防冻太阳能热水系统的设计与传热优化分析

王卓峣

（中国人民大学附属中学，北京 100080）

防冻太阳能热水系统的设计与传热优化分析

王卓峣

（中国人民大学附属中学，北京 100080）

太阳能作为一种无污染可持续使用的能源引起了广泛的关注和研究，并得到了广泛的应用。在热水器领域，太阳能热水器作为一种可有效利用免费能源的设备占据了大量的市场，为人们生活提供了很大的便利。与此同时，它也存在一些明显的不足，本文首先系统地分析了目前太阳能设备的不足之处，针对其中的问题设计了一种新型的防冻太阳能热水系统并详细地介绍了此系统的结构设计特点，对其传热过程进行分析，给出了温控设备的优化过程。

防冻太阳能热水系统；传热学建模；热稳态分析

随着化石能源的日益枯竭，新能源和可再生能源的开发利用越来越受到重视，太阳能作为一种清洁能源受到了广泛的关注。我国是太阳能资源非常丰富的国家之一，陆地表面每年能接受的太阳辐射能约为50×1018kJ，全国各地太阳能年辐射量达335～837kJ/cm2。太阳能的利用方法是多方面的，目前而言，利用太阳能提供生活热水将是我国城市太阳能利用的主要途径，这不仅可以降低城市建筑能耗，还能进一步的提高生活水平。

太阳能热水器在利用过程中也受到多方面的影响，例如集热器的倾角、储水箱内水温的分层和散热系数的影响等。目前大多数家用热水器的水加热形式都是靠自然循环来完成的，会造成内部水温分布不均匀，高水温部分局域化从而造成热能的浪费。随着技术的进步，太阳能热水器也随之不断的进行改进，由集热和贮热合为一体逐渐改进为分开的形式，采用更加先进的太阳能集热器、先进的保温材料和冬季防冻技术及其他辅助装置等。然而，这种传统的散热器也存在诸多的缺点，例如，在很多地区的冬季，由于外界温度过低，常常会出现太阳能管道冻裂冻坏的现象，造成用户损失，影响正常使用；在连续阴雨天气，光照时间不足的情况下，太阳能热水器会有水温不达标的现象，从而无法满足用户正常的使用。

为了解决上述问题，本文设计了一种新型的防冻太阳能热水系统，以期待解决低温环境下管道冻坏以及光照条件不足时引起的温度不达标的问题。文中首先介绍了这种新型防冻太阳能热水系统的结构设计特点，并基于这种新型的防冻系统进行了传热学建模，通过实际的物理模型为温控设备的优化提供了坚实的理论基础，给出了电热辅助模块的自动化控制方案。

1 防冻太阳能热水系统的结构特点

本设计具有室外温度监测、用水流量监测、管道排空、电磁阀防冻、电辅助加热以及水温调节防止烫伤的功能。如下图1(a)所示，防冻太阳能热水系统主要包含以下供能模块：太阳能加热模块、室外温度监测模块、用水流量监测模块、管道排空模块、电磁阀防冻模块、电辅助加热模块和水温调节模块。其中，室外温度检测模块主要是对室外温度进行检测，根据检测值判断室外是否达到结冰状态，用来决定是否启动管道排空模块，而管道排空模块则是对太阳能出水管道及阀门内部的水进行排空操作，防止出现由于外界温度过低而造成管道内部水结冰，冻坏管道及阀门的现象。而电辅助加热模块的作用则是在连续阴雨天气、光照时间不足的情况下，太阳能热水器有水温不达标的现象， 此模块对温度不达标的水进行二次加热，从而达到用户使用要求。

图1

所设计的防冻太阳能热水器的整体结构如图1(b)所示，其主要结构及运行流程为：太阳能热水器水箱1由太阳能补水管道2进冷水，由太阳能板进行光热转换供热，利用太阳能对内部水进行加热，由太阳能出水管3将热水导出，热水通过防冻三通电磁阀4以供用户使用，而当外界连续阴雨天气，光照时间不足导致太阳能热水器内部水温不达标时，将会使得热水器内部的水通过相关管道进入电热水器5进行二次加热，当温度达标时，再供用户使用。如果太阳能热水器内部水温过高，也可以打开阀门使得温度过高的热水进入电热水箱5，通过对电热水箱5内进行补凉水操作，使冷热水混合，调节至合适的温度，以供用户使用。这种防冻式太阳能热水系统中重要的一个模块就是管道排空模块以避免水在内部结冰而冻裂管道。防冻太阳能热水系统启动管道排空功能需要两个外部条件：第一，室外温度达到零摄氏度以下；第二，管道内部水不流通，即用户停止使用太阳能。判断这两个条件是否满足主要是由室外温度检测模块和用水流量检测模块来完成的。而电热辅助加热模块则实现了在光照条件不足或其他极端气候条件下的二次加热过程，达到用户使用温度。以下将重点分析加热模块随外界温度等诸多条件的变化关系，建立传热学模型，给出温控设备的优化过程。

2 防冻太阳能热水系统的传热优化分析

根据上一小节介绍，本防冻太阳能热水系统的一个重要组成部分就是电热辅助加热模块。本小节重点考虑当热水器内温度达到稳态时，所需要的电热功率与目标水温及外界环境温度之间的关系。通过对防冻太阳能热水器水温稳态时的传热学建模，系统的分析其三者之间的关系，从而为温控设备的自动化控制提供理论依据。在分析过程中，不考虑太阳能壁板的管外流动，重点分析两种传热学过程：热传导和热辐射过程，根据传热学理论，单层平壁在稳态时的热传导速率为：

上式中l为综合导热系数，b为太阳能壁板的厚度，A为壁面积，1t和0t分别为目标水温和外界环境温度。由上式可见，热损失通常随着保温层的厚度增加而减少。对于太阳能换热器，我们简单地考虑如下热辐射过程，即有：

式中，e为实际物体辐射的发射率，s是Stefan-Boltzmann常数，大小为5.67×10-8W/(m2·k4），温度单位为开尔文温度，单位为K，由此建立了从太阳能热水器系统向外辐射能力的传热学模型。而当外界光照条件不足时，将由电热辅助加热模块来进行对水的加热，接下来将重点研究室内外温度不同组合对电热辅助加热模块功率的需求，当热水器内水温稳定时，电热辅助加热模块与两传热过程存在动态热平衡过程，如下式所示：

其中η为电热辅助加热模块的电热转换效率。取太阳能壁板厚度为8mm，其导热系数为0.1W/(m·K），有效壁面积为2m2，实际太阳能壁板辐射的热发射率为0.6，电热转换效率为0.9。首先讨论当环境温度为5℃，当需要水温从20～50℃变化时所需要的电热辅助加热功率，如图2(a)所示，两种换热过程都随温度升高而升高，辐射换热方式相对而言所占比例较低，整个过程由热传导所导致的热损失占主导；电辅助加热功率随目标水温变化曲线如图2(b)，辅助加热功率变化区间大致上从500W到1700W，由此给出了温控设备的优化过程，实现更 好的水温自动化管理与控制。

图2

类似地，我们在此基础上进一步分析当目标温度设置为一般用户所需的35℃时，外界环境温度变化时，电热辅助加热模块所需要的电功率如图3。

图3

可见环境温度变化过程中，依然是热传导散热方式占主导，而电热辅助加热功率随着环境温度的升高而降低，其 对应的热功率调整范围为1600W到800W之间。

3 结语

随着经济的发展和生活品质的提升，居民对生活热水的需求十分强烈，太阳能热水器有着突飞猛进的发展。针对传统太阳能热水器的在低温环境或其他极端环境中遇到的一些问题，本文设计了一种新型防冻太阳能热水器系统，并详细地介绍了其功能模块和结构设计特点；进一步结合传热学理论对其稳态热传导过程进行建模，定量地分析了在文中给定参数的情况下，电热辅助模块所需要提供的功率随目标水温及环境温度的变化关系，并仔细分析了两种热损失过程，为温控设备的自动化控制提供理论依据。

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TU18

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1671-0711（2017）05（上）-0069-03