关键字：太阳能热水器、水垢、离子交换法、电磁法、永磁性、电磁性、阻垢剂、光催化片

一 水垢对太阳能热水器的危害

我们经常看到家里的电壶、电热水器等家用电器，单位的锅炉、换热器等设备在使用一段时间后附着一层厚厚的水垢，这些水垢层将严重阻止热量的传递，降低了设备的传热效率，增加了能耗。不单是电热水器与锅炉结垢，使用太阳能热水器尤其是夏天温度较高，也经常结垢，致使真空管炸管、内胆腐蚀、管路堵塞等故障，水垢对太阳能的危害主要有以下几点。

1、真空管是太阳能热水器的集热核心部件，直接吸收太阳光线，而在实际应用中真空管内壁上容易形成可见的水垢膜，这时透光率只能达到新真空管的85%左右，使用一年后，在真空管内壁可形成1mm~2mm厚的垢壳，其透光率只有新真空管的50%以下，这时的集热效率较之新真空管也下降到50%以下；

2、为回避水垢问题以及因真空管破裂而漏水造成整个系统的瘫痪，有的高档太阳能热水器以及大型联排太阳能工程多采用热管集热器，并认为无需再进行水处理，但热管所产生的热量多集中于紫铜探头，因探头温度高、面积小，更容易在探头上形成一个水垢包，因热管的热量经过热媒、热传感器多次交换，对水垢更敏感，水垢对热交换的效率影响更大。

3、水垢的导热系数极低,不到金属的百分之一，它附着在太阳能的集热管内壁导致吸热管吸收的热量不能及时传递给水，造成温度过高，极易炸管，水壶烧漏了就是这个道理。同样你的太阳能水温一年比一年低,最后造成集热管报废，细心的用户会发现，家里的太阳能水温没有去年的高，就是水垢结多了。水垢用传统的方式清理很难，暖瓶里的水垢我们也清理过，是不是很硬，很难清理干净。同样真空管口径细，更难清理彻底。

4、水垢腐蚀内胆，造成漏水，破坏保温效果，减少太阳能热水器的使用寿命。以前家里用白铁制造的太阳能用不了几年就漏了，就是水垢腐蚀的原因。现在的太阳能热水器水箱一般都是采用304不锈钢制作。在生产焊接时，虽然有氩气的保护，但受到高温影响，使焊缝附近的金属晶像发生改变，即由奥氏体转变为马氏体。含有氯离子的水在不断加热过程中，加速了焊缝周边金属的锈蚀穿孔。

5、水垢影响水温仪及电加热系统的正常使用，导致水温、水位显示不准确，电加热设备干烧损坏乃至漏电。

二 水垢形成的机理

水垢的形成是一个复杂的物理化学过程，需要同时满足三个基本条件：1.水的硬度较高；2.水温较长时间超过63℃，当超过70℃以上时结垢更明显；3.水相对保持静止状态。其形成原因主要有以下几个方面：

1.含有暂时硬度的水进入太阳能热水器后,在加热过程中一些钙镁盐类受热分解,从溶于水的物质转变成难溶于水的物质,附着于水箱金属表面上结为水垢,主要盐类如下:

ca(HC03)2→CaC03↓+H2O+C02↑

Mg(HCO)2→MgC03↓+H2O+C02↑

MgC03+H2O→Mg(OH)2↓+C02↑

2.当温度升高后，某些盐类超过了其溶解度达到过饱和时就在热水器内壁上析出固相,结成水垢，如CaS04和CaSi03等盐；

3.相互反应给水中原溶解度较大的盐类和水中其他盐类、碱反应后,生成难溶于水的化合物,从而结生水垢。一些盐和碱相互反应如下: Ca(HC03)2+2NaOH=CaC03↓+2Na2C03+2H20，CaCl2+Na2C03=CaC03↓+2NaCl；

4.在进入太阳能热水器里的悬浮物、胶体物质等各种可溶性杂质长时间悬浮在水中，如果排污不及时这些物质在高温时极易与水垢结合在一体形成混合水垢。

概括的说来，水垢的组成或成分是比较复杂的，通常都不是一种单一化合物，而是以一种化学成分为主，并同时含有其它化学成分。

三 太阳能热水器中阻垢、防垢的方法

在太阳能热水器行业中，有不少厂家已经意识到了水垢对热水器产品性能的影响，水处理行业内的公司也正逐渐的开发在太阳能热水器中应用的阻垢产品，太阳能热水器行业市场上的各种阻垢、防垢的产品与方法比比皆是，贬褒不一，市场比较混乱。本人结合市场总结了以下几种方法供大家参考：

1、控制温度

经过分析水垢形成的条件及机理，可知把太阳能热水器的水温控制在结垢温度以下，就能避免水垢的形成，一般而言真空管型太阳能热水器的温度容易到达结垢温度，如果在集热管的前面加上遮阳的装置，在温度超过结垢温度以后，遮阳系统自动启动，把集热面遮挡住，能够阻止水垢的生成，也能防止热水器过热。平板型热水器由于在高温时容易达到集热与散热的平衡，结垢的情况就明显好于真空管型热水器。双循环型与强制循环型太阳能热水器（集热器管里不接触水）就可以通过控制水箱温度在70℃以上时，强制循环泵停止工作，使热量不再进入水箱，使水箱温度不再升高，从而较好的防止水垢的生成。

2、离子交换法

软水机是家用水处理行业内应用较为广泛的一种水处理方式，它的工作原理就是阳离子与水中的钙镁离子交换，除去水中的钙镁离子。采用这种方式的软化水设备一般也叫做“离子交换器”(由于采用的多为钠离子交换树脂，所以也多称为“钠离子交换器”)。离子交换树脂是软水机的核心部件，它是一种聚合物，带有相应的功能基团。一般情况下，常规的钠离子交换树脂带有大量的钠离子。当水中的钙镁离子含量高时，离子交换树脂可以释放出钠离子，功能基团与钙镁离子结合，这样水中的钙镁离子含量降低，水的硬度下降。硬水就变为软水，这是软化水设备的工作原理。当树脂上的大量功能基团与钙镁离子结合后，树脂的软化能力下降，可以用氯化钠溶液流过树脂，此时溶液中的钠离子含量高，功能基团会释放出钙镁离子而与钠离子结合，这样树脂就恢复了交换能力，这个过程叫作“再生”。

图3离子交换法原理图

由于实际工作的需要，软化水设备的标准工作流程主要包括：工作(有时叫做产水，下同)、反洗、吸盐(再生)、慢冲洗(置换)、快冲洗五个过程。不同软化水设备的所有工序非常接近，只是由于实际工艺的不同或控制的需要，可能会有一些附加的流程。任何以钠离子交换为基础的软化水设备都是在这五个流程的基础上发展来的(其中，全自动软化水设备会增加盐水重注过程)。

此种方法主要优点是：效果稳定准确，工艺成熟，可以将硬度降低至0。其缺点为：（1）、工作过程会产生过量的再生废液；（2）、耗盐量大，需经常加盐还原；（3）、排出大量含盐废水易引起管道腐蚀，热水使用存在安全隐患；（4）、设备放置在室内占有空间大；（5）、相对于太阳能来说价格偏高。

3、电磁法

采用在水中加上一定的磁场来改变水分子的特性，从而改变碳酸钙(碳酸镁)沉积的速度及沉积时的物理特性来阻止水垢的形成的方法叫做电磁法。电磁法阻垢主要有两种外加磁场的方式：永磁型和电磁型两种结构方案。永磁型防垢器外形呈管状，内部是钕铁硼高磁性材料，外部是碳钢屏蔽体，水从钕铁硼与外壳的夹层流过即被磁化处理，水分子键同时发生角度和长度的变形，氢键角从105℃减小到103℃左右，使水的物理结构发生变化，即原水分子大缔合链状大分子的氢键断裂成单个水分子，水中单个水分子急剧增加，水中溶解盐的正负离子就迅速被大量单个水分子包围，运动速度降低，有效碰撞次数减少，静电引力下降、从而使水中的钙、镁离子无法与碳酸根结合成碳酸钙和碳酸镁，从而达到除垢、防垢、阻垢的效果。同时由于水体吸收大量被激励的电子，使水的偶极矩增强，与盐的正负离子的亲和能力增强，从而使管壁上原有的水垢逐渐松软以至脱落，大缔合水分子成单个水分子后，极微小的水分子可以渗透、疏松、溶解垢体，也能达到除垢的效果。使用条件是：水流过防垢器的流速≥2 M/S；适用水温：0℃~80℃；中心磁场的磁场强度≥160MTØ。永磁型除垢器结构见图4与图5.

电磁型防垢器有管道式防垢器和缠绕式防垢器两种型式，如下图所示，管道式防垢器安装时，管道从管道式防垢器上的孔径穿过（如图6所示）；缠绕式防垢器安装时，把设备上的电源线按照一定的方向缠绕在给水管道上（如图7所示），在通电时两种型式的防垢器线圈都会在给水管道上产生磁场，水流过电磁场切割磁力线，水被磁化，它的磁性来源于通电的线圈，防垢原理与使用条件同永磁性防垢器。电磁防垢器如下图所示。

图8缠绕式除垢仪结构原理图

图9管道式防垢器的应用

此种防垢器的特点是：设备投资小，安装方便，运行费用低；但是效果不够稳定，没有统一的衡量标准，因为通过磁场后的水分子将在24小时左右时间恢复到通磁前的状态，所以处理后对水的使用时间、距离都有一定局限。从原理上看只能应用在循环水或即热式太阳能热水器的防垢处理，针对储水式的太阳能热水器，此种防垢方式还值得探讨。电磁法防垢对磁力大小有硬性指标要求，磁场强度要在2000高斯以上，最主要的是现在磁化功能并没有得到相关的认证，对其可行性与实效性存在质疑。

4、加药剂法

向水中加入专用的阻垢剂，可以使钙镁离子、碳酸根离子与药剂的分子形成络合物，增加其在高温水中的溶解度，从而使水垢不能析出、沉积。目前工业上可以使用的阻垢剂很多，在水处理中常用的阻垢剂有复磷酸盐、有机膦酸、膦羧酸、有机膦酸脂、聚羧酸等。目前在生活用水行业通用的阻垢剂是硅磷晶，它是一种缓慢溶解的球状化学药剂，主要是由多种磷酸盐、硅酸盐经特殊加工工艺制成。如图10与图11所示自来水从进口进入阻垢器，水从装有硅磷晶的药罐里流过，硅磷晶就溶解在水里进入太阳能热水器，消耗量是1~3ppm即１吨(1百万克)水中溶解硅磷晶量1~3克，适应水的钙硬度范围在30~400ppm之间，这对于我国绝大部分地区都是适用的。硅磷晶技术使用方便，无动力消耗，不增加用水系统的阻力，平时无需专人维护，这种方法的特点是：一次性投入较少，适应性广，阻垢、除垢能力强，性能稳定，尤其适合于储水式加热器，只需要根据系统的用水量大小，按时添加硅磷晶。

5、光催化氧化法

光催化氧化反应是目前研究较多的一项高级氧化技术。所谓光催化反应，就是在光的作用下进行的化学反应。光化学反应需要分子吸收特定波长的电磁辐射，受激产生分子激发态，然后发生化学反应生成新的物质，或者变成引发热反应的中间化学产物。他属于光化学反应降解污染物，有催化剂参与的光化学氧化过程，在当前的水处理行业应用方式主要是利用光催化片做为氧化剂，将无机的光敏半导体材料ＴｉＯ2烧固在陶瓷表面，形成牢固的二氧化钛膜面层即光催化片，同时结合一定量的紫外线光线辐照，使光敏半导体在光的照射下激发产生电子-空穴对，吸附在半导体上的溶解氧、水分子等与电子-空穴作用，产生氧化性极强的自由基，再通过与污染物之间的羟基加和、取代、电子转移等方式将污染物降解为无毒物质，无二次污染。最终将水中污染物矿化为无害的二氧化碳和水，也将水中的成垢离子HCO3-、CO32-转化为二氧化碳和水。即使在微光的作用下也能起强烈的光催化作用，具有防污、防臭、抗菌（杀菌）、除（阻）垢的效果，水质经过净化后水PH值呈弱碱性、小分子团，改善了水质。

此种水处理方式在瓶装饮用水行业已开始使用，在太阳能热水器里的使用还在研究阶段。在太阳能中利用方案一：太阳能的水箱至少要做成透光的水箱，或者做成一小部分透光，只要水箱里的水能有光线辐射进去就可以，在水箱里面放置光催化片，光催化片的面积需要与水箱容积相匹配，一般300升水需要配置0.6㎡～1㎡。方案二：在太阳能的进水管道前增加一个透光或半透光的水箱，里面放置光催化片，即前置水箱，前置水箱可以放置在室外或室内，水在前置水箱里就被处理，进入太阳能水箱后就不会结垢。一般光催化片对水的处理时间需要3-4小时，处理过的水能够长时间不结垢。此种阻垢方法的应用技术可行，不过推广的瓶颈主要在加工工艺和产品结构上，即如何把光催化片放置在水箱里，如何把光线引进水箱。

家用饮水机一般是采用反渗透膜(RO)的技术，均可以拦截水中的钙镁离子，从根本上降低水的硬度。这种方法的特点是，效果明显而稳定，水流量小，出水没有压力、对进水压力有较高要求，需要经常更换滤芯，设备投资、运行成本都较高，适合家用饮用水不适合做太阳能热水器用水处理设备，所以在这里就不在详述。

四 总结

通过以上对水垢危害及解决办法的介绍，相信大家对于市场的阻垢除垢的产品能够有所了解并加以鉴别。由于太阳能热水器市场并不十分成熟，产品良莠不齐，许多小厂家做市场宣传时，为了突出自己的产品，出现了很多虚夸太阳能热水器功能的卖点。例如有些太阳能热水器厂家，在太阳能热水器水箱里面加上一根镁棒，就讲述镁棒能阻垢、除垢，使热水器永不生垢，是阻垢型热水器，并以阻垢为他们热水器的卖点，本人实在是不敢恭维，我也咨询过不少镁棒防腐方面的专业人士，镁棒在水中消耗掉变成镁离子，使水的PH值略有增加，更容易生成水垢，怎么能除垢呢？在市场上还有一些厂家用前置的净水器来除垢，据了解净水器一般是起过滤杂质作用的，里面有过滤网与活性炭滤芯，通过净水器的水能够过滤杂质，但是不能过滤钙镁离子，仍然不能起到防垢除垢的目的。

在太阳能热水器日益普及的今天，太阳能领域里正由许多技术人才在研究高温结垢的课题，也有许多的与太阳能相关联企业在为太阳能行业做着积极的贡献，相信太阳能热水器结垢的问题在将来会得到完美的解决。

来源：中国太阳能工程