集熱管可調(diào)式太陽能熱水器的研究與開發(fā)

賈后省 孫 婧 石恩嘉 賈卓美 董 羽 任建舉

(1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）管理學(xué)院，北京 100083；3.南昌大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

集熱管可調(diào)式太陽能熱水器的研究與開發(fā)

賈后省1孫 婧2石恩嘉1賈卓美3董 羽1任建舉1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）管理學(xué)院，北京 100083；3.南昌大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

集熱管可調(diào)的太陽能熱水器是在原有太陽能熱水器的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，可以通過調(diào)控架調(diào)控集熱管的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而調(diào)節(jié)集熱管的采光面積。文章著重介紹了可調(diào)集熱管的設(shè)計原理、可行性分析等方面，并闡述了集熱管可調(diào)式分體太陽能熱水器的開發(fā)的意義和推廣前景。

集熱管；太陽能；熱水器

（一）引言

該項目的目的是提供一種集熱管可調(diào)的懸掛式太陽能熱水器。隨著國內(nèi)住房的日趨緊張，高層樓房的不斷增多，居民選用的熱水器多為電熱水器和燃?xì)鉄崴鳎斐蓢?yán)重的能源浪費，即便使用太陽能熱水器，也只能是將熱水器置于天臺，不僅占用天臺空間，而且供水系統(tǒng)復(fù)雜，維修不便。集熱管可調(diào)式分體太陽能熱水器就是為了解決上述問題而設(shè)計的，設(shè)計思想是把保溫水箱置于室內(nèi)，集熱管懸掛于窗外，充分利用室內(nèi)空間，可通過集熱管的調(diào)節(jié)，改變集熱管的采光面積，并隨之調(diào)節(jié)了室內(nèi)光線。另外，該太陽能熱水器可以調(diào)節(jié)集熱管的采光面積，因而它能控制通過集熱管的光的強度，因此他適合掛在陽臺、以及向陽窗戶的外墻壁上，這又使它具有了防盜窗以及在夏季降低室內(nèi)溫度的功能。

（二）產(chǎn)品背景

太陽能熱水器是一種利用太陽能為人們的生活提供熱水的器具。一般情況下，人們將其置于樓頂進(jìn)行采光，但隨著太陽能熱水器使用數(shù)量的增加，樓頂?shù)目臻g逐漸不能滿足人們的需要，另外，置于陽臺受外界影響較多，不易照看和維修，管路系統(tǒng)復(fù)雜，如圖 1所示，置于房頂?shù)奶柲軣崴鞅伙L(fēng)吹倒，并且占用了天臺空間。如圖 2所示，有時由于樓房太高，也會給下層用戶安裝太陽能熱水器帶來不便。因此設(shè)計一種能夠既能解決上述問題，又能不影響人們正常生活的太陽能熱水器將具有很好的市場價值。集熱管可調(diào)式分體太陽能熱水器在原有太陽能熱水器的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，可以通過調(diào)控架調(diào)控集熱管的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而調(diào)節(jié)集熱管的采光面積，使得這種熱水器適合安裝在陽臺以及窗戶的外墻面上，圖2所示的陽臺條件正適合這種太陽能的安裝與應(yīng)用。

（三）設(shè)計原理

太陽能熱水器的原理是收通過真空管收太陽收集太陽光發(fā)出的熱量，把水加熱。太陽能是輻射能量，真空管是內(nèi)表面涂有吸收輻射的涂層，管中有傳熱效果良好的金屬（銅）通過熱傳導(dǎo)傳至水箱，在水箱中有換熱器，通過換熱加溫涼水，水通過對流在進(jìn)行熱交換，如此循環(huán)這一箱水就熱了。如圖 3所示，當(dāng)該熱水器安裝之后，集熱管呈垂直狀態(tài)，理論上將更利于這種循環(huán)，從而使加熱效果更好。由于真空管是兩層且真空的，又使得熱量不易散發(fā)到外面，這樣就實現(xiàn)了保溫功能。

圖1 置于天臺的熱水器占用天臺被風(fēng)吹倒

圖2 高層樓房的陽臺外觀

圖3 熱水器整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.可調(diào)式集熱管

圖4 集熱管的結(jié)構(gòu)示意圖

集熱管是系統(tǒng)中的集熱元件，其功能相當(dāng)于電熱水器中的電熱管。和電熱水器、燃?xì)鉄崴鞑煌氖?，太陽能集熱器利用的是太陽的輻射熱量，利用冷水下降，熱水上升的原理?/p>

如圖 4所示，集熱管的截面呈板狀，上端與保溫水箱相連，接口處的設(shè)計見圖中202，可實現(xiàn)板狀集熱管的轉(zhuǎn)動。下端與調(diào)控架相連，用專門的連接件，如圖中205所示的結(jié)構(gòu)。調(diào)控架可根據(jù)需要設(shè)計成自動和手動，通過操作調(diào)控架，就可以改變集熱管的受熱面積，也使室內(nèi)光線得到了調(diào)節(jié)。

2.副水箱與管路系統(tǒng)

圖5 管路系統(tǒng)示意圖

由于保溫水箱的水溫可達(dá)70℃～90℃，設(shè)置副水箱就可以任意調(diào)節(jié)所需溫度，副水箱可置于室內(nèi)，副水箱的容積應(yīng)與保溫水箱的容積相當(dāng)，副水箱的材質(zhì)要耐腐蝕，保證使用壽命和水質(zhì)的清潔。

管路系統(tǒng)如圖所示，開關(guān)1打開，調(diào)節(jié)恒溫閥2，即可正常使用淋浴噴頭，開關(guān)1打開，同時關(guān)閉開關(guān)4和開關(guān)7，打開水源，就可以向副水箱供水，同樣的道理，開關(guān) 4打開，同時關(guān)閉開關(guān)1和開關(guān)7，打開水源，就可以向保溫水箱供水。管道必須有很高的質(zhì)量，同時熱水管道必須做保溫處理。

（四）具體實施方式與可行性分析

1.具體實施方式

圖6 整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 集熱管轉(zhuǎn)動控制裝置示意圖

集熱管可調(diào)的太陽能熱水器，其包括：儲水箱1、集熱管2、調(diào)控架3及支架4組成。儲水箱1可以固定在外墻壁上，集熱管2與其相連，支架4用來支撐集熱管2。集熱管2的橫截面205為板狀，通過上端接口202與儲水箱1相連，通過下端接口204與支架4相連，與儲水箱1相連的一端有通水孔201，并且可以相對儲水箱1和支架4轉(zhuǎn)動。調(diào)控架3和集熱管2相連，調(diào)控手柄303與導(dǎo)桿302相連，拖動爪301固連在導(dǎo)桿302上，可以帶動集熱管2轉(zhuǎn)動。支架4上有供安裝下端接口204的安裝孔401。

使用這種集熱管可調(diào)的太陽能熱水器，在家中無人或不需要太多光照時，可以通過調(diào)控手柄303調(diào)節(jié)集熱管2的轉(zhuǎn)角，使其大面203面向陽光，太陽光都照射到集熱管2的面板上；當(dāng)家中有人時，通過調(diào)控手柄303調(diào)節(jié)集熱管2的轉(zhuǎn)角，使其棱邊向陽光，太陽光可以通過集熱管 2間的間隙照進(jìn)室內(nèi)。

2.可行性分析

（1）升溫效果

保溫水箱初步設(shè)計為 80L，可裝水的質(zhì)量大約 80kg。為初始水溫為15℃，保溫水箱可達(dá)到70℃，則保溫水箱里的水升至所需溫度所需要的熱量Q1為：

Q1= C0M(t2- t1)=4.2×103×80×55=1.85×107J

C0—水的比熱容，取4.2×103J/(kg×℃)；

M—水的質(zhì)量；

t1—初始水溫；

t2—所需水溫。

由上式可知，保溫水箱里的水升至所需溫度所需要的熱量為 1.85×107J，按照平均日照情況，集熱管設(shè)計每小時可提供熱量2.8×106J，則水溫升至70℃，需要6～7個小時，合乎用戶需求。

（2）噴頭水壓

初步設(shè)計輸水管直徑為25mm，噴頭管的直徑為20mm，壓力根據(jù)伯努利方程：

式中：z1為水箱內(nèi)水位高度，取3m；

z2為噴頭高度，取1.7m；

P1、P2分別為水箱內(nèi)的壓力和噴頭水壓；

α1、α2為修正系數(shù)。

式中：ξ1、ξ2為輸水管的局部阻力系數(shù)，取0.5；

ξ3為三向接頭的局部阻力系數(shù)，取0.1；

ξ4為恒溫閥的局部阻力系數(shù)，取3；

Re為雷諾數(shù)；

V為水的粘度系數(shù)，取5.49×10-6。由式（2）、（3）、（4）可計算得出總的阻力hf為0.1608，帶入（1）式的噴頭水壓大約為1.08kPa，由此可以得出，經(jīng)過合理的安裝，可以滿足合適的淋浴用水的壓力。

（五）產(chǎn)品的特點與優(yōu)勢

1.產(chǎn)品科學(xué)性

集熱管可調(diào)式太陽能熱水器是通過集熱管收集太陽光發(fā)出的熱量，把水加熱，利用熱水上升、冷水下降的原理，使

TK513

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1008-1151(2011)05-0137-03

2011-02-17

賈后?。?988－），中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院碩士在讀生。