家用太阳能热水器的工作原理及相关要求

摘 要：太阳能热水器是一种普及率很高的家用生活装置，在我国乃至全球使用非常广泛。本文从工作原理、主要构成部件及相关要求、工作的三个步骤、现状和发展方向、日常维护和使用注意事项五个方面展开论述。

关键词：太阳能热水器；吸热；循环

中图分类号：TU18 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0000-00

1工作原理

太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的热辐射能量，是一种可再生能源。

太阳能热水器是利用太阳光线的能量转化为热能，将水从低温度加热到高温度的装置。如图2，原理是集热装置对太阳光有选择性吸收（吸收比≥0.92，发射比≤0.09（80℃）），将光能转化为热能，使集热装置中的水不断加热。装置中的水产生温差，受热的水分子体积变大不断上浮、相对较冷的水分子不断下沉，水产生微循环，周而复始，从而达到对储水箱内的水进行加热的效果。

2主要构成部件及相关要求

如图1，太阳能热水器主要由集热器、保温水箱、支架、连接管道、控制部件等组成，各部件及相关要求具体如下：

2.1系统中的集热元件——集热器

集热器主要是用来搜集热量的，虽然原理和性质与电热水器当中的电热管不一样，但是在集热和发热功能上，两者是一致的。集热器只有在太阳的照射达到一定强度时，才可以搜集热量。太阳能热水器的工作效果与光照强度、光照时间有直接关系。在生活当中，最常见的集热器主要有两种，一种是全玻璃太阳能真空集热管，这种集热管有两层——内管和外管，内管是用来吸收热量的，上面涂有可选择性吸收涂层，外管可以用来保温。另一种是平板集热器，这种集热器适合在高层住宅楼内使用，可以将平板集热器放置在楼顶，既可以充分的吸收太阳光的热量，又可以节省空间，而且平板集热器的集热板上也有吸热膜，集热效果良好，因此，最近几年，平板集热器的销售量逐渐呈现上升趋势。

2.2储存热水的容器——保温储水箱

集热管采集的热量容易消散，因此装备保温装置，通常情况下，都会将已经加热的水放入保温箱当中进行保温，防止热量的流失。保温水箱要求保温效果好，耐腐蚀，水质清洁。太阳能热水器的保温水箱由三部分构成，分别是内胆、保温层和水箱外壳。其中最为重要的是水箱内胆，因此在对于水箱内胆的材料选择上，需要十分严格，仔细挑选，目前市场上的保温材料良莠不齐，在进行保温层材料的选择时，要选择锈钢、搪瓷等材质，这种材质的保温效果相比于其他的材质来说，更胜一筹。

说起容器，就要说一说容量，太阳能热水器的容量主要是指人们可以进行使用的热水量，不包括不能进行正常使用的水量，例如，真空管的热水量。常用的普通太阳能一般储水100升到350升，有150升、200升、250升、300升，可以根据使用人数多少、光照强度、光照时长和进水温度的高低等来选择合适的容量。

2.3支撑集热器与保温水箱的架子——支架

太阳能热水器支架是用来支撑太阳能水箱的，是太阳能热水器当中不可缺少的一部分。为了确保太阳能热水器的使用寿命和安全性，必选选择结构稳固、不生锈、抗氧化和抗风雪的材料。在大多数情况下，一般选择不锈钢、铝合金或钢材喷塑的材料。

2.4连通各部件的管子——循环管路

太阳能热水器是将冷水先进入蓄热水箱，然后通过集热器将热量输送到保温水箱。蓄热水箱与室内冷、热水管路相连，使整套系统形成一个闭合的环路。

2.5指挥控制各部件的大脑——控制系统

一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行，控制系统是不可少的，常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位，带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。目前出现了手机短信控制的智能化太阳能热水器，具有水温水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能。

2.6全天候使用的好帮手——电辅加热功能

当太阳能光线不足，水温较低时，可以自动或手动使用电加热，这时太阳能就相当于电热水器的作用。

3工作的三个步骤

3.1吸热过程

太阳光被集热器吸收后把热传递给吸热管内的水。吸热管内的水分子吸热后温度升高，体积增大、比重减小而上升，形成一个向上的动力，随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时下循环管不断把温度较低的水送到集吸热管内，如此循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度。

3.2循环过程

家用太阳能热水器通常按自然循环方式工作，没有外在的动力，设计良好的系统只要有5—6℃以上的温差就可以循环很好。研究证明，集热器内管路系统的阻力主要来自沿程阻力，局部阻力的影响要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。当水温升高后，由于运动粘度减小，沿程阻力变小，局部阻力的影响变大。在一定范围内，当主管管径不变时，加大支管管径，不仅沿程阻力迅速减小，而且局部阻力也将跟着减小。通常，支管的水力半径应在10mm以上，当主管管径达到一定值以后，增加主管管径对减小系统阻力已经没有多大意义。

3.3使用过程

家用太阳能热水器的用水方式分为顶水式和落水式。顶水方式是水温先高后低，容易掌握，使用者容易适应，但是要求自来水保持持续供水能力。落水式使用方式不受自来水供水影响，其缺点是使用过程中水温先低后高，掌握不好的话容易造成突然缺水。家用太阳能热水器设计成顶水方式时，必须对水箱内部结构进行合理的設计，以保证出水均匀，避免形成水路“短路”或死角。使用管路最好设计成可以转换成落水式的连接方式，在自来水压力不足或停水时应急用。

4现状和发展方向

4.1我国太阳能产业取得的成就

据统计2015年产量达1.2亿平方米，约2300亿元的市场规模。中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的2倍，北美的4倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场。

4.2太阳能行业存在的问题

在看到进步的同时，也要看到不足：中国太阳能热水器行业存在着市场主体参差不齐、行业技术标准不完善、企业技术研发实力弱等诸多问题，这成为中国太阳能行业发展过程中的不确定性因素。

4.3未来太阳能的发展方向——陶瓷中空平板型太阳能热水器

陶瓷太阳能板是以普通陶瓷为基体，立体网状钒钛黑瓷为表面层的中空薄壁扁盒式太阳能集热体。陶瓷太阳能板整体为瓷质材料，不透水、不渗水、强度高、刚性好，不腐蚀、不老化、不退色，无毒、无害、无放射性，阳光吸收率不会衰减，具有长期较高的光热转换效率。经国家太阳能热水器质量监督检验中心检测，陶瓷太阳能板的阳光吸收比为0.95，混凝土结构陶瓷太阳能房顶的日得热量为8.6MJ，远高于国家标准。陶瓷太阳能板制造、使用成本低，阳光吸收比不衰减，与建筑同寿命，可以用于与原房顶共用结构层、保温层、防水层、结构简单、保温隔热效果好于原房顶，在建设时可以与建筑实现一体化：陶瓷太阳能房顶、向阳墻面、阳台护栏面等。用途也非常广泛：为居民建筑提供热水、取暖；为工农业、养殖业提供热能；也可用于荒漠大规模太阳能热水发电、风道发电等。

5日常维护和使用注意事项

5.1注意保持整体清洁

（1）首次使用杂物的排除。安装太阳能热水器时，输水管内可能沾有油味或尘埃，首次使用时可打开水龙头先排除杂物。（2）受热表面要保持清洁。太阳能热水器表面，根据地区落尘量来定期擦试，保持热水器的表面清洁可提高集热效率。（3）定期清理滤网。水龙头出口端一般都有滤网装置，水管内的水垢杂物会聚集到滤网，应定期拆下来清洗，可以加大出水量。（4）定期清洗、检查、消毒。太阳能热水器平均每2-3年就需要进行清洗、检查、消毒，可以自己购买含氯的消毒药剂倒进进水口中，让其浸泡一段时间，放出来，能起到一定的消毒杀菌效果。另外，还要对真空管内部进行定期清理，防止真空管内部结水垢影响吸热效果。

5.2注意上水和出水的安全

（1）上水时间选择要合理。太阳能热水器内的存水，应根据当地的水质状况作定期的排放，上水时间可选于早上集热器较低温时，温度较高时上水容易造成真空管爆裂。（2）注意出水先后顺序。当连续晴天多日不使用热水时，其热水温度很高，在使用太阳能热水器时要先开冷水，后开热水，以免烫伤。

5.3管道结冰的预防与处置

冬季，管道经常被冻住，如果发现管道内已结冰但管道尚未开裂，气温回升后一般即可自动疏通。也可用电吹风烘吹，或拿毛巾裹住水管，然后用温水慢慢浇淋，切不可用火烘烤、敲击管道或用开水急烫，那样会使管道爆裂。多次冻堵容易使管道冻裂，所以需要加强管道保温措施。

5.4采取防雷措施

在雷暴高发地区，太阳能热水器需注意防雷防电，可以采取接地处理，打雷时严禁洗澡，还要拔掉电加热插头。

参考文献

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收稿日期：2018-06-20

作者简介：贾永健，男，汉族，山东临沂人。