新型太陽(yáng)能熱水器進(jìn)出水管防凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張祎 林君

摘 要：隨著時(shí)代的發(fā)展和人民生活水平的提高，太陽(yáng)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(yáng)能熱水器存在冬天管道易凍壞的問(wèn)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(shí)，設(shè)計(jì)一種集成電路，通過(guò)實(shí)現(xiàn)管內(nèi)微型水循環(huán)，達(dá)到管內(nèi)水溫保持恒定的目的。這種新型太陽(yáng)能熱水器進(jìn)出水管防凍系統(tǒng)可以有效解決冬天管道易凍壞的問(wèn)題，同時(shí)避免資源浪費(fèi)，為人們的生活帶來(lái)便利。

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

中圖分類號(hào)：TK515文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(yáng)能作為一種清潔的可再生能源，深受人們關(guān)注。當(dāng)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(yáng)能熱水器[1-2]。太陽(yáng)能熱水器按結(jié)構(gòu)形式劃分為真空管式太陽(yáng)能熱水器和平板式太陽(yáng)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(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的是真空管非承壓式太陽(yáng)能熱水器，其占據(jù)了國(guó)內(nèi)大額市場(chǎng)。但是，這種太陽(yáng)能熱水器存在冬天管道易凍壞的弊端，重新修整時(shí)，工程煩瑣且花費(fèi)較高。在現(xiàn)有技術(shù)中，最常用的解決此問(wèn)題的方法是在真空管非承壓式太陽(yáng)能熱水器進(jìn)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(jìn)行電加熱。此方法缺點(diǎn)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(jì)的真空管非承壓式太陽(yáng)能熱水器進(jìn)出水管防凍系統(tǒng)具有自動(dòng)控制太陽(yáng)能熱水器進(jìn)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(jìn)而達(dá)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(yáng)能熱水器進(jìn)出水管冬季易凍裂以及每次使用太陽(yáng)能熱水器時(shí)不能直接流下熱水的難題，同時(shí)避免了資源浪費(fèi)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述

真空管非承壓式太陽(yáng)能熱水器進(jìn)出水管防凍系統(tǒng)分為四個(gè)模塊，即溫度采集與信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)值比較模塊、蠕動(dòng)泵及驅(qū)動(dòng)電路。如圖1所示，溫度采集與信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)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(hào)，再由數(shù)值比較模塊進(jìn)行水溫比較，最后蠕動(dòng)泵及驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管內(nèi)微型水循環(huán)，達(dá)到管內(nèi)水溫保持恒定的目的。圖中，PT2262和PT2272是一對(duì)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(hào)調(diào)理模塊

溫度采集與信號(hào)調(diào)理模塊位于太陽(yáng)能熱水器的進(jìn)出水管穿墻位置，用于采集所述進(jìn)出水管內(nèi)部的水溫?cái)?shù)據(jù)，并將所述水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到二進(jìn)制水溫?cái)?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(jì)按二進(jìn)制編碼方式將水溫?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)郊t外遙控發(fā)射芯片（PT2262）中。數(shù)字溫度計(jì)傳輸出去的數(shù)據(jù)是七位二進(jìn)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(jìn)制編碼表最多可以編碼64種狀態(tài)，足以提供啟動(dòng)蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)水循環(huán)的環(huán)境需求，所以將數(shù)字溫度計(jì)的低六位二進(jìn)制數(shù)據(jù)接到紅外遙控發(fā)射芯片（PT2262）的6個(gè)數(shù)據(jù)端引腳上。

溫度采集與信號(hào)調(diào)理模塊包括依次連接的溫度傳感器電路、信號(hào)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(hào)較弱，如果不進(jìn)行信號(hào)放大處理，直接進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量太小，精度低。本設(shè)計(jì)選用通用型放大器（型號(hào)為μA741）對(duì)溫度傳感器電路的輸出電壓進(jìn)行幅度放大，還可對(duì)其進(jìn)行阻抗匹配、波形變換、噪聲抑制等處理。本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)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(wú)線收發(fā)模塊和紅外遙控接收芯片。其中，數(shù)字溫度計(jì)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(wú)線接收模塊相連，如圖2所示。紅外遙控接收芯片的型號(hào)為PT2272，與315 MHz再生高頻無(wú)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(jià)位通用編解碼電路。

對(duì)于通信模塊的選取，本研究在不同場(chǎng)景下對(duì)比了三種常用的通信方式：一是WIFI無(wú)線通信，缺點(diǎn)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴性強(qiáng);二是HC05藍(lán)牙通信，缺點(diǎn)是有效距離短，穿墻能力弱;三是315 MHz再生高頻無(wú)線通信，其兼容性最強(qiáng)，抗干擾能力最好。最終，本研究選擇了315 MHz再生高頻無(wú)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(gè)相同的四位數(shù)值比較器，用于獲取所述水溫，當(dāng)所述水溫低于設(shè)定溫度值時(shí)，輸出使蠕動(dòng)泵工作的指令，然后將所述蠕動(dòng)泵工作指令發(fā)送至蠕動(dòng)泵，以控制其工作。

當(dāng)上面的四位數(shù)值比較器的A

5 蠕動(dòng)泵及驅(qū)動(dòng)電路

蠕動(dòng)泵及驅(qū)動(dòng)電路安裝在真空管非承壓式太陽(yáng)能熱水器內(nèi)膽與進(jìn)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(yáng)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(dòng)蠕動(dòng)泵，將四位數(shù)值比較器的A

運(yùn)算放大器的型號(hào)為L(zhǎng)M358，是一個(gè)內(nèi)含多級(jí)放大電路的電子集成電路。其中，輸入級(jí)為差分放大電路，具有高輸入電阻和抑制零點(diǎn)漂移能力;中間級(jí)為共射極放大電路，主要進(jìn)行電壓放大，具有高電壓放大倍數(shù)、帶載能力強(qiáng)、低輸出電阻等優(yōu)點(diǎn);輸出級(jí)與所述蠕動(dòng)泵相連。

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

一般真空管非承壓式太陽(yáng)能熱水器的進(jìn)出水管為5 m，管內(nèi)水量為0.565 2 L，蠕動(dòng)泵功率為1.3 L/min，30 s即可將進(jìn)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(shí)測(cè)，真空管非承壓式太陽(yáng)能熱水器進(jìn)出水管防凍系統(tǒng)的工作參數(shù)如表1所示。本設(shè)計(jì)采用模擬電路與數(shù)字電路知識(shí)，實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)便化和微型化，設(shè)計(jì)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(jì)。本設(shè)計(jì)通過(guò)電子設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，且電路穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)，可靠性高，從而提高了整機(jī)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(jì)采用蠕動(dòng)泵水循環(huán)的方法，被測(cè)水溫低于3 ℃才啟動(dòng)蠕動(dòng)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(kāi)電源、無(wú)法控制加熱溫度等缺陷。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]朱丙坤，孫長(zhǎng)勇，蘇艷東，等.太陽(yáng)能熱水器智能防凍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].科學(xué)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(yáng)能熱水器戶外水管防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)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(yáng)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(yáng)能熱水器排空防凍控制系統(tǒng)[J].濱州學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（6）：105-108.