重影响着太阳能给用户的使用体验。人们对生活热水与热能的需求不断增加，基于我国人均矿物能源资源短缺的现状，太阳能的充分开发利用势在必行。但我国多地区受冰冻气候威胁，同时太阳能在季节变化与阴雨天气中体现出不稳定性，这些都限制了太阳能热水器的应用范围与能源利用的最大限度。若能改变现有太阳能热水器的结构组成，利用太阳能进行电能的转化与储存来支持各系统的自身电能需求，就能克服恶劣自然条件所导致太阳能利用不稳定的难题来确保热水长期稳定的供应。当今太阳能热水器在人们的日常生活中有一大缺陷便是：在冬天容易产生水管冻结的情况。为此，人们采用了以下几种方式来防止太阳能设备受冻。
1常见防冻方式及缺陷
1.1常见防冻方式。如杨宪杰研制的内置板管式换热装置的平板太阳能热水器，其在内胆内加装换热板与换热介质流道，使被加热介质与换热介质相分离，达到除垢防冻的效果；陈维会研制的高效抗冻平板型太阳能热水器，以增加金属板的方式减少板间距离，以金属板的弹性形变达到保护太阳能的目的；石同生研制的高温抗冻单管自然循环太阳能热水器，在联集集热器一端增设单管自然循环管路，减少热量损失，起到防冻的作用。但国内学者大多针对特定气候与太阳能热水器某一结构进行防冻研究与技术开发，太阳能热水器整体结构的理论基础及相关实验研究较少。除此之外，常见的防冻方式还包含以下几种：（1）外加海绵保温是将保温海绵套在水管上，减少热能散失，从而达到防止设备受冻的目的，但此种方法效率较低，保温效果不强，天气更加寒冷的时候还需套多层保温棉，花费了更多的资源，且其仅仅使补水管和用户侧供水管不结冻，而无法达到减少热量散失的效果，因此冬季在使用太阳能热水时往往会因为水管内储存冷水而需要放掉这部分低温水，这样又造成水资源的浪费。（2）排空水管防冻需要在当天晚上把热水器中的水全部排放空，第二天根据情况再上水。虽然有效地防止了水管冻结，但缺点是无法即时即用，同时将水排空会造成大量水资源浪费。采用低速排放太阳能热水来防冻的装置，会造成水资源和热量的双重浪费，而且浪费的水量有可能超过排空浪费的水量。（3）将水管埋入地底并用水泥封实的保温方法，虽然消耗较低，但当设备故障时，难以修理，近似于一次性。这些方法虽在一定程度上解决了水管受冻的问题，但均造成了资源的浪费，节能环保效果不理想。（4）安装加热带，将加热带缠绕在水管附近，通过电流产生热量，对水管进行保温，但加热带需要不断给予电能，容易产生电能浪费的情况。
1.2上述方式的缺陷。上述这些方法均容易产生能源的浪费，与如今低碳生活的概念不符，因此设计了本防冻装置，通过改变传统防冻的方式，同时更加安全、可靠、高效的对能源进行利用。由于市区大部分传统的家用太阳能热水器受外部环境限制明显，且没有人为干预，不能及时准确地了解到所用太阳能热水器加热温度和水箱中剩余水量，只能大致通过人身感知和生活经验获知。因此在设计时，选择安装了一套自动控制装置。整套装置依据单片机原理协同调控每个电路单元从而达到控制温度水位的目的。针对上述问题，本装置是基于智能控制下的可调控太阳能防冻装置，其通过太阳能热水器内部存储的热水（太阳能热水器内部热水达到一定温度时）或包裹两端防冻管的加热带（蓄电池提供能量）加热（太阳能热水器内部热水低于一定温度时）来实现太阳能水管防冻，并在单片机的智能控制下自动选择防冻方式。这样不仅有效地解决了水管结冰的问题，并节约能源，节能环保。
1.3本装置有益效果。相比于现有技术，此装置的有益效果为：（1）本装置利用太阳能热水器内部存储的热水在补水管及供水管道外侧进行循环，防止出现因水温过低造成的水管冰冻甚至裂管的问题，并在运行八小时后自动断水断电结束运行。节约能源、减少能耗、运行安全。（2）使用变频供水系统，令防冻管自动启、停，间歇型的供水方式，既保证了热水防冻的效果，又使节能效果更佳。（3）本装置使用了太阳能内部存储的能量进行循环，减少污染物排放量，做到环保、可再生资源持续利用。（4）为适应不同气温、湿度条件下的环境，本装置采用两种方案，分别应对晴天热水器内部水温较高以及阴雨天气条件下热水器内部水温较低的情况，做到方案齐全，将人为原因造成的误差概率降到最低。
2主要功能设计方案
2.1模型建立及功能设计。本设计在其中的电控部分拟采用STM32F407ZGT6单片机，该单片机采用CORTEX-M4内核，具有高性能，低功耗的特点，完美符合本设计节能环保的理念，同时将采用水管温度检测装置及变频供水系统以实现智能调控的操作。当水管温度检测装置检测到温度达到受冻条件时，将信号反馈给控制端，控制端通过控制电路控制防冻管中流通热水，为水管提供热量，借此实现防冻功能。同时，为了控制防冻管中水量，本设计使用变频供水系统。使用电位器设定压力，采用一个压力传感器（反馈为4-20mA或0-10V）检测管中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号传回单片机MCU，进而控制马达转速，实现智能供水的操作。当温度检测装置检测到水管中实际温度低于设定温度，需要防冻，则变频供水系统启动，开始往防冻管中供热水，用水量增加，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大，往防冻管中注入热水。随后用水量减少，频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，直到管中充满热水，达到设置的压力要求，则停止供水。温度检测装置继续监测，当热水温度下降到需要重新供给热水时，重复以上步骤。这样就保证了对水压和水量、水温的要求，同时达到了供水效率和节能的目的。
2.2机械部分设计。设计时需要考虑的主要问题：为了更好的防冻效果，防冻管直径略大于水管直径，充分利用热水资源。为了有效地进行检测并启动设备，控制端与控制电路连接，安置于太阳能系统底侧，水管温度检测装置监测水管处温度。当供水管或补水管内部温度到达或低于所设温度时，水管温度检测装置将信号通过控制路线传输至控制端，控制端启动，使电路处于工作状态。水温检测装置检测检测太阳能热水器内部水温，并将检测结果由控制路线反馈至控制端，控制端判断决定防冻方式。
3设计器件遴选
本设计将有两个主要模块：温度检测模块和变频供水模块。
3.1测温器件组成。检测温湿度数值选用DHT11传感器作为系统设计的温湿度检测模块。DHT11传感器能够同时对温度和湿度数值进行检测，而且其精确度能过完全满足本课程设计的精度要求。同时将配备一液晶显示器，用户按下按键唤醒液晶屏幕，实时显示当前温湿度以及状态。
3.2压力检测器件。本设计将采用压力传感器调控变频供水功能。同时，单片机PID电路控制，将水位调控在合适位置。实现智能调控。
3.3电伴热带选型。当水温在0℃-100℃区间变化时，静态水的导热率其实很低，在0.5-0.7的区间内单调上升。因此在冬天，若室外温度较低的情况下，水管内热量散失，从而无法仅仅依靠热传导来进行加热。太阳能热水管的集热管直径在15cm左右，所以需要有较高导热系数的电伴热带来对集热管进行温度补偿，来减少热量的流失。
4工作原理
晴天，太阳能装置储存能量较多，热量充足，热水器内水温能够达到50℃及以上。当温度检测系统监测太阳能装置温度处于设定值以上时，水管不会结冰，电源处于断开状态，防冻装置不工作。当温度检测系统检测到水管内部的温度处于设定值以下时，信号通过控制路线传输至控制端，控制端控制防冻装置电源打开，水温检测装置检测到热水器内温度较高，将信号传输至单片机，单片机控制防冻管内开始通入热水工作，同时变频供水系统启动，用水量增加，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大，往防冻管中注入热水。随后用水量减少，频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，直到管中充满热水，则停止供水。温度检测装置继续监测，当热水温度下降到需要重新供给热水时，重复以上步骤。结论：本装置利用太阳能热水器内部存储的热水在补水管及供水管道外侧进行循环，防止出现因水温过低造成的水管冰冻甚至裂管的问题，并在运行八小时后自动断水断电结束运行。节约能源、减少能耗、运行安全。同时使用变频供水系统，令防冻管自动启、停，间歇型的供水方式，既保证了热水防冻的效果，又使节能效果更佳。本装置没有使用室内电能，而是转而使用了太阳能内部存储的能量进行循环，减少污染物排放量，做到环保、可再生资源持续利用。为适应不同气温、湿度条件下的环境，本装置采用两种方案，分别应对晴天热水器内部水温较高以及阴雨天气条件下热水器内部水温较低的情况，做到方案齐全，将人为原因造成的误差概率降到最低。电伴热带的功率主要受控于传热过程，随被加热体系的温度自动调节输出功率，而传统的恒功率加热器却无此功能。
作者:王佳宁 赵宇红 王睿博 张正汉 祝嘉灿 谷典 单位:南华大学电气工程学院
