太阳能热水器防雷设计

太阳能热水器防雷设计

郭贵岭

河南省雷安防雷检测科技有限公司 河南南阳 473000

摘要：当前，我国经济高速发展，能源消耗逐年增长，造成的环境污染越来越严重，国家大力提倡使用环保能源，逐步实现节能减排，并遵循可持续发展的道路。太阳能热水器由于本身具有节能、卫生环保、环境清洁无污染、使用成本高等特点，被广泛应用，成为人们日常生活中不可缺少的物品之一。太阳能热水器在使用时需要阳光，因此用户往往将其安装在屋顶的最高点，因为周围更开阔，更容易发生雷击，这使得太阳能热水器在使用安全上更加危险。太阳能作为一种清洁、经济的能源被人类广泛使用，家用太阳能热水器由于具有无污染、节能、环保、使用成本低等特点，越来越多地被用作家居用品。但如今，在森林建筑中，紧凑型家用太阳能热水器，由于需要对其照明，多数情况下都安装在屋顶等高处，造成雷击事故，严重危及生命和生命安全。用户的财产安全，为了用户的安全，防雷问题至关重要。

关键词：太阳能；热水器；防雷设计

引言

太阳能作为实现低碳生活的重要渠道，作为一种取之不尽用之不竭的新型清洁能源，已成为我国能源研究工作的重要课题。他的居住地具有清洁、安全等显着优势，为了有效利用太阳的热能，经常高处安装太阳能热水器。而在雷雨季节有雷雨的地方，如果没有安装或安装不正确的防雷装置，则存在防雷隐患，因此与雷电有关的事故将经常发生。随着我国城市化进程的不断发展，高层和超高层住宅的数量不断增加。同时，绿色节能意识不断增强，一些地区在国家节能减排政策的鼓励下，直接要求新建高层建筑配备一定数量的太阳能热水器。太阳能热水器的集热器一般需要在建筑物侧面的立面外墙有一个突出部分，而太阳能热水器通过低压配电系统直接连接到家庭中的其他家用电器。因此，太阳能热水器的防雷设计应引起足够的重视。

1太阳能热水器防雷的重要性

我们居民使用的太阳能热水器一般安装在屋顶上方，有些群众甚至使用铁架安装太阳能热水器。虽然建筑物已经安装了足够的防雷装置，并已被气象部门接受，但考虑到防雷要求，太阳能热水器通常由居民在建筑物验收后自行安装。安装时采取了防雷措施。由于太阳能热水器的安装高度大多超过避雷针，原本安装在屋顶的避雷针就失去了保护作用，导致太阳能热水器容易发生雷击，雷击后产生的强大电流可以通过源电源和控制线以及管道流入房间，导致生命危险和设备损坏。此外，用太阳能热水器洗澡时，身体的电阻大大降低，在太阳能热水器没有采取足够的防雷措施的情况下，雷击后，电流通过供水，会对洗澡的人造成伤害，严重时还会导致人员伤亡。反过来，雷电流通过电源和控制线传入室内，也会对电器造成严重的损坏后果。因此，对太阳能热水器采取防雷措施很重要，只有采取正确的防雷措施，才能有效保证人身和设备的安全。

2太阳能热水器的内部结构特征

太阳能热水器是一种光热转换器，真空管能够最大限度地吸收太阳能并将其转化为热能。导体由真空管组成，是太阳能热水器的核心，除集热器外，还有保温储水箱、连接管道、支架和控制系统。控制系统能够收集储水箱中水的温度等信息，并根据用户的设置自动控制热水器。室外机电气系统是否连接到室内环境，是储水箱和管道水系统连接室外机到室内环境。从太阳能热水器的设计中可以看出，除了直接雷击会对室外集热器和储水箱造成物理损坏外，闪电还会对室内设备造成损坏，由于雷电通过室外系统、与房屋连接的电路和水路系统进入会导致消费者死亡和受伤，因此太阳能热水器必须采取防止雷击直击和雷电波穿透等措施。光伏太阳能发电装置以外部太阳能电池板为主，通常位于高山地区，要么安装在山坡表面以上，要么安装在建筑物屋顶以上，并在避雷区内。如果太阳能电池板装置不在防雷区内，则应充分考虑防雷措施。根据相关要求，太阳能电池板可以选择半径为60m的滚轮，以起到防止直接雷击的作用。此外，太阳能电池板的金属支架必须连接等电位电荷，同时，还要提供与屋顶防雷设备的有效连接。可以用节点的金属边界作为避雷针来保护整个节点的表面，在边界上焊接一个方形金属光伏极，保证其紧密强度，采用该极作为接地极，或将地电连接到屋顶防雷装置的原始电位。需要注意的是，光伏装置直流侧线路的正负极都不能接地，另外，在直流控制柜内，应合理安装第一级浪涌保护设备，所以提高到避免雷击引起线路浪涌问题的程度。

3太阳能热水器与建筑物一体的防雷措施

太阳能热水器在设计阶段就应与主体建筑电气设计有效结合，采用一体化综合保护设计。因为太阳能热水器的防雷设计要紧靠建筑主体的防雷设计，要做到同步设计、同步施工、同步调试。太阳能热水器根据自身设计可分为室外和室内两部分，综合防雷措施应采用外防雷装置、内防雷装置和安装SPD等多种措施相结合。

3.1外部防护措施

为了最大限度地接收太阳能热水器的太阳，绝大多数太阳能热水器安装在较高的建筑高度，这导致在建筑物顶部组装大面积的金属结构，这些金属结构如太阳能水加热器保温水箱、集热器、支架、管道等难以完全在避雷针的有效保护范围内（即在LPZ1区之外），这在一定程度上也加剧了避雷针的突变。雷云下的大气电场，增加了雷击的可能性。因此，在不影响采光效果的情况下，应降低太阳能热水器的安装高度，最好安装在屋顶的次高点，确保太阳能热水器在有效保护范围内，避雷针（接闪带、接闪格、接闪线等）。如无法将太阳能热水器置于防雷装置的有效保护范围内，可在适当位置加装专用避雷针，使太阳能热水器的保温水箱、集热器、支架、金属管道等金属结构物在专用避雷针的有效保护范围内。特殊避雷针材料特性、安全距离等必须符合GB50057-2010《建筑防雷设计规范》的要求。

3.2内部防护措施

在实际工作中，经常会看到太阳能热水器控制线、报警传感器线、带有辅助电加热功能的电源线等电缆在PVC管内进出建筑物，属于严重错误。符合法规要求。此处设计施工图时必须注意等效端子，施工阶段预留。也对应了我国现代防雷设计的六大基本要素，即：闪接、分流、屏蔽、等电位联结、接地、复杂布线。随着研究的深入，现在防雷工程中又增加了一个重要的因素，就是安装SPD。

3.3室外部分

户外多为储水箱和金属杆。太阳能热水器的安装通常高于屋顶防雷装置，不在防雷装置的保护范围内，所以需要补充防雷装置，使其在防雷装置的保护范围内设备。有的居民虽然也为太阳能热水器做了避雷针、避雷针等直接防雷装置，但他将太阳能热水器本体和金属杆用防雷条（针）连接在一起，作为“等电位”接地。这样更容易将雷电流通过防雷带带到热水器，使热水器发生接触雷击。雷电流一引出，就会以高电位引导热水器并击中热水器，同时雷电流还会通过上下游水管、辅助加热器、电源线和水的信号线水温传感器，进入室内对人造成伤害。这与雷击的现象非常相似，当一个人站在树下，拿着树或靠在树下时，可以认为是上面讨论的接触雷击。即使不接防雷条，如果太阳能热水器距离防雷条等直接雷击保护装置太近，也会由于雷电流的强电场作用在防雷装置上，感应到太阳能热水器或防雷装置上空冲高压雷电流，击中太阳能热水器，然后上下水管的信号线、升压器电源线和水温传感器进入室内，在房间里造成危险。也很像人站在树下，离树越近就被雷击中了。雷击对人体造成伤害的根本原因是存在具有异常雷流的身体，所以在安装太阳能热水器时，应安装在防雷装置的保护范围内，尽可能远离直接防雷装置，更不用说可以连接防雷装置，以免将雷电流引入室内。

3.4其他防护措施

(1)为了能够安全、快速地泄放太阳能热水器接收到的雷击浪涌电流，在设计防雷装置时应尽可能增加防雷坡的数量以减少分流系统在充分利用建筑结构的结合梁的同时，形成等电位结合环，实现电流的均衡分配。

（2）垂直管道应先从管道的专用井中铺设，如不能避免铺设在外壁，应远离拐角、边缘和重要位置。

（3）在屋顶安装太阳能热水器，考虑到建筑物安全负荷的变化，同时评估安装的太阳能热水器的抗风等级，必要时采取加固措施。

(4)建立太阳能热水系统安全运行管理制度。在街区公共信息窗口，宣传防雷常识，增强管理能力，使用人员进行安全防护和自我保护，避免或减少在雷雨活动期间使用太阳能热水器。

4太阳能热水器的安全防护措施

目前家庭安装的太阳能热水器主要位于屋顶最高处，雷击过后，不仅室外热水器会损坏，更多的电流会通过管道、电线等注入房间。危及其他电器甚至消费者的人身安全。因此，应采取以下措施。尽量将太阳能热水器放在防雷装置的保护范围内。首先要保证原防雷装置的有效性，在此前提下可以通过减少太阳能热水器的安装位置或在其旁边安装避雷针来防止。在一种情况下，太阳能热水器必须距离防雷装置至少 60 厘米，并与其保持约 1 米的安全距离。尽量避免或减少通过热水器引入室内的雷电流。如果热水器已经受到防雷装置的保护，则不建议将热水器的金属外壳重新连接到屋顶上的另一种金属上。

相反，热水器的金属外壳必须连接屋顶防雷装置，绕过部分雷电流。也就是建立地雷意识。打雷时避免使用太阳能热水器，应拔掉电源插头，少接触水龙头。提高防雷意识和自我保护能力，找有关部门对建筑防雷设施进行年检，在雷雨天气，最安全的方法是不使用太阳能热水器，并及时关闭电源等插头。减少太阳能热水器的安装空间，或增加建筑物避雷针的高度，扩大避雷针的保护范围。将太阳能热水器置于屋顶避雷针有效保护范围内。并注意与防雷条（针）必须有一定的安全距离。为推动太阳能热水器安装独立避雷针，底座与建筑物的防雷装置连接并焊接牢固。使太阳能热水器内的避雷针得到有效保护。将浴室中的所有金属物体（金属浴缸、底部水管、水管、热水管、集热管、金属扶手、金属浴杆、浴巾等）连接到本地等电位 (LEB) 连接器消除危险的电位差。

5等电位联结

等电位连接是太阳能热水器防雷的重要组成部分。现在安装太阳能热水器的上下水管绝大多数都是PVC管，虽然PVC管壁有加强金属层，但大部分与室内组合阀和室外水箱没有电气连接，所以要注意内外金属元件的等电位连接。室外部分包括太阳能热水器的金属支架、金属元件、管道屏蔽层，内壁主要配件应等电位连接；内部包括屏蔽线层、防波器接地等金属管线，必须与卫生间局部等电位连接，卫生间局部等电位应从卫生间内墙地基加固输出。如果单纯考虑直接雷击保护，水箱在避雷针的保护范围内就足够了，但太阳能热水器的特点是室外部分在楼顶，室内部分在洗浴间，与人及其他构筑物直接接触，实践表明，雷泄时90%以上的电流通过建筑物外墙立柱的主筋流向地面，超过10%的电流通过建筑物内墙柱的主筋流向地面，因此，各个钢筋混凝土柱之间存在较大的电压差，如果太阳能热水系统的室外部分，浴室部分可以连接到内墙的主要配件，因此减少它们之间的电位差并将室内雷电流降至最低将是有用的。

结语

太阳能热水器作为一种安装在建筑物顶部的特殊金属元件被广泛应用，其规则和标准中并没有明确的防雷做法，以至于目前太阳能热水器的防雷做法不尽相同或根本没有可靠的防雷措施，因此要求我们防雷技术人员集思广益，提出可靠、实用的太阳能热水器防雷设计、技术建筑标准，制定规则，让设计人员和施工人员有依据，尽量避免和减少太阳能热水器造成的雷电事故。随着人们风险意识的提高，太阳能热水器也慢慢成为了很多大众关注的焦点，但是在一些风险意识还比较低的地区，还是有人忽视了太阳能热水器风险的重要性。那因此，太阳能热水器雷击造成人员伤亡的情况依然时有发生。要解决这个问题，不仅需要气象局在雷险教育方面加大力度，还需要太阳能厂家、施工人员、排雷技术人员的共同配合，才能解决太阳能热水器的雷险问题。妥善解决，从而有效减少和避免雷击的发生。

参考文献

［1］李蔚．建筑电气设计常见及疑难问题解析［M］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［2］建筑物防雷设计规范:GB50057—2010［S］．

［3］雷电防护第3部分:建筑物的物理损坏和生命危险:GB/T21714．3—2015［S］．

［4］雷电防护第1部分:总则:GB/T21714．1—2015［S］．

［5］OBOBettermann．防雷保护系统应用指南［M］．2014．

［6］李光曦．超高层建筑物电源引入处SPD冲击电流选型探讨［J］．电气工程应用，2017(2):4-11．

［7］雷电防护第4部分:建筑物内电气和电子系统:GB/T21714．4—2015［S］．

作者简介：郭贵岭（ 1978.10—），男，汉，河南省南阳市人，本科，工程师。研究方向：雷电防护，（防雷检测防雷工程），目前从事雷电防护装置检测工作。