新型太陽能熱水器進出水管防凍系統(tǒng)設(shè)計

張祎 林君

摘 要：隨著時代的發(fā)展和人民生活水平的提高，太陽能熱水器已經(jīng)成為大眾生活的必需品。然而，應(yīng)用最廣泛的真空管非承壓式太陽能熱水器存在冬天管道易凍壞的問題，而目前的解決方法存在諸多弊端。本文利用模擬電路和數(shù)字電路等知識，設(shè)計一種集成電路，通過實現(xiàn)管內(nèi)微型水循環(huán)，達到管內(nèi)水溫保持恒定的目的。這種新型太陽能熱水器進出水管防凍系統(tǒng)可以有效解決冬天管道易凍壞的問題，同時避免資源浪費，為人們的生活帶來便利。

關(guān)鍵詞：真空管非承壓式太陽能熱水器;微型水循環(huán);集成電路;防凍

中圖分類號：TK515文獻標識碼：A文章編號：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

太陽能作為一種清潔的可再生能源，深受人們關(guān)注。當前，在光熱轉(zhuǎn)換中，技術(shù)發(fā)展最為完善的、應(yīng)用最為普及的是太陽能熱水器[1-2]。太陽能熱水器按結(jié)構(gòu)形式劃分為真空管式太陽能熱水器和平板式太陽能熱水器，按水箱承壓能力劃分為承壓式熱水器和非承壓式熱水器。

當前應(yīng)用最為廣泛的是真空管非承壓式太陽能熱水器，其占據(jù)了國內(nèi)大額市場。但是，這種太陽能熱水器存在冬天管道易凍壞的弊端，重新修整時，工程煩瑣且花費較高。在現(xiàn)有技術(shù)中，最常用的解決此問題的方法是在真空管非承壓式太陽能熱水器進出水管外壁纏繞電伴熱帶，外裹保溫材料，并用鋁箔膠帶固定，且在冬季需要不斷進行電加熱。此方法缺點是一晚不斷電，耗電量大，加熱效率低且存在安全隱患[3]。

本文所設(shè)計的真空管非承壓式太陽能熱水器進出水管防凍系統(tǒng)具有自動控制太陽能熱水器進出水管內(nèi)溫度的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)管內(nèi)微型水循環(huán)，進而達到管內(nèi)水溫保持恒定的目的[4-5]。該系統(tǒng)可以解決真空管非承壓式太陽能熱水器進出水管冬季易凍裂以及每次使用太陽能熱水器時不能直接流下熱水的難題，同時避免了資源浪費。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案概述

真空管非承壓式太陽能熱水器進出水管防凍系統(tǒng)分為四個模塊，即溫度采集與信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)值比較模塊、蠕動泵及驅(qū)動電路。如圖1所示，溫度采集與信號調(diào)理模塊進行水溫采集和處理，之后將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)通信模塊，由其接收并發(fā)送溫度信號，再由數(shù)值比較模塊進行水溫比較，最后蠕動泵及驅(qū)動電路進行信號放大，驅(qū)動蠕動泵工作，進而實現(xiàn)管內(nèi)微型水循環(huán)，達到管內(nèi)水溫保持恒定的目的。圖中，PT2262和PT2272是一對帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射與接收芯片，前者為發(fā)射端，后者為接收端。

2 溫度采集與信號調(diào)理模塊

溫度采集與信號調(diào)理模塊位于太陽能熱水器的進出水管穿墻位置，用于采集所述進出水管內(nèi)部的水溫數(shù)據(jù)，并將所述水溫數(shù)據(jù)進行處理，得到二進制水溫數(shù)據(jù)，然后將其傳輸至所述紅外遙控發(fā)射芯片。

數(shù)字溫度計按二進制編碼方式將水溫數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊t外遙控發(fā)射芯片（PT2262）中。數(shù)字溫度計傳輸出去的數(shù)據(jù)是七位二進制數(shù)據(jù)，而紅外遙控發(fā)射芯片（PT2262）最多設(shè)有6位（D0～D5）數(shù)據(jù)端引腳，6位二進制編碼表最多可以編碼64種狀態(tài)，足以提供啟動蠕動泵實現(xiàn)水循環(huán)的環(huán)境需求，所以將數(shù)字溫度計的低六位二進制數(shù)據(jù)接到紅外遙控發(fā)射芯片（PT2262）的6個數(shù)據(jù)端引腳上。

溫度采集與信號調(diào)理模塊包括依次連接的溫度傳感器電路、信號放大電路和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。其中，所述溫度傳感器電路采用單電源供電模式，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器與所述紅外遙控發(fā)射芯片連接。

本文中，溫度傳感器采用LM35，傳感器的輸出電壓與攝氏溫度的線性關(guān)系如式（1）所示。溫度傳感器采用單電源供電模式，在25 ℃下，電流約為50 mA，非常省電。

溫度傳感器電路的輸出電壓范圍為0.00～0.99 V，雖然該輸出電壓范圍在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入允許電壓范圍內(nèi)，但該輸出電壓信號較弱，如果不進行信號放大處理，直接進行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，則會導致轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量太小，精度低。本設(shè)計選用通用型放大器（型號為μA741）對溫度傳感器電路的輸出電壓進行幅度放大，還可對其進行阻抗匹配、波形變換、噪聲抑制等處理。本文所設(shè)計的信號放大電路采用同相輸入，輸出電壓的放大倍數(shù)為5倍。

3 數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊包括依次連接的紅外遙控發(fā)射芯片、315 MHz再生高頻無線收發(fā)模塊和紅外遙控接收芯片。其中，數(shù)字溫度計與所述紅外遙控發(fā)射芯片連接，數(shù)值比較模塊與所述紅外遙控接收芯片連接。紅外遙控發(fā)射芯片采用PT2262，與315 MHz再生高頻無線接收模塊相連，如圖2所示。紅外遙控接收芯片的型號為PT2272，與315 MHz再生高頻無線發(fā)射模塊相連，如圖3所示。二者都是采用同一種工藝制造的低功耗低價位通用編解碼電路。

對于通信模塊的選取，本研究在不同場景下對比了三種常用的通信方式：一是WIFI無線通信，缺點是對網(wǎng)絡(luò)的依賴性強;二是HC05藍牙通信，缺點是有效距離短，穿墻能力弱;三是315 MHz再生高頻無線通信，其兼容性最強，抗干擾能力最好。最終，本研究選擇了315 MHz再生高頻無線通信方式。

4 數(shù)值比較模塊

如圖4所示，數(shù)值比較模塊包括兩個相同的四位數(shù)值比較器，用于獲取所述水溫，當所述水溫低于設(shè)定溫度值時，輸出使蠕動泵工作的指令，然后將所述蠕動泵工作指令發(fā)送至蠕動泵，以控制其工作。

當上面的四位數(shù)值比較器的A

5 蠕動泵及驅(qū)動電路

蠕動泵及驅(qū)動電路安裝在真空管非承壓式太陽能熱水器內(nèi)膽與進出水管的連接處，如圖5所示。四位數(shù)值比較器的所有引腳輸出的高電平保持在3 V左右，一般房屋高度為3 m，太陽能熱水器內(nèi)膽高度為4 m，而3 V的電壓不足以將水吸到4 m的高度。為了啟動蠕動泵，將四位數(shù)值比較器的A

運算放大器的型號為LM358，是一個內(nèi)含多級放大電路的電子集成電路。其中，輸入級為差分放大電路，具有高輸入電阻和抑制零點漂移能力;中間級為共射極放大電路，主要進行電壓放大，具有高電壓放大倍數(shù)、帶載能力強、低輸出電阻等優(yōu)點;輸出級與所述蠕動泵相連。

進出水管內(nèi)套3.0 mm×5.0 mm硅膠管，硅膠管的一頭在進出水管的室內(nèi)端，硅膠管的另一頭與蠕動泵的一端連接，蠕動泵的另一端與太陽能熱水器內(nèi)膽連接，進而讓進出水管內(nèi)的水與太陽能熱水器水箱內(nèi)的水產(chǎn)生循環(huán)，使之流動起來，保持進出水管內(nèi)水溫在恒定值，達到防凍的目的。以典型內(nèi)徑12 mm，外徑16 mm的四分水管計算為例，將相關(guān)參數(shù)帶入式（2）可得，1 m長水管儲水為0.113 04 L。

一般真空管非承壓式太陽能熱水器的進出水管為5 m，管內(nèi)水量為0.565 2 L，蠕動泵功率為1.3 L/min，30 s即可將進出水管內(nèi)的水替換為內(nèi)膽中的熱水，即完成一次循環(huán)。

6 結(jié)論

經(jīng)實測，真空管非承壓式太陽能熱水器進出水管防凍系統(tǒng)的工作參數(shù)如表1所示。本設(shè)計采用模擬電路與數(shù)字電路知識，實現(xiàn)電路簡便化和微型化，設(shè)計產(chǎn)品不是龐大的電路設(shè)備，只是一小塊集成電路，耗電小、體積小，十分經(jīng)濟。本設(shè)計通過電子設(shè)備來實現(xiàn)，且電路穩(wěn)定，抗干擾性強，可靠性高，從而提高了整機電路工作的可靠性，提高了電路的工作性能和一致性。本設(shè)計采用蠕動泵水循環(huán)的方法，被測水溫低于3 ℃才啟動蠕動泵，高于3 ℃即停止工作，克服了現(xiàn)有電伴熱帶加熱方式存在的耗電量大、有安全隱患、需要每天晚上人為接通或斷開電源、無法控制加熱溫度等缺陷。

參考文獻：

[1]趙順龍，戴珍貴，黎琦，等.關(guān)于太陽能熱水器冬季使用現(xiàn)狀的調(diào)查研究[J].中國傳媒科技，2012（2）：223-224.

[2]朱丙坤，孫長勇，蘇艷東，等.太陽能熱水器智能防凍系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2021（5）：177-178.

[3]李玉榮，楊娟芳，申賓德，等.一種太陽能熱水器戶外水管防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機械研究與應(yīng)用，2018（5）：120-122.

[4]王佳寧，趙宇紅，王睿博，等.基于智能控制下的可調(diào)控太陽能防凍裝置[J].電子世界，2020（18）：164-165.

[5]韓敬偉，王忠林，董艷艷.基于AT89S52的太陽能熱水器排空防凍控制系統(tǒng)[J].濱州學院學報，2014（6）：105-108.