濟南鼎隆化工科技有限公司 田勝軍
山東力諾瑞特新能源有限公司 馬保林
近年來隨著世界能源價格的不斷上漲和全世界環保意識的增強，面對嚴峻的節能減排形勢，我國正在大力發展和利用清潔的可再生資源，太陽能熱水器與建筑一體化是一個極為重要選項。結合我國的實際情況，城鎮化過程中高層建筑的興建是應對我國人口眾多和土地緊張的重要舉措，從而帶動了壁掛式太陽能熱水器的蓬勃發展，近幾年來隨著平板式太陽能熱水器的技術提高和成熟，國內平板太陽能行業進入了高速發展期，年均增長率同比增長在50%以上。
據上所述，相關的配件及原料需求量大增，其中壁掛式太陽能專用導熱介質作為影響熱水器熱效率的關鍵環節卻被眾多壁掛式太陽能熱水器生產廠家忽視，簡單的拿汽車防凍液加注到系統中，這樣會帶來諸多隱患（具體內容請見《不同體系導熱介質的對比》）。目前關于太陽能專用導熱介質沒有國標或者行業標準可參考，本文結合2009版《美國供暖制冷與空調工程師學會手冊》將對太陽能專用導熱介質所應具備的性能和產品的優劣衡量標準進行簡要分析，以期能引起行業內有識之士關注和重視。
1、對環境友好
出于環境保護和對人身安全的考慮，對環境友好這一特性是對導熱介質的最基本要求，這包括兩方面的要求：一方面是產品必須環保，對外界環境不會造成污染或者不利影響，比如配方中盡量避免使用磷酸鹽以免造成水資源的富氧化；另一方面是產品必須安全無毒，作為與人們日常生活密切相關的產品，萬一泄漏時不能危害人的身體，這就要求生產導熱介質的原料做到無毒或者低毒，因此配方中不得含有鉻酸鹽、亞硝酸鹽等劇毒物質。該項性能的衡量指標應該符合LD50>22000mg/kg（大鼠經口）。
2、適宜的抗凍劑
防凍性能是導熱介質的基礎指標，與該項指標密切相關的是抗凍劑，抗凍劑是指能溶于水中而又能降低水的冰點物質，這些物質主要分為無機鹽和有機醇兩大類：
無機鹽類比如氯化鈉、氯化鈣等等，該類溶液缺點是冰點降低有限，更嚴重的是具有很大的腐蝕性，不適于太陽能系統使用。有機醇類包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、甘油和其它低碳多元醇，其中由于甲醇和乙醇沸點和閃點都太低，易揮發，熱穩定性和抗凍能力也較差；甘油作為抗凍劑時濃度高、粘度大、泡沫多等缺點也限制了其應用，因此生產中不宜采用甲醇、乙醇和甘油；乙二醇和丙二醇是最適宜的兩種抗凍劑，其中由于丙二醇無毒的特性，目前丙二醇體系的水溶液是歐美等發達國家應用最廣的采暖、制冷以及空調等專用的制冷劑。
目前，市面上有針對汽車防凍液的冰點測定儀，該種儀器是利用光學原理對防凍液中乙二醇含量進行測定，誤差較大，對于其他體系或者非純乙二醇型防凍液的冰點無法測量，因此，科學的冰點測定方法如下：將產品試樣45ml注入試管中，裝好螺旋攪拌棒和低溫標準溫度計，并用軟木塞塞好，置入制冷器的冷阱中，試管底部距冷阱底面不少于20mm，接通電源，將制冷溫度調至所需數值，即可測定冰點。
3、長效性能
導熱介質應用于壁掛式太陽能閉式循環系統內有其特殊性，不可能像汽車防凍液那樣一兩年內就要更換，必須做到8-10年內不會變質和各種性能的衰減，亦即產品要具備長效性。本性能的測定可以通過保持高溫下（180℃）三個月的方法進行加速氧化、酸化實驗，測定導熱介質各種性能的變化和衰減情況以衡量產品是否具備長效性能。
4、緩蝕性能
該性能是衡量導熱介質優劣的主要指標之一，壁掛式太陽能熱水器的閉式循環系統金屬材質為碳鋼和黃銅，因此，導熱介質應該針對性的對這兩種金屬長效緩蝕，并不能像汽車防凍液那樣針對多種金屬進行全面的短效緩蝕，從技術的角度來講就是集中優勢兵力解決好關鍵問題。參考美國材料與試驗學會（ASTM）的試驗方法，該性能的檢測方法如下：將平板式太陽能熱水器閉式循環系統中常用的四種金屬黃銅片、紫銅片、304不銹鋼片和碳鋼片（25cm×5cm）浸泡在導熱介質中，在88℃下不斷通空氣336小時，試驗結束后，測定試片的重量變化，觀察試片及導熱介質的外觀變化，質量損失應≤10mg/片。
5、阻垢性能
導熱介質在長期運行過程中必須要做到不能產生污垢，否則，污垢沉積在管道內或夾套壁上，造成三個弊端：首先管道變窄阻力增大，導致導熱介質流速降低影響換熱效率；其次水中的各種離子以鹽類或堿類形式附著在金屬表面，增加了銹蝕的風險；最后金屬表面沉積一層黃白色水垢后，影響金屬的導熱效果，降低導熱效率。
堿性條件下，水中的垢常有含Ca2+、Mg2+的CaCO3、MgCO3及Mg（OH）2沉淀，也有Ca2+、Mg2+、Na+的氯鹽，還含有Ca2+、Mg2+的硫酸鹽、硅酸鹽等。因此要提高導熱介質的阻垢性能可從兩方面入手：一是配制溶液時使用去離子水，降低Ca2+、Mg2+在水中的含量是阻垢的最直接的途徑，其硬度要控制在15ppm以下，同時也要控制水的電導率（減少水中電解質的含量）；二是添加適宜的阻垢劑以避免水垢的產生和附著。
6、酸堿度
酸堿度是衡量導熱介質緩蝕性能的關鍵參數，導熱介質必須控制在適宜的酸堿性才能起到緩蝕效果，其體現在如下兩項指標：
（1）pH值
導熱介質最適宜的pH值范圍為8-11，在此范圍內溶液對各種金屬的腐蝕率最低。導熱介質的pH值要堅決避免小于7，否則，不但沒有緩蝕效果，溶液本身就對金屬發生腐蝕；pH值在7-9之間時雖然不會對金屬產生腐蝕，但是溶液容易向酸性轉變，緩蝕效率低；pH值高于11時，堿度太大，同樣增加了對金屬的腐蝕風險和溶液的不穩定性。pH值的粗略測量可用pH值廣泛試紙，可測出溶液的pH值區間；精確測量可采用pH值測量儀（精度0.1）。
（2）儲備堿度
儲備堿度是指用濃度為c（HCl）=0.1000mol/L的鹽酸標準滴定溶液滴定10ml試樣至pH值為5.5時所需要的毫升數（精確到0.1mL），導熱介質的儲備堿度因冰點的不同略有差異。該項指標的測定方法概要：將10mL試樣（移液管準確移取）用蒸餾水稀釋至約100mL，再用濃度為c（HCl）=0.1000mol/L的鹽酸標準滴定溶液滴定至pH值為5.5。
試樣的儲備堿度V（mL）按下式計算：V=（c1×V1）/c2
式中：c1----鹽酸標準滴定溶液的實際濃度，mol/L；
V1---試驗所消耗的鹽酸標準滴定溶液的體積，mL；
c2---鹽酸標準滴定溶液的規定濃度，即0.1000mol/L。
7、緩沖性能
導熱介質的pH值緩沖性能是指溶液在加入少量酸或堿和水時能抵抗pH值改變的性能，這是延緩溶液使用壽命的重要手段，在溶液配制時要選擇適宜的助劑起到pH緩沖作用以保證導熱介質的堿性。
8、防腐性能
導熱介質中有大量的有機物存在，因此在使用及儲存中可能由于微生物的作用而發生霉變，導致產品的報廢。所以需要選擇適宜的防腐劑添加到體系中以保證產品不會腐敗。
9、防沸性能
沸點高低決定了導熱介質的適用溫度區間，也是衡量產品防沸性能的重要指標。因冰點的不同，每種規格的導熱介質具有不同的沸點，基本上導熱介質的沸點都應在105-112℃之間（一個標準大氣壓下）。沸點的測定有常量法和微量法兩種方式，常量法測定沸點采用蒸餾裝置，在操作上與蒸餾相同，較簡單易行；微量法操作麻煩，雖然精度高但不建議使用。
10、低泡性能
優質的導熱介質應該具備低泡性能。在高溫和強制循環的條件下，導熱介質很容易產生泡沫，過多的泡沫會增加空氣在溶液中的溶解度從而加劇氣穴腐蝕，同時妨礙正常的循環和導熱，還易造成溢流損失，因此，在溶液配制過程中必須添加消泡劑加以控制泡沫傾向。簡單易行的測定方法是取50mL試樣置于100mL的量筒中，在30秒內上下劇烈搖動100次，再使量筒靜止10秒后，在量筒上讀取泡沫所占的容積，泡沫體積應小于4mL。
11、熱穩定性
因導熱介質長時間在高溫狀態下運行，要求其必須具備高溫時熱穩定性，這包括三方面內容：一是溶液組成中不能有沸點低于水的成分，譬如不能有甲醇、乙醇等易揮發組分；二是要求溶液中的助劑在高溫下不能產生沉淀或者膠體絮狀物析出，必須保持高溫狀態下溶液也為澄清透明液體；三是要求抗凍劑在高溫下不會發生炭化、氧化，否則會導致溶液變質，因此經多年實驗證明的乙二醇、丙二醇等幾種低碳多元醇具備良好的熱穩定性。
12、換熱效率
換熱效率的高低對整個壁掛式太陽能系統換熱效果起著決定性作用，在其他外界條件相同的情況下衡量換熱效率的關鍵參數是導熱介質的熱傳導率，對于不同冰點乙二醇水溶液和丙二醇水溶液的熱傳導率在相關的手冊中可查到數據（一般以20℃時的熱傳導率為參考數據，不必實際檢測），總體來講，這兩種類型的水溶液隨著冰點的降低熱傳導率下降。純水是最好的導熱載體，其熱傳導率隨著溫度的升高而上升，而大部分有機醇的熱傳導率隨著溫度的升高而下降，但是乙二醇水溶液和丙二醇水溶液的熱傳導率的整體效果是隨著溫度的升高而上升，只不過上升的幅度很小。
13、警戒色
在導熱介質中加入無毒的水溶性著色劑，以區別于一般的循環水，起到警示作用，另一方面也容易觀察到導熱介質在循環系統中是否發生泄漏，警戒色以藍色或者紅色為主。
14、適宜的運動粘度
導熱介質的運動粘度也是影響導熱介質換熱效率的因素之一，導熱介質應當具備一定的運動粘度以確保有良好的換熱效果，在低溫時應當連續流動順暢，以便壁掛式太陽能系統吸熱后盡快運行；在高溫時也不至于粘度太低造成流動速度太快，容易形成氣阻，導致換熱性能降低。衡量導熱介質的運動粘度一般以20℃時溶液的粘度為參考數據。
綜上所述，高品質的太陽能專用導熱介質應當為集環保、長效、防凍、防沸、低泡、熱穩定性好和導熱效率高等多種優異性能為一體的換能液。以上拙見是我們在長期研發過程中知識的積累和總結，愿與廣大同仁和客戶一同深入探討和研究。
