太陽能熱水器智能防凍系統的設計與研究

朱丙坤 孫長勇 蘇艷東 李鵬啟

（山東華宇工學院 機械工程學院,山東 德州253034）

1 概述

近十幾年,隨著人們生活水平的提高,太陽能熱水器逐漸被更多家庭所使用。太陽能熱水器不但節約了能源,而且給人們帶來了方便。但是在使用過程中出現了多種問題困擾著人們,例如：在冬天,太陽能熱水器上、下水管被凍住,而無法使用,甚至被凍裂,給人們造成了很大的困擾。針對此問題,已有解決的辦法,如給上、下水管加熱,但是這樣會造成能源浪費,而且反復加熱會使水管加快老化。另外,即使太陽能熱水器的戶外管路做了保溫處理,由于沒有熱源補充,管路持續散熱,長時間水管也會結冰。本裝置通過智能檢測系統,使上、下水管內的水與儲水箱內的相對高溫的水進行導流循環,達到防凍目的,從而解決這一困擾。

2 項目簡介

該項目是涉及智能控制電路的一套太陽能熱水器上、下水管路的智能防凍裝置。在冬天室外溫度較低的環境下,該裝置通過智能檢測太陽能熱水器上、下水管內水的溫度,使上、下水管內的水與太陽能熱水器儲水箱內的水（其溫度相對高于水管內水的溫度）進行導流循環,從而利用儲水箱內相對高溫的水和水的流動來達到水管防凍的目的。

3 項目研究內容

太陽能熱水器上、下水管的智能防凍裝置主要包括（如圖1 和2）：

（1）用于智能控制的單片機（ECU）,安裝在智能防凍裝置上。

（2）用于進行上、下水管水導流循環的導流管,安裝在智能防凍裝置和太陽能熱水器之間。

（3）用于檢測太陽能熱水器上、下水管和導流管的6 個水溫度傳感器,3 個裝在上、下水管和導流管的上部（與太陽能熱水器儲水箱連接的位置）,3 個裝在上、下水管和導流管的下部（與房頂接觸的位置）。上、下水管和導流管外面包裹著保溫材料,只有與太陽能熱水器連接的位置、與房頂接觸的位置這兩個地方包裹相對不嚴,保溫效果較差容易被凍住,其它位置相對保溫較好。

（4）用于控制上、下水管水導流大小的2 個節水門體（有兩個反向信號的節水門位置傳感器、節水門、節水門驅動直流電機以及齒輪傳動機構等）,安裝在智能防凍裝置上。上、下水管在不進行導流循環的時候,節水門是完全關閉的。

（5）用于進行上、下水管水導流循環的泵水裝置（葉輪、葉輪驅動直流電機及齒輪傳動機構等）,安裝在智能防凍裝置上。

（6）用于保護電路的保險絲,安裝在智能防凍裝置上。

（7）用于總電源打開或關閉的電源總開關,安裝在智能防凍裝置上,同時作為裝置的啟動信號。

（8）用于給智能設備供電的整流變壓器（把220V 交流電整流變壓為12V直流電）。

本項目是通過如下技術方案實現的:

在冬天室外溫度較低的環境下,打開智能防凍裝置開關,啟動設備。6 個溫度傳感器實時檢測上、下水管和導流管的上、下6 個位置水的溫度,當一個或多個溫度傳感器檢測到上、下水管和導流管水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號后控制1 個或2 個節水門電機旋轉打開節水門,同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行旋轉,驅動葉輪泵水進行上、下水管、導流管與太陽能熱水器儲水箱水的導流循環,防止上、下水管和導流管被凍住。

圖1 智能防凍裝置結構連接簡圖

上方的溫度傳感器安裝在與太陽能熱水器儲水箱連接的位置,下方的溫度傳感器鏈接在與房頂接觸的位置。上水管的下端接通到自來水管,下水管的下端接通到太陽能熱水器的噴頭。

4 項目實施方案

在冬天室外溫度較低的環境下,打開智能防凍裝置開關,啟動設備。

圖2 智能防凍裝置電路簡圖

（1）當上水管上的1 個或2 個溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節水門體1 電機旋轉打開節水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉,驅動葉輪泵水進行上水管、導流管與太陽能熱水器儲水箱水的導流循環,防止上水管被凍住。

（2）當下水管上的1 個或2 個溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節水門體2 電機旋轉打開節水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉,驅動葉輪泵水進行下水管、導流管與太陽能熱水器儲水箱水的導流循環,防止下水管被凍住。

（3）當導流管上的1 個或2 個溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節水門體1 電機旋轉打開節水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉,驅動葉輪泵水進行上水管、導流管與太陽能熱水器儲水箱水的導流循環,防止導流管被凍住。

（4）當上水管和導流管上同時有1 個、2 個或者是1 個和2 個的溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節水門體1 電機旋轉打開節水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉,驅動葉輪泵水進行上水管、導流管與太陽能熱水器儲水箱水的導流循環,防止上水管和導流管被凍住。

（5）當下水管和導流管上同時有1 個、2 個或者是1 個和2 個的溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節水門體2 電機旋轉打開節水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉,驅動葉輪泵水進行下水管、導流管與太陽能熱水器儲水箱水的導流循環,防止下水管和導流管被凍住。

（6）當上水管和下水管上同時有1 個、2 個或者是1 個和2 個的溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節水門體1 和節水門體2 電機同時旋轉打開節水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉,驅動葉輪泵水進行上水管、下水管與太陽能熱水器儲水箱水的導流循環,防止上水管和下水管被凍住。

（7）當上水管、下水管和導流管上同時有1 個、2 個或者是1 個和2 個的溫度傳感器檢測到水的溫度降低接近于0 度時,單片機接收到低溫信號,控制節水門體1 和制節水門體2 電機同時旋轉打開節水門至一定角度。同時泵水裝置電機在單片機的控制下也進行低速旋轉,驅動葉輪泵水進行上水管、下水管、導流管與太陽能熱水器儲水箱水的導流循環,防止上水管、下水管和導流管被凍住。

（8）特別注意的是：當太陽能熱水器上、下水管的智能防凍裝置不起作用的時候,2 個節水門是完全關閉的,不影響太陽能熱水器系統的使用；當太陽能熱水器上、下水管的智能防凍裝置起作用的時候,也不影響太陽能熱水器系統的使用。同時通過智能控制節水門的開度大小和泵水裝置的泵水量大小,不但可以達到防凍的目的,同時也可以節約電能源。

5 智能防凍系統的發展方向

對于該裝置來說,并不僅僅只局限于太陽能熱水器的智能防凍,也可以根據人們的需求來對于該裝置進行改動,以滿足人們的需要。現大致設想了以下幾種智能防凍裝置的發展方向。

（1）基于家庭常用管路的智能防凍系統。這一方面主要是針對于一些裸露在室外的水管的智能防凍,智能防凍系統一方面可以通過促進水管內水的循環流動來達到防凍的目的。還有一些城市的水管還可以直接供給熱水,另一方面也可以再跟熱水管路進行連接,然后通過水溫傳感器檢測到低溫,然后進行熱冷水的一個互換,同時還能達到循環流動的一個效果。

（2）基于消防管路的智能防凍系統。這一方面主要是針對于北方嚴寒地區高層建筑的消防管路的智能防凍。一方面嚴寒地區冬季多干燥,且處于高層的建筑通風效果好,門、窗以及很多走廊提供了良好的通風條件,這些大多還都是逃生的必經之路。所以發生火災時,火災的擴散途徑較多且擴散迅速,所以對于消防管路的智能防凍也就至關重要。

（3）基于汽車管路的智能防凍系統。這一方面主要是針對于汽車行駛至一些寒冷地區時的智能防凍,像平時的汽車防凍,可能冷卻液就可以滿足汽車防凍的需求。但是如果是一些極寒地區的話,冷卻液的效果可就要大打折扣了,尤其是汽車還需要?？繒r。這時我們可以設想汽車上加裝我們智能防凍裝置,從而實現對于汽車管路的智能防凍。

6 結論

該項目可以利用智能控制電路,精準便捷地實現管路循環,達到管路防凍目的。并且使用該智能防凍裝置時,不影響太陽能熱水器系統的使用。該裝置結構簡單,應用價值高,應用前景廣泛。