证联动阀关闭重开后水温稳定。管道不能出现反坡，否则将造成排空不彻底导致冻堵。楼房的管道井口都是高出楼面的，管道不能沿楼面铺设，应在井口与热水器之间架设钢缆并拉紧，管道沿钢缆铺设。控制管应高出进出水管20 cm，确保控制管道内不能进水，否则自身会形成虹吸，达不到控制虹吸的目的。不使用自动上水模式电磁阀2不用安装，自动上水或门铃报警时溢流信号管（图中未画出）可不安装。

2.2 使用方法

气温较高时，控制阀1处于关闭状态，热水器正常使用。需要排空时打开控制阀，进出水管上部的水全部退回到水箱内部，不能形成虹吸，打开热水阀6，管道即可排空。管道排空后再次使用时，关闭控制阀，打开进水阀将管道内充满水，再次形成虹吸环境，即可正常使用，使用完毕应及时给热水器补水并将管道排空。

3 普通热水器的改装

对于已经安装正在使用的大量普通热水器，该方案不对热水器本体结构做任何改变，重新加装进出水管，经过改装后同样可达到管道排空的目的。

（1）如图3所示，将原来的进出水管截断固定于高位，用来放置水位传感器。将溢流管上的三通水平安装，以方便软管插入。

（2）将高压软管从溢流管插入，沉入水箱底部，即可形成水流高位进、高位出的工作模式（图3右部）。安装、使用方法同上。

（3）软管外径应小于溢流管内径2 mm以上，确保溢流及内外空气对流正常。

（4）使用的软管不能在热水中折90°弯，使用普通软管，可以在软管中插入不锈钢丝做支撑。

（5）对可插拔的溢流管，可使用薄壁金属管作进出水管，既不怕热水烫，又可以最大限度地利用有限的空间。

（6）对进出水管设置在水箱腹部或有备用接口的热水器，可将其改装成溢流管，如图3中间部分所示。这样软管只要能插入原溢流管即可，可提高改装的灵活性。

4 热水器的智能化

热水的存量及水温是用户使用时需要了解的重要参数，在家庭成员较多时以判断剩余热水能否完成一次洗浴。水温显示利用热敏元件和配套的温度显示器即可，该文利用水的导电性提供一种水位指示方案。

4.1 水位指示

利用互联网网线作为水位传感器：如图4所示，根据水箱直径，将网线剪成不同长度，除一根公用外可形成7个电极，水位到了某个电极，相应的电极即有电流通过，经三极管放大后点亮响应指示灯。7号电极应低于溢流管，水位传感器应在热水器安装时根据距离的长短现场制作，或由厂家配备不同长度系列，以避免室外产生接头，造成接触不良。

4.2 自动上水

利用电磁阀为热水器加水，最上部的7号电极用于关闭电磁阀。继电器常闭触点串联在电磁阀启动电路中，利用阻容元件启动继电器，因为只要瞬间接通继电器，常闭触点断开，关闭电磁阀。

利用定時器每天定时启动电磁阀，可以实现全自动上水。定时器受控于4号线，即在剩余水量不足一半时才开启。

4.3 电子门铃水满报警

传统的安装方法是利用溢流信号管提示热水器水满的，用户在打开上水阀并离开洗浴室后，水满后用户往往不能及时发现，造成水的浪费，用声音报警很有必要，电子门铃是最佳选择。在手动上水时，通过继电器启动电子门铃报警。在无上述系统时，可用双线的一端固定于溢流管口处，另一端连接门铃开关，利用水的导电性启动电子门铃。

参考文献

[1]全国能源基础与管理标准化技术委员会.太阳能热利用术语：GB/T 12936—2007 [S].北京：中国标准出版社，2007：10.

[2]科技部高新技术发展与产业化司、国家经济贸易委员会资源节约与综合利用司.太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范：GB/T 18713—2002[S].北京：中国标准出版社，2002：11.

[3]农业部市场与经济信息司.家用太阳热水系统安装、运行维护技术规范：NY/T 651—2002[S].北京：中国标准出版社，2004：4.