平板型太陽能集熱器是太陽能低溫?zé)崂玫幕静考?，也是世界太陽能市場的主?dǎo)產(chǎn)品。集熱器中常用的循環(huán)工質(zhì)是水，在冬季低溫條件下容易結(jié)冰，而水結(jié)冰是體積膨脹過程，產(chǎn)生的力相當(dāng)巨大，易使集熱器破裂損壞，因此平板集熱器的冬季凍結(jié)問題一直受到人們關(guān)注。

　　1水的解凍機理

　　水的結(jié)冰過程為：水的溫度降到0℃以下，成為過冷水，當(dāng)過冷水中出現(xiàn)尺寸大于臨界尺寸的冰核時，結(jié)冰過程開始。冰核在過冷水中長大，最終成為宏觀意義上的冰。一定過冷度的過冷水是否發(fā)生結(jié)冰受到許多因素的影響，其中包括水的流動狀態(tài)；結(jié)冰基體表面集合特性、物理特性、表面面積以及外加的作用力等。研究這些因素對過冷水發(fā)生結(jié)冰的影響，有助于提出防止結(jié)冰發(fā)生的新思路，解決寒冷地區(qū)輸水、過冷水制冰等工業(yè)應(yīng)用中水的結(jié)冰問題，特別是解決太陽能熱水系統(tǒng)中的防凍問題，推動太陽能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　1.1影響過冷水結(jié)冰的因素研究

　　對過冷水的凍結(jié)機理，各國太陽能熱利用行業(yè)人士對不同的外界因素對過冷水發(fā)生結(jié)冰的影響進行了研究。我國太陽能熱利用專家在此基礎(chǔ)上做了研究。研究結(jié)果表明，結(jié)冰集體表面粗糙度對過冷水發(fā)生結(jié)冰沒有影響，只有在表面粗糙度達到納米級的改變時才有較大的改變；結(jié)冰基體表面材料對過冷水發(fā)生結(jié)冰具有明顯影響；對結(jié)冰基體表面的摩擦和按壓將明顯提高該表面過冷水發(fā)生結(jié)冰時的溫度；表面磁化處理對過冷水發(fā)生結(jié)冰具有遲滯作用，流動對過冷水發(fā)生結(jié)冰沒有明顯影響；結(jié)冰基體的表面積對過冷水發(fā)生結(jié)冰具有一定的影響，但并不顯著。

　　1.2圓管內(nèi)水的凍結(jié)順序研究

　　常用的平板太陽能集熱器的流道為圓管，因此圓管內(nèi)流動水結(jié)冰影響因素的研究非常必要。國外一些學(xué)者對圓管內(nèi)流動水結(jié)冰的因素進行了研究，我國在國外研究成果的基礎(chǔ)上進行了進一步的實驗研究，并認(rèn)為圓管內(nèi)流動水是否發(fā)生結(jié)冰僅與圓管內(nèi)表面最低溫度有關(guān)，流動對結(jié)冰的發(fā)生沒有影響。

　　2順序凍結(jié)理論

　　2.1凍結(jié)原理

　　在自然狀態(tài)下，管子內(nèi)水的凍結(jié)順序是軸向由兩端向中間凍結(jié)，徑向由管壁向管的中心凍結(jié)。而通過外加熱庫（熱源）可改變凍結(jié)順序，即由冷端凍向熱端。如果在一根管子的上端加上一個熱水瓶，管子就會由下而上凍結(jié)，管中的水因結(jié)成冰而產(chǎn)生體積膨脹，將未凍結(jié)的水自下而上逐漸擠進熱水瓶，因此，不會將管子脹裂。

　　2.2順序抗凍熱水器

　　根據(jù)順序凍結(jié)理論行業(yè)人士設(shè)計出一種抗凍太陽能熱水器，其上下集管和循環(huán)管均采用橡膠材料，而排管則采用高效銅鋁復(fù)合條帶，由于上下橡膠集管直徑大、容水多、散熱性能遠遠低于帶有肋片、傳熱性能好的排管，這樣上下集管相對于排管而言起到了熱源作用，從而實現(xiàn)了排管由中部向兩端的凍結(jié)順序。排管中膨脹排除的水排到集管中，因上下循環(huán)管的上端與儲水箱相連，故水箱對集管起著熱源作用。凍結(jié)過程從下部開始，逐漸向上，凍結(jié)膨脹排出的水流入水箱，上下集管最后完成凍結(jié)，其中余下的一部分水凍結(jié)膨脹，由于橡膠具有彈性，不會被脹裂。

　　2.3順序抗凍太陽能熱水器的特點

　　順序抗凍太陽能熱水器依據(jù)順序凍結(jié)理論設(shè)計制成，達到了凍而不壞的抗凍目的，其熱性能優(yōu)良。由于采用了橡膠，雖然具有較好的彈性，但在長期日照和冰凍過程中，容易老化，影響了熱水器的壽命。

　　3傳熱工質(zhì)（雙回路系統(tǒng)）

　　由于水冰點高，結(jié)冰體積膨脹，是造成集熱器凍結(jié)的原因。于是人們又提出一種思路，如果將傳熱工質(zhì)換成其他冰點低于環(huán)境溫度的液體，在水箱中加一個換熱器，將傳熱工質(zhì)帶來的熱量通過換熱器間接傳遞給水箱中的水，就能很好地解決防凍問題。這就是雙回路系統(tǒng)。目前，雙回路系統(tǒng)是發(fā)達國家太陽能熱水系統(tǒng)的主流，集熱器回路大多是強制循環(huán)式（溫差控制強制循環(huán)），也有自然循環(huán)式（如澳大利亞的Sofahart)。

　　雙回路系統(tǒng)的傳熱工質(zhì)是防凍防腐的介質(zhì)，能夠有效防凍，并解決了硬水結(jié)構(gòu)的問題。

　　4外加控制器

　　為了解決集熱器的解凍問題，一些專家提出了外加控制器的方法。當(dāng)集熱器的溫度在有可能結(jié)冰的情況下，將集熱器中的水從防凍閥中排出，避免凍壞集熱器，根據(jù)采用控制器的不同，采用不同的強制循環(huán)系統(tǒng)方案。下面以溫差控制間接強制循環(huán)回排系統(tǒng)為例。

　　圖1為溫差控制間接強制循環(huán)回排系統(tǒng)，以水作為工質(zhì)，回排水箱用于收集系統(tǒng)管道中的存水，是專為防凍和抗凍而設(shè)置的。當(dāng)泵停止工作時，集熱器和管路中的水靠重力自動排空；當(dāng)泵工作時，水充滿了系統(tǒng)，并進行循環(huán)。通過水箱中的換熱器將集熱器獲得的熱量傳遞給水箱中的水。

　　從圖1可知，溫差控制間接強制循環(huán)回排系統(tǒng)不僅防凍，而且通過在水箱中加入電加熱器，在陰雨天可以利用輔助能源（電能）對水箱進行加熱，保證了用戶的全天候使用，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給安裝和安全可靠帶來了麻煩。

　　5集熱器結(jié)構(gòu)

　　太陽能集熱器結(jié)構(gòu)抗凍的基本思路是利用集熱器六道本身的特殊結(jié)構(gòu)和材料特性，使流道在溫度降低時，能夠吸納水凍結(jié)時體積的膨脹；而在溫度上升冰融化成水時，又能自動恢復(fù)原來的形狀，并能保證這種功能的多次重復(fù)，以保障設(shè)備長期運行的安全性。

　　5.1彈性元件抗凍

　　早在20世紀(jì)90年代，我國就有人提出了一種彈性管道抗凍解決方案，其特制吸收體含有與翅板或管板換熱元件相結(jié)合的彈性管或彈性內(nèi)層復(fù)合管壁，還含有彈性輸水管和一個蒸汽輸送管與彈性輸水管緊貼的蒸汽發(fā)生器，可以很好地吸納水凍結(jié)時體積膨脹。利用管元件的三通和產(chǎn)生負壓的特性和雙金屬單向受熱打開特性，利用太陽集熱元件悶曬產(chǎn)生的蒸汽自動對輸水管解凍。根據(jù)這種抗凍方法設(shè)計了一種平板—真空直流太陽熱水器系統(tǒng)。

　　云南的研究機構(gòu)提出了一種彈性抗凍集熱片，直接使用每塊太陽能集熱片中集熱管自身彈性，預(yù)先壓制形成一定彈性變形量的預(yù)變形體，以完成抗凍功能。

　　5.2菱形流道結(jié)構(gòu)抗凍

　　甘肅太陽能研究所對平板集熱器結(jié)構(gòu)抗凍原理、流道設(shè)計、材料性能和制造工藝進行了廣泛研究，并在優(yōu)化設(shè)計和材質(zhì)分析對比的基礎(chǔ)上，研制成一種菱形流道的鐵索體型不銹鋼結(jié)構(gòu)抗凍平板太陽集熱器。這種太陽集熱器結(jié)構(gòu)簡單、熱效率高、水質(zhì)清潔、使用壽命長，適于在我國北方和高海拔地區(qū)全年使用。經(jīng)過實驗研究證明，這是一種平板太陽集熱器越冬的有效、實用、可靠的方法。

　　5.3異性管抗凍

　　昆明理工大學(xué)太陽能工程研究所提出了一種異型管抗凍型太陽能集熱器。這種集熱器的排管和集管都采用橢圓管結(jié)構(gòu)，當(dāng)管內(nèi)水凍結(jié)而體積增大時，橢圓管容易產(chǎn)生變形而脹大，管子不會因應(yīng)力過大而破壞。這種特殊的太陽能集熱器經(jīng)過多年年工程試用，未出現(xiàn)凍壞現(xiàn)象。但其工作過程及凍結(jié)過程的機械行為、基礎(chǔ)理論還有待進一步研究。

　　6結(jié)語

　　本文簡單介紹了目前主要幾種太陽能熱水器抗凍的思路，并對提出的相應(yīng)太陽能熱水器（系統(tǒng)）的優(yōu)劣進行了闡述。強制循環(huán)系統(tǒng)成本較高、不易安裝，可靠性不高；雙回路系統(tǒng)在國外市場上很受歡迎，結(jié)構(gòu)簡單，但為占據(jù)國內(nèi)主要市場。順序抗凍熱水器受使用壽命的限制；結(jié)構(gòu)抗凍熱水器特別是異型管抗凍型太陽能集熱器，結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟性好，可能成為太陽能熱水器（系統(tǒng)）抗凍研究的一個新的發(fā)展方向。

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