太陽(yáng)能熱水器冬季抽癟原因分析和實(shí)驗(yàn)研究

■ 張景珊 趙紅利 任偉 王國(guó)偉 堯克光

（1.太陽(yáng)雨太陽(yáng)能有限公司研發(fā)中心；2.洛陽(yáng)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心）

一 引言

太陽(yáng)能熱水器在家電下鄉(xiāng)的促進(jìn)下，其數(shù)量(這里指的是緊湊式太陽(yáng)能熱水器)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。伴隨著太陽(yáng)能熱水器的普及，其相關(guān)的各種故障和問(wèn)題出現(xiàn)的次數(shù)也越來(lái)越多，且備受用戶、廠家、經(jīng)銷商等的關(guān)注，尤其是發(fā)生在北方寒冷地區(qū)的水箱抽癟問(wèn)題。

圖1 水箱抽癟實(shí)例

太陽(yáng)能熱水器抽癟事故的典型實(shí)例如圖1所示，其水箱內(nèi)膽在外界負(fù)壓作用下向內(nèi)部塌陷，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致外殼變形扭曲。這類抽癟事件大部分集中在入冬初期和開(kāi)春前爆發(fā)，主要集中在配有控制儀控溫使用的太陽(yáng)能熱水器上。該事故直接導(dǎo)致熱水器整機(jī)報(bào)廢，是目前眾多問(wèn)題中最為嚴(yán)重的故障。盡管數(shù)據(jù)表明太陽(yáng)能熱水器抽癟的概率不大，但這類導(dǎo)致熱水器整機(jī)報(bào)廢的事故，對(duì)當(dāng)事經(jīng)銷商和品牌的經(jīng)濟(jì)、名譽(yù)都帶來(lái)極為惡劣的影響。因此分析水箱抽癟的原因，研究合理的防抽癟結(jié)構(gòu)，進(jìn)而避免這類事故的發(fā)生是一項(xiàng)既具實(shí)際意義又具挑戰(zhàn)性的課題。

筆者走訪了東北地區(qū)眾多太陽(yáng)能熱水器用戶，統(tǒng)計(jì)并分析這類抽癟現(xiàn)象發(fā)生的頻率和規(guī)律。從目前各太陽(yáng)能熱水器企業(yè)在東北地區(qū)的售后情況看，所有太陽(yáng)能品牌都普遍存在水箱抽癟現(xiàn)象。根據(jù)某太陽(yáng)能品牌的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2010年該類太陽(yáng)能熱水器共計(jì)抽癟75臺(tái)，抽癟時(shí)間主要集中在入冬初期的11月份到開(kāi)春的4月份，其中2～4月份發(fā)生的概率更高；在區(qū)域上，遼寧省出現(xiàn)的頻率最高；從比例上看，太陽(yáng)能熱水器抽癟的幾率小于0.1%。

二 太陽(yáng)能熱水器冬季抽癟原因分析

一般來(lái)講，緊湊式太陽(yáng)能熱水器盡管為非承壓式，但其通過(guò)滾筋、端蓋增強(qiáng)等方式加強(qiáng)內(nèi)膽筒體的強(qiáng)度，使水箱能抗拒較大壓力，一般情況下的壓力是無(wú)法造成其壓塌變形事故的。發(fā)生如此嚴(yán)重的抽癟事故，應(yīng)該是由內(nèi)外大氣壓力差造成的。而要產(chǎn)生壓力差必然和下排氣管(或者側(cè)排氣管)的部分或全部被堵塞有關(guān)，導(dǎo)致用水時(shí)熱水流走，而外部大氣來(lái)不及補(bǔ)氣，從而造成內(nèi)部的負(fù)壓，使內(nèi)膽被壓扁變形，最終抽癟。

熱水器上的排氣管主要起三個(gè)作用：上水時(shí)，內(nèi)膽里的空氣通過(guò)排氣管排出；用水時(shí)，通過(guò)排氣管將箱外空氣補(bǔ)入水箱內(nèi)以平衡大氣壓；水箱高溫時(shí)，高溫水蒸氣排出水箱外。普通直插式真空管太陽(yáng)能熱水器為非承壓結(jié)構(gòu)，如果排氣管由于某種意外阻塞導(dǎo)致上述三項(xiàng)功能不能實(shí)現(xiàn)，會(huì)使水箱承受正壓(負(fù)壓)，可能出現(xiàn)水箱抽癟或者漲壞的現(xiàn)象。

筆者通過(guò)使用一套模擬實(shí)際用水的實(shí)驗(yàn)裝置，來(lái)分析內(nèi)外壓力差或負(fù)壓的大小，模擬實(shí)驗(yàn)高度差為3～22m。裝置放置在樓層的不同高度，其中水箱為承壓式，壁厚1.2mm，能夠抵抗0.6MPa壓力，注滿水后在其一管口接壓力表，另一用水管口接編制軟管直通樓下。

在樓底打開(kāi)用水閥門，模擬在用水過(guò)程中突然縮小通氣閥門，則即使放置于2層，承壓水箱在瞬間也會(huì)變形抽癟，且抽癟速度極快，實(shí)驗(yàn)者幾乎來(lái)不及拍照和觀察壓力表數(shù)據(jù)。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)可知，非承壓的直插式太陽(yáng)能熱水器一旦出現(xiàn)排氣管通氣不暢的現(xiàn)象，必會(huì)導(dǎo)致水箱抽癟事故發(fā)生。

同時(shí)分析圖1可知，水箱抽癟是由其塑料質(zhì)的排氣管下折導(dǎo)致排氣管阻塞造成的。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，造成排氣管堵塞的原因一般有以下情況：

(1) 冬季高寒地區(qū)夜間溫度太低，出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。如圖2所示，結(jié)霜后水箱內(nèi)冷凝水珠不能正常排出，被霜體截流形成凍體附著在排氣管壁上，達(dá)到一定厚度就會(huì)堵塞排氣管。特別是對(duì)于使用控制儀控溫的太陽(yáng)能熱水器，當(dāng)水溫設(shè)置較高時(shí)，水汽由側(cè)排氣排出，遇見(jiàn)冷空氣結(jié)冰后極易出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象，且因排水口徑小，其管口更容易凍堵。

(2) 排氣管安裝不正確。圖2中的安裝方式在下雪時(shí)，雪易積聚到管口處形成堆積，進(jìn)而凍堵，造成上述故障。在北方地區(qū)，即使是常規(guī)正確的安裝方式，當(dāng)側(cè)排氣管插有溫度探頭線等物體時(shí)，因管口空隙較小，在連續(xù)陰天下雪，也易造成排氣管凍堵。

圖2 排氣口易結(jié)霜堵塞的結(jié)構(gòu)

(3) 用戶私自改裝，使用側(cè)排氣管或下排氣管上水，破壞了排氣通暢。這種現(xiàn)象較普遍，特別是對(duì)于無(wú)自來(lái)水的農(nóng)村地區(qū)，許多用戶使用自制的水箱補(bǔ)水。其在改裝過(guò)程中極易出現(xiàn)這種事故。

(4) 廠家或安裝人員的疏忽，如安裝完畢沒(méi)有將塑料護(hù)絲拆下，內(nèi)膽集料造成保溫材料堵塞排氣口，安裝時(shí)落入雜物等。

(5) 如果溢流管使用的是軟性材料軟管，在使用中會(huì)遇熱后變癟形成堵塞。

三 太陽(yáng)能熱水器上排氣防抽癟閥

通過(guò)分析，可以看出使用控制儀控溫的太陽(yáng)能熱水器更易出現(xiàn)抽癟，但高寒地區(qū)冬季如果不使用控制儀和輔助能源，太陽(yáng)能熱水器又不能正常工作，因此許多研究人員在思考解決這一對(duì)矛盾的同時(shí)，探索著新的方法。

其中最為常用的方法是對(duì)管路添加電伴熱帶。正確合理的電熱帶布置，能保證正確的解凍順序，對(duì)防治管路凍堵效果極好，但對(duì)側(cè)排氣或下排氣引起的管口凍堵、阻塞等現(xiàn)象不起作用。

對(duì)于上述情況，有些科研工作者開(kāi)發(fā)出一定程度上能減少熱水器抽癟現(xiàn)象的上排氣閥，裝置如圖3所示。其類似于一般的防雨帽，空心桿內(nèi)是和大氣連接的光滑通道。該裝置安置在熱水器水箱正上方，平時(shí)運(yùn)行時(shí)除了起排氣補(bǔ)氣作用外，其保護(hù)罩能在寒冷冬季起到的防止排氣口凍堵的效果，進(jìn)而達(dá)到防抽癟的目的。目前，該類裝置已被許多三、四線廠家推廣應(yīng)用。

圖3 幾種上排氣閥產(chǎn)品

就調(diào)查的結(jié)果來(lái)看，目前這類上排氣防抽癟閥在高緯度地區(qū)應(yīng)用的效果不是很好。該類上排氣結(jié)構(gòu)比側(cè)排氣以及下排氣更易造成熱量的流失，導(dǎo)致熱水器熱損增大，保溫性能下降。這是該類簡(jiǎn)易上排氣閥的最大缺點(diǎn)。

對(duì)在東北等高緯度地區(qū)的太陽(yáng)能熱水器用戶來(lái)說(shuō)，為保證正常用水，控制儀的溫度普遍設(shè)置較高(一般＞60℃)，因此箱體內(nèi)較高溫度的水汽通過(guò)上排氣閥排出，使被風(fēng)面的霜雪融化，進(jìn)而又在其附近凝結(jié)成冰，易導(dǎo)致霜雪積累，堵封上排氣閥體，使其失去補(bǔ)氣作用。圖4是筆者在東北進(jìn)行售后服務(wù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一例典型案例，其水箱頂部出現(xiàn)明顯的白色鼓包，側(cè)排氣也已凝結(jié)成冰溜。該白色鼓包正是霜雪凝固并包裹的上排氣閥。所以該類簡(jiǎn)單的上排氣閥，在冬季防止排氣管口凍堵的現(xiàn)象并不理想。

圖4 上排氣被霜雪包裹圖片

四 新型上排氣呼吸閥實(shí)驗(yàn)

新型上排氣呼吸閥的原理圖如圖5所示，能起到上述上排氣閥的通氣、補(bǔ)氣作用。呼吸膜片由軟膠片和彈簧鋼復(fù)合組成，具一定的彈性，因此該呼吸結(jié)構(gòu)還能在僅用水時(shí)打開(kāi)進(jìn)行補(bǔ)氣，平時(shí)則處于關(guān)閉狀態(tài)，從而減少熱氣外泄，進(jìn)而大幅度減少熱量散失，并杜絕冬季霜雪在排氣口周圍融化并凍堵的現(xiàn)象。

對(duì)安裝有該類新型上排氣呼吸閥的熱水器和常規(guī)使用下排氣及側(cè)排氣結(jié)果的熱水器進(jìn)行對(duì)比熱性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該類熱水器的熱損系數(shù)和常規(guī)產(chǎn)品基本相當(dāng)，未造成熱量明顯損失。

圖5 新型上排氣呼吸閥示意圖

為進(jìn)一步證實(shí)該類上排氣閥的防抽癟效果，在大型冷庫(kù)內(nèi)進(jìn)行低溫冷凍實(shí)驗(yàn)。在冷庫(kù)放置安裝一臺(tái)有該種新型上排氣呼吸閥的熱水器，模擬北方高寒天氣狀況，實(shí)驗(yàn)溫度為?30℃，使用電加熱保持水溫在50℃以上。每8h觀察一次排氣閥周圍水汽凝結(jié)情況。經(jīng)過(guò)一周不間斷持續(xù)觀察，未發(fā)現(xiàn)熱水器頂部有水汽凝結(jié)凍堵現(xiàn)象，熱水器運(yùn)作正常。

為進(jìn)一步考驗(yàn)上排氣防抽癟閥在實(shí)際環(huán)境中的防抽癟效果。在東北地區(qū)選取典型區(qū)域進(jìn)行為期兩年的實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，在黑龍江佳木斯湯原縣先后安裝了30臺(tái)僅使用該新型上排氣呼吸閥的產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)兩年多的運(yùn)行，均無(wú)水箱抽癟現(xiàn)象。

五 結(jié)論

根據(jù)以上分析可知，太陽(yáng)能熱水器抽癟主要是由熱氣凍結(jié)導(dǎo)致的側(cè)排氣管堵塞引起的，使用合適的上排氣結(jié)構(gòu)能有效抑制該類現(xiàn)象的發(fā)生。新型上排氣呼吸閥是一款能成功抑制抽癟事故的產(chǎn)品。

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