太阳能热水器节能速热系统的研究与开发

摘 要 本文在对太阳能热水器使用缺陷进行详细分析的基础上，对其供水系统进行一定的改良，解决了太阳能使用时水管里大量冷水浪费的问题，实现了对水资源的充分利用以及太阳能使用的舒适性。

关键词 太阳能热水器 节能 速热

中图分类号：TK513.5 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.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

能源是人类社会发展的重要物质基础，在某种意义上，人类社会得以发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的利用。目前，随着现代社会的不断发展，能源需求量不断加大，常规能源日渐短缺，环境污染日益严重，从资源、环境、社会发展的需求来看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，现在广泛地被人们使用。现在家中常见的太阳能热水器就是利用太阳能资源，但是这项技能技术却存在一个巨大的资源浪费情况。在家用太阳能热水器用水时，要先将楼顶水箱中的热水引到浴室的龙头处。就在这个环节要先放掉水管中的冷水，这不但不方便热水器的使用，还造成了水资源的浪费。所以要是解决了这个问题，那将是节约了相当可观的一部分水资源。不但在能源节约上起到了很大的作用，还大大方便了用户的使用。

1 工作原理

在传统的太阳能热水器的使用上存在着需要先放去水箱到水龙头之间的冷水才能获得热水的弊端。不但这部分冷水没有得到较好的利用，而且还需等上一段较长的时间。本设计要解决的就是这个问题。

太阳能热水器的热水供应系统很简单，就是单纯的由保温水箱和水龙头之间的势能落差提供压力，将水箱内的热水压到水龙头处供人使用。而冷水补给则是直接用自来水注入水箱，控制系统则是由微电脑控制。冷水是存在于水箱到水龙头之间的管内，只需将这部分水从新利用起来就可以解决问题。于是在近水龙头端接一根回流管，将冷水导回水箱内，取代管内冷水的就是所需的热水。这样不但能把管内冷水重新利用，还能减少等热水的时间。

图1 速热系统设计简图

如图1所示为设计出的速热系统简图。本系统在太阳能原有的系统上加上了一个回流管，将原出水管内的冷水重新流回到水箱内。当温控开关检测到管内水温达到一定温度以后就断开控制回路，水泵停止工作。这时使用者打开水龙头就能立即使用到热水，并且不会造成水的浪费。

图2 控制电路简图

如图2所示为速热系统的控制电路图。该电路采用220V交流电，直接串联微型水泵、温控开关和断电复合开关。温控开关为常闭开关，当检测到管内温度达到规定温度时，温控开关就会断开。回路断开，水泵停止工作。断电复合开关为常开开关，当按下断电复合开关时电路形成回路。当温控开关断开时，断电复合开关会自动断开。这样当水管中水温低于额定温度时，水泵也不会工作。

2 水泵的选择

由于一般家用热水器的安装高度在一至三层楼之间，所以回流管扬程在五至十五米之间。水管的口径选择为15mm，水泵选用220V家用交流电。在综合各种因素之后还是选用家用太阳能自来水热水器全自动管道增压泵。这种水泵功率为120w;电源选用220V/50HZ交流电;转速为2860r/min;口径15mm;流量为0.6～1.5立方米/小时;扬程为10～18米。鉴于水管内径为15mm，取扬程15米。那么整个回路中水的体积为：0.00752？.14？0？.6？600≈32 s所以最长只要用32秒即能完成整个循环。

3 温控开关的选择

温控开关根据工作环境的温度变化，在开关内部发生物理形变，从而产生某些特殊效应，产生导通或者断开动作的一系列自动控制元件，也叫温度保护器或温度控制器，简称温控器。或是通过温度保护器将温度传到温度控制器，温度控制器发出开关命令，从而控制设备的运行以达到理想的温度及节能效果。考虑到工作环境要涉及到液体，所以我们选用WZ系列液胀式温控开关。原理性能：是当被控制对象的温度发生变化时使温控器感温部内的工质产生相应的热胀冷缩的物理现象（工质体积变化），与感温部连通一起的膜盒产生膨胀或收缩。通过杠杆原理，带动开关通断动作，达到断电目的。WZ系列液胀式温控器具有控温准确，稳定可靠，开停温差小，控温调节范围大，过载电流大等性能特点。

4 断电复位开关的选择

当温控开关断开后，水泵停止工作。但是随着时间的推移，回流管内的热水温度会降低。如果温度低于额定温度，那么温控开关又会重新闭合通电。这样的话会带来很大的不便和浪费。那么就需要一种开关来改变这样的情况，可选用一种新型开关――即断电复位开关，通过弹簧、工作电压为220V的微型电磁铁和能与电磁铁吸合薄铁板，达到断电后开关自动复位到关闭状态的效果。仅需一个电磁铁，无需降压，功耗仅为0.3W。

图3 断电自动复合开关

如图3所示为断电自动复位开关，其中1是微型电磁铁，2是弹簧，3是开关上的铁片，4是开关触头，5是开关的支点。断电自动复位开关的工作原理是当开关闭合时触头4闭合，电机回路和电磁铁回路都通电。电磁铁1将开关上的铁片吸住，此时断电自动复位开关和其他开关一样正常工作。当停止向开关回路供电时，电磁铁1停止工作。在没有电磁铁吸住开关上铁片的作用力时，弹簧2的回复力通过5的杠杆原理将开关断开。触点4打开，3点分离。当再次来电的时候回路为打开状态，与其他开关打开时一样。

5 速热系统与太阳能系统的结合

在分析了太阳能热水器原理和速热系统之后，我们将两个系统结合构成本课题的主题，太阳能节能速热系统。该系统不失家用太阳能热水器的正常功能，在加入了速热系统后，更加方便人们的使用。加入的系统部分耗能较小，但节约了大量的水资源。在当今提倡节能环保的情势下能得到很好的发展和推广。

图4 完整的太阳能节能速热系统

如图4是完整的太阳能节能速热系统。其中1部分是原太阳能水循环回路，2部分是课题设计的速热循环回路。在结合了两个回路之后就是完整的太阳能节能速热系统。1部分为太阳能热水器正常工作时加热水的循环，水箱内的水经过真空集热管循环后成为所需的热水。当使用者有需要的时候就要使用到2部分循环。在使用前将水泵通电，水泵将管内冷水抽取到副水箱，将水箱内的热水引到水管内。温控开关检测到热水之后就自动断电，使用者就可以直接使用热水。

整个太阳能热水器速热系统合并为一后，可以将所有的操作件融合进太阳能热水器控制面板，利用单片机控制，或者使用PLC控制，方便人们的使用。

注：本文为桂林理工大学大学生挑战杯立项项目