1、浅析间接式换热系统的缓蚀及导热介质选择田胜军济南鼎隆化工科技有限公司 13606379877摘要：本文针对间接式太阳能热水器的换热系统各个环节进行了全面论述，指出了系统中存在的金属材质，分析了腐蚀发生的原因并提出了应对措施；在目前没有任何标准可依据的情况下，本文全面阐述了太阳能专用导热介质应具备的性能和衡量标准，总结得出导热介质应当为集环保、长效、阻垢、防腐、缓蚀、防冻、防沸、低泡、热稳定性好和导热效率高等多种优异性能为一体的换能液；针对良莠不齐的导热介质，本文进行了详细对比和鉴别，以期能为广大同仁提供有益的参考和帮助。众所周知，在我国的太阳能行业中真空管式太阳能热水器占有绝对优势，间接式太阳
2、能热水器所占市场份额很小，这一特点不同于全球太阳能市场中平板式太阳能热水器占据主流的现象，十分具有中国特色。但近几年来这一局势正在发生着深刻变化，间接式太阳能热水器得到了快速发展，而普通的真空管式太阳能热水器市场份额下滑速度非常之快超乎寻常，综其原因有以下几点：一是我国的地少人多的国情决定了城镇化过程中必须要走高层住宅的道路，既保障了住房这一民生需要，又实现了节约用地，提高了土地的利用效率，高层住宅的大量兴建必然限制了太阳能一体机的使用，只能在平板式（或分体式）太阳能这一选项上做出抉择；二是我国空气污染严重，太阳能与建筑一体化是节能减排和改善大气环境的一项重要举措，因平板式太阳能具有平面结构、
3、良好的承压性能、系统稳定、安全耐用、易与建筑物美观性相统一等特点，决定了其将取代一体机占据主流的必然趋势；三是平板太阳能热水器经过了几十年的发展，技术已经更趋成熟和完善，热效率有了大幅度的提高，我国的平板式太阳能热水器迎来了长足发展的黄金时期。随着间接式（平板式或真空管式）太阳能热水系统的迅猛发展和普及，很多大家以前意识中没有概念的问题摆在了面前，比如如何选择间接式换热系统金属材质、换热系统中金属存在什么样的腐蚀、如何对腐蚀进行预防以及如何选择适宜的导热介质等等。本文将从以下三个方面来阐述间接式太阳能换热系统的腐蚀及解决方案：首先，对整个系统中存在的金属材质逐一剖析，说明腐蚀原因并提出预防措施
4、；其次，列举换热系统所用的导热介质应该具备的性能和衡量标准；最后，对各种不同的导热介质（或称防冻液）进行对比，为大家在选择工作介质时提供有益的参考和帮助。一、换热系统的腐蚀及预防金属材料受周围介质（对于太阳能系统而言，介质既包括导热介质又包括空气）的作用而损坏，称为金属腐蚀。腐蚀时，在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应，使金属转入氧化（离子）状态，从根本上来说就是金属单质被氧化形成化合物，如铁制品生锈（Fe 2O3xH2O） ，铝制品表面出现白斑（Al 2O3） ，铜制品表面产生铜绿Cu 2(OH)2CO3，银器表面变黑（Ag 2S,Ag2O）等都属于金属腐蚀。这种腐蚀过程一般通过两种途径
5、进行：化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀指金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀；电化学腐蚀指金属材料（合金或不纯的金属）与电解质溶液接触，通过电极反应产生的腐蚀。目前，大部分间接式太阳能热水系统的金属材质主要为紫铜、黄铜、碳钢和不锈钢；有少数厂家为了节约成本使用铝压铸流道的集热板，但这不是主流，存在很多隐患。下面就每种材质的腐蚀问题逐项说明。1、铜的腐蚀及预防在换热系统中用到的铜分为紫铜和黄铜，紫铜通常为纯铜，黄铜为铜锌合金（铜的含量超过 80%）。紫铜具有良好的导热性、焊接性、柔韧性和耐蚀性，黄铜色泽美观，具有良好的工艺和力学性能，导热性较高，在大气、淡水和海水中耐腐蚀，易切削和抛光。
6、在电化学顺序中，铜的标准电极电位为+0.35V ，其热力学稳定性较高，不会发生氢的去极化反应，被列为耐腐蚀金属之一，但是在湿度较高、腐蚀性介质（如含二氧化硫的空气、含氧的水、氧化性酸以及在含有 CN-、NH 4+等能与铜形成络合离子的液体）中，铜则发生较为严重的腐蚀。铜合金表现出比纯铜更高的耐腐蚀性。铜合金在一般介质中以均匀腐蚀为主，在有氨存在的溶液中有较强的应力腐蚀敏感性，也存在电偶腐蚀、点蚀、磨损腐蚀等局部腐蚀形式。黄铜脱锌是铜合金独有的腐蚀形式，就太阳能换热系统而言，黄铜发生此种腐蚀的几率很小。针对以上情况，预防铜发生腐蚀应该采取如下措施：（1）保持溶液的适度碱性，避免酸化；（2）环境的
7、湿度高是无法避免的，必须添加高效的铜专用有机缓蚀剂以降低腐蚀率；（3）避免导热介质溶液中含有能使铜发生络合反应的离子，也就是说在体系内避免 NH4+等离子的存在；（4）降低导热介质溶液中氧的含量。2、碳钢的腐蚀及预防碳钢在酸性条件下容易发生腐蚀，在碱性条件下较稳定，但也会存在如下几种腐蚀的可能性：（1）均匀腐蚀，这种腐蚀形态表现为与导热介质接触的整个金属表面上的几乎以相同的速度进行腐蚀，少数碳钢如 10CrMoAl 的腐蚀为此状态，该种腐蚀不可完全避免，但可以降低腐蚀速率；（2）局部腐蚀，表现为点蚀（金属表面产生点状或坑状腐蚀，且从表面像内部扩展，形成孔穴）或蜂窝状腐蚀（蚀点或蚀坑毗连成片，向
8、纵深发展形成类似蜂窝形状），形成原因是受局部微电池作用的结果；（3）电偶腐蚀，如果太阳能系统为夹套式换热，那碳钢与铜管有可能形成电偶腐蚀，这是由于不同电极电位的两种金属在导热介质这种电解质溶液中相互接触时产生电位差，而构成宏电池导致腐蚀。预防措施：（1）控制导热介质的 pH 值在 9-11 之间，以保证碳钢的稳定环境；（2）选用易发生均匀腐蚀的碳钢牌号，尽量避免使用易发生点蚀的碳钢牌号；（3）添加特效的碳钢专用缓蚀助剂，抑制腐蚀的发生；（4）在与铜管连接时，尽量做到绝缘，降低电偶腐蚀发生的概率。3、不锈钢的腐蚀及预防从大家的观念中以为不锈钢有着良好的防腐蚀效果，要优于碳钢，但是在氯离子存在的情
9、况下，这一观念被彻底颠覆了。不锈钢在碱性导热介质中可能发生的腐蚀基本特征为局部腐蚀，腐蚀状态主要有点蚀和缝隙腐蚀两种。腐蚀是由大面积钝化状态表面为阴极区与局部无钝化表面为阳极区组成闭塞电池体系，由氯离子对不锈钢钝化膜的破坏作用而引起的。对于奥氏体不锈钢（304 属于此种类型）而言，氯离子可谓是其最大杀手，形成腐蚀的原因为氯离子破坏不锈钢的钝化膜氧化铬，由于氯离子有很强的可被金属吸附的能力，它们优先被金属吸附，并从金属表面把氧排掉，形成可溶性的金属氯化物，这样导致了腐蚀的加速结果在基底金属上生成孔径为 20-30 微米的小蚀坑，孔蚀一旦形成，即向深处自动加速。缝隙腐蚀与坑点腐蚀机理一样，是由于缝
10、隙中存在闭塞电池的作用，导致氯离子富集而出现的腐蚀现象；这类腐蚀一般发生在法兰垫片、搭接缝、螺栓螺帽的缝隙，以及换热管与管板孔的缝隙部位，缝隙腐蚀与缝隙中静止溶液的浓缩有很大关系，一旦有了缝隙腐蚀环境，其诱导应力腐蚀的几率是很高的。对于奥氏体不锈钢在氯离子环境下的腐蚀，各种权威的书籍均有严格的要求，氯离子含量要小于 25ppm，否则就会发生应力腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀。因此，对于 304 不锈钢腐蚀的预防采取如下措施：（1）严格控制导热介质的氯离子浓度，必须小于 25ppm；（2）加入特效的有机缓蚀助剂，增加钝化膜的稳定性或有利于受损钝化膜得以再钝化；（3）采用外加阴极电流保护，抑制孔蚀。4、铝的
11、腐蚀及预防铝是一种活泼金属，极容易和空气中的氧气起化学反应生成氧化铝，氧化铝在铝合金表面结一层灰色致密的极薄的薄膜，这层薄膜十分坚固，能使里面的金属和外界完全隔开，从而保护内部的铝不再受空气中氧气的侵蚀。但是，铝和氧化铝薄膜能和许多酸性或碱性物质起反应而被腐蚀，其在中性环境下较稳定。如用在太阳能集热系统中，其潜在的腐蚀有以下几种：（1）点蚀，是阳极反应的一种独特形式，是一种自催化过程；（2）均匀腐蚀，在酸性过大或碱性过大的介质中，其表面的氧化膜发生反应溶解，溶解速度也是均匀的，溶液温度越高，腐蚀越厉害；（3）晶间腐蚀，在导热介质中，铝合金的晶间腐蚀多发生在蚀坑内侧，腐蚀沿晶间向纵横方向发展，有
12、时还会形成隧道状；（4）电偶腐蚀，铝的标准电极电位-1.18V，与不锈钢、碳钢、铜这三种金属的电位差均超过了 0.25V，因铝易失去电子而发生电化学腐蚀。预防措施：（1）导热介质的 pH 不宜偏大，控制在 7-8 为宜，这也是汽车防冻液或基于汽车防冻液配方的导热介质必须两年左右就要更换的主要原因；（2）受汽车散热器和发动机系统连接使用橡胶管的启发，连接集热板和水箱时一定做到绝缘，切断形成宏电池的电子通道，抑制电偶腐蚀的发生,否则，铝流道集热板将成为类似于普通家用电热水器中的“镁棒”，成为阳极被腐蚀牺牲掉以致保护了碳钢材质的水箱；（3）添加适宜的缓蚀助剂，降低腐蚀的发生。虽然采取了上述有效措施，
13、在太阳能行业铝合金这种材质仍然是最易腐蚀的金属，建议慎重采用。以上讲的是浸泡在导热介质溶液的金属表面的缓蚀应对措施，对于夹套或者铜管内预留的膨胀空间部分，因为氧气的存在，这一部分发生腐蚀的概率更大，唯一可采取的措施就是用惰性的氮气将空气进行置换并完全密封换热系统，隔绝氧气降低腐蚀发生的可能性。如前所述，太阳能热水系统专用导热介质在设计配方时应该针对系统本身所具有的材质添加如下专用缓蚀剂：紫铜缓蚀剂、黄铜缓蚀剂、碳钢缓蚀剂、不锈钢缓蚀剂，有必要时添加铝缓蚀剂，保证溶液的 pH 值在 8-11 之间并且具有较强的缓冲能力，严格控制氯离子浓度在 20ppm 以下，使导热介质具有很强的缓蚀能力，这样才
14、能有效的预防和减缓腐蚀的发生。二、导热介质应具备的性能及衡量标准目前关于太阳能专用导热介质没有国标或者行业标准可参考，本部分将结合 2009 版美国供暖制冷与空调工程师学会手册将对太阳能专用导热介质所应具备的性能和产品的优劣衡量标准进行简要分析，以期能引起行业内有识之士关注和重视。1、对环境友好出于环境保护和对人身安全的考虑，对环境友好这一特性是对导热介质的最基本要求，这包括两方面的要求：一方面是产品必须环保，对外界环境不会造成污染或者不利影响，比如配方中尽量避免使用磷酸盐以免造成水资源的富氧化；另一方面是产品必须安全无毒，作为与人们日常生活密切相关的产品，万一泄漏时不能危害人的身体，这就要求
15、生产导热介质的原料做到无毒或者低毒，因此配方中不得含有铬酸盐、亚硝酸盐等剧毒物质。该项性能的衡量指标应该符合 LD5022000mg/kg（大鼠经口）。2、适宜的抗冻剂防冻性能是导热介质的基础指标，与该项指标密切相关的是抗冻剂，抗冻剂是指能溶于水中而又能降低水的冰点物质，这些物质主要分为无机盐和有机醇两大类：无机盐类比如氯化钠、氯化钙等等，该类溶液缺点是冰点降低有限，更严重的是具有很大的腐蚀性，不适于太阳能系统使用。有机醇类包括甲醇、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点和闪点都太低，易挥发，热稳定性和抗冻能力也较差；甘油作为抗冻剂时浓度高、粘度大、泡沫多等缺点也限
16、制了其应用，因此生产中不宜采用甲醇、乙醇和甘油；乙二醇和丙二醇是最适宜的两种抗冻剂，其中由于丙二醇无毒的特性，目前丙二醇体系的水溶液是欧美等发达国家应用最广的采暖、制冷以及空调等专用的制冷剂。目前，市面上有针对汽车防冻液的冰点测定仪，该种仪器是利用光学原理对防冻液中乙二醇或丙二醇的含量进行测定，误差较大，对于其他体系或者非纯乙二醇型防冻液的冰点无法测量，因此，科学的冰点测定可参考行业标准 SH/T 0090发动机冷却液冰点测定法。3、长效性能导热介质应用于壁挂式太阳能闭式循环系统内有其特殊性，不可能像汽车防冻液那样一两年内就要更换，必须做到 8-10 年内不会变质和各种性能的衰减，亦即产品要具
17、备长效性。本性能的测定可以通过保持高温下（180）三个月的方法进行加速氧化、酸化实验，测定导热介质各种性能的变化和衰减情况以衡量产品是否具备长效性能。4、缓蚀性能该性能是衡量导热介质优劣的主要指标之一，间接式太阳能热水器的闭式循环系统金属材质为碳钢、紫铜、黄铜和不锈钢，因此，导热介质应该有针对性的对这四种金属长效缓蚀。参考美国材料与试验学会（ASTM）的试验方法，该性能的检测方法如下：将平板式太阳能热水器闭式循环系统中常用的四种金属黄铜片、紫铜片、304 不锈钢片和碳钢片（25cm5cm）浸泡在导热介质中，在 88下不断通空气 336 小时，试验结束后，测定试片的重量变化，观察试片及导热介质的
18、外观变化。测试结果应该符合下列要求：玻璃器皿腐蚀（试片变化值，mg/片）紫铜 -5+5黄铜 -5+5碳钢 -10+10不锈钢（304） -10+10*铸铝 -30+30*平板太阳能体系中一般没有该材质，如有可对这一指标进行检测，从该项指标的范围可以看出铸铝容易受腐蚀。5、阻垢性能导热介质在长期运行过程中必须要做到不能产生污垢，否则，污垢沉积在管道内或夹套壁上，造成三个弊端：首先管道变窄阻力增大，导致导热介质流速降低影响换热效率；其次水中的各种离子以盐类或碱类形式附着在金属表面，增加了锈蚀的风险；最后金属表面沉积一层黄白色水垢后，影响金属的导热效果，降低导热效率。碱性条件下，水中的垢常有含 Ca
19、2+、Mg 2+的 CaCO3、MgCO 3 及 Mg（OH） 2 沉淀，也有Ca2+、Mg 2+、 Na+的氯盐，还含有 Ca2+、Mg 2+的硫酸盐、硅酸盐等。因此要提高导热介质的阻垢性能可从两方面入手：一是配制溶液时使用去离子水，降低 Ca2+、Mg 2+在水中的含量是阻垢的最直接的途径，其硬度要控制在 15ppm 以下，同时也要控制水的电导率（减少水中电解质的含量）；二是添加适宜的阻垢剂以避免水垢的产生和附着。6、酸碱度酸碱度是衡量导热介质缓蚀性能的关键参数，导热介质必须控制在适宜的酸碱性才能起到缓蚀效果，其体现在如下两项指标：（1）pH 值导热介质最适宜的 pH 值范围为 8-11，
20、在此范围内溶液对各种金属的腐蚀率最低。导热介质的 pH 值要坚决避免小于 7，否则，不但没有缓蚀效果，溶液本身就对金属发生腐蚀；pH 值在 7-9 之间时虽然不会对金属产生腐蚀，但是溶液容易向酸性转变，缓蚀效率低；pH值高于 11 时，碱度太大，同样增加了对金属的腐蚀风险和溶液的不稳定性。pH 值的粗略测量可用 pH 值广泛试纸，可测出溶液的 pH 值区间；精确测量可采用 pH 值测量仪（精度0.1）。（2）储备碱度储备碱度是指用浓度为 c（HCl）=0.1000mol/L 的盐酸标准滴定溶液滴定 10ml 试样至 pH值为 5.5 时所需要的毫升数（精确到 0.1mL），导热介质的储备碱度因
21、冰点的不同略有差异。该项指标的测定方法概要：将 10mL 试样（移液管准确移取）用蒸馏水稀释至约 100mL，再用浓度为 c（ HCl）=0.1000mol/L 的盐酸标准滴定溶液滴定至 pH 值为 5.5。试样的储备碱度 V（mL）按下式计算：V=（c 1V1）/c 2式中：c 1-盐酸标准滴定溶液的实际浓度，mol/L；V1-试验所消耗的盐酸标准滴定溶液的体积，mL；c2-盐酸标准滴定溶液的规定浓度，即 0.1000mol/L。7、缓冲性能导热介质的 pH 值缓冲性能是指溶液在加入少量酸或碱和水时能抵抗 pH 值改变的性能，这是延缓溶液使用寿命的重要手段，在溶液配制时要选择适宜的助剂起到
22、pH 缓冲作用以保证导热介质的碱性。8、防腐性能导热介质中有大量的有机物存在，因此在使用及储存中可能由于微生物的作用而发生霉变，导致产品的报废。所以需要选择适宜的防腐剂添加到体系中以保证产品不会腐败。9、防沸性能沸点高低决定了导热介质的适用温度区间，也是衡量产品防沸性能的重要指标。因冰点的不同，每种规格的导热介质具有不同的沸点，基本上导热介质的沸点都应在 105-112之间（一个标准大气压下）。沸点的测定可依据行业标准 SH/T 0089发动机冷却液沸点测定法。10、低泡性能优质的导热介质应该具备低泡性能。在高温和强制循环的条件下，导热介质很容易产生泡沫，过多的泡沫会增加空气在溶液中的溶解度从
23、而加剧气穴腐蚀，同时妨碍正常的循环和导热，还易造成溢流损失，因此，在溶液配制过程中必须添加消泡剂加以控制泡沫倾向。简单易行的测定方法是取 50mL 试样置于 100mL 的具塞量筒中，在 30 秒内上下剧烈摇动 100次，再使量筒静止 10 秒后，在量筒上读取泡沫所占的容积，泡沫体积应小于 4mL。11、热稳定性因导热介质长时间在高温状态下运行，要求其必须具备高温时热稳定性，这包括三方面内容：一是溶液组成中不能有沸点低于水的成分，譬如不能有甲醇、乙醇等易挥发组分；二是要求溶液中的助剂在高温下不能产生沉淀或者胶体絮状物析出，必须保持高温状态下溶液也为澄清透明液体；三是要求抗冻剂在高温下不会发生炭
24、化、氧化，否则会导致溶液变质，因此经多年实验证明的乙二醇、丙二醇等几种低碳多元醇具备良好的热稳定性。12、警戒色在导热介质中加入无毒的水溶性着色剂，以区别于一般的循环水，起到警示作用，另一方面也容易观察到导热介质在循环系统中是否发生泄漏，警戒色以蓝色或者红色为主。因此，高品质的太阳能专用导热介质应当为集环保、长效、阻垢、防腐、缓蚀、防冻、防沸、低泡、热稳定性好和导热效率高等多种优异性能为一体的换能液。三、不同类型导热介质的对比在众多平板太阳能生产厂家不断改进生产技术和提高系统换热效率的过程中，在诸如保温、吸热膜层、金属材料等方面采取了积极有效的措施以保证产品的市场竞争力，但很多厂家没有关注导热
25、介质这一关键环节的影响，认为导热介质只要满足防冻这一要求就可以了，因此，在市场上采购了汽车防冻液加注到系统中去，或者找到某些汽车防冻液厂家让其根据汽车防冻液的配方提供导热介质，更有甚者在化工市场采购乙二醇加水稀释（并不添加任何助剂）后直接作为导热介质，这些做法存在诸多不足或隐患。相信太阳能行业的广大同仁都了解或者听说过近三年内几起太阳能工程出现换热系统锈蚀发生泄漏的情况（在此不便一一赘述） ，其中最主要的原因选择了劣质的导热介质（大部分为产品质量良莠不分、参差不齐的汽车防冻液） ，非但没有起到缓蚀的效果，反而加速了水箱夹套、不锈钢波纹管和铜管的锈蚀，最终酿成了“千里之堤毁于蚁穴”的质量事故。下
26、面将从多种视角分析不同类型的导热介质对平板太阳能热水器系统的影响。1、抗冻剂的对比抗冻剂的选择直接决定了导热介质的档次和质量，目前，在市场上采购到的导热介质大部分为诸多类型的（-25 ）汽车防冻液，在这些防冻液中符合行业标准的原料以乙二醇为主，不符合标准的防冻液之原料可谓五花八门，这其中可能包含甲醇、甘油或者低分子醇（一种价格低廉、比重可达 1.35 的不明物质） ，报价也很低，从 3.3 元/kg 至 5.5 元/ 公斤都有，若以甘油为原料还好点，但若用其他两种物质，防冻液质量就另当别论了。实验表明，防冻液中一旦含有甲醇有以下隐患：一是甲醇的存在增大了防冻液的腐蚀性；二是防冻液的沸点只有80
27、-90，根本不适于太阳能系统使用；三是若传热系统为密闭模式，甲醇挥发后，夹套或者铜管内的压力在高温下迅速增大，容易使水箱或者铜管变形直至损坏泄漏；四是在系统非密封的情况下，甲醇常温下就易挥发，更不用说高温下的挥发速度，加注到太阳能系统中后，随着甲醇的挥发，导热介质的冰点也随之升高，本来冰点是-25，但冰点最终可能上升至零下十几度，整个系统冻裂的风险性非常大。至于低分子醇，不知其到底是何物，无法评价防冻液的各种性能及隐患。太阳能导热介质应该是无毒或者微毒，常用的原料应该是丙二醇或者乙二醇，乙二醇的毒性大于丙二醇，丙二醇属于安全无毒原料（LD 5020000mg/kg） ，从长远来讲，丙二醇型导热
28、介质是无毒环保的产品，符合今后的发展方向，但是现在丙二醇市场价格处于高位运行，成本高影响了产品的推广。乙二醇型导热介质在不添加剧毒的亚硝酸钠和铬酸盐的前提下，属于微毒产品，由于价位适中，产品有一定的市场占有率。2、冰点的对比如将汽车防冻液作为太阳能导热介质，目前在市场上能够采购到的产品规格基本为-25和-35 两种，在针对不同地区时没有进行细致的划分。我们在长期实践的基础上，根据经验提出如下观点：作为太阳能导热介质不同于汽车防冻液，汽车是可移动物体，其活动范围大，具有不确定性，所以要求汽车中加注的防冻液冰点适用区域必须辽阔，留出的冰点冗余要大；但是分体式太阳能固定好后是不可移动的，冰点冗余要根
29、据太阳能热水器使用的地区而确定，因此有必要对导热介质的使用区域和冰点进行细分；我们建议进行如下划分（仅供参考，还可以因地制宜进行更细致的划分）：（1）珠三角地区使用冰点为-10的导热介质；（2）长江以南区域使用冰点为-15 的导热介质；（3）黄河以南区域使用冰点为 -20的导热介质；（4）北京以北黄河以南区域使用冰点为-25的导热介质；（ 5）东三省根据不同地区特点确定更低冰点的导热介质。进行如此划分，我们基于如下两点考虑：（1）冰点越低，导热介质中水的含量越低；反之，水的含量越高。众所周知，水的含量越高，导热介质的换热效率越高，因此使用高冰点的导热介质，太阳能系统的热效率更高，在市场竞争惨烈
30、的今天，可以使产品在换热效果方面处于领先地位；（2）同种品质的导热介质，冰点越高，其乙二醇或者丙二醇的含量越低，成本越低，因此可以降低采购成本，这是所有太阳能生产厂家都希望看到和得到的皆大欢喜之结果。3、针对材质的对比根据常识我们知道，汽车发动机和冷却系统等部件材质为压铸铝合金、铸铁、钢、黄铜、紫铜、焊锡等，其中铸铝是系统中的大部分零件的材质，铸铝件是最易受腐蚀和容易损坏的环节，因此，汽车防冻液的缓蚀和 pH 值设计主要针对铸铝，并且还要全面的对其他金属腐蚀进行预防。目前，在分体式太阳能系统中金属材质为碳钢、黄铜、紫铜和不锈钢，因此，太阳能专用导热介质的缓蚀和 pH 值设计应针对其系统本身使用
31、的金属材质进行专业预防，而不能以汽车发动机和冷却系统的金属材质为标准和依据。鉴于以上情况，可能大家以为汽车防冻液或者基于汽车防冻液配方所做的太阳能导热介质对金属材质的缓蚀要比太阳能专用导热介质更加全面，但事实并非如此：一是汽车冷却系统和太阳能换热系统所用金属材料不同，对防冻液的缓蚀和 pH 值（具体差异见随后内容）的要求也不同，选用合适的专用产品才是王道；二是在防冻液中添加各种助剂的总量是有限的，在太阳能专用导热介质中添加各种专用助剂就应该仅限于系统中的金属材质，而不能加入与系统金属无关的助剂，这样有利于增大专用助剂的添加量，也就是说集中优势力量解决关键问题，使导热介质的缓蚀效率和使用时限得到
32、更大的提高。4、缓蚀助剂的对比缓蚀助剂是导热介质的重要组分，对产品的缓蚀性能起着决定性作用。据前述内容，汽车防冻液或基于汽车防冻液配方所做的太阳能导热介质，其缓蚀助剂选择上主要针对铸铝和黑色金属，根据中华人民共和国石油化工行业标准 NB/SH/T 0521-2010乙二醇型和丙二醇型发动机冷却液的要求可知，配方中添加的缓蚀助剂主要是偏硅酸钠和亚硝酸钠，这两种是最便宜和最容易得到无机缓蚀剂，偏硅酸钠虽然是有效的铝缓蚀剂，但受热很容易形成絮状胶体并且沉淀下来，造成如下后果：（1）防冻液中的缓蚀助剂已形成沉淀析出无法起到缓蚀作用；（2）太阳能系统因为污垢附着在夹套或者管道内降低了导热介质的流速，降低
33、换热效率，并增加了锈蚀风险。亚硝酸钠是有效的黑色金属缓蚀剂，剧毒，在汽车防冻液中应用没有太多限制，但是作为民用的太阳能产品，应该限制其使用。目前，很多太阳能厂家就是用汽车防冻液作为导热介质加注到系统中，结果就是缓蚀助剂不对路，出现了前述现象，非但起不到缓蚀效果，更加剧了腐蚀的发生，太阳能换热系统很容易发生腐蚀从而泄漏损坏。对比图如下：左图一：劣质防冻液加热后出现絮状胶体悬浮物（偏硅酸钠胶体）右图一：我司产品无论低温还是高温溶液始终澄清透明太阳能专用导热介质应该有针对性的对系统中的金属材质进行专业缓蚀，因此配方中必须添加如下助剂：紫铜专用缓蚀剂、黄铜专用缓蚀剂、碳钢专用缓蚀剂和不锈钢专用缓蚀剂，
34、这些助剂必须做到如下几点：（1）助剂毒性低毒或者无毒；（2）助剂与溶液有良好的相溶性，无论在低温、常温或者高温下，都不得析出；（3）助剂具有高效缓蚀性能，并且具有长久的缓蚀效果；（4）尽量避免使用稳定性差的无机缓蚀助剂。另外针对目前有个别太阳能厂家选用铝压铸集热板的情况，配方中应该添加高效的国外进口有机铝专用缓蚀剂，但不能添加稳定性差的偏硅酸钠，以便起到良好的缓蚀效果。5、毒性的对比在讨论导热介质的毒性之前，让我们先了解一下毒性衡量标准以及分级。通常物质的毒性通过急性毒性来测定，以大鼠经口 LD50 值为指标判定毒性大小，大鼠经口 LD50 值是指把不同剂量的被试验物质经口注入大鼠体内，在 1
35、4 天内足以使占全体数量 50%的个体在试验条件下致死的剂量称为 LD50(致死量 50%)，一般用每公斤体重所使用的毒物毫克数表示（即mg/kg） 。根据我国工业化学品毒性鉴定规范及实验方法并参考美国科学院对毒性物质的划分，可将毒性分级如下：剧毒 LD50（大鼠经口）5mg/kg高毒 5mg/kgLD 50（大鼠经口）50mg/kg中等毒性 50mg/kgLD 50（大鼠经口）500mg/kg低毒 500mg/kgLD 50（大鼠经口）5000mg/kg微毒 5000mg/kgLD 50（大鼠经口）15000mg/kg无毒 LD50（大鼠经口）15000mg/kg太阳能专用导热介质不同于汽车
36、防冻液，与老百姓的日常生活密切相关，万一发生泄露时有与水、饮食和个人皮肤等混合或接触的风险存在，因此要求产品必须无毒或微毒。最常用的防冻剂是乙二醇和丙二醇，乙二醇的毒性是微毒（大鼠经口 LD50 为 5900mg-13400mg/kg） ，丙二醇的毒性是无毒（大鼠经口 LD50 为 20000mg/kg） ，两者与水混合制备成导热介质后在不添加有毒的助剂前提下均能达到微毒或无毒的要求。但是，用汽车防冻液直接作为太阳能导热介质或者基于汽车防冻液配方所做的太阳能导热介质，根据 NB/SH/T 0521-2010乙二醇型和丙二醇型发动机冷却液的要求，配方中加入了大量的剧毒物质亚硝酸钠，有的还加入另一
37、种剧毒物质重铬酸盐，最终产品的 LD50（大鼠经口）在 10-15mg/kg，属于高毒物质，用在太阳能换热系统中存在很大的安全风险，很显然是不合适和不应该使用的。另外，丙三醇的毒性是无毒，LD 50（大鼠经口）为 26000mg/kg，其水溶液也是安全无毒的。6、密度差异导热介质或者防冻液的密度虽然不能直接反映产品的各种性能，但是通过密度我们可以基本判断出产品的类型及组分，我们通过表 1 可了解到常用的抗冻剂的原始密度。表 1 常用的基础抗冻剂密度对比表（25 ，g/cm 3）抗冻剂 甲醇 乙醇 乙二醇 丙二醇 丙三醇密度 0.791 0.789 1.117 1.04 1.263根据 2009
38、 版美国供暖制冷与空调工程师学会手册提供的技术参数并结合我们的实践数据，我们总结出不同类型的导热介质在冰点-10 到-45 范围内密度区间，请参考表 2。表 2 不同类型的导热介质密度区间（冰点： -10至-45，20，g/cm 3）导热介质 密度乙二醇型 1.04-1.09乙二醇为基础多元醇型 1.06-1.13丙二醇型 1.03-1.06丙二醇为基础多元醇型 1.05-1.10丙三醇型 1.08-1.16注：具体冰点下某一类型导热介质密度的详细数据可向济南鼎隆化工科技有限公司的技术人员咨询。根据表 1 和表 2 数据，我们应该能断定出凡是密度小于 1.00g/cm3（20 ）的防冻液或导热
39、介质，是绝对的假冒伪劣产品，基本上为甲醇溶液，其作为汽车防冻液不符合行业标准NB/SH/T 0521-2010 的要求，作为太阳能导热介质更是不可能和不可接受的。我们从某一著名平板太阳能生产厂家拿到其使用的-25导热介质，据说是乙二醇型的，经检测密度与乙二醇型防冻液比较接近，但是沸点只有 85，并且沸点不固定持续升高，根据化学常识我们知道，当溶液达到沸点时温度基本保持不变，直至大部分溶液挥发掉后温度才会发生明显变化，因此我们判定该产品应该为甲醇水溶液和甘油水溶液的混合物或者甲醇水溶液和密度大的多元醇水溶液的混合物（此类产品的危害前文已有交代） ，足以达到以假乱真的目的。可见，我们一定对导热介质
40、的各项性能指标进行全面的检测，不能被一些表面现象所迷惑而断定是哪一类产品。对比图如下：左图二：冰点为-25的劣质防冻液的密度仅有 0.957g/cm3（25）右图二：冰点为-25的太阳能专用导热介质的密度为 1.085 g/cm3（25）7、pH 值的对比pH 值是表示水溶液酸性或碱性程度的数值，在常温下（ 25）：（1）中性水溶液，pH=7； （2）酸性水溶液， pH7，pH 值越小，表示酸性越强；（3）碱性水溶液，pH7，pH 值越大，表示碱性越强。从基本的化学常识我们知道，铝是两性金属，既容易与酸发生反应，又容易与碱发生反应，在中性环境中较稳定；金属紫铜、黄铜、碳钢和不锈钢易在酸性环境中
41、发生反应导致锈蚀，而在中性或弱碱性环境中稳定不易发生反应。因此，在仅添加无机铝缓蚀剂偏硅酸钠的汽车防冻液，其 pH 值仅能做到 7.0-7.5，以保证不对汽车冷却系统发生锈蚀，虽然说短期内不会发生腐蚀，但是经过长期高温运行，溶液很容易发生酸化，pH 值转变为酸性，增加了发生锈蚀的风险，这是建议广大车主使用 1-2 年后就要更换汽车防冻液的主要原因。针对太阳能换热系统的特点，导热介质的 pH 值在 8-11 为宜；对于使用铝压铸集热板的平板式太阳能，建议导热介质配方中添加高效的有机铝缓蚀剂，这样也可以做到在碱性环境中整个换热系统不易被锈蚀。8、沸点的对比导热介质沸点的高低直接反映了整个换热系统的
42、耐高温性能，这是保障整个系统安全运转的关键指标。在此我们有必要对导热介质的沸点进行一下剖析，决定产品沸点高低的是抗冻剂的沸点和助剂的添加情况，常用抗冻剂的沸点请参阅表 3。表 3 常用的基础抗冻剂沸点对比表（1 个标准大气压下，）抗冻剂 甲醇 乙醇 乙二醇 丙二醇 丙三醇沸点 64.5 78.4 197.4 188.2 290.9根据 2009 版美国供暖制冷与空调工程师学会手册提供的技术参数并结合我们的实践数据，我们总结出不同类型的导热介质在冰点-10 到-45范围内沸点区间，请参考表 4。表 4 不同类型的导热介质沸点区间（冰点：-10至-45，1 个标准大气压，）导热介质 沸点乙二醇型
43、104-110乙二醇为基础多元醇型 105-113丙二醇型 103-108丙二醇为基础多元醇型 105-112丙三醇型 110 以上注：具体冰点下某一类型导热介质沸点的详细数据可向济南鼎隆化工科技有限公司的技术人员咨询。根据表 3 和表 4 数据，我们应该能断定出凡是沸点低于 100的防冻液或导热介质，是绝对的假冒伪劣产品，基本上为甲醇溶液或为甲醇水溶液与甘油水溶液的混合物（因乙醇的价位较高，接近于乙二醇的价格，可以排除乙醇溶液） ，既不符合行业标准 NB/SH/T 0521-2010 的要求，也不能用作太阳能导热介质，此种类型的导热介质危害如前文所述。乙二醇、丙二醇、丙三醇的水溶液作为导热介
44、质时，沸点均在 100以上。9、缓冲及长效性能的对比导热介质的缓冲性能的高低决定着其是否具备长效性，缓冲性能的高低体现在 pH 值和储备碱度两个方面，pH 值和储备碱度数值越大，水溶液的缓冲性能越高，反之，水溶液的缓冲性能越低。调节导热介质的 pH 值和储备碱度，并不是简单的在溶液中加入火碱或者纯碱，这两种物质加入后，虽然说能改善溶液的缓冲性能，但是却增加了腐蚀风险性，因此，在体系中必须加入既能提高溶液 pH 值和储备碱度又能起到缓蚀效果的高效缓冲助剂。汽车防冻液或者基于汽车防冻液配方的导热介质，其 pH 值在 7 左右，基本上没有添加缓冲助剂，容易在高温下运行一段时间后呈酸性状态，有发生锈蚀
45、的风险，所以，在较短的一到两年使用期限达到后就必须进行更换。相比较于汽车冷却系统更换防冻液，平板式太阳能换热系统要是一两年就更换导热介质，既需要专用工具又要提供繁杂的售后上门服务，显然是不合适和难度比较大的，因此，太阳能专用导热介质需要具备长效性能，不应该在短短的几年内就对导热介质进行更换。在太阳能专用导热介质的配方中，我们添加了高效缓冲助剂，能保证溶液长时间处于适宜的 pH 值和储备碱度，防止导热介质发生酸化，其长效性能是完全可以做到的。综上所述，间接式太阳能热水系统是一个完整的体系，我们可以形象的将整个系统比作人体，水箱、平板集热器、不锈钢波纹管等各部件作为人体各器官，导热介质就是维持运转的“血液”载体，任何一个环节出问题都不可能是身体健康的“人” 。在各个器官健康完善的前提下，导热介质的选择是至关重要的，其并不是简单的防冻液，防冻只是最基本的一个性能要求，其他诸如环保、长效、阻垢、防腐、缓蚀、防沸、低泡、热稳定性好和导热效率高等各方面性能也是必须的，缺少任何一个性能都可能造成“血癌” ，导致整个太阳能热水系统存在安全隐患或效率低下甚至崩溃。希望通过本文的论述能引起广大同仁对间接式太阳能换热体系内各个环节的重视，做到防患于未然，为广大用户提供优质产品。
