太阳能热水器智能防冻系统的设计与研究

朱丙坤 孙长勇 苏艳东 李鹏启

（山东华宇工学院 机械工程学院,山东 德州253034）

1 概述

近十几年,随着人们生活水平的提高,太阳能热水器逐渐被更多家庭所使用。太阳能热水器不但节约了能源,而且给人们带来了方便。但是在使用过程中出现了多种问题困扰着人们,例如：在冬天,太阳能热水器上、下水管被冻住,而无法使用,甚至被冻裂,给人们造成了很大的困扰。针对此问题,已有解决的办法,如给上、下水管加热,但是这样会造成能源浪费,而且反复加热会使水管加快老化。另外,即使太阳能热水器的户外管路做了保温处理,由于没有热源补充,管路持续散热,长时间水管也会结冰。本装置通过智能检测系统,使上、下水管内的水与储水箱内的相对高温的水进行导流循环,达到防冻目的,从而解决这一困扰。

2 项目简介

该项目是涉及智能控制电路的一套太阳能热水器上、下水管路的智能防冻装置。在冬天室外温度较低的环境下,该装置通过智能检测太阳能热水器上、下水管内水的温度,使上、下水管内的水与太阳能热水器储水箱内的水（其温度相对高于水管内水的温度）进行导流循环,从而利用储水箱内相对高温的水和水的流动来达到水管防冻的目的。

3 项目研究内容

太阳能热水器上、下水管的智能防冻装置主要包括（如图1 和2）：

（1）用于智能控制的单片机（ECU）,安装在智能防冻装置上。

（2）用于进行上、下水管水导流循环的导流管,安装在智能防冻装置和太阳能热水器之间。

（3）用于检测太阳能热水器上、下水管和导流管的6 个水温度传感器,3 个装在上、下水管和导流管的上部（与太阳能热水器储水箱连接的位置）,3 个装在上、下水管和导流管的下部（与房顶接触的位置）。上、下水管和导流管外面包裹着保温材料,只有与太阳能热水器连接的位置、与房顶接触的位置这两个地方包裹相对不严,保温效果较差容易被冻住,其它位置相对保温较好。

（4）用于控制上、下水管水导流大小的2 个节水门体（有两个反向信号的节水门位置传感器、节水门、节水门驱动直流电机以及齿轮传动机构等）,安装在智能防冻装置上。上、下水管在不进行导流循环的时候,节水门是完全关闭的。

（5）用于进行上、下水管水导流循环的泵水装置（叶轮、叶轮驱动直流电机及齿轮传动机构等）,安装在智能防冻装置上。

（6）用于保护电路的保险丝,安装在智能防冻装置上。

（7）用于总电源打开或关闭的电源总开关,安装在智能防冻装置上,同时作为装置的启动信号。

（8）用于给智能设备供电的整流变压器（把220V 交流电整流变压为12V直流电）。

本项目是通过如下技术方案实现的:

在冬天室外温度较低的环境下,打开智能防冻装置开关,启动设备。6 个温度传感器实时检测上、下水管和导流管的上、下6 个位置水的温度,当一个或多个温度传感器检测到上、下水管和导流管水的温度降低接近于0 度时,单片机接收到低温信号后控制1 个或2 个节水门电机旋转打开节水门,同时泵水装置电机在单片机的控制下也进行旋转,驱动叶轮泵水进行上、下水管、导流管与太阳能热水器储水箱水的导流循环,防止上、下水管和导流管被冻住。

图1 智能防冻装置结构连接简图

上方的温度传感器安装在与太阳能热水器储水箱连接的位置,下方的温度传感器链接在与房顶接触的位置。上水管的下端接通到自来水管,下水管的下端接通到太阳能热水器的喷头。

4 项目实施方案

在冬天室外温度较低的环境下,打开智能防冻装置开关,启动设备。

图2 智能防冻装置电路简图

（1）当上水管上的1 个或2 个温度传感器检测到水的温度降低接近于0 度时,单片机接收到低温信号,控制节水门体1 电机旋转打开节水门至一定角度。同时泵水装置电机在单片机的控制下也进行低速旋转,驱动叶轮泵水进行上水管、导流管与太阳能热水器储水箱水的导流循环,防止上水管被冻住。

（2）当下水管上的1 个或2 个温度传感器检测到水的温度降低接近于0 度时,单片机接收到低温信号,控制节水门体2 电机旋转打开节水门至一定角度。同时泵水装置电机在单片机的控制下也进行低速旋转,驱动叶轮泵水进行下水管、导流管与太阳能热水器储水箱水的导流循环,防止下水管被冻住。

（3）当导流管上的1 个或2 个温度传感器检测到水的温度降低接近于0 度时,单片机接收到低温信号,控制节水门体1 电机旋转打开节水门至一定角度。同时泵水装置电机在单片机的控制下也进行低速旋转,驱动叶轮泵水进行上水管、导流管与太阳能热水器储水箱水的导流循环,防止导流管被冻住。

（4）当上水管和导流管上同时有1 个、2 个或者是1 个和2 个的温度传感器检测到水的温度降低接近于0 度时,单片机接收到低温信号,控制节水门体1 电机旋转打开节水门至一定角度。同时泵水装置电机在单片机的控制下也进行低速旋转,驱动叶轮泵水进行上水管、导流管与太阳能热水器储水箱水的导流循环,防止上水管和导流管被冻住。

（5）当下水管和导流管上同时有1 个、2 个或者是1 个和2 个的温度传感器检测到水的温度降低接近于0 度时,单片机接收到低温信号,控制节水门体2 电机旋转打开节水门至一定角度。同时泵水装置电机在单片机的控制下也进行低速旋转,驱动叶轮泵水进行下水管、导流管与太阳能热水器储水箱水的导流循环,防止下水管和导流管被冻住。

（6）当上水管和下水管上同时有1 个、2 个或者是1 个和2 个的温度传感器检测到水的温度降低接近于0 度时,单片机接收到低温信号,控制节水门体1 和节水门体2 电机同时旋转打开节水门至一定角度。同时泵水装置电机在单片机的控制下也进行低速旋转,驱动叶轮泵水进行上水管、下水管与太阳能热水器储水箱水的导流循环,防止上水管和下水管被冻住。

（7）当上水管、下水管和导流管上同时有1 个、2 个或者是1 个和2 个的温度传感器检测到水的温度降低接近于0 度时,单片机接收到低温信号,控制节水门体1 和制节水门体2 电机同时旋转打开节水门至一定角度。同时泵水装置电机在单片机的控制下也进行低速旋转,驱动叶轮泵水进行上水管、下水管、导流管与太阳能热水器储水箱水的导流循环,防止上水管、下水管和导流管被冻住。

（8）特别注意的是：当太阳能热水器上、下水管的智能防冻装置不起作用的时候,2 个节水门是完全关闭的,不影响太阳能热水器系统的使用；当太阳能热水器上、下水管的智能防冻装置起作用的时候,也不影响太阳能热水器系统的使用。同时通过智能控制节水门的开度大小和泵水装置的泵水量大小,不但可以达到防冻的目的,同时也可以节约电能源。

5 智能防冻系统的发展方向

对于该装置来说,并不仅仅只局限于太阳能热水器的智能防冻,也可以根据人们的需求来对于该装置进行改动,以满足人们的需要。现大致设想了以下几种智能防冻装置的发展方向。

（1）基于家庭常用管路的智能防冻系统。这一方面主要是针对于一些裸露在室外的水管的智能防冻,智能防冻系统一方面可以通过促进水管内水的循环流动来达到防冻的目的。还有一些城市的水管还可以直接供给热水,另一方面也可以再跟热水管路进行连接,然后通过水温传感器检测到低温,然后进行热冷水的一个互换,同时还能达到循环流动的一个效果。

（2）基于消防管路的智能防冻系统。这一方面主要是针对于北方严寒地区高层建筑的消防管路的智能防冻。一方面严寒地区冬季多干燥,且处于高层的建筑通风效果好,门、窗以及很多走廊提供了良好的通风条件,这些大多还都是逃生的必经之路。所以发生火灾时,火灾的扩散途径较多且扩散迅速,所以对于消防管路的智能防冻也就至关重要。

（3）基于汽车管路的智能防冻系统。这一方面主要是针对于汽车行驶至一些寒冷地区时的智能防冻,像平时的汽车防冻,可能冷却液就可以满足汽车防冻的需求。但是如果是一些极寒地区的话,冷却液的效果可就要大打折扣了,尤其是汽车还需要停靠时。这时我们可以设想汽车上加装我们智能防冻装置,从而实现对于汽车管路的智能防冻。

6 结论

该项目可以利用智能控制电路,精准便捷地实现管路循环,达到管路防冻目的。并且使用该智能防冻装置时,不影响太阳能热水器系统的使用。该装置结构简单,应用价值高,应用前景广泛。