天津大學：我國第一臺太陽能熱水器誕生記

太陽是一個巨大能源，不像煤、石油、天然氣等有機礦物燃料在地殼中的貯存量是有限的。而且，太陽能源的壽命和太陽本身一樣長久，可提供無公害，不會汙染環境的動力和熱能。我國幅員遼闊，能夠接收到的太陽能量相當巨大，如今太陽能利用方法很多，如光伏發電、獲得高溫熱源、製造淡水、乾燥、製冷、供暖、太陽灶、熱水器等等，尤其太陽能熱水器在國內外應用廣泛。但少為人知的是，我國第一臺太陽能熱水器誕生於天津大學，包含著天大科技工作者的心血。1958年，天津大學電力與自動化系熱工教研室的何志邁和李英才兩位教授設計製造了中國第一臺太陽能熱水器。此外，熱工實驗室的實驗員和工人師傅在建設、測試、運行和維護等方面也做了很多工作。這臺太陽能熱水器研究的介紹文章，發表在1974年第12期的《科學實驗》刊物。基於當時的時代背景，本文以天津大學電力與自動化系熱工教研室的名義發表，實際撰稿人是何志邁教授。該文章不但講述了太陽能的利用，還講述了化石燃料的不可持續性，以及直接燃燒燃料獲取低溫熱水的不合理性，並大力提倡採用太陽能、地熱能、工業餘熱和熱泵等節能技術，意識超前，且對節能減排有較強的指導意義。該文章對太陽能的產生和特點，輻射傳熱的原理，太陽能熱水器的原理、結構和天津大學的使用情況進行了詳細的介紹，是我國第一篇詳細介紹太陽能熱水器的文章。這個熱水系統除了因當時的原材料和工藝限制外，從太陽能轉換效率和運行時間，都不失是國內最先進的太陽能熱水系統。除了自然循環式金屬管路加玻璃蓋板的太陽能集熱系統外，文章還介紹了簡易的「枕袋」式熱水器，讀者根據這篇文章，也完全可以製作出類似的太陽能熱水系統。文章還對國內北京和西藏的大型太陽能系統做了介紹。這對當時帶動全國性的太陽能利用熱潮，有重要的理論意義和實用價值。太陽能利用裝置的複雜程度和成本與所獲得能量的質量和溫度高低有關。天津大學熱工實驗室驗室還於1958年建成了中國第一臺太陽能熱水器，該熱水器由7個「熱盒」（稱為集熱器）並聯組成。老師們在當年試驗樓的南向房頂，每個「熱盒」內鋪有一塊上面塗有暗黑菸灰漆的薄鐵皮和六根半寸直徑的普通自來水管，盒框為木結構，盒蓋為雙層玻璃，每個盒子的吸光面積為1.8平方米，稱為管板式集熱器，整個熱水裝置的吸光總面積為12.6平方米。頂部的貯水箱容積為1立方米，貯水箱內及整個系統的水容量為950公斤。太陽能熱水器的種類很多，天津大學設計製造的第一臺太陽能熱水器為自然循環型熱水器。它的主要部件為太陽能集熱器。這是一個管板式集熱器，內鋪有一層薄鐵皮，薄鐵皮的半圓凹槽上放著多根普通水管。為了使熱能不致因表面空氣流動而散失，鐵皮及水管表面全塗了暗黑的煤煙油漆，以增加熱射線的吸收減少反射損失。此外，集熱器盒箱需要嚴密不透氣，集熱器的邊及底部、循環管、貯水箱、熱水管都要保溫。集熱器與地平面的傾角大致可選取與當地地理緯度一致。由於集熱器內管的水溫吸收太陽能後比進水的水溫高，致使自來水上水管內水的比重比集熱管的小。這樣，就產生熱虹吸作用，形成水的自然循環熱水器。夏天可以提供一箱38至50攝氏度的熱水，當時的試驗樓裡設有男女兩個浴室，供熱工教研宔、實驗室人員洗浴用。其實，有許多方法可以獲得50℃左右的熱水以供生產或生活應用：可以利用工業企業的各種餘熱來製備熱水；利用豐富的地下熱水資源，如溫泉區熱水，北京、天津等城市用鑽井取得地下熱水等；還可運用熱泵把環境介質（大氣和水）中的能量的溫度適當提高以得到熱水。所有這些辦法都可節約燃料，但要受地區、地質條件或設備的限制。而利用太陽能來獲得熱水是可以普遍應用且是比較簡易的方法之一。這臺太陽能熱水器共使用了18年，直至1976年地震才停用。期間，每年從4月至11月，熱水器均可使用。尤其暑假期間，晩飯後老師們帶著孩子來洗個澡，是一件極美的事情。每年入冬前，實驗室的工人師傅都會對熱水器進行清洗維護。整臺機器被保養的很好。地震時，房子壞了，但熱水器還完好，後來被贈送給校動力廠。60年前，這些具有綠色環保理念和超前意識的天津大學青年教師們，年齡最大的不過三十四、五歲，但他們所闡釋的熱力學和節約能量原理至今仍然閃耀著光芒，所設計製造的太陽能熱水器至今還在為中國人民造福。 謹以此文，紀念我國第一臺太陽能熱水器誕生六十周年！向我國第一代太陽能研究者致敬！祝願我國的太陽能事業不斷發展，造福於人類！（作者：方承超，女，1935年生，天津大學熱能系教授。曾任天津市太陽能學會理事長。2015年榮獲天津市可再生能源學會終身榮譽獎。）