CN101368762A - 一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法，属太阳能利用领域。将太阳能集热器与建筑物斜坡屋顶、墙体或阳台挡板设置为一体化，在建筑物上最大限度利用太阳能的同时，还大大降低了成本；用水箱集热方式代替用集热管集热方式，在降低成本，增加集热面积的同时，还提高了太阳能利用率；将储水箱设在室内，在降低水箱制造成本的同时，还减少了水箱放在室外的热损失，提高了太阳能热利用率；本发明不仅能利用太阳能供热水，还能利用太阳能供暖，在太阳能利用方面是一重大突破和创新。

Description

一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法
所属技术领域
本发明涉及一种太阳能利用方法，尤其是涉及一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法，属于太阳能利用领域。
背景技术
目前，公知的太阳能利用主要有两种方法，一是以太阳能光伏发电方式的光电利用方法；二是以太阳能热水器为主要方式的光热利用方法。
由于光伏发电所必须使用的硅晶(单晶硅或多晶硅)材料价格昂贵，每千瓦光伏发电投资高达5-7万元人民币，是常规发电投资的5-10倍；每度电的成本高达3-4元人民币，若用于民用电，需国家大量补贴。因此，目前，通过光伏发电利用太阳能尚不经济。
目前，在国内外以太阳能热水器为主的太阳能光热利用方式比较普遍。太阳能热水器主要有真空管式、平板式(集热管式)和闷晒式三种类型，而以真空管式和平板式两种类型居多。但无论是真空管式还是平板式太阳能热水器，虽然都各很多有优点，但它们都有以下共同特点和不足：
一是普遍采用集热管式，且水箱设置在集热管上端部，并与集热管紧密连接；采用承压式通过集热管将热水顶(压)入水箱，而水箱设置在室外，热损失较大；二是主要靠集热管将水加热，而集热管之间都有一定的间距，实际集热面积比平板集热面积少30％以上，热利用率不高；三是集热器与屋顶形成一定的倾角，形成空气对流通道，带走了大量的热量，热损失较大；四是热水箱储水量非常有限，只能满足二至三人的热水供应；五是集热管普遍采用价格昂贵的铜或铜铝合金制作，水箱也采用价格较高的塘瓷或不锈钢制作，大大增加了造价成本；六是太阳能热水器不能与建筑有机结合，有的只是将太阳能热水器镶嵌在屋面，没有真正做到与建筑一体化，而更多的是用支架把集热器和水箱支撑在屋顶上，影响市容景观；七是集热管普遍存在容易结垢、堵塞、冻裂等问题，在北方有的地区冬季不能使用；
由于目前公知的上述太阳能利用方式都不同程度的存在一定的缺陷或不足，所以，迫切需要通过技术创新加以解决。
发明内容
为了克服目前公知的太阳能利用方面存在的缺陷和不足，本发明提供一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法，能在一定程度上有效地克服和解决上述问题。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：将太阳能集热器(简称集热器)与太阳能热水储水箱(简称储水箱)分开设置，即将集热器与建筑物斜坡屋面或墙体设置为一整体，用集热器替代屋面板或墙板，使集热器与建筑一体化；将储水箱设在室内，以减少设在室外的热损失；用管道将集热器与储水箱连接。
本发明的集热器由外保温箱、透光盖板、平板集热水箱(简称集热水箱)、保温层等组成，采用水箱集热方式集热，这是与传统的用集热管或真空管集热方式的最大集热区别。
所谓水箱集热方式，就是太阳光通过集热器的透光盖板被集热水箱盖板吸收热能将水加热的集热方式，而不是通过集热管或真空管将水加热的方式。其方法就是在集热器内设置一个高(厚)度为2厘米-10厘米的薄型平板集热水箱，集热水箱盖板用导热较好的铜或不锈钢等金属板或玻璃等制作(以金属板为佳)，并在其表面喷涂吸热较好的选择性涂料；集热水箱的长、宽、高(厚)几何尺寸根据实际需要在1厘米-10000厘米之间任意设置(但高度以2厘米-10厘米为佳)；作好的集热水箱放置在集热器的外保温箱内，集热器的外保温箱盖板用玻璃等透光率较好的材料制作，集热水箱的四周和背(底)面用挤塑板或发泡聚苯乙烯或聚氨酯等材料保温；集热水箱每平方米吸热面积比每平方米集热管吸热面积多30％以上，容量多一倍以上；
集热器的顶端设一凉水入水阀和放气阀与集热水箱连接，下端设一热水出水阀并通过管道与储水箱连接；储水箱容量大小根据供热水量或供热面计大小合理设置；储水箱可用普通金属材料(作防腐处理)或玻璃钢或砖混水泥等制作，无需用塘瓷等昂贵材料生产；
本发明的技术运行路线是：首先开启设置在集热水箱上端的凉水入水阀，向集热水箱内注满凉水，待太阳能将集热水箱内的凉水加热到设定温度(如50℃)时，自动开启设置在集热水箱下端的热水出水阀，通过管道将热水放入储水箱备用；待集热水箱内的热水放完后，热水控制阀自动关闭；同时，凉水入水阀自动开启注水，待注满集热水箱后，自动关闭停止注水；当集热水箱的水温达到设定温度时(可在1℃-100℃之间任意设置)再次启动热水控制阀，将热水放入储水箱，至此，完成一天的第二次水加热；根据春、夏、秋、冬季节不同，每天加热1-6次，在进入傍晚没有太阳照射时，将集热水箱内的水放完排空，以减少热损失，并防止冬天将集热水箱冻裂。一天的水加热完成后，第二天开始新一天的水加热，如此循环往复，使本发明以集热水箱式利用太阳能的方法得以实现。
本发明的有益效果：
一是按照本发明的方法利用太阳能，不仅能有效地克服目前公知的太阳能利用方法存在的诸多缺点，还能使太阳能集热器单位面积的热效率和热利用率提高20％以上；每平方米太阳能集热器造价可控制在500元以内，至少比公知的太阳能集热器单位面积的生产成本降低30％以上，其性价比大大提高；
二是大力推广和实施本发明技术，将太阳能集热器与大面积建筑物的斜坡屋面、墙体、阳台挡板等建筑围护结构有机结合，在同一建筑物上可最大限度地利用太阳能，不仅能利太阳能供应热水，还能利用太阳能供暖。如果在每个建筑物上(包括厂房、住宅、办公楼、学校、医院、部队营房、边防哨所等建筑)都能采用本发明技术，利用太阳能替代煤、电等供暖和供应热水，仅我国每年就可节约上亿吨标准煤，减少大量的二氧化碳、二氧化硫等有害气体排放，其经济效益、社会效益、环保效益都十分显著。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
附图是本发明的结构示意图
图中1、集热器盖板，2、集热水箱盖板，3、集热水箱凉水控制阀，4、集热水箱底板，5、集热水箱排气阀，6、集热器保温层，7、集热器外保温箱，8、集热水箱热水控制阀，9、集热水箱热水排水管，10、储水箱(池)，11、储水箱热水控制阀，12、集热水箱箱体板，13、太阳能集热器(简称集热器)，14、集热水箱。
本发明的运行原理是：当太阳照射到太阳能集热器(13)，透过集热器盖板(1)被集热水箱盖板(2)吸收热量后，加热通过集热水箱凉水控制阀(3)注入在集热水箱(14)内的凉水，待凉水加热到设定温度如50℃时，集热水箱热水控制阀(8)便自动开启，达到设定温度的热水便通过集热水箱排水管(9)放入储水箱(池)(10)内备用，使用时通过储水箱热水控制阀(11)开启后即可；根据春、夏、秋、冬季节不同，集热水箱(14)内的凉水每天可加热1-6次不等；每天当集热水箱(14)内的第一次凉水加热放空后，集热水箱热水控制阀(8)自动关闭，同时，集热水箱凉水控制阀(3)便自动开启第二次注入凉水，注满集热水箱(14)后自动关闭；待第二次将凉水加热到设定温度时，集热水箱热水控制阀(8)再次开启将达到设定温度后的热水放入储水箱(池)(10)内备用，至此，完成一天中的第二次水加热；当一天中的一次或多次水加热完成后，必须将集热水箱(14)内的水排空，一方面减少热损失，另一方面，防止晚间气温下降后将集热水箱(14)冻裂(特别是在北方地区的冬天)。
具体实施方式
在附图中，集热器盖板(1)用玻璃或透光率较好的玻璃钢等材料制作；集热水箱盖板(2)可用铜、铝传热性能较好的材料制作，也可用不锈钢或普通钢板或玻璃制作，并在其表面喷涂吸热良好的选择性涂料；集热水箱盖板(2)与集热器盖板(1)之间的间隔距离设置为1厘米-10厘米，以2厘米-5厘米为最佳；集热水箱凉水控制阀(3)为电磁控制阀，当凉水注满集热水箱(14)时自动关闭；集热水箱底板(4)和集热水箱(14)的箱体板(12)不需用铜或铜铝合金这些价格昂贵的材料制作(公知的太阳能热水器普遍用铜作集热管)，可用价格相对较低的钢板等金属或玻璃钢等非金属材料制作，这就可大大降低集热器的生产成本；集热水箱底板(4)与集热水箱盖板(2)之间的间隔距离以2厘米-10厘米为佳，也可根据需要在1厘米—10000厘米之间任意设置，但间距较大时，需在中间作加强处理，以保证有足够的强度；集热水箱排气阀(5)为电磁控制阀，主要是在注水和放水时自动开启排走集热水箱(14)内的空气，确保供排水顺利运行；集热器保温层(6)用挤塑板或发泡聚苯乙烯或聚氨酯等保温材料制作，其厚度可根据需要在1厘米—100厘米之间任意设置，以5厘米-10厘米为佳；集热器外保温箱(7)用阻燃性能良好的人造木或玻璃钢等材料作外壳，内加保温材料，其厚度可根据需要在1厘米—100厘米之间任意设置，以5厘米-10厘米为佳；集热水箱热水控制阀(8)为电磁控制阀，当集热水箱内的水温达到设定温度时(可在1℃-100℃之间任意设置，以50℃左右为宜)，自动开启后将热水放入储水箱(10)内，待热水放完后自动开闭；集热水箱热水排水管(9)为普通耐高温水管，其管径可根据需要在1厘米—300厘米之间任意设置，以50厘米-100厘米为宜；储水箱(池)(10)设置在室内或地下室适当位置，其顶端入水口位置低于集热水箱(14)出水口位置，以使集热水箱(14)内的水无需动力便可流入储水箱(10)内；储水箱(10)的容量可根据实际需要在0.1立方米-10000立方米之间任意设置，其材料可用普通金属材料(作防腐处理)或玻璃钢或砖混水泥等制作，无需用塘瓷等昂贵材料生产，这就可大大降低太阳能利用的成本；水箱的保温层可用挤塑板或发泡聚苯乙烯或聚氨酯等保温材料；若要满足高层楼房供热水或供暖需要，储水箱(10)可分户或分楼层设置，也可在地下室集中设置大型储水池，用无塔供水泵或其他热泵向各楼层各户供热水或供暖，但供暖的散热装置需另外设置；储水箱热水控制阀(11)根据需要可人工控制也可自动控制，若设在地下室的储水池需向高层供水或供暖时，可与无塔供水泵或其他热泵连接；太阳能集热器(13)由集热器的各部件组成，其外观尺寸的长、宽、高度可根据实际需要在0.01米-1000米范围内任意设置，可根据实际需要与建筑物斜坡屋面或与建筑物墙体、阳台挡板结合为一整体，成为建筑物外围护结构的一部份，真正实现太阳能集热器与建筑一体化；太阳能集热器在与建筑物结合时，可单个或若干个并联或串联设置，使大面积建筑物的斜坡屋面、墙体、阳台挡板等既是建筑围护结构的一部份，又是太阳能集热器，这样不仅能大幅度降低太阳能利用的总体成本，又可在同一建筑物上最大限度地利用太阳能；由于有高效低廉而大面积的太阳能集热器产生热水，这就可做到不仅能供应热水，还能利用太阳能产生的热水供暖；若要满足高层楼房供热水或供暖需要，储水箱(10)可分户或分楼层设置，也可在地下室集中设置大型储水池用无塔供水泵或其他热泵向各楼层各户供热水或供暖。从而可有效地解决目前公知的太阳能热水器只能利用太阳能供热水，面不能供暖的问题。
利用太阳能替代煤或电供热水和供暖，不仅可节约大量的能源，还可减少大量的二氧化碳、二氧化硫排放；这种在传统太阳能热利用基础上的重大突破和创新，对我国实现节能减排目标，建立节约型社会，不仅具有重要的现实意义，而且还有深远的历史意义！如果能早日实施本发明，将更好地利用太阳能造福人类！

Claims (10)

1.一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法，这种利用方法的主要装置由太阳能集热器(简称集热器)(13)与储水箱(池)(10)两大部份组成；其特征是：所述太阳能集热器(13)由集热器盖板(1)、集热水箱(14)、集热水箱凉水控制阀(3)、集热水箱排气阀(5)、集热器保温层(6)、集热器外保温箱(7)、集热水箱热水控制阀(8)、集热水箱热水排水管(9)组成；所述集热水箱(14)由集热水箱盖板(2)、集热水箱底板(4)、集热水箱箱体板(12)组成；所述储水箱(10)包括其部件热水控制阀(11)；所述集热器(13)设在室外，储水箱(10)设在室内，集热器(13)与储水箱(10)之间用集热水箱热水排水管(9)连接。
2.如权利要求1所述的一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法，其特征是：集热器盖板(1)用玻璃或玻璃钢等透光率较好的材料制作。
3.如权利要求1所述的一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法，其特征是：集热水箱盖板(2)可用铜或铝等材料制作，也可用不锈钢等金属板或玻璃等制作，并在其表面喷涂吸热良好的选择性涂料。
4.如权利要求1所述的一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法，其特征是：太阳能集热器(13)由集热器的各部件组成，其外观尺寸的长、宽、高(厚)度可根据实际需要在0.01米-1000米范围内任意设置；可根据实际需要与建筑物斜坡屋面或与建筑物墙体、阳台挡板结合为一整体，成为建筑物外围护结构的一部份，真正实现太阳能集热器与建筑一体化；在与建筑物结合时，太阳能集热器可单个或若干个并联或串联设置，使大面积建筑物的斜坡屋面、墙体、阳台挡板等既是建筑围护结构的一部份，又是太阳能集热器，不仅能供应热水，还能利用太阳能供暖；若要满足高层楼房供热水或供暖需要，储水箱(10)可分户或分楼层设置，也可在地下室集中设置用无塔供水泵向各楼层各户供热水或供暖。
5.如权利要求1所述的一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法，其特征是：集热水箱底板(4)和集热水箱(14)的箱体板(12)可用钢板或玻璃钢等非金属材料制作。
6.如权利要求1所述的一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法，其特征是：集热水箱(14)的长、宽、高(厚)几何尺寸可根据实际需要在1厘米-10000厘米范围内任意设置，但其高(厚)度以2厘米-10厘米为佳。
7.如权利要求1所述的一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法，其特征是：集热器保温层(6)用挤塑板或发泡聚苯乙烯或聚氨酯等保温材料制作，其厚度可为1厘米—100厘米。
8.如权利要求1所述的一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法，其特征是：集热器外保温箱(7)用人造木或玻璃钢等材料制作外壳，内加保温材料，其厚度可为1厘米—100厘米。
9.如权利要求1所述的一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法，其特征是：储水箱(池)(10)设置在室内或地下室适当位置，其顶端入水口位置低于集热水箱(14)出水口位置，以使集热水箱(14)内的水无需动力便可流入储水箱(10)内；储水箱(10)的容量可为0.1立方米-10000立方米，其材料可用普通金属材料(作防腐处理)或玻璃钢或砖混水泥等制作；储水箱的保温层可用挤塑板或发泡聚苯乙烯或聚氨酯等保温材料；储水箱的外观形状可为圆柱体、矩形体、正方体或多边形体；若要满足高层楼房供热水或供暖需要，储水箱(10)可分户或分楼层设置，也可在地下室集中设置，用无塔供水泵向各楼层各户供热水或供暖(在向各户供暖时，另外设置散热器等装置)。
10.如权利要求1所述的一种与建筑一体化的水箱集热式太阳能利用方法，其特征是：储水箱热水控制阀(11)根据需要可人工控制也可自动控制，若设在地下室的储水箱(池)需向高层供水或供暖时，可与无塔供水泵(或其他热泵)连接。
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