我家天台上有一台用了十多年的太阳能热水器，其担负着晴朗天气时家用热水供应。
从俺爹处得来的可靠消息，在6~9月份只依赖于老天爷就能将水加热到99℃。我很担心我爹会问为何楼下的温度控制器上的显示温度始终无法为100℃。如果他真的有兴趣问这个问题，我想我会从气象学、传热学、电工电子学等方面向他详细解释，不过我很担心如果真这样解释的话，九成九的概率会被我爹打出翔来。幸好我爹是个知足常乐的人，在他的心目中，只要温度能满足洗澡，99℃和100℃并没有什么区别。
太阳能热水器在我老家农村非常普及，基本上每家每户都有安装。这玩意儿结构简单，维护使用方便，特别适合于日照充足的地区使用。呃，也挺挑天气的，在成都就很少看到有安装。
凑近看，太阳能热水器其实结构挺简单。我家使用的是真空管太阳能热水器，其主体部分包含水箱、真空管以及一些外围控制装置（如温度传感器、自动上水用的电磁阀等），核心设备是真空管，其主要作用是接收太阳辐射能量以加热管中的水。
真空管是一个双层管，内管外壁涂有吸热材料，管夹层抽真空，这样吸收的热能不容易散失。据俺爹讲，整个热水器的绝大部分成本在真空管上，一根管要百把块钱，我数了数，一共有18根，我了个乖乖，真个热水器包安装也才不过两千多块钱，这管子成本就占了将近8成。不过可以理解，整套系统也就这管子有点儿技术含量，其他的铁疙瘩都是论斤卖还量大从优的那种。
不过偶毕竟宣称是耍流体的，对太阳能热水器这种典型的流体换热设备的认识自然不能太过肤浅。这玩意儿还得仔细考量一番。
这玩意儿有没有技术含量呢？多半是有的，不然在某宝上搜索太阳能热水器，为何有的厂家卖3000，有的厂家却只能卖1000呢。也许相同的太阳，有的能晒到50℃，有的却只能晒到30℃，人家50℃能洗个热水澡，30℃恐怕也只能洗个手了。
那影响这货性能的因素有哪些呢？这还得从它的工作原理上来了解。知乎有大神已经详细解释了真空管太阳能热水器的工作原理（可见https://zhuanlan.zhihu.com/p/43321798），其实就是下面这张图。
说白了很简单，真空集热管吸收太阳辐射热量加热与之接触的水，水的温度升高，密度降低，从而在水箱与管内实现自然对流。
原理搞清楚后，那问题很明确了，影响热效率的因素起码有这些：
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太阳辐射能量
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水的自然对流
然而谁都知道天晴阳光充足，水箱里的水温会更高，问题是应该如何去控制这些因素。太阳我们没办法控制啊，你总不能嫌太阳温度不够去给太阳加把火吧。作为一个工科狗，切记不能太肤浅。我们想要对太阳能热水器进行改造，势必还是要从它自身的结构上做文章。
太阳辐射的能量不容易改变，这个和地区经纬度、日期时间有关系，就像赤道上的日辐射量肯定会比南北极要强一些是一个道理。不过我们不要忘了，太阳能热水器安装制造的时候有两个很重要的参数：倾斜角和方位角。倾斜角指的是热管倾斜的角度，方位角指的是热管平面的法向方位。我家的太阳能热水器是我舅舅给安装的，目测角度大概是45°~60°，方位角目测朝南偏西一点点，手里边没有尺子，测量全靠视网膜了。
再来看集热管。集热管结构很简单，其由两层构成，外层为玻璃管（也有用高透光性的工程塑料代替玻璃，毕竟玻璃容易碎），用途是保护内管吸热涂层，同时与内管之间维持真空环境。内管材料就比较杂，有用紫铜，也有用铝合金的，要求热导率比较高。内管外表面涂有吸热涂层，外观上看成黑色，显得很是高大上。因管子与水箱是连通的，因此正常情况下内管中是充满水的。
这里影响热效应的东西就很多了：
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外管材料的透光性：会影响到有多少太阳能量到达内管涂层。对于玻璃管来说，这个透射率应该还是非常高的。不过玻璃管也会反射部分的太阳辐射。
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内管涂层的吸热性：会影响有多少能量被吸收。这就体现各厂家的技术功底了，我不是特别清楚这个涂层是自产的还是采购的。
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内管材料的热导率：这个会影响成本，铜和铝的价格肯定不一样，有些热水器还宣称可以实用，如果是食品级，那材料成本就不知道要翻多少倍了。
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管子的几何尺寸：管子越粗价格越贵，初步估计粗的管热性能会更好一些，毕竟能接收更多的太阳能量，不过由于涉及到自然对流效应，这个估计以后有空再验证。
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管子的数量。这没什么好说的，管子是独立的，肯定数量越多效果越好。
关于水箱，据我观察，水箱应该是常压的，因为在下午三点钟的时候观察到了水箱中冒出的水蒸气。这货是个储水用的功能设备，我们希望其容积越大越好，但容积大了可能会导致整体温度下降，毕竟太阳能热水器的工作周期是1天，如果等到太阳下山了水箱里的水温没有达到使用温度，这一箱水基本上也是废了。所以水箱的容积应该与真空管的尺寸、数量等相匹配。水箱容积越大，可能需要更粗和更多的真空管，这成本就不是线性增长了。
等了大半天无人机也没来，头都晒晕了~
本篇文章来源于微信公众号: CFD之道
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