太陽能熱水器節(jié)能速熱系統(tǒng)的研究與開發(fā)

陸儀德+何懂+朱思華+孫寶福

摘 要 本文在對太陽能熱水器使用缺陷進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，對其供水系統(tǒng)進(jìn)行一定的改良，解決了太陽能使用時(shí)水管里大量冷水浪費(fèi)的問題，實(shí)現(xiàn)了對水資源的充分利用以及太陽能使用的舒適性。

關(guān)鍵詞 太陽能熱水器 節(jié)能 速熱

中圖分類號：TK513.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.06.064

Research and Development of Solar Water Heaters

Energy-efficient Speed Heating System

LU Yide， HE Dong， ZHU Sihua， SUN Baofu

（Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004）

Abstract Based on a detailed analysis of defects in the use of solar water heater， this paper provides a certain improvement for its water supply system， solves the problem of wasting a large amount of cold water when using solar energy， realizes the full use of water resources and the comfort of using solar energy.

Key words solar water heater; energy saving; tankless

0 序言

能源是人類社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在某種意義上，人類社會(huì)得以發(fā)展離不開優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進(jìn)能源技術(shù)的利用。目前，隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展，能源需求量不斷加大，常規(guī)能源日漸短缺，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，從資源、環(huán)境、社會(huì)發(fā)展的需求來看，開發(fā)和利用新能源和可再生能源是必然的趨勢。太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，現(xiàn)在廣泛地被人們使用。現(xiàn)在家中常見的太陽能熱水器就是利用太陽能資源，但是這項(xiàng)技能技術(shù)卻存在一個(gè)巨大的資源浪費(fèi)情況。在家用太陽能熱水器用水時(shí)，要先將樓頂水箱中的熱水引到浴室的龍頭處。就在這個(gè)環(huán)節(jié)要先放掉水管中的冷水，這不但不方便熱水器的使用，還造成了水資源的浪費(fèi)。所以要是解決了這個(gè)問題，那將是節(jié)約了相當(dāng)可觀的一部分水資源。不但在能源節(jié)約上起到了很大的作用，還大大方便了用戶的使用。

1 工作原理

在傳統(tǒng)的太陽能熱水器的使用上存在著需要先放去水箱到水龍頭之間的冷水才能獲得熱水的弊端。不但這部分冷水沒有得到較好的利用，而且還需等上一段較長的時(shí)間。本設(shè)計(jì)要解決的就是這個(gè)問題。

太陽能熱水器的熱水供應(yīng)系統(tǒng)很簡單，就是單純的由保溫水箱和水龍頭之間的勢能落差提供壓力，將水箱內(nèi)的熱水壓到水龍頭處供人使用。而冷水補(bǔ)給則是直接用自來水注入水箱，控制系統(tǒng)則是由微電腦控制。冷水是存在于水箱到水龍頭之間的管內(nèi)，只需將這部分水從新利用起來就可以解決問題。于是在近水龍頭端接一根回流管，將冷水導(dǎo)回水箱內(nèi)，取代管內(nèi)冷水的就是所需的熱水。這樣不但能把管內(nèi)冷水重新利用，還能減少等熱水的時(shí)間。

圖1 速熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡圖

如圖1所示為設(shè)計(jì)出的速熱系統(tǒng)簡圖。本系統(tǒng)在太陽能原有的系統(tǒng)上加上了一個(gè)回流管，將原出水管內(nèi)的冷水重新流回到水箱內(nèi)。當(dāng)溫控開關(guān)檢測到管內(nèi)水溫達(dá)到一定溫度以后就斷開控制回路，水泵停止工作。這時(shí)使用者打開水龍頭就能立即使用到熱水，并且不會(huì)造成水的浪費(fèi)。

圖2 控制電路簡圖

如圖2所示為速熱系統(tǒng)的控制電路圖。該電路采用220V交流電，直接串聯(lián)微型水泵、溫控開關(guān)和斷電復(fù)合開關(guān)。溫控開關(guān)為常閉開關(guān)，當(dāng)檢測到管內(nèi)溫度達(dá)到規(guī)定溫度時(shí)，溫控開關(guān)就會(huì)斷開。回路斷開，水泵停止工作。斷電復(fù)合開關(guān)為常開開關(guān)，當(dāng)按下斷電復(fù)合開關(guān)時(shí)電路形成回路。當(dāng)溫控開關(guān)斷開時(shí)，斷電復(fù)合開關(guān)會(huì)自動(dòng)斷開。這樣當(dāng)水管中水溫低于額定溫度時(shí)，水泵也不會(huì)工作。

2 水泵的選擇

由于一般家用熱水器的安裝高度在一至三層樓之間，所以回流管揚(yáng)程在五至十五米之間。水管的口徑選擇為15mm，水泵選用220V家用交流電。在綜合各種因素之后還是選用家用太陽能自來水熱水器全自動(dòng)管道增壓泵。這種水泵功率為120w;電源選用220V/50HZ交流電;轉(zhuǎn)速為2860r/min;口徑15mm;流量為0.6～1.5立方米/小時(shí);揚(yáng)程為10～18米。鑒于水管內(nèi)徑為15mm，取揚(yáng)程15米。那么整個(gè)回路中水的體積為：0.00752€？.14€？0€？.6€？600≈32 s所以最長只要用32秒即能完成整個(gè)循環(huán)。

3 溫控開關(guān)的選擇

溫控開關(guān)根據(jù)工作環(huán)境的溫度變化，在開關(guān)內(nèi)部發(fā)生物理形變，從而產(chǎn)生某些特殊效應(yīng)，產(chǎn)生導(dǎo)通或者斷開動(dòng)作的一系列自動(dòng)控制元件，也叫溫度保護(hù)器或溫度控制器，簡稱溫控器。或是通過溫度保護(hù)器將溫度傳到溫度控制器，溫度控制器發(fā)出開關(guān)命令，從而控制設(shè)備的運(yùn)行以達(dá)到理想的溫度及節(jié)能效果。考慮到工作環(huán)境要涉及到液體，所以我們選用WZ系列液脹式溫控開關(guān)。原理性能：是當(dāng)被控制對象的溫度發(fā)生變化時(shí)使溫控器感溫部內(nèi)的工質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱脹冷縮的物理現(xiàn)象（工質(zhì)體積變化），與感溫部連通一起的膜盒產(chǎn)生膨脹或收縮。通過杠桿原理，帶動(dòng)開關(guān)通斷動(dòng)作，達(dá)到斷電目的。WZ系列液脹式溫控器具有控溫準(zhǔn)確，穩(wěn)定可靠，開停溫差小，控溫調(diào)節(jié)范圍大，過載電流大等性能特點(diǎn)。

4 斷電復(fù)位開關(guān)的選擇

當(dāng)溫控開關(guān)斷開后，水泵停止工作。但是隨著時(shí)間的推移，回流管內(nèi)的熱水溫度會(huì)降低。如果溫度低于額定溫度，那么溫控開關(guān)又會(huì)重新閉合通電。這樣的話會(huì)帶來很大的不便和浪費(fèi)。那么就需要一種開關(guān)來改變這樣的情況，可選用一種新型開關(guān)——即斷電復(fù)位開關(guān)，通過彈簧、工作電壓為220V的微型電磁鐵和能與電磁鐵吸合薄鐵板，達(dá)到斷電后開關(guān)自動(dòng)復(fù)位到關(guān)閉狀態(tài)的效果。僅需一個(gè)電磁鐵，無需降壓，功耗僅為0.3W。

圖3 斷電自動(dòng)復(fù)合開關(guān)

如圖3所示為斷電自動(dòng)復(fù)位開關(guān)，其中1是微型電磁鐵，2是彈簧，3是開關(guān)上的鐵片，4是開關(guān)觸頭，5是開關(guān)的支點(diǎn)。斷電自動(dòng)復(fù)位開關(guān)的工作原理是當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)觸頭4閉合，電機(jī)回路和電磁鐵回路都通電。電磁鐵1將開關(guān)上的鐵片吸住，此時(shí)斷電自動(dòng)復(fù)位開關(guān)和其他開關(guān)一樣正常工作。當(dāng)停止向開關(guān)回路供電時(shí)，電磁鐵1停止工作。在沒有電磁鐵吸住開關(guān)上鐵片的作用力時(shí)，彈簧2的回復(fù)力通過5的杠桿原理將開關(guān)斷開。觸點(diǎn)4打開，3點(diǎn)分離。當(dāng)再次來電的時(shí)候回路為打開狀態(tài)，與其他開關(guān)打開時(shí)一樣。

5 速熱系統(tǒng)與太陽能系統(tǒng)的結(jié)合

在分析了太陽能熱水器原理和速熱系統(tǒng)之后，我們將兩個(gè)系統(tǒng)結(jié)合構(gòu)成本課題的主題，太陽能節(jié)能速熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)不失家用太陽能熱水器的正常功能，在加入了速熱系統(tǒng)后，更加方便人們的使用。加入的系統(tǒng)部分耗能較小，但節(jié)約了大量的水資源。在當(dāng)今提倡節(jié)能環(huán)保的情勢下能得到很好的發(fā)展和推廣。

圖4 完整的太陽能節(jié)能速熱系統(tǒng)

如圖4是完整的太陽能節(jié)能速熱系統(tǒng)。其中1部分是原太陽能水循環(huán)回路，2部分是課題設(shè)計(jì)的速熱循環(huán)回路。在結(jié)合了兩個(gè)回路之后就是完整的太陽能節(jié)能速熱系統(tǒng)。1部分為太陽能熱水器正常工作時(shí)加熱水的循環(huán)，水箱內(nèi)的水經(jīng)過真空集熱管循環(huán)后成為所需的熱水。當(dāng)使用者有需要的時(shí)候就要使用到2部分循環(huán)。在使用前將水泵通電，水泵將管內(nèi)冷水抽取到副水箱，將水箱內(nèi)的熱水引到水管內(nèi)。溫控開關(guān)檢測到熱水之后就自動(dòng)斷電，使用者就可以直接使用熱水。

整個(gè)太陽能熱水器速熱系統(tǒng)合并為一后，可以將所有的操作件融合進(jìn)太陽能熱水器控制面板，利用單片機(jī)控制，或者使用PLC控制，方便人們的使用。

注：本文為桂林理工大學(xué)大學(xué)生挑戰(zhàn)杯立項(xiàng)項(xiàng)目