杨永根
（江苏省姜堰中学，225500）
摘要：通过“新型太阳能热水器防冻排空系统”的设计与制作案例教学活动，让学生体验设计的一般过程，能就具体的设计任务进行设计分析，确定问题解决方案，并感受从图纸到实物模型的创作乐趣。
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关键词 ：创新设计 排空控制 空吸现象
通用技术实践教学是通用技术教学的主要形式之一，在技术实践教学中设计具有原创的便于学生参与探究的教学实践案例，是教师教学研究的主要内容之一。通用技术实践教学中针对不同阶段的学生、不同的教学目标，需要设计不同的教学案例，同一实践活动案例在不同场合也会有不同的设计要求，可以将班级授课与兴趣小组活动相结合。笔者在“技术与设计2”模块教学中引入“新型太阳能热水器防冻排空节水系统”设计与制作案例，穿插在班级授课中，确定设计方案后，由兴趣小组制作完成样品，并参加了第25届江苏省青少年科技创新大赛。
一、制订设计方案
在“技术与设计1”模块第四章“发现与明确问题”教学中，笔者提出问题：“太阳能热水器在我国使用广泛，同学们在使用过程中有没有发现有哪些不合理的设计呢？”经过小组讨论、交流，总结出两个问题：(1)每次使用的时候，开始总要放很多冷水。(2)冬天上下管道容易被冻坏。分析得出造成这些问题的根本原因是从热水器储水箱到用水龙头间的管道内始终存有水，于是启发学生针对问题进行创新设计。
（一）方案分析
为解决问题，学生初步拟出了两种方案：(1)加强管道保温，确保上下水管道中的热水不至很快冷却，同时冬天不被冻坏。(2)设计一种装置，每次使用完或上完水，关闭水箱的出口，并将这段管道内的水排出，等再用的时候打开水箱出水口，流出来的就是热水。
（二）信息收集
教师提出问题：目前市场上有没有解决此类问题的产品？它们又采取了哪些方法？带着这个问题，学生调查了本市热水器经销商，找到一种热水器，其关键部件是一个排空电磁阀门和控制器，排空过程是先将太阳能上水阀关闭，再通过控制器将排空电磁阀门拨到排空档，最后打开热水龙头排出上下管道中的水。整个过程操作繁琐，大都是手动操控，且需要容器将排出的水收集另用，易造成水资源浪费。所以，如何处理太阳能热水器管道排空及综合利用排空排出的水成了创新设计的关键。
（三）明确设计要求
经讨论，设想以带排空装置的热水器为基础进行改进，实现如下目标：(1)完成自动控制排空过程（用单片机继电器电路控制）。(2)排空的水流入特定的容器中，在用热水时这部分冷水能自动回流到管道中当冷水使用。
二、方案可行性探究
（一）存在的问题
管道排空排出的水如何处理成为创新关键，从收集到的信息看，有的通过加压回流到自来水管道中，有的通过特定容器给家庭卫生间使用，学生在综合分析了这些方法的优缺点后，提出将排空排出的水储存于特容器中，在使用热水时，通过“空吸原理”将这部分冷水吸走，调节水温。
随后，教师又提出问题：从太阳能水箱中自然流出的水能利用“空吸原理”将容器中的水吸走吗？这是本项目能否顺利实施的关键。根据流体力学原理在忽略流体粘性损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。即：
在水平管中，液体流速越大对管壁的压强越小。如图1所示：因为V1<V2，P1>P2，所以，C段中的液体会上升。很显然，要使用水槽中的水经C管倒吸入水平横管，只有当v2足够大时才能发生，而v2不仅与管道直径有关，还与水平管道中的水进出速度v1与V3有关，对自来水管道而言与该点水压有关。
众所周知，一般太阳能热水器距离用户水龙头的垂直高度有几层楼房高，矮的也有一层高，如此高的水压及流速产生的压强差能将容器中的水吸走吗？下面我们来探究一下。
（二）试验探究
我们用水管，将水箱中的水从教学楼6楼引下，出水口接一简易淋浴器（如图2），检验出水口温度。检测结果：当水流落差在3米左右（一层楼房高）时，就能将热水瓶中热水吸走，出水温度明显升高；当落差达9米时，出水温度感觉较烫。
三、设计原理
（一）作品设计原理
如图3所示，本作品由三部分组成：(1)太阳能热水器模拟系统（含上下水管道、电动阀、水箱、支架等）。(2)电动阀门控制系统（以单片机电路为基础，通过继电电路控制电动阀）。(3)以“空吸现象”为基础的排空储水及无动力使用系统。
（二）控制系统设计要求
1．本控制系统的执行器由排空阀1与电动换向阀2构成，其工作电压均为12V，通过给阀门电机提供不同方向的电流（即电机的正负电流对调）使阀门转向不同的方向。
2．太阳能水箱水位点设有三个点，并在电子控制器上用不同颜色的LED灯显示。
3．当控制器检测到水箱中水位较低时，控制器先将排空阀1打开（进水挡），动作完成后控制电动换向阀2连通上下水管道与冷水进口，太阳能处于上水状态。
4．当控制器检测到水箱水满时，控制电动换向阀2，处于上下水管道与热水挡，排空阀1处于排空挡（关闭水箱，指向出气口），太阳能处于排空状态，上下水管道中的水被排人储水瓶。
5．在一般情况下，控制器使系统处于排空状态。淋浴时，电动换向阀2处于热水状态，手动控制打开排空阀1与水箱相连，热水流下，不打开冷水龙头，在热水流的作用下，经过储水瓶特殊装置，将储存的冷水空吸进热水中。当储水瓶中的冷水用完，可打开冷水龙头补充（注意：要先打开热水龙头，再按下手动控制按钮，否则，热水会通过储水瓶溢出）。
6．淋浴完，按下控制器按钮，排空阀关闭水箱，系统处于排空状态。
7．在淋浴过程中，即使水箱水位低于低水位传感器，阀门2也不会转向上水。
8．本控制系统有手动、自动两个上水选择，在用水峰期，水位处于1/3，没有下降到低位，可手动选择上水，上满自动排空，也可以不上水。
（三）模型制作
1．制作框架。我们以PVC绝缘管做支架，用饮水桶做储水箱，用PPR水管做上下水路，控制阀采用电机转动式电磁阀门，实物如图4所示。
2．制作控制系统。为能最大限度实现自动控制，我们采用单片机做闭环控制系统，用铜导线作为水位传感器，通过导线与水接触的点位检测水位，用集成电路HA17555作为比较器，单片机控制器通过继电电路控制两只阀门电机正向与反向旋转。
2013年12月8日下午，我带领学生在学校实验楼对所做模型进行了检测，检测中控制器能较好地控制水位及排空动作，水位落差达一层楼房高时，空吸明显。在实际使用过程中，因家庭管道走势远比模型复杂，效果尚待检验。