CN101430138B - 太阳能房顶热水容器 - Google Patents

Abstract

“太阳能房顶热水容器”是用无机非金属材料制造，以达到制造安装成本低、使用寿命长、不老化、不腐蚀、不会污染水质的目的，太阳能房顶热水容器可以设置在建筑物房顶上或房顶相邻的部位，房顶上太阳能集热器中的流体流经或流入该容器。该容器由水泥管和封头或带封头的水泥管或两个以上并上下相互连通的陶瓷水缸或两个以上并上下相互连通的陶瓷坛与保温材料、外墙壁组成。太阳能房顶热水容器是用作常规的房顶太阳能热水器系统的热水容器或用作由陶瓷太阳板组成的陶瓷太阳能房顶的热水容器。

Description

太阳能房顶热水容器

(一)技术领域

本发明涉及以无机非金属材料制造的盛水容器，具体说是以无机非金属材料制造的太阳能房顶热水容器，尤其是陶瓷太阳能房顶的热水容器。

(二)背景技术

通常太阳能热水器分为闷晒式和循环式，循环式效率较高，其集热体主要采用金属管板式集热体和真空玻璃管式集热体，金属管板式集热体也称作平板式集热体。两者均存在以下不足：1.金属管板式集热体主要采用铜、铝等材料，真空玻璃管集热体结构和制造工艺相对复杂，以每平方米吸热面积计算两者的价格都比较高。2.两者均采用低温涂覆的黑色阳光吸收涂料，在长期的阳光作用下会有一定程度的老化使阳光吸收率衰减、金属易腐蚀、真空玻璃管内的真空度会逐步下降，都是导致寿命和效率问题的重要原因。

面对非常分散、十分稀薄、低能量密度而总量巨大的太阳能，只有努力进行技术突破，尽力寻找一种非常廉价、很长寿命、高效率的材料、结构和应用方式才有可能经济、有效、广泛的利用太阳能，使其成为大规模可替代能源。

本发明人申报并取得的中国发明专利CN85102464“黑色陶瓷制品原料的生产方法及其制品”、CN86104984“一种陶粉末”叙述了以提钒尾渣为原料之一生产各种黑色陶瓷制品的方法，这种黑色陶瓷称作钒钛黑瓷。此发明又以“陶瓷粉末及其制品”(Ceramrc powder anddrticles)为名称申报并已取得九国外国发明专利证书，分别是美国专利4737477、日本专利1736801、英、法、德、奥地利专利(欧洲专利局)0201179、澳大利亚专利578815、新加坡专利1009/91、芬兰专利81336和香港专利1077/1991。二十世纪80年代后期本发明人申报了“黑色陶瓷太阳瓦”、“黑色陶瓷拦板式太阳能集热器”、“黑色陶瓷太阳能房顶”、“黑色陶瓷太阳能集热盒”、“带有承插接口的黑色陶瓷太阳能集热瓦”、“黑色陶瓷太阳能远红外开水器”、“陶瓷储水箱”、“复合水泥板”、“陶瓷套管式红外元件”、“黑色陶瓷红外椅”等专利。

钒钛黑瓷发明于1984年，1985年4月1日开始申报专利，1986年通过技术鉴定，钒钛黑瓷可以制造中空太阳能集热板、远红外辐射元件、艺术品、建筑装饰板等，其中目前产量最大的是钒钛黑瓷建筑装饰板，目前主要产地是广东、上海，代表性企业是佛山市东鸿陶瓷厂，上海宏基特种陶瓷公司等。我国陶瓷建筑装饰板(陶瓷墙地砖)产量居世界首位，年产量40亿平方米占世界总产量50％左右，由于钒钛黑瓷装饰板使用大量提钒尾渣，以前占用大量堆场，成为提钒厂沉重负担的提钒尾渣目前售价已达160-300元/T。全国提钒尾渣产出厂因此获得年纯收入上千万元，钒钛黑瓷装饰毛板800×800×12mm，零售价25元/m²，出厂价 约17元/m²，年销售额数亿元。20世纪80年代、90年代以石膏模注浆成型方法试制300×300毫米钒钛黑瓷中空太阳板上万平方米，制造和使用钒钛黑瓷太阳能热水器上千台，直接建造于房顶上的钒钛黑瓷太阳能热水器近千平方米，采用砖、水泥外框、菱苦土外框、水缸储水箱和专门制造的陶瓷储水箱，目的是逐步发展成为钒钛黑瓷太阳能房顶。300×300毫米钒钛黑瓷太阳板单板面积0.09平方米，容水量0.9kg，单层玻璃单板闷晒时水温可达100℃，在1987年山东省太阳能热水器全省评比中钒钛黑瓷太阳能热水器获一等奖，钒钛黑瓷太阳能热水器加热前后的水质经检测未发现可见的变化，使用10年以上的太阳板无退色、腐蚀、老化等迹象，但是石膏模注浆成型钒钛黑瓷中空太阳板方法，成型效率低、消耗大量石膏、成型大尺寸太阳板成品率低下，小尺寸板接头过多，安装繁琐，难以发展成为大规模工业化生产方法，难以实现大规模推广使用。

2006年5月25日至2007年10月12日本发明人申报了“复合陶瓷中空太阳能集热板的制造方法”、“一种新型太阳能房顶的结构和材料”、“陶瓷太阳板”、“陶瓷太阳板集热器的制造和安装方法”、“在陶瓷太阳板上复合立体网状黑瓷阳光吸收层的方法”、“黑瓷复合陶瓷太阳板”、“陶瓷中空板胶结成型方法及其应用”、“.陶瓷太阳能风道”、“陶瓷太阳能集热场热水发电装置”、“陶瓷太阳板集热器墙面”、“一种多孔陶瓷板纵列的密封连接方法”等中国发明专利。

本发明人在上述专利申请中提出大尺寸中空陶瓷板和大尺寸中空陶瓷板纵列，是以普通陶瓷原料经常规陶瓷原料处理方法制成泥料，采用多孔模具由真空挤制机挤制方法成型，经加工成为多孔、半通孔、通孔、封口中空陶瓷板素坯，以提钒尾渣和/或其他富含第四周期过渡金属元素的工业废渣和/或富含第四周期过渡金属元素的天然矿物和/或富含第四周期过渡金属元素的化合物和/或陶瓷黑色着色剂加入或不加入普通陶瓷原料磨制成泥浆，将泥浆覆盖在上述中空陶瓷板素坯表面，经干燥、烧成为多孔、半通孔、通孔、封口黑瓷复合陶瓷板、立体网状黑瓷复合陶瓷板；或以除提钒尾渣以外的其他富含第四周期过渡金属元素的工业废渣和/或富含第四周期过渡金属元素的天然矿物和/或富含第四周期过渡金属元素的化合物和/或陶瓷黑色着色剂与普通陶瓷原料经常规陶瓷原料处理方法制成泥料，采用多孔模具由真空挤制机挤制方法成型，经加工、干燥、烧成为多孔、半通孔、通孔、封口的均质陶瓷板，上述黑瓷复合陶瓷板、立体网状黑瓷复合陶瓷板、均质陶瓷板统称大尺寸中空陶瓷板，将具有进出口的陶瓷端头板与通孔陶瓷板胶结成为胶结型封口陶瓷板，将若干封口陶瓷板进出口串接或将若干多孔陶瓷板、半通孔陶瓷板、通孔陶瓷板、大尺寸中空陶瓷板附件经胶接或套接串联成为大尺寸中空陶瓷板纵列，将隔热保温材料结合在大尺寸中空陶瓷板纵列的底部和四周，上面覆盖透明盖板则成为陶瓷太阳板集热器纵列，陶瓷太阳板集热器纵列可用于陶瓷太 阳能热水器、陶瓷太阳能房顶、陶瓷太阳能墙面、陶瓷太阳能风道发电装置、陶瓷太阳能集热场热水发电装置，大尺寸中空陶瓷板纵列可用作陶瓷远红外辐射板和陶瓷建筑暖气散热板。纵列内部形成直通道，有利于流体的流动和循环，具有较小的阻力和较高的效率。

大尺寸中空陶瓷板以形状、材质和用途分类。以形状分类时，大尺寸中空陶瓷板分为多孔陶瓷板、半通孔陶瓷板、通孔陶瓷板、封口陶瓷板，以材质分类时，大尺寸中空陶瓷板分为复合陶瓷板和均质陶瓷板，复合陶瓷板是指黑瓷表面层与以普通陶瓷原料制造的瓷质基体经高温烧结复合为一体的大尺寸中空陶瓷板，均质陶瓷板是指整体为黑色或深色的大尺寸中空陶瓷板，以用途分类时，大尺寸中空陶瓷板分为大尺寸中空陶瓷太阳板、大尺寸中空陶瓷远红外辐射板、大尺寸中空陶瓷建筑暖气散热板，简称陶瓷太阳板、陶瓷红外板、陶瓷暖气板。

本发明人已经制造的立体网状钒钛黑瓷复合陶瓷大尺寸中空太阳板，简称黑瓷复合陶瓷太阳板或陶瓷太阳板，长度1500mm、宽度610mm、总厚26mm，壁厚2.6mm，底部和四周压力浇注硬质聚氨脂泡沫塑料，以硅橡胶结合4mm厚度的单层普通玻璃板，太阳板内可装自来水约12千克，单板闷晒，夏季晴天，水温可达到100℃，即每平方米可将约13千克水加热至100℃，所组装的热水器具有较高的效率，该陶瓷太阳板表面层的阳光吸收比为0.91，陶瓷太阳板理论上说不会腐蚀、老化、退色、阳光吸收比不会衰减，应该具有很长的使用寿命，陶瓷太阳板、陶瓷太阳板集热系统仍在继续研究和改进之中。

通常太阳能热水器可分为单台太阳能热水器和太阳能热水器系统，单台太阳能热水器是将太阳能集热器与热水容器(热水储箱、蓄热水箱)安在同一个支架上构成整体，太阳能热水器系统一般是将多件太阳能集热器安在一个或多个支架上由管道将集热器与单独的热水容器(热水储箱、蓄热水箱)连接。单台热水器的热水容器多采用不锈钢为内胆，彩钢板为外壳，中间填充保温材料，太阳能热水器系统多采用金属容器内涂防腐材料、外面包覆保温材料，最外层是耐候性材料。

通常房顶的功能是防风、雨、日晒，对建筑物起保温、隔热、隔音等作用，主要由结构层、保温层、防水层构成，为达到采光目的也常在房顶上设置玻璃天窗。真空玻璃管式集热器由于外层玻璃为管状，难以与房顶结合为一体成为房顶组成的一部分，金属管板式集热器表面有一层玻璃板，可以起到防风、雨、保温、隔热、隔音的作用，可以成为房顶组成的一部分，但是金属管板式集热体本身刚性差，每件集热体都需要由金属外壳提供刚性，并且与玻璃真空管相似，一般寿命为15年左右，其间由于涂层性能衰减、真空度下降等因素，集热效果会受到影响，也由于两者价格较高等原因，导致性价比难以被建筑业普遍接受，实际上目前真正意义的太阳能房顶并不多见，本发明的热水容器适用于太阳能房顶和安装在房顶上 的太阳能热水器系统。

陶瓷太阳板结合承插接口、汇集端口可以在房顶上形成上下直通式水流循环，本身刚性好、成本低、寿命长、效率高，制造、安装方法相对简单，我国有全世界最庞大的陶瓷工业，可以实现大规模生产，我国至少在近二十年内仍处于大规模建设期，所以陶瓷太阳板、以陶瓷太阳板建造的陶瓷太阳能房顶可以形成大规模产业链。

太阳能热水器系统或太阳能房顶的热水容器一般为大型容器，可以采用不锈钢或普通钢板焊接而成，对大型容器来说，不锈钢板价格过高，而普通钢板容易腐蚀、寿命短、污染水质，为此提出以无机非金属材料制造的太阳能房顶热水容器。

(三)发明内容

本发明的目的：

以无机非金属材料制造太阳能房顶热水容器，以达到制造安装成本低、使用寿命长、不老化、不腐蚀、不会污染水质的目的。

本发明是这样实现的：

太阳能房顶热水容器可以设置在建筑物房顶上或房顶相邻的部位，房顶上太阳能集热器中的流体流经或流入该容器，该容器由水泥管和封头或带封头的水泥管或两个以上并上下相互连通的陶瓷水缸或两个以上并上下相互连通的陶瓷坛与保温材料、外墙壁组成，所述的水泥管是钢筋混凝土排水管或预应力混凝土输水管或预应力钢筒混凝土管或为减轻重量而专门制造的薄壁混凝土管或无筋水泥管或纤维水泥管，所述的组成热水容器的保温材料是指在装有封头的水泥管或有盖板的陶瓷水缸或有盖板的陶瓷坛的四周覆盖一层聚氨脂泡沫塑料，在其四周再填充散状或加入胶凝剂的保温材料，所述的外墙壁是指以普通建筑材料建造的普通建筑墙壁，南北墙壁之间有起到联结作用的构件，所述的太阳能房顶热水容器是用作常规的房顶太阳能热水器系统的热水容器或用作由陶瓷太阳板组成的陶瓷太阳能房顶的热水容器。

通常房顶具有几十至几千平方米的面积，太阳能房顶可以产生几吨至几百吨的热水，由于建筑物本身具有几千吨至几万吨或更大的重量，所以设计合理或改造合理的建筑物可以承担热水及其容器的重量。

太阳能房顶热水系统大致可分为自然循环和强制循环系统，采用自然循环系统时热水容器放在集热器的上方，被加热的水不断流经热水容器，使容器中的水升温，如图1、2、3、5、6所示，采用强制循环时热水容器可放在房顶最上端的下方如图4所示，温度传感器和电磁阀实现定温放水使达到一定温度的水流入热水容器，也可将容器置于集热器最下端的下方，太阳下山时可使集热器中的热水流入容器，取得更多热水，并避免气温下降时冻坏集热器， 这种方式对陶瓷太阳板也很适用。

水泥管、水泥容器用于输水、输气、输油、盛装热水已有许多年的历史，目前工业生产的水泥管的规格直径为0.3-4m，单管长度1-5m，不腐蚀、不老化、无有害物溶出而价格低廉，其连接和密封均已有相应的配件和施工方法，可适应制造各种容量的热水容器，现行标准要求水泥管具有较高强度，以抵抗如载重车辆等的碾压，若用于太阳能房顶热水容器，可进一步减薄壁厚，以减轻重量。陶瓷水缸和陶瓷坛是传统的冷、热水的容器，受制造工艺和市场需求的限制，目前批量产品单件容量一般为200至1000升，用于太阳能房顶热水容器时可以将多件制品上下连通，如图5所示，以加大容量，陶瓷水缸、陶瓷坛价格低廉，用作热水容器时也很容易分组使用，陶瓷太阳板系直通式结构，也容易分组，所以采用陶瓷水缸、陶瓷坛作为太阳能房顶热水容器更可适应住宅楼的分户使用。

水泥管、串通的陶瓷水缸、陶瓷坛在房顶上构成长条形的容器，其外墙壁一般东西方向为长壁、南北方向为短壁，为增加结构稳定，平行的长壁之间应设置拉筋或连接的构件，水泥管的月牙形承重底座可设计成为具有承重和连接构件双重作用的形式，在陶瓷水缸或陶瓷坛之间可设置长壁之间的连接构件。长条形的容器和外墙壁在房顶上构成条块状，其外观与墙壁无异，按建筑美学观点之一，整齐就是美观的观点，本发明所述太阳能房顶热水容器导致太阳能建筑美观、整齐的外形。

在水泥管、陶瓷水缸、陶瓷坛与外墙壁之间填充保温材料，以实现热水容器的保温，为实现更经济、有效的梯度保温效果，可在容器外壁覆盖一层密度相对较高、保温效果好的保温材料，如聚氨脂泡沫塑料等，在其他空间填充价格十分低廉的其他保温材料，如膨胀珍珠岩、蛭石粉、矿棉之类保温材料，也可加入一定量的胶凝材料以保持保温材料长期体积稳定性，达到长效保温的目的。

一般观点认为金属管板式集热体、真空玻璃管式集热体等最长使用寿命为15年左右，以普通钢板焊接的大型热水容器内敷防腐层，其使用寿命尚可与此相适应。以陶瓷太阳板、陶瓷承插接口、陶瓷汇集端口为主要构件，以硅橡胶、耐老化接合剂、无机胶粘剂、高性能水泥等为接合、密封材料构建的陶瓷太阳能房顶，理论上具上数十年以上的使用寿命，所以本发明所述的水泥管、陶瓷水缸、陶瓷坛为主要部件的太阳能房顶热水容器与陶瓷太阳能房顶具有更好的适应性。

水泥制管机一般采用悬辊式、离心式、挤压式等形式，在模具筒内壁的适当位置安装柱状零件，即可使水泥管壁上形成通孔，用以安装流体的连接管。

(四)附图说明

以下结合附图详细说明本发明的特点：

图1表示两端由封头密封、多根水泥管承插接合为一体的太阳能房顶热水容器，太阳能集热系统通过上下循环管在封头处与容器连接，集热系统与容器进行自然循环，在阳光作用下不断加热容器中的水。

图2表示两端由封头密封、多根水泥管承插接合为一体的太阳能房顶热水容器，每组太阳能集热器中被阳光加热的水由于密度变小而上升，通过出水管与筒壁上的连接孔进入容器中，容器下部相对温度较低的水经下方连接口通过下循环管进入集热器的下汇集管分流到各组集热器，再次被阳光加热上升，依次进行自然循环，不断被阳光加热，升高温度。

图3表示图2的侧面剖视图。

图4表示直流式太阳能热水系统，水泥管容器安装在房顶最高处的下方，阀门15、20关闭，阀门18打开，当集热器中的水达到一定温度时，传感器21指令电磁阀19打开，水压使集热器中热水流入容器中，当集热器中水温下降时，传感器21指令电磁阀19关闭，如此反复热水不断流入容器，用户用水时，关闭电磁阀19和阀门18，打开阀门15、20。

图5表示上下连通的一组陶瓷水缸组成的太阳能房顶热水容器，下连通管的下沿略高于内缸底，上连通管的上沿低于太阳能集热器工作时水缸内的液面。

图6表示图5的侧面剖面图。

图中：

1——测温、排气管  2——盖板  3——墙壁  4——水泥管侧封头  5——水泥管6——月牙形支撑构件，同时也是南北墙壁的连接构件  7——保温材料  8——上汇集管9——上出水管  10——下循环管  11——上循环管  12——太阳能集热器13——下进水管  14——下汇集管  15——阀门  16——三通  17——建筑物 18——阀门  19——电磁阀  20——阀门  21——温度传感器22——陶瓷水缸盖板  23——陶瓷水缸  24——水缸垫块25——南北墙壁的连接构件  26——上连通管  27——下连通管

(五)具体实施方案

实施例

1.6层住宅楼长约60米，宽约13米，居民36户，向阳单斜面房顶，倾角15度，建480平方米陶瓷太阳能房顶纵向分为6组，在房顶北部最高处建太阳能房顶热水容器，热水容器共采用72个220升陶瓷水缸，也分为6组，每组12个水缸，每组12个水缸互相上下串通，与每组80平方米陶瓷太阳能房顶形成太阳能集热系统，户均热水440千克，最高水温75℃，采用聚氨脂泡沫塑料、膨胀珍珠岩保温材料。

2.办公楼，向阳单斜面房顶，倾角25度，房顶面积3000平方米，建2800平方米陶瓷太阳 能房顶，在房顶最低处下方建太阳能房顶热水容器，容器采用内径Φ1.2米的水泥管，单根长度5米，承插连接总长70米，容水量79.1吨，夏季晴天最高水温可超过80度，采用72℃定温放水，下午3:30左右将集热器中水全部放入热水容器，热水容器采取良好的保温措施，以65℃以上的热水驱动吸收式空调，向最高一层2000平方米的办公室提供冷风。冬天将陶瓷太阳能房顶中的水放光，抽取陶瓷太阳板中被太阳加热的空气，输入室内，向2000平方米办公室提供暖气。

3.单层农村住宅，15×6米，向阳单斜面房顶，倾角20度，房顶面积约100平方米，建80平方米陶瓷太阳能房顶、20平方米陶瓷太阳能南墙面，北墙局部加固，北墙上建薄壁混凝土管热水容器，混凝土管内径0.6米，单节长度2米，共用4节，承插连接，全长8米，实际容水量2.1吨，容器保温良好，夏季晴天水温可达到约85℃，采用小型吸收式空调，为30平方米房间提供冷风。冬天放净陶瓷太阳板中的水，晴朗白天用小型风机抽取陶瓷太阳板中的热空气，经过混凝土管中专设的热交换器后进入房间，容器中水温提高，夜间空气仅在房间和热交换器之间循环，吸取容器中的热量，维持适当室温。此系统可在一年四季中为用户提供适量热水或温水。

4.如实施例3所述的太阳能集热系统，采用金属管板式集热器。

5.如实施例3所述的太阳能集热系统，采用真空玻璃管式集热器。

Claims (4)

1.一种陶瓷太阳能房顶热水容器，其特征在于：该容器由水泥管和封头或两个以上并上下相互连通的陶瓷水缸或两个以上并上下相互连通的陶瓷坛与保温材料、外墙壁组成，该陶瓷太阳能房顶以陶瓷太阳板、陶瓷承插接口、陶瓷汇集端口为主要构件，以硅橡胶、耐老化接合剂、无机胶粘剂、高性能水泥为接合、密封材料。

2.根据权利要求1所述的陶瓷太阳能房顶热水容器，其特征在于：所述的水泥管是钢筋混凝土排水管或预应力混凝土输水管或预应力钢筒混凝土管或为减轻重量而专门制造的薄壁混凝土管或无筋水泥管或纤维水泥管。

3.根据权利要求1所述的陶瓷太阳能房顶热水容器，其特征在于：所述的组成热水容器的保温材料是指在装有封头的水泥管或有盖板的陶瓷水缸或有盖板的陶瓷坛的四周覆盖一层聚氨脂泡沫塑料，在其四周再填充散状或加入胶凝剂的保温材料。

4.根据权利要求1所述的陶瓷太阳能房顶热水容器，其特征在于：所述的外墙壁是指以普通建筑材料建造的普通建筑墙壁，南北墙壁之间有起到联结作用的构件。

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