新型太阳能热水器进出水管防冻系统设计

张祎 林君

摘 要：随着时代的发展和人民生活水平的提高，太阳能热水器已经成为大众生活的必需品。然而，应用最广泛的真空管非承压式太阳能热水器存在冬天管道易冻坏的问题，而目前的解决方法存在诸多弊端。本文利用模拟电路和数字电路等知识，设计一种集成电路，通过实现管内微型水循环，达到管内水温保持恒定的目的。这种新型太阳能热水器进出水管防冻系统可以有效解决冬天管道易冻坏的问题，同时避免资源浪费，为人们的生活带来便利。

关键词：真空管非承压式太阳能热水器;微型水循环;集成电路;防冻

中图分类号：TK515文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）14-0028-03

Abstract： With the development of the times and the improvement of people's living standards， solar water heaters have become a necessity for people's lives. However， the most widely used vacuum tube non-pressurized solar water heater has the problem that the pipeline is easy to freeze in winter， and the current solutions have many drawbacks. This paper uses the knowledge of analog circuit and digital circuit to design an integrated circuit to achieve the purpose of keeping the water temperature in the tube constant by realizing the micro water circulation in the tube. This new type of anti-freezing system for the inlet and outlet pipes of solar water heaters can effectively solve the problem of easy freezing of pipelines in winter， avoid waste of resources， and bring convenience to people's lives.

Keywords： vacuum tube non-pressurized solar water heater;micro water circulation;integrated circuit;antifreeze

太陽能作为一种清洁的可再生能源，深受人们关注。当前，在光热转换中，技术发展最为完善的、应用最为普及的是太阳能热水器[1-2]。太阳能热水器按结构形式划分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，按水箱承压能力划分为承压式热水器和非承压式热水器。

当前应用最为广泛的是真空管非承压式太阳能热水器，其占据了国内大额市场。但是，这种太阳能热水器存在冬天管道易冻坏的弊端，重新修整时，工程烦琐且花费较高。在现有技术中，最常用的解决此问题的方法是在真空管非承压式太阳能热水器进出水管外壁缠绕电伴热带，外裹保温材料，并用铝箔胶带固定，且在冬季需要不断进行电加热。此方法缺点是一晚不断电，耗电量大，加热效率低且存在安全隐患[3]。

本文所设计的真空管非承压式太阳能热水器进出水管防冻系统具有自动控制太阳能热水器进出水管内温度的功能，能够实现管内微型水循环，进而达到管内水温保持恒定的目的[4-5]。该系统可以解决真空管非承压式太阳能热水器进出水管冬季易冻裂以及每次使用太阳能热水器时不能直接流下热水的难题，同时避免了资源浪费。

1 系统设计方案概述

真空管非承压式太阳能热水器进出水管防冻系统分为四个模块，即温度采集与信号调理模块、数据通信模块、数值比较模块、蠕动泵及驱动电路。如图1所示，温度采集与信号调理模块进行水温采集和处理，之后将数据传输至数据通信模块，由其接收并发送温度信号，再由数值比较模块进行水温比较，最后蠕动泵及驱动电路进行信号放大，驱动蠕动泵工作，进而实现管内微型水循环，达到管内水温保持恒定的目的。图中，PT2262和PT2272是一对带地址、数据编码功能的红外遥控发射与接收芯片，前者为发射端，后者为接收端。

2 温度采集与信号调理模块

温度采集与信号调理模块位于太阳能热水器的进出水管穿墙位置，用于采集所述进出水管内部的水温数据，并将所述水温数据进行处理，得到二进制水温数据，然后将其传输至所述红外遥控发射芯片。

数字温度计按二进制编码方式将水温数据传输到红外遥控发射芯片（PT2262）中。数字温度计传输出去的数据是七位二进制数据，而红外遥控发射芯片（PT2262）最多设有6位（D0～D5）数据端引脚，6位二进制编码表最多可以编码64种状态，足以提供启动蠕动泵实现水循环的环境需求，所以将数字温度计的低六位二进制数据接到红外遥控发射芯片（PT2262）的6个数据端引脚上。

温度采集与信号调理模块包括依次连接的温度传感器电路、信号放大电路和模拟数字转换器。其中，所述温度传感器电路采用单电源供电模式，所述模拟数字转换器与所述红外遥控发射芯片连接。

本文中，温度传感器采用LM35，传感器的输出电压与摄氏温度的线性关系如式（1）所示。温度传感器采用单电源供电模式，在25 ℃下，电流约为50 mA，非常省电。

温度传感器电路的输出电压范围为0.00～0.99 V，虽然该输出电压范围在模拟数字转换器的输入允许电压范围内，但该输出电压信号较弱，如果不进行信号放大处理，直接进行模拟数字转换，则会导致转换成的数字量太小，精度低。本设计选用通用型放大器（型号为μA741）对温度传感器电路的输出电压进行幅度放大，还可对其进行阻抗匹配、波形变换、噪声抑制等处理。本文所设计的信号放大电路采用同相输入，输出电压的放大倍数为5倍。

3 数据通信模块

数据通信模块包括依次连接的红外遥控发射芯片、315 MHz再生高频无线收发模块和红外遥控接收芯片。其中，数字温度计与所述红外遥控发射芯片连接，数值比较模块与所述红外遥控接收芯片连接。红外遥控发射芯片采用PT2262，与315 MHz再生高频无线接收模块相连，如图2所示。红外遥控接收芯片的型号为PT2272，与315 MHz再生高频无线发射模块相连，如图3所示。二者都是采用同一种工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路。

对于通信模块的选取，本研究在不同场景下对比了三种常用的通信方式：一是WIFI无线通信，缺点是对网络的依赖性强;二是HC05蓝牙通信，缺点是有效距离短，穿墙能力弱;三是315 MHz再生高频无线通信，其兼容性最强，抗干扰能力最好。最终，本研究选择了315 MHz再生高频无线通信方式。

4 数值比较模块

如图4所示，数值比较模块包括两个相同的四位数值比较器，用于获取所述水温，当所述水温低于设定温度值时，输出使蠕动泵工作的指令，然后将所述蠕动泵工作指令发送至蠕动泵，以控制其工作。

当上面的四位数值比较器的A

5 蠕动泵及驱动电路

蠕动泵及驱动电路安装在真空管非承压式太阳能热水器内胆与进出水管的连接处，如图5所示。四位数值比较器的所有引脚输出的高电平保持在3 V左右，一般房屋高度为3 m，太阳能热水器内胆高度为4 m，而3 V的电压不足以将水吸到4 m的高度。为了启动蠕动泵，将四位数值比较器的A

运算放大器的型号为LM358，是一个内含多级放大电路的电子集成电路。其中，输入级为差分放大电路，具有高输入电阻和抑制零点漂移能力;中间级为共射极放大电路，主要进行电压放大，具有高电压放大倍数、带载能力强、低输出电阻等优点;输出级与所述蠕动泵相连。

进出水管内套3.0 mm×5.0 mm硅胶管，硅胶管的一头在进出水管的室内端，硅胶管的另一头与蠕动泵的一端连接，蠕动泵的另一端与太阳能热水器内胆连接，进而让进出水管内的水与太阳能热水器水箱内的水产生循环，使之流动起来，保持进出水管内水温在恒定值，达到防冻的目的。以典型内径12 mm，外径16 mm的四分水管计算为例，将相关参数带入式（2）可得，1 m长水管储水为0.113 04 L。

一般真空管非承压式太阳能热水器的进出水管为5 m，管内水量为0.565 2 L，蠕动泵功率为1.3 L/min，30 s即可将进出水管内的水替换为内胆中的热水，即完成一次循环。

6 结论

经实测，真空管非承压式太阳能热水器进出水管防冻系统的工作参数如表1所示。本设计采用模拟电路与数字电路知识，实现电路简便化和微型化，设计产品不是庞大的电路设备，只是一小块集成电路，耗电小、体积小，十分经济。本设计通过电子设备来实现，且电路稳定，抗干扰性强，可靠性高，从而提高了整机电路工作的可靠性，提高了电路的工作性能和一致性。本设计采用蠕动泵水循环的方法，被测水温低于3 ℃才启动蠕动泵，高于3 ℃即停止工作，克服了现有电伴热带加热方式存在的耗电量大、有安全隐患、需要每天晚上人为接通或断开电源、无法控制加热温度等缺陷。

参考文献：

[1]赵顺龙，戴珍贵，黎琦，等.关于太阳能热水器冬季使用现状的调查研究[J].中国传媒科技，2012（2）：223-224.

[2]朱丙坤，孙长勇，苏艳东，等.太阳能热水器智能防冻系统的设计与研究[J].科学技术创新，2021（5）：177-178.

[3]李玉荣，杨娟芳，申宾德，等.一种太阳能热水器户外水管防冻结构设计[J].机械研究与应用，2018（5）：120-122.

[4]王佳宁，赵宇红，王睿博，等.基于智能控制下的可调控太阳能防冻装置[J].电子世界，2020（18）：164-165.

[5]韓敬伟，王忠林，董艳艳.基于AT89S52的太阳能热水器排空防冻控制系统[J].滨州学院学报，2014（6）：105-108.