CN102305430A - 一种适宜热带地区使用的新型太阳能热水系统 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种适宜热带地区使用的新型太阳能热水系统，它将现有的太阳能热水系统进行空间分离，分割为太阳辐射集热储水和辅助热源供水两个子系统。供水系统可再分为集中、分散及其组合的分系统。系统间通过连接管将储水箱与供水箱连为一体，构成新的太阳能热水系统。在新系统中，储水系统只起存储太阳能热水的作用，而供水系统则只起转移和调控太阳能热水，提供用户用水的作用，两者功能清晰单一。为确保系统运行正常，采用浮球阀，自动控制储水箱与供水箱进出水始终处于动态平衡中，集热器缺水乾烧与用户供水不足情况都不会出现。与现有系统比，本发明具有保持现有系统优点；消除现有系统不足，简化系统控制与管理、没有引入新的缺陷等优点，能够实现投资与节能的理想化效果。

Description

一种适宜热带地区使用的新型太阳能热水系统
技术领域：
本发明属于太阳能热水利用领域，涉及一种适宜热带地区使用的新型太阳能热水系统。
背景技术：
现有太阳能热水系统由集热器、储水箱、辅助加热装置、输送管道及其控制系统组成，经多年研发与推广应用，技术、工艺、匹配已相当成熟和完善，形成了数百亿规模的产业。就太阳能热水技术系统本身而言，挖掘潜力有限。若将其放在与气象资源和人组成的超系统中，则存在诸多弊端：(1)现有太阳能热水系统中共存两种供热能源，一是不可控的无价随机绿色的太阳辐射能，追求能源利用的最大化，设计产水量，以天为单元；二是可控的有价非绿色辅助能源，它是为调控太阳能热水，满足用户用水随意性、舒适性而附加的热源，它追求能源耗量的最小化，设计供水量以小时为单元。两者功能标的不同，组合为一体，既造成无价绿色的太阳能利用不充分，又造成有价辅助能源的过度耗费，还增加控制系统和管道系统的复杂性而提升工程成本等问题；(2)现有热水系统主体设备的寿命周期不一，集热器与储水箱使用寿命高达15年，而辅助能源设备与控制系统的寿命周期只有几年，加上安装场地的灵活性(一般在楼顶)较差，增加了管理和维修的难度；(3)太阳能利用是典型的气象产品，我国疆域辽阔，气象条件(太阳辐射、气温、降水等)千差万别，但现有太阳能热水系统中集热器、储水箱、辅助加热等主体设备的容量配置基本按1∶1∶1比例配置，既同容量配置，没有体现气象产品的差异性。在热带地区使用存在设计容量偏大的现象，不仅初期投资比内地高，而且节能效果也不理想，如果一次性投资大或使用收费偏大，都会阻碍在民间的推广应用。(4)现有太阳能热水系统的储水箱是将不同性质能源加热、存储、供水组合为一体的装置，为满足不同的功能要求，增加了控制难度，也提高了制造成本。
发明内容：
本发明为解决上述问题，在《一种适宜热带地区太阳能热水工程主体设备配置的设计方法》(专利号201010272073.8)和在集热面积3.6m2、贮水箱300升、电辅助加热的太阳能热水系统中进行逐日逐时工况(水温与水容量)变化试验基础上，应用TRIZ理论的三轴分析、物场矛盾分析的基础上提出的，一是将现有的太阳能热水系统进行空间分离，分割为太阳辐射集热的储水系统(以下简称储水系统)和带辅助热源的供水系统(以下简称供水系统)两个子系统，而供水系统，根据用户需求可再分割为集中供水、分散供水及其组合匹配的分系统；二是通过连接管路将储水系统与供水系统集成为新的太阳能热水系统。在新系统中，储水系统只起存储太阳能热水的作用，而供水系统则只起转移和调控太阳能热水，满足用户对水温和用量需求的作用，两者功能作用清晰单一，有利于简化控制与管理。三是储水系统设备容量配置按上述专利提供的设计方法确定，供水系统的设备配置按用户小时变化用水量与供水温度确定。四是太阳能集热器只与储水箱水发生热交换作用，而辅助热源设备只与供水箱水发生热交换作用。它们的配置设计比例为，热带北缘地区为3∶1，中热带和赤道热带地区为4∶1。为确保两子系统的正常运行，储水箱与供水箱在任何时候都装满水，处于动态平衡中。五是热带地区无严寒冰冻，连续无太阳辐射的天数少，加上储水箱循环水提升水温的影响，在任何气象条件下，储水箱内的水温都高于自来水温度，根据2010.5-2011.4(扣除7-9月因假期与出差)300升太阳能热水器的水温变化试验结果显示，有效统计天数占统计天数90％的情况下，晚上用水温度平均66度，而早晨进水装满水后的温度平均54度，即使在最冷的1-2月，在不用电加热的32天中，晚上用水温度平均49度，而早晨进水装满水后的温度平均43度，高出自来水(地下水)20度以上，在电加热的不足1个月的时间内，也要高出补充水的温度10度左右。可见储水箱每天的剩余水(特别是冬天)对提升水温作用是十分明显的，非常有利于节约常规能源。总之，与现有太阳能热水系统相比，本发明具有保持现有系统优点；消除现有系统不足，简化系统控制与管理、没有引入新的缺陷等优点，能够实现投资与节能的理想化效果。
解决本发明技术问题的技术方案是：(1)确定储水系统设备配置的容量。根据专利号201010272073.8说明书提供的计算方法配置集热器面积与储水箱容量，以集热器平均日产55度热水100吨为例，热带北缘地区配置的储水箱为150吨，中热带与赤道热带地区配置为130吨，即按1∶1.5与1∶1.3的比例配置。(2)确定供水系统设备配置的设计容量。供水系统是新系统中独立于储水系统的子系统，它与储水系统的关系只是提供太阳能水的关系，不参与太阳能的热交换。其配置容量只与用户的用水温度、环境气温与用水量有关，简化为一个可控的常规能源加热系统的处理问题，国家建筑给水排水设计规范(GB 50015-2003)第五章热水及饮水供应中已经明确给出了各种加热设备与供水箱容量的计算公式与设计参数。值得指出的是，常规能源是可控能源，按连续小时用水变化系数确定水箱容量，因此可根据用户需求与进水温度确定。在热带北缘地区，配辅助加热的供水箱总容量相当于储水箱容量的1/3，中热带和赤道热带供水箱总容量相当于储水箱容量的1/4，就能满足用户在最冷天气对洗浴水温度的要求。(3)通过保温水管将储水箱与供水箱连接为一体，管的一端连接储水箱底侧部的太阳能热水出口，另一端连接供水箱顶部的进水口，为确保储水箱太阳能水单向进入供水箱，在连接管上安装止回阀与循环泵。(4)为确保系统运行正常，储水箱的水在任何时间都能满足供水箱的进水需要，采用浮球阀(或水位传感器)自动控制两类水箱的进水和出水，即在供水箱使用太阳能热水时，同时自来水也补进储水箱，两水箱进出水时刻处于动态平衡中，即不出现集热管缺水乾烧情况，也不出现用户用水不足的情况。(5)在新系统中，储水系统，只起存储太阳能水的作用，与建筑物备用的储水箱、水塔等的功能作用一样，区别就是存储了高于自来水温的太阳能水。在已定太阳能集热器面积和储水箱容量的条件下，因受多种随机变量(日辐射甚至时辐射、气温、人用水量等)影响，水温是无法人为控制的，也控制不了。因此，附加在系统中的控制系统都是多余的，从而可大大简化控制，降低系统投资费用。供水系统实质上是一个(一组)常规能源加热水的装置，有十分成功的经验可供借鉴，所不同是将进水改用太阳能热水，因用户而异达到最充分地利用太阳能和最经济地使用常规能源的效果。鉴于供水系统相对独立于储水系统，因此可以分割户，有利于物业管理，特别是在建设现有居民小区太阳能热水工程时，可以充分利用居民原有的洗浴设备，只建控制单一的太阳能储水系统，使初期投资大幅降低，也为政府实施太阳能扶持政策提供了理论依据和规范开发商市场行为的作用。
附图说明
以下结合实施例附图对本发明作进一步的描述
图1为太阳能储热水系统与辅助热源集中供水系统组成的新系统结构示意图
图2为太阳能储热水系统与辅助热源分散供水系统组成的新系统结构示意图
图中将新型太阳能热水系统分割为太阳能储水系统与辅助热源供水系统。储水系统由集热器、储水箱、管路、循环泵、阀门等组成，充分发挥储能功效；而辅助热源供水系统由供水箱(或家用热水器)、辅助热源、水温水位控制器、热水表、管路、循环泵、阀门等组成，在满足用户需求前提下，充分发挥节约常规能源的功效。储水箱底侧部的热水出口通过保温连接管与供水箱顶部的进水口相连，为确保储水箱太阳能水单向进入供水箱，在连接管上安装止回阀与循环泵。当系统运行时，储水箱进自来水与供水箱供热水处于动态平衡中，确保太阳能集热和用户用水的需要。为确保储水箱的水在任何时间都能满足供水箱的进水需要，采用浮球阀(或水位传感器)自动控制两类水箱的进水和出水，即在供水箱使用太阳能热水时，同时自来水也补进储水箱，两水箱进出水时刻处于动态平衡中，即不出现集热管缺水乾烧情况，也不出现用户用水不足的情况。
具体实施方式：
本发明根据不同用户类型，有多种实施方式，附1、2是两种基本类型的实施方式。
实施例1：如图1所示，本发明为太阳能储水系统与辅助热源集中供水系统组合的结构示意图，它适用于宾馆、医院等类型建筑物。运行调节是这样的，当系统处于平衡状态，储水箱停止进冷水，供水箱停止出热水，即同时达到注满水状态时，两系统按各自的热源进行工作。储水系统在有辐射的时段，集热器水与储水箱的水通过温差循环，不断提升储水温度，无辐射时段，系统处于保温状态；而供水系统则是以供给的太阳能水温而定，太阳能水温(T1)大于供水箱设定水温(T2)时，供水箱水处于保温状态，太阳能水温偏低，即T1＜T2时，启动辅助热源，提高水温到T2。但当用户使用热水时，上述平衡破坏，水的运行路线是：用户取水，供水箱水位下降，与此同时，储水箱供应太阳能水到供水箱，达到设定水位；储水箱供水后，水位下降，自来水自动进水，达到设定水位后，又形成新的平衡。如此循环，始终保持两系统的进、出水处于动态平衡中。由于储水箱容量大于供水箱容积3-4倍，因此，供水箱间断短时(容量/小时)的用水量，对储水箱的水温下降不会造成多大影响。根据上述太阳能热水器工况运行试验证实，在不用辅助热源期间内，每天用户用水占储水容积的一半时，加冷水到全容积时，平均水温由66度下降到54度，降温12度，对全天候供应太阳能热水的系统基本不产生影响。
实施例2，如图1所示，本发明为太阳能储水系统与辅助热源分散供水系统组合的结构示意图，它适用于太阳能热水需要收费的居民小区建筑物。系统运行完全与实施例1相同，所不同的，储水箱的太阳能热水，通过循环增压，直接连接到每户的家用热水器，太阳能热水表也装配到户。由于家用热水器类型多样，在与太阳能热水接口连接上应有不同的要求与选择，如电加热器、热泵加热器的连接与图1所示要求相同；快速电加热器、天然气加热器、燃气加热器等则需要在进水接口处安装测温探头与这些加热器的控制器相连，当进入的太阳能水温小于探头设定温度时，加热器启动，提升太阳能水温，达到洗浴要求；若大于设定温度时，加热器停止启动，直接使用太阳能水。在热带地区太阳能热稳定性好，在任何天气时候，太阳能水的温度都大于自来水温，家用热水器直接使用太阳能水，能够大幅减少常规能耗，而且缩短加热时间。按户供应价格低廉的计量太阳能热水，有利于太阳能热水利用在热带地区大面积的普及和推广，能够实现五赢，一是用户满意，低廉的太阳能热水到户，水用量与计费同步，做到心中有数，不会出现水费平均分摊的现象；二是物业管理满意，按热水表耗量收费，不会出现扯皮，收费困难的现象；三是政府满意，将太阳能补助费集中用于太阳能储水系统，不仅可减少不必要的补贴支出，还可利用有限的资金，扶持更多的居民小区应用太阳能，把钱用在点子上；四是开发商满意。居民小区只建太阳能储水系统，大幅降低太阳能热水工程造价和低廉的热水费用，有利于太阳能在居民小区的推广和普及；五是建设设计和主管部门满意。本发明的特点之一，就是增加了系统各组件的机动性，在系统中，除集热器需要安装在阳光充足的户外外，其他组件都可安装在户内任何空间，新系统的储水箱，只起储水作用，和一般储水箱一样，可安装在地下室(这是不少太阳能开发商总结的经验之一)，供水箱分散到户。这样非常有利于建筑设计布局，推进建筑一体化的进程。

Claims (4)

1.将现有的太阳能热水系统分割为太阳辐射集热的储水系统(以下简称储水系统)和带辅助热源的供水系统(以下简称供水系统)两个子系统，而供水系统，根据用户需求可再分割为集中供水、分散供水及其组合匹配的分系统。
2.通过保温水管将储水箱与供水箱连接为一体，管的一端连接储水箱底侧部的太阳能热水出口，另一端连接供水箱顶部的进水口，为确保储水箱太阳能水单向进入供水箱，在连接管上安装止回阀与循环泵。在新系统中，储水系统只起存储太阳能热水的作用，而供水系统则只起转移和调控太阳能热水，满足用户对水温和用量需求的作用，两者功能作用清晰单一，各司其职，利于控制与管理。
3.采用浮球阀，自动控制储水箱水与供水箱水始终处于动态平衡中，确保不出现集热管缺水乾烧与用户供水不足的情况。
4.储水箱与供水箱容量配置比例为：热带北缘地区为3∶1，中热带和赤道热带地区为4∶1；辅助热源容量与供水箱容量相当，也可根据供水水温与实际用水量估算确定。
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