摘要：家用太阳能热水系统以其低廉的运行成本为广大用户所接受，目前在我国已形成近3000万平方米集热器的年产量。家用太阳能热水系统防冻胀方案的开发，可大大拓展其使用的地域范围。本文通过对国内、国外形成商业化的几种常见防冻胀方案进行分类回顾，重点介绍了主动式防冻胀方案、被动式防冻胀方案，及几种具有抗冻胀功能的结构形式。认为主动式防冻胀方案存在导致系统效率下降、成本升高、且在断电时，可能会出现失效等问题，因此并不适合我国国情；目前存在的一些被动式防冻胀方案和抗冻胀结构，也存在结构复杂、可靠性不高等缺点，在小型热水系统中使用尚可，但不适用于大型热水工程。本文详细介绍了热管防冻胀技术目前的发展状况，指出热管防冻胀技术是一种被动式、高可靠性、高效的方案，既适合小型热水装置、也适合大型热水工程使用，具有广阔的市场应用前景。
关键词： 太阳能热水系统；防冻胀；热管
0.介绍
太阳能热水器行业作为我国重要的绿色环保产业，具有四大发展优势：我国拥有丰富的太阳能资源、拥有独立自主的自主知识产权、广阔的市场空间以及国家大力的政策支持，因此近年来取得了快速的发展。目前太阳能热水器企业数量达到近4000家，经销商大约有10万家，行业从业人数达到了250万人。
目前太阳能热水装置使用相对比较集中的多为我国中部和南方地区，而北方大部分地区，特别是日光资源非常丰富的西北地区，太阳能热水装置使用情况并不理想。其原因是多种多样的，单从技术角度分析，防冻问题是阻碍太阳能热水装置进入北方市场的重要原因之一。
由于太阳能装置有部分流道在室外，在北方使用可能发生冰冻现象。如果阳光充足，这种现象在冬季也不会发生，但连续雨雪天气或集热器表面被积雪遮蔽，则可能发生冰冻现象。一旦发生冰冻现象，热水器的表面和水箱结构则可能受到较大损伤，导致系统失效。因此家用太阳能热水系统向北方市场挺进，防冻胀问题是必须解决的关键技术[2]。
本文将分别介绍四类太阳能热水系统防冻胀系统：主动式防冻胀方案、具有防冻能力的结构、被动式防冻胀结构和热管防冻胀方案。
1.主动式防冻胀方案
所谓主动防冻胀方案是当发生冻胀或可能发生冻胀时，需要传感器、电磁式水泵等控制机构或人工干预的装置，控制系统。
1.1.辅助加热
辅助加热技术是最常见的防冻技术。该方案的思路是：在可能发生冻胀的位置布置电加热带，当温度低于某设定值时，开启电加热带，保持内部水温不发生冻结。该方法结构简单，易于实现。但与其它辅助热源的防冻胀方案 类似，仍存在一定的缺点。如遇到暴雪成灾，电力供应发生局部断路时，防冻装置将无法工作。另外，电加热带一般只是在局部布置，如遇高寒天气，集热器可能发生整体冻结，则无法很好的达到防冻的效果。因此该方法一般适用于冬季的冰冻天气不多的地区，而在高寒地区，则成本和效果均不佳。
1.2.二次回路系统
二次回路系统防止太阳能热水器发生冻胀的方案思路是：将放置在室外工作的介质由具有防冻能力的介质替换，而系统中使用的水仅在室内循环两相之间通过。换热器进行热量交换，如图1所示。其工作机理为：在集热器的回路中，热载体一般采用乙二醇、丙二醇或其它具有防冻功能的工作载体，当集热器中温度与换热器中温度之差达到一定值时，泵启动，将热量不断传递到换热器。换热器的结构可能是盘管式、板式等。换热器的另一侧介质为使用的水。通过换热器的不断热交换，水被加热。该方案中，室外工作的防冻载体与室内使用的热水通过换热器分开，不会出现冻胀现象，且系统可靠，即使断电，也不会损坏集热器，因此得到广泛的使用。


图1 二次回路系统示意图
但二次回路系统也存在着明显的不足，主要表现在成本和效率方面。由于增加了二次循环换热过程，集热器的温度升高，系统散热增加，热交换器的流体传热热阻增大，直接导致系统热效率下降，及系统投资成本增加。另外由于二次回路系统中集热器在较高的温度下运行，对于一些对温度敏感的集热器形式，还会影响其使用寿命。
1.3.排空方案：
排空方案（drain back）是目前比较流行的防冻胀方案。该方案的思路是：当集热器的温度低于某一设定值时，通过控制器控制电磁阀，将集热器中的水排到一个膨胀桶中，使集热器在低温工况下无水可冻，达到防冻胀的效果。该系统在设计时，为了防止断电造成控制失灵，一般具有断电自动排空功能，即当系统发生断电时，无论集热器的温度是多少，自动将集热器中水排空，以避免发生断电期间冻伤集热器。其基本结构如图2所示。

图 2 排空系统示意图
另外，Joseph R. Frissora提出了一种针对全玻璃真空管式太阳能集热系统的防冻胀结构，对于在我国使用全玻璃真空管集热器来说是一种可以考虑的方案。该方案提出了一种可以完全排空的玻璃真空管式家用太阳能系统，如图3所示。该系统的全玻璃真空管开口朝下，回水内置一根一定直径的管，形成套管式换热器的结构。水由外层进入集热器，由内管回流。内管应足够粗，以确保集热器中水进入内管的方式为溢流。集热器上部应置有一定量空气或惰性气体，作为缓冲，以免水压波动对集热器造成损害，当出现冰冻时，可以通过进水管将水排干，达到防冻的效果。该防冻方案属于主动防冻系统，需要一些辅助设备，增加了系统的设备投资[26]。

图3 全玻璃真空管式排空方案
2.几种抗冻胀结构
所谓抗冻胀结构是指并不能完全避免冻胀事故的发生，而是能够延缓冻胀发生或减少冻胀事故造成损失的结构，不像具有防冻胀功能的方案，具有在可能达到的低温环境中经过足够长时间，温度升高后而性能不变的特性。因此本文将其单列一节，名为抗冻胀结构。
2.1.全玻璃真空管集热器
全玻璃真空管集热器本身具有防冻的效果，这是由于双层玻璃管及其内层的选择性吸收涂层均具有良好的导温效果，一旦出现连续无日照的冰冻天气，内部热量向外散失很慢，可以在一定的时间内不结冰，但由于水箱和集热器连接位置及水箱本身的保温效果等因素的影响，该结构的防冻性能可靠性值得怀疑，只能说该结构可以抵抗一定的低温天气，不能说该结构具有防冻功能。尽管有研究结果表明，全玻璃真空管集热器可以在-78℃环境中经受120小时而不受到损伤，但在该试验中，集热器的接头部分并未受到低温环境的考验，而仅仅是将部分集热管放入干冰中，其结论的工程价值值得进一步研究。另外，该结构是由玻璃构成，玻璃是典型的脆性材料，系统可靠性不高，不利于长期稳定的运行。
2.2.紧凑式集热器
William J Larkin提供了一种紧凑结构的太阳能热水装置，其将集热器、流道和水箱集成在一个楔形体内，通过管线的连通，实现换热，如图4所示。当环境温度降低到冰点以下，且无日光照射时，水箱内的热水可以通过传导和辐射等方式加热其上部的集热器，使其具有一定的防冻功能，该装置可以说具有防冻能力，但不能说具有防冻功能。
2.3.壁面加强形抗冻胀结构
Peter D Reed提供了一种可以在一定程度上防冻裂事故发生的太阳能集热器形式，其结构特点是在集热器的下半边加了一个保护槽，可以在管内水发生冻胀时，加强传热管强度，延续其发生冻胀的时间。在集热管处（集热管的蛇管），增加膨胀管，膨胀管端部布置有保护帽，当管内压力达到一定程度时，保护帽可被自动顶开，保护集热器不被冻胀破坏。

图4 一种紧凑式集热器
3.被动式防冻胀方案
被动防冻胀方案无需外界介入，而利用自然结构的特点，全天候运行或者由环境因素触发，完成防冻功能。被动系统由于其结构简单、性能可靠而受到人们的关注。本文集中选取相对比较成熟，实践证明可靠的被动式防冻胀方案，加以介绍。
3.1.弹性集热管方案
对于平板集热器，水由连箱管分配到7-8毫米的吸热管，吸热管一般为壁厚不超过0.5毫米的铜管构成，太阳辐射到与吸热管直接连接的吸热片（翅片）上，通过热传导将热量传递到吸热管的水中。热弹性集热器的连箱吸热管均采用弹性更好的材料，可以在内部的水发生冻结、体积膨胀时，通过自身的弹性形变将这部分膨胀量消除。当温度升高水融化后，在弹性的作用下，可以完全恢复原来的形状。这种方案的一个缺点是，一般热弹性材料的导热系数不高，无法像铜材那样完成热传导任务。另外，一些计算的标准、计算程序不再适用。如何从材料和结构角度解决防冻问题，成为大量商业推广的关键。
3.2.三季运行方案
另一个被动式防冻胀的方案是在冬季的时候，将家用太阳能热水器的水放掉，停止使用，即所谓的三季运行。与常年运行系统相比，有两点需要注意，首先，三季运行系统的设计方案和优化方案将调整。原来的最佳角度系统功率匹配，设计过程均考虑了冬季运行的情况。而三季运行系统主要是在春、夏、秋三季运行，太阳能热系统可以进一步优化、设计，不考虑冬季效率，而将三季效率提高，以获得更好的使用效果。其次冬季的太阳入射能量没有水带走，如果持续晴朗的天气，可能导致系统温度较高，影响吸热面寿命。但三季运行系统可以省略一次回路循环，直接加热使用水，因此春、夏、秋三季的运行效率会高于二次回路系统，且由于减少了一个系统，热水装置的成本也大大下降。从设计角度来看，三季运行系统在一些地区还具有良好的效率和经济效果，特别是在中低纬度地区，如沿海地区（指东南沿海地区）效率可能会比较高，但在高纬度或山区效果不太明显。由于该方案系统在冬季不运行，因此年平均效率降低，其总效率和性能价格比与二次回路相比是否占优，需根据不同地区的气候条件而定。
3.3.被动防冻阀
Charles J Cromer提出了一种阀结构，如图5所示，结构中内置一个膨胀球，膨胀球内液体随着温度变化体积压缩或膨胀，实现控制阀门开启的功能。该形式的阀门可用在太阳能热水器的防冻装置和传动装置上，具有无需电能、被动操作的优点。

图 5 被动防冻阀
4.热管防冻胀技术
4.1.介绍
热管是一种高效的被动传热元件，在航空、航天、电子、热控制、工业节能等领域已得到广泛的应用。
近廿年，随着能源紧张和节能要求的不断提高，热管在家用太阳能热水器中的使用越来越受到重视，融合热管技术的家用太阳能热水器系统在近十年内逐渐兴起。热管式家用太阳能热水器较之普通型热水器，具有可靠性高，热利用充分，能量利用合理等优势，在欧美国家为用户普遍接受，在我国市场份额也逐渐提高。热管式太阳能热水器的基本原理如图6所示。

图6 热管式太阳能热水装置示意图
4.2.热管冻胀过程分析
由于太阳能热水装置中集热部分，即热管所在位置，在室外使用，如果在高纬度或高原地区，冬季连续无光照天气，集热器温度可能会低于0℃，因此热管本身会发生冻胀。
热管发生冻胀，同样也可能使热管壳体发生破裂，导致热管失效。如果热管具有防冻胀功能，不仅可以确保自身的使用安全，也可以有效保护热水装置的整体安全。可以认为采用防冻胀热管的民用太阳能热水系统，即为防冻型太阳能热水系统。其不仅解决了热管本身的冻胀问题，还开发出新型太阳能热水装置。
热管的冻胀是在热管蒸发段所处的环境温度低于工作介质的冰点时发生的，对于以水为工作介质的热管来说，当热管蒸发段所处温度低于0℃，即有发生冻结的可能。如果发生冻结，则相变首先发生在相变核心位置或最容易发生相变的位置，出现小的冰晶，在过冷液体中向低温区域生长，形成冰层。对于家用太阳能热水器使用的铜水重力热管来说，由于其水质较纯，热管内壁面处理的相对光滑（生产过程中为了避免不凝性气体残留和可能产生不凝性气体的成分残留，一般要经过严格清洗工艺过程），所以从相变动力学角度分析，只有在三相交界线附近最易产生冰晶，并首先向径向扩展，形成冰盖，将下部的水封于固定容积内。
热管蒸发段冰盖下的液体继续散热，结冰，体积膨胀，由于液相体积已被周围壳体和冰盖包围，所以膨胀过程可能引起顶部冰盖和周围壳体的变形。如果顶部冰壳本身的强度，以及冰盖和壁面之间结合力大于壳体的强度，则热管壳体首先发生变形。家用太阳能热水装置使用的热管，壳体一般为无氧铜，其在0℃下强度较小，所以实际情况是，热管壳体发生明显变形。由于铜作为一种金属材料，具有一定的弹性变形能力，只要水转化为冰过程中的膨胀量小于管壁材料的弹性变型极限，一旦融化，则变形可以消除，如果膨胀量大于管壁材料的弹性变型极限，则发生塑性变型，即使冰融化，也不会完全恢复，造成永久形变，壁厚减薄。经过几次冻融循环，热管蒸发段壳体变形处壁面不断减薄，甚至发生破裂，从而造成热管失效。
4.3.混合工质型防冻胀热管
此方案以降低工作介质融点为思路，采用两种可能降低水冰点的物质：有机介质和无机介质。两个方案从机理上存在较大差异。
有机混合工作介质的方案中主要涉及甲醇、乙醇、乙二醇等有机物及其水溶液作为热管工作介质的性能研究和分析。试验结果表明[46]：低凝固点有机工作介质的加入对于热管管壁的防冻裂有明显的作用，热管在-20oC~+40oC的温度范围循环60次，蒸发段液池部位的管外径无明显变化，说明低凝固点有机工作介质可以使热管在0oC以下不发生冻胀现象，但当热管的工作温度超过120oC时，有机工作介质的化学稳定性明显下降，当达到200oC时，工作20min后，性能开始下降，直至完全失效。
针对有机工作介质高温分解的缺点，其后进行了无机盐类添加剂工作介质防冻胀的试验研究，主要采用氯化钙、重铬酸钾、硝酸钾等无机盐作为防冻添加剂，分别针对各种无机盐在不同配比形式下的冻结特性进行了研究，发现氯化钙和重铬酸钾的防冻胀效果比较明显。当温度降低时，无机盐类水溶液固化形成的固体物质为膏状物，对壁面几乎没有压力，可以实现太阳能热水器热管的防冻裂要求，并且在高温（240oC）情况下连续工作4小时，未出现明显的性能下降，工作性能稳定，基本可以满足太阳能热管的要求。但其传热热阻与纯水作为工作介质的热管相比，有比较明显的增加。尽管其传热性能能够满足家用太阳能热水器对热管的最低要求，但能量利用率和热水器效率均不高。对于国外一些要求比较高的客户，性能很难满足。这是由于一些无机盐在水溶液中可能导致混合工作介质的表面蒸气压下降，从而导致工作介质的品质因数下降。
另外，无机混合工作介质还存在一个比较严重的问题-环境相容性的问题。对于民用产品来说，有些无机盐类是不允许使用的，例如重铬酸钾。尽管其能够很好的满足防冻裂、连续稳定运行的要求，但一旦有少量重铬酸钾漏入水箱，将会对用户造成人身伤害。因此该方案仍在进一步的研究中。目前混合工作介质的应用尚未形成市场化，处于继续研究过程中，研究重点是寻找一种具有环境友好性高、化学稳定性高，且可以满足热管工作介质要求的添加剂。
4.4.管壁加强型防冻胀热管
前文已经介绍过，当热管的液池内工作介质凝固膨胀时，只有当膨胀力大于管壁材料的屈服极限时，才可能出现管壁的永久变形。如果膨胀力在管壁的弹性变形区内，当液池内的工作介质融化后，管壁可以回弹而不发生永久变形，也就不会出现多次循环而冻裂热管的现象。基于该思想，进行了三种热管管壁机械强度的强化研究：锥形管、接管和复合管。
锥形管是指在蒸发段，通过机加工方法，使其具有一定锥度，壁面厚度增加，同时相当于对金属管壁采取了冷作硬化措施，达到提高壁面材料强度的效果；接管形式是指在铜管材下方的液池位置通过焊接方式连接一根不锈钢；复合管形式是指将液池位置的铜管通过机加工方法使其管径缩小，在该位置增加高强度套管。
通过试验发现三种防冻裂形式在设计合理的情况下，均可以实现防冻裂的效果，且经过50次冻融循环未发现热管出现胀裂现象，且热管的传热性能与未加强热管相比，稍有下降，但完全可以满足太阳能热水器使用的要求。
但管壁加强热管的设计过程中，涉及比较复杂的热应力计算。同时该防冻方案对于机加工技术有比较特殊的要求，特别是缩管技术、胀管技术和封口技术。缩管技术是指将铜管壁通过机加工方式使其管径缩小，以形成锥度或满足外部套管内径的要求，目前常用的机加工方法获得的锥形管，防冻胀稳定性不高，可能存在5%-10% 的失效率；胀管技术是指钢制套管与热管铜管壁的缩径部分连接时的过盈配合工艺；封口技术是指热管下封头的制造工艺。另外如果采用普通低碳钢作为接管，且未经科学的处理，会导致钢-水之间发生化学反应，在很短时间内出现不凝性气体，致使热管失效。
因此，目前该方式的防冻胀方案在设计计算、可靠性和加工成本方面仍在进行进一步的探索工作。
4.5.改变结晶顺序型防冻胀热管
所谓改变结晶顺序型防冻胀热管是一项基于结晶动力学的新技术，主旨是改变热管液池内水结冰的结晶顺序。对于一般的结晶过程来说，首先要在母相中形成新相核心，成为形核。水结冰过程是典型的在一定基底上形核的非均匀形核相变结晶过程。在固液相变的非均匀形核过程中，核心与基底之间的界面结构和能量起到主要作用。在凝固过程中，非均相形核的原子迁移过程主要是原子吸附在基底上，表面扩散至基底，然后以一定起伏进行二维成核。在水结冰过程中，液相水作为相变的母相，首先利用现成的质点、籽晶或合适的模壁作为基底。形核往往在能量耗用最低、相变驱动力最大的地方最先发生。由于在液相中原子扩散迅速，因此凝固时一旦形核，晶体就很快长大（1cm/s以上），直至全部结冰为止。对于传统的家用太阳能热水器中使用的热管，其形核阻力最小的位置位于三相接触线附近，晶胚首先在液池的上部形成，逐渐向液池内部生长。根据经典的结晶动力学理论，如果液池内部某个位置出现更适合形核的质点、籽晶或合适的模壁作为基底，则晶胚将首先在该位置形成，而不是在液池上部的三相接触线附近首先形成。
正是基于该思路，首先应确定可以满足家用热水器热管防冻裂添加剂的基本性质：
a)化学性质稳定，能承受较大的温度冲击，在高温下（350oC）不分解，在各种使用温度范围内不与水、铜等发生化学反应
b)密度大于水，使适合形核的质点沉在液池下部，改变晶胚的形成位置，晶体生长的位置和方向。
c)结构致密，不易形成多孔介质，内部含气量少，不会在热管制成后放出不凝性气体。
d)不易溶于水，对水的蒸汽压影响较小，对水的热物理性质改变较小。不易形成水合物或形成难挥发溶液。
e)无毒、无害，不会对用户和环境造成危害。
f)成本低廉，容易获得，便于储运。
在初步分析和研究的基础上，选择瓷珠、铜粉、石英砂为类晶核作为铜水热虹吸管的防冻处理剂。目前，市场上已经出现了根据此原理加工的防冻胀型热管，取得了良好的效果。
5.结论
本文通过对家用太阳能热水装置在北方市场应用过程中出现的冻胀问题，分类回顾了主动式防冻胀方案、几种抗冻胀结构、被动式防冻胀方案和热管防冻胀的研究进展。阐述了各种防冻胀形式的实现形式和各自优缺点，并说明了使用过程中可能出现的各种问题。本文认为，防冻胀热管方案是解决家用太阳能热水系统冻胀问题的重要手段，是实现无风险、无运行成本、低投入的防冻胀方案，是今后的主要发展方向。

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