CN102230674A - 太阳能热水系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能热水系统，其特征在于：该系统包括依次相连的集热器（1）、变频泵（3）、水箱（4），设置在集热器（1）与变频泵（3）之间的膨胀罐（2）、控制器（5），该系统还包括设置在水箱（4）内的循环介质流道（9）、循环介质进水管（23）、电加热装置（15）、水箱测温管（17），分别与水箱（4）相连的热水出水管（11）、排污管（10），以及分别设置在热水出水管（11）、排污管（10）上的第一电磁阀（25）和第二电磁阀（26）。提高了水箱的热水出流率，加强了系统过热保护和节能优化控制，提升了系统性能。

Description

太阳能热水系统

技术领域

本发明的太阳能水箱设置了管状螺旋流道，通过改变水箱结构，强化了生活用水与循环介质之间的换热；通过在冷水入水口设置多孔式改进型结构，弱化水箱内水体热扰动，增加热水出流率。同时，系统依据集热器进出口温度和水箱水温的变化来控制变频泵转速和热水排水口与水箱排污口电磁阀动作，从而实现系统过热保护和节能优化运行，属于太阳能热利用领域。

 

背景技术

当近年来，随着太阳能企业的科普宣传和国家政策的引导支持，太阳能市场日渐繁荣，人们对太阳能的认知度和认识度不断提高。其中，作为太阳能产业之一的太阳能热水器行业实现了在全世界的应用和推广。

随着生活水平和使用要求的提高，人们提出了多种多样的太阳能水箱结构，主要包括直接换热和间接换热两种方式。直接换热方式的太阳能水箱虽然换热效果良好，但是不能保证水箱内水体卫生。普通间接换热形式的太阳能水箱虽然保证了水体的洁净卫生，但由于热损失较大导致浪费了大量蓄积的太阳能。为了保证水箱内水体的卫生和优化水箱结构，国内外专家学者提出了一种夹套式太阳能水箱，即在水箱内胆四周包裹一个夹套。循环介质通入内胆外壁与夹套内壁之间，与水箱内用水间接换热，而不直接将循环介质通入内胆中。这种设计虽然保证了水体的洁净卫生，但是仍存在一定缺陷。当循环介质进入夹套时，由于循环介质重力以及夹套阻力问题，容易造成循环介质只在内胆一侧进行换热或导致循环介质未通过夹套内壁与水箱中水进行充分热交换而直接流出几套，使内胆两侧换热不均，或者换热不充分，导致浪费大量换热面积，大量热量流失。这样不仅浪费了蓄集的太阳能，而且加热效果并不明显，影响人们的正常使用。

与此同时，人们通过日渐深入的研究发现，水箱内的水体温度存在高度方向的温度差，而且水体的扰动能够对这种热分层现象产生重要影响。当水箱内水体扰动较小时，水体温度随高度方向的变化较小，水体上层充满高温水，下层水的温度相对较低，上层高温水与下层低温水混合现象较弱，从而保证水箱热水的高效出流。当水箱内水体扰动较大时，上层高温水和下层低温水混合剧烈，不利于热水的使用。因此，如何避免水箱内低温进水对水体产生的扰动是提高水箱热水出流率的重要方法，而采用改进型进口结构就是降低低温进水对水箱内水体热分层现象影响的有效手段。

在集热器方面，由于夏季太阳辐射强度过高，热负荷较小，集热器的传热介质过热，蓄积的太阳能大量过剩，并引起炸管等问题，严重制约太阳能热水器系统的使用寿命和性能。冬季时，太阳能辐射强度过低且热负荷较大，集热器进出口温差较小，通过太阳能集热的意义并不大，循环管路辅助泵在运转的同时还需要启动电加热，浪费了大量能源。

 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种太阳能热水系统，强化了水箱的换热，提高了水箱的热水出流率，加强了系统过热保护和节能优化控制，提升了系统性能。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种太阳能热水系统，该系统包括依次相连的集热器、变频泵、水箱，

设置在集热器与变频泵之间的膨胀罐、控制器，

该系统还包括设置在水箱内的循环介质流道、循环介质进水管、电加热装置、水箱测温管，分别与水箱相连的热水出水管、排污管，以及分别设置在热水出水管、排污管上的第一电磁阀和第二电磁阀；其中， 

集热器上端的循环介质出口与水箱上端的循环介质入口相连；水箱下端的循环介质出口通过变频泵与连接膨胀罐和集热器下端的循环介质入口相通；

集热器的循环介质进口和出口分别加装有温度传感器，控制器分别控制这两个传感器和电加热装置、水箱测温管、热水出水管上的第一电磁阀、排污管上的第二电磁阀以及变频泵。

优选的，该水箱包括设置在箱体上的冷水进水口、外筒、设置在外筒内的内胆、夹套、循环介质流道、循环介质进水管和循环介质出水管，     其中，该内胆外壁包裹有夹套，内胆外壁和夹套内壁之间设置有循环介质流道，该循环介质流道沿内胆外壁螺旋向下，并与内胆和夹套相连，循环介质进水管与夹套顶部相连，循环介质出水管与夹套封盖下部相连。

优选的，循环介质流道顶端向上弯曲60°，另一端焊接有挡片，构成管状入水口，且管状入水口的高度低于循环介质进水管。

优选的，水箱的冷水进水口设有若干孔。

有益效果：

1.    本发明采用同时包裹内胆四周和底部的夹套结构，不仅保证了水箱水体的卫生，同时扩大了换热面积，提高了太阳能利用率。

2.    本发明通过采用波纹状内胆增强了循环介质的扰动，并且限制循环介质绕内胆做螺旋向下运动，强化循环介质与生活用水之间的换热，增强换热效率，提升了系统性能。

3.    本发明采用改进型进口结构减小了水箱上下层水体的混合程度，同时在水箱冷水进水口上部和热水出水口下部加装了一个多孔式挡板，减小了上下层水体的之间对流，进一步弱化了水箱内水体的纵向换热，提高了系统的热水出流率。

4.    本发明优化了水箱结构，充分利用了蓄积的太阳能，可以减少了辅助电能的消耗。

 

附图说明

图1是本发明的系统原理图；

图2是本发明的水箱正视图；

图3是本发明的水箱侧视图；

图4是本发明的水箱底部正视图；

图5是本发明的水箱A-A剖面图；

图6是本发明的水箱B-B剖面图；

图7是本发明冷水入水管处多孔式改进型进口结构示意图；

图8a是本发明螺旋管状流道顶端的管状入口正视图；

图8b是本发明螺旋管状流道顶端的管状入口侧视图；

图8c是本发明螺旋管状流道顶端的管状入口俯视图，

其中有：集热器1、膨胀罐2、变频泵3、水箱4、控制器5；顶部外封盖6、顶部内封盖7、内胆8、螺旋管状流道9、夹套10、外桶11、多孔式进水口12、循环介质出水管13、冷水进水管14、排污口15、热水出水管16、底部外封盖17、夹套封盖18、底部内封盖19、电加热装置20、发泡层21、测温管22、循环介质进水管23、带挡片的管状流道入口24、热水出水管电磁阀25和排污口电磁阀26。

 

具体实施方式   

本发明提出一种带新型水箱结构的分体式太阳能热水器系统，该系统中设计采用了一种新型夹套式水箱，改变了水箱循环介质的流动方式和冷水入水口的结构，综合提高了系统性能，节约了能耗；系统中采用新型太阳能热水器过热保护的控制方法，保证系统安全高效地运行。

本发明通过在水箱内胆和夹套外壁之间加装一种螺旋管状流道，以及在流道顶端设置一种弯曲管状进水口从而控制循环介质流动方向，同时夹套完全覆盖内胆底部，使循环介质在内胆四周和底部构成通路，强化循环介质与生活热水之间的间接换热，提高了太阳能利用率，提升了系统性能。同时水箱的冷水进水管采用了多孔式改进型进口结构，该结构能有效降低下层低温水与上层高温水的混合程度，保证热水的高效出流。

     本发明提出在水箱排污管和热水出水管加装电磁阀以及在循环管路加装变频泵，设置中央控制器，并通过设置温度传感器监测集热器进出口循环介质和水箱水体的温度。当集热器进出口温度或水箱内水体温度超过限定值时，控制器控制打开排污口电磁阀，排出高温水，同时市政冷水进入水箱，同时开启变频泵，通过加强循环介质与水箱中水的换热，将降低温度的循环介质送入集热器中，从而降低整个系统的温度，防止系统过热。另一方面，控制器通过监测集热器进出口温度差线性控制变频泵转速。当控制器监测到集热器进出口温差较小时，调节变频泵转速，减少循环介质流量，减少泵功，减少不必要的能量损耗；当集热器进出口温差逐渐增大时，控制器调节变频泵转速，增大循环介质流量，降低集热板温度，加强水箱换热，提高集热效率，控制器根据用户设定与用热水习惯判断用水时水箱温度是否达到设定温度，从而根据水温启动辅助电加热器。

本发明正是基于上述背景技术中所述的缺陷，设计出一种带新型水箱结构的分体式太阳能热水器系统。该系统的水箱采用了同时覆盖底部和四周的夹套结构，且在水箱内胆外壁和夹套内壁之间加装一种管状螺旋向下的流道，流道顶端设计采用了一种带弧度的管状入口，并与循环介质入口构成通路。这种流道限制了循环介质的流动方向，使循环介质能够同时沿管状流道内部和外壁做环内胆的螺旋向下流动，提高了热交换效率。同时，该水箱的冷水入水口采用了一种多孔式改进型进口结构，该结构能有效降低低温进水对水箱内水体热分层现象的影响，减少下层低温进水与上层高温水的混合，从而保证上层高温水的高效高质出流。

为保证系统正常运行，本发明在循环管路中加入小型变频泵，系统的过热保护是通过控制器监测集热器进出口温度和水箱内水体温度，继而控制变频泵运行和水箱排污口的电磁阀动作，排出系统的高温热水，冷自来水进入，此时，控制器控制循环介质的流动，冷却集热器，保证整个系统不会过热。同时，控制器依据集热器进出口温度差线性控制变频泵转速，调节循环介质流量，保证当集热器进出口温度差较小时，泵功消耗较小；当集热器进出口温度差较大时，集热板温度较低，集热效率较高，从而实现系统优化节能的目的。

本发明是一种带新型水箱结构的分体式太阳能热水系统。该系统通过设置中央控制器，利用一种新型控制方法对系统进行过热保护和节能优化控制。控制器监测集热器进出口温度和水箱内水体温度，当集热器进出口温度或水箱内水体温度大于预设值时，控制器打开排污管电磁阀，排出水箱内高温水，同时市政冷水进入水箱，此时，控制器控制变频泵转速，通过水箱与循环介质的换热，将降低温度后的循环介质送入集热器中，降低集热器的温度，从而防止系统过热。在节能优化方面，控制器根据集热器进出口温差线性控制变频泵转速。当集热器进出口温度差过小时，控制器调节变频泵转速，减小循环介质流量，降低泵功，减少不必要的能量消耗；当集热器进出口温度差增大时，控制器控制变频泵转速，增加循环介质流量，降低集热板温度，提高集热效率，优化系统性能，控制器也可以根据水箱中水温启动辅助电加热器。

本系统的水箱是一种带管状流道的新型夹套结构。一方面，该水箱通过在内胆外壁和夹套内壁之间加装螺旋管状流道改变循环介质的流动，同时流道顶端设置一种弯曲管状进水口，该结构能使循环介质自由地进入管状流道内部或沿管道外壁做螺旋向下流动，强化了水箱换热，提高系统性能。另一方面，水箱的冷水进水口采用多孔式改进型结构，这种结构能降低低温进水对水箱水体热分层效应的影响，减少水箱上下层水体的扰动，提高水箱热水出流效率。

本发明的系统包括集热器、水箱、控制器、变频泵、膨胀管及管路电磁阀，并在集热器进出口位置和水箱测温管内设置温度传感器。系统控制器监测集热器进出口温度、变频泵的启动、水箱内水体温度、电加热的启动以及水箱排污口和热水出水口电磁阀的动作。本系统的循环介质采用乙二醇/水的混合溶液。当太阳辐射过强时，控制器监测集热器传热介质进出口温度，如果集热器进出口温度超过预设阀值，控制器控制排污口电磁阀打开，排出水箱内高温热水，同时冷水流入，增大水箱换热温差，强化换热，此时，液态传热介质被压入膨胀罐且控制器控制减小变频泵转速，减少循环介质流量，从而实现集热器过热保护。当控制器监测水箱内水体温度超过95℃时，控制器控制打开排污口电磁阀，排出水箱内高温热水，同时冷水流入，保证水箱内水体温度不超过沸点。

本发明通过监测集热器进出口温度差从而线性调节变频泵转速来实现系统的节能优化控制。当集热器进出口温度差较小时，集热器效率较低，此时控制器线性调节变频泵转速，减小循环管路流量，从而降低泵功，节约了能耗；当集热器进出口温度差逐渐增大时，控制器线性增大变频泵转速，增大循环管路流量，从而加强水箱换热，降低集热板温度，提高集热效率。同时，控制器可以依据用户用热水时间及用热水温度的设定值控制电加热装置的开启，最终实现系统智能化的节能高效运行。

本系统的控制器同时控制水箱热水出水口电磁阀和排污口电磁阀的动作，保证水箱正常出水和排污。

本系统的水箱由内胆、夹套、发泡层、外桶、顶部外封盖、顶部内封盖、底部内封盖、夹套封盖、底部外封盖、螺旋管状流道、带挡片的流道管状入口、循环介质出水管、循环介质进水管、冷水进水管、热水出水管、测温装置、电加热装置、排污口、多孔式进水口及电磁阀组成。水箱夹套同时包裹内胆外壁和底部内封盖，并构成通路，同时螺旋管状流道与夹套和内胆紧密相连，并以6°倾斜角沿内胆外壁螺旋向下延伸。管状流道顶端向上弯曲60°，并焊接一挡板，同时循环介质进水管与夹套顶部相连，与管状入口构成通路，当循环介质流出循环介质出水管进入螺旋流道时，循环介质能够同时沿管状流道外壁或进入管状流道内部做螺旋向下流动，充分换热后富集于夹套底部，经与夹套封盖底部相连的循环介质出水管流出。

本系统水箱的冷水入水口采用多孔式改进型进口结构，并通过市政管网压力降冷水压入水箱。该进口结构呈90°水平弯曲，多孔设置在进口底部，冷水垂直于内胆底部流出。水箱进水通过该种方式进入内胆能够有效降低低温冷水对水箱内水体的扰动，从而减小水箱上层高温水与下层低温水的混合，保证水箱热水的出流率。当太阳能集热器不足以满足热负荷需要时，控制器启动电加热装置进行辅助加热。

本发明提供的太阳能热水系统，该系统包括依次相连的集热器1、变频泵3、水箱4，设置在集热器1与变频泵3之间的膨胀罐2、控制器5。

该系统还包括设置在水箱4内的循环介质流道9、循环介质进水管23、电加热装置15、水箱测温管17，分别与水箱4相连的热水出水管11、排污管10，以及分别设置在热水出水管11、排污管10上的第一电磁阀25和第二电磁阀26；其中， 

集热器1上端的循环介质出口与水箱4上端的循环介质入口相连；水箱4下端的循环介质出口通过变频泵与连接膨胀罐2和集热器1下端的循环介质入口相通；

集热器1的循环介质进口和出口分别加装有温度传感器，控制器5分别控制这两个传感器和电加热装置15、水箱测温管17、热水出水管11上的第一电磁阀25、排污管10上的第二电磁阀26以及变频泵3。

该水箱4包括设置在箱体上的冷水进水口12、外筒11、设置在外筒11内的内胆8、夹套10、循环介质流道9、循环介质进水管23和循环介质出水管13。     其中，该内胆8外壁包裹有夹套10，内胆8外壁和夹套10内壁之间设置有循环介质流道9，该循环介质流道9沿内胆8外壁螺旋向下，并与内胆8和夹套10相连，循环介质进水管23与夹套10顶部相连，循环介质出水管13与夹套封盖18下部相连。

循环介质流道9顶端向上弯曲60°，另一端焊接有挡片，构成管状入水口24，且管状入水口24的高度低于循环介质进水管23。

水箱的冷水进水口12设有若干孔。

本发明以新型的系统控制方法和水箱结构设计，解决了夏季太阳辐射过强时集热器过热炸管和冬季太阳辐射过低时耗费多余能量的问题，从而优化了系统的过热保护和节能控制，同时强化了水箱循环介质和生活用水之间的换热，减少了水箱低温进水对水体的热分层效应的影响，保证系统高效高质运行。

本发明为一种带新型水箱结构的分体式太阳能热水器系统，系统图如图1。该系统由集热器1、膨胀罐2、变频泵3、水箱4、控制器5组成。

本发明的水箱采用了新型的夹套结构，如图2。该水箱由顶部外封盖6、顶部内封盖7、内胆8、螺旋管状流道9、夹套10、外桶11、多孔式进水口12、循环介质出水管13、冷水进水管14、排污口15、热水出水管16、底部外封盖17、夹套封盖18、底部内封盖19、电加热装置20、发泡层21、测温管22、循环介质进水管23、带挡片的管状流道入口24、热水出水管电磁阀25和排污口电磁阀26组成。

本发明的集热器1进出口位置和水箱4的测温管22内加装温度传感器，控制器5连接控制集热器1进出口温度、变频泵3、电加热装置20、水箱测温管22、热水出水管电磁阀25和排污口电磁阀26。当太阳辐射过强时，控制器5监测集热器1进出口温度均超过130℃时，系统达到警戒状态，控制器5控制打开排污口电磁阀26，排出水箱4内的高温热水，同时低温冷水14进入水箱内胆8，此时，循环管路内的液态循环介质被压入膨胀罐2，控制器5控制减小变频泵3的转速，减小循环介质循环流量，直至集热器1进出口温度降低，警戒状态解除。当水箱4内测温管22温度达到95℃时，系统亦达到警戒状态，控制器5控制打开排污口电磁阀26，排出水箱4内高温热水，同时市政管网低温水14进入，水箱内水体温度降低，警戒状态解除。

系统正常运行时，集热器1进出口的温度传感器将温度信号转化为电信号传入控制器5，控制器5继而依据两者温度差对变频泵3的转速进行线性控制。当集热器1进出口温度差较小时，控制器5调节变频泵3转速，减小循环管路流量，从而降低泵功，在用户需要时启动电加热，减少多余能量的损耗；当集热器1进出口温度差增大时，控制器5调节变频泵3转速，增大循环介质流量，从而强化水箱4的换热，降低集热器1的温度，提高集热效率，从而实现系统优化节能控制。

本发明的循环介质从集热器1进入循环介质进水管23，流经带挡片的管状流道入口24，沿螺旋管状流道9与内胆8内的生活用水换热，换热完成后，再通过循环介质出水管13流出水箱4，进入集热器1，进行下一循环。

本发明的低温水经冷水进水管14通过多孔式改进型进口结构12进入水箱，并与循环介质进行换热，水体温度升高后密度减小，高温水位于水体上层，当用户需要时，控制器5控制打开热水出水管电磁阀25，上层高温水经热水出水管16流出供用户使用。

当用户需要时，用户亦可手动控制控制器5打开电加热装置20和排污口电磁阀26，进行电加热操作和排污操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (4)

1.一种太阳能热水系统，其特征在于：该系统包括依次相连的集热器（1）、水箱（4）、变频泵（3），设置在集热器（1）与变频泵（3）之间的膨胀罐（2）、控制器（5），

该系统还包括设置在水箱（4）内的循环介质流道（9）、循环介质进水管（23）、电加热装置（15）、水箱测温管（17），分别与水箱（4）相连的热水出水管（11）、排污管（10），以及分别设置在热水出水管（11）、排污管（10）上的第一电磁阀（25）和第二电磁阀（26）；其中， 

集热器（1）上端的循环介质出口与水箱（4）上端的循环介质入口相连；水箱（4）下端的循环介质出口通过变频泵与连接膨胀罐（2）和集热器（1）下端的循环介质入口相通；

集热器（1）的循环介质进口和出口分别加装有温度传感器，控制器（5）分别控制这两个传感器和电加热装置（15）、水箱测温管（17）、热水出水管（11）上的第一电磁阀（25）、排污管（10）上的第二电磁阀（26）以及变频泵（3）。

2.根据权利要求1所述的太阳能热水系统，其特征在于：该水箱（4）包括设置在箱体上的冷水进水口（12）、外筒（11）、设置在外筒（11）内的内胆（8）、夹套（10）、循环介质流道（9）、循环介质进水管（23）和循环介质出水管（13），     其中，该内胆（8）外壁包裹有夹套（10），内胆（8）外壁和夹套（10）内壁之间设置有循环介质流道（9），该循环介质流道（9）沿内胆（8）外壁螺旋向下，并与内胆（8）和夹套（10）相连，循环介质进水管（23）与夹套（10）顶部相连，循环介质出水管（13）与夹套封盖（18）下部相连。

3.根据权利要求2所述的太阳能热水系统，其特征在于：循环介质流道（9）顶端向上弯曲60°，另一端焊接有挡片，构成管状入水口（24），且管状入水口（24）的高度低于循环介质进水管（23）。

4.根据权利要求2所述的太阳能热水系统，其特征在于：水箱的冷水进水口（12）设有若干孔。

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