CN102589165A - 一种串联置换定温防冻太阳能热水器系统 - Google Patents

Abstract

一种串联置换定温防冻太阳能热水器系统，集热器与非承压存储式保温水箱采取串行连接方式，系统架构简单两者安装的相对位置可高可低灵活方便；整个系统不采用任何其它介质，通过机械阀的配合和利用自来水本身的能量实现零功耗防冻，采用全新的置换换热方法实现高速度高效率换热；水箱中的水温可控可预定，热水的利用率达到百分百。相比传统太阳能热水器不仅成本有优势而且具有更大的性价比。

Description

一种串联置换定温防冻太阳能热水器系统

技术领域

本发明涉及到一种不用任何其它非水介质，而实现的零功耗防冻和高速度换热的分体太阳能热水器。

背景技术

随着人们环保低碳意识的不断提高，越来越多的家庭使用太阳能热水器。由于太阳能热水器的集热器部分都需要安装在室外，在冬季气温低与0度的时候就有一个非常突出需要解决的问题，就是太阳能热水器的上下水管在室外显露的部分，甚至整个集热器都需要采取防冻措施，否则轻者上下水管冻住无法使用太阳能热水器，重者水管冻裂报废，集热器损坏。对于分体太阳能热水器目前普遍采用的防冻技术是采用防冻液介质进行防冻和换热，或采用水箱中的热水循环到集热器保温防冻法，或采用电加热的加温防冻法。

首先来看采用防冻液防冻的缺点：第一防冻液是一种有毒有腐蚀性容易挥发的液体，而水箱中的热水是用于人体洗澡、洗手、甚至洗菜有可能直接进入体内，这种潜在安全隐患始终存在，因此防冻液防冻绝不是一种安全可靠的方法；第二采用防冻液介质作为换热的介质，由于采用自然循环间接换热，降低换热效率；第三防冻液在使用一段时间以后需要补液或换液，增加后期维护成本；第四防冻液在防冻的同时降低防冻液温度，会造成白天需要更多额外的阳光来补充。因此采用防冻液防冻和换热更多是由于分体太阳能热水器目前系统架构的无奈之举，绝不是一个万全之策。

其次，再来看保温防冻方法或加温防冻法，这两种方法一则存在用电安全的问题，二则都需要消化额外的电能，也不是一种值得大力推广的方法。

有没有一种更好的系统连接架构、换热办法和防冻办法，使得整个太阳能热水器系统不采用除水以外的介质，零功耗来实现分体太阳能热水器的防冻，而且能加快太阳能热水器的换热速度。

发明内容

本发明就是为解决以上的问题而提出的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：系统包括非承压存储式保温水箱、承压集热器、呼吸阀、限压温控阀、水位控制阀、水路切换阀、出水加压阀以及连接各部分的管道组成；保温水箱与集热器采用串行连接，即水箱内胆与集热器之间只有一根逻辑连接管道，呼吸阀安装在集热器的热水出口处，然后再连接限压温控阀；自来水通过水位控制阀和水路切换阀以后首先进入到集热器，在集热器中被加热到预定温度后才允许被新进入的冷水置换进入非承压存储式保温水箱中储藏；水位控制阀、水路切换阀和出水加压阀通过相应的水管连接可以内嵌在水箱的保温层中与水箱构成一个整体，也可以外置在水箱体外。无论是内嵌在水箱体中还是外置在水箱体，水位控制阀、水路切换阀和出水加压阀与水箱之间以及各阀体之间的连接方式不变。

本发明所述的水位控制阀有两个接口，进水口和出水口，进水口接水箱的自来水入口，出水口与水路切换阀的C接口连接。该水位控制阀的功能是依赖水箱中的水位来决定该阀的关闭或开启，即如果水箱中的水位满，则水位控制阀关闭，进水口和出水口不通；反之，如果水箱中的水位不满则进水口与出水口相连通。

本发明所述的水路切换阀有四个接口，分别是A接口、B接口、C接口、D接口；A接口与存储式保温水箱内胆的出水口连接在一起，B接口为水箱的自来水出口，C接口与水位控制阀的出水口连接在一起，D接口与出水加压阀的吸水口连接在一起。该水路切换阀的功能是通过阀体内的转动装置，进行换档，不同的档位，四个接口之间的连通关系是不一样，该阀的转动档位面板可以安装在水箱的面板上，方便操作。根据本发明的要求该水路切换阀至少有以下三个档位，正常工作档位：A接口与D接口连通，C接口与B接口连通；防冻工作档位：B接口与D接口连通，C接口关闭，A接口关闭；应急工作档位：C接口与A接口连通，B接口关闭，D接口关闭。

本发明所述的出水加压阀有三个接口，分别是流入口、流出口和吸水口，流入口通过水管与水箱的自来水入口连接在一起，流出口与水箱的出水口在一起，吸水口与水路切换阀的D口连接在一起。该阀的功能是通过自来水从该阀的流入口流入，在流出口流出时，水流会在该阀的吸水口处产生吸水的压力，与吸水口连接的管道中的水会被该阀吸入并在该阀的流出口一起流出。从而也间接加大了水箱的热水出水压力。当然如果希望更高的出水温度或更大的出水压力，该阀可以用一个电控泵来代替。

本发明所述的呼吸阀具有一个连接口和通气口，连接口通过一个三通管串接在集热器的热水出口处，三通管的另一侧接限压温控阀的温阀入水口。该阀连接在三通管的中间接口，此阀的功能是依据管中液体的压力，液体的压强大于大气压强时，连接口封闭与通气口不通，相当于管中没有安装此阀；但管道中的液体压强小于大气压强时，连接口打开，与通气口连通，此部位与大气连通，也就是说通过此阀与大气连通。

本发明所述的限压温控阀有两接口，分别是温阀入水口和温阀出水口，温阀入水口上行连接与呼吸阀在一起的三通管，温阀出水口通过水管连接水箱的入水口。该阀的功能是在温阀入水口一侧的水温如果达到该限压温控阀的预定值，该阀的阀门就打开，水就可以流过该阀，从而流入到水箱中，反之，如果在温阀入水口一侧的水温低于该限压温控阀的预定值，该阀的阀门就关闭，言下之意水就流不过该阀，也就是说水流到此处被截止。调节此阀的温控预定值，就可以改变进入水箱的热水的温度。该阀还有一个限压功能，即温阀入水口一侧超过限定压力，阀门自动打开，压力下降，阀门恢复自动关闭。

本发明所述的非承压存储式保温水箱和集热器是两个独立体，两者之间安装的相对位置可高可低，但各阀的连接方式不变。也就是说本发明的太阳能热水器中的集热器相对水箱的安装位置可以比水箱高，也可以比水箱低。集热器安装位置比水箱高的应用可以在屋顶分体太阳能热水器上，集热器安装位置比水箱低的应用可以在阳台分体太阳能热水器上。

本发明的三种工作方式描述如下。

正常工作方式：自来水通过水管流入到水箱的自来水进水口，流入的水分成两路，一路通过水管流入到出水加压阀，由于此时没有用热水，此路水被堵塞在水管中不再流动；另一路从水位控制阀的进水口流入，由于水箱中的水位不满，水流从水位控制阀的出水口流出，流到水路切换阀的C口，C口在正常工作方式时与B接口连通，水流从B接口流出，通过水管流入到集热器的冷水入口，水流流过集热器，从集热器的热水出口流出，水流的压力是呼吸阀关闭，而水流的水温由于没有达到限压温控阀的预定温度，限压温控阀关闭，水流被滞留在集热器中。在集热器中的水被集热器逐步加热，等到水温被加热到限压温控阀的预定温度，限压温控阀打开，自来水重新开始流动，新进入集热器的自来水置换掉热水到水箱以后，限压温控阀重新关闭，等待下一次的冷水置换热水的过程，直到水箱中的热水满，水位控制阀关闭为止。从此换热过程的描述可以清楚了解本发明的换热不同于一般太阳能热水器的自然循环换热，是一种置换换热的方法。换热的速度远远超过自然循环换热的方法。

防冻工作方式：一般是指在预判由于天气原因，气温低，有可能会被冻的情况下才选择的工作方式。转动水路切换阀到防冻工作方式，水路切换阀的C接口关闭，A接口关闭，D接口与B接口连通，管道中没有自来水的压力，致使呼吸阀由于连接口对应的水失去压力，使呼吸阀的连接口与通气口连通；此时打开水箱的出水口，与D接口相连的管道中的水被出水加压阀吸出从出水口流出，这样从限压温控阀的温阀入水口一侧到D接口处全部抽完水，也就是说集热器中和与集热器连接的冷水管道都没有水，没有水就彻底实现防冻，而且整个过程除了用自来水以外，没有用任何其它的能量，实现了零功耗的防冻。

应急工作方式：这个工作方式主要是指由于连续几天都没有太阳，水箱中的热水太少或没有热水，而又需要水箱用电辅助加热来出热水可以采用此工作方式。转动水路切换阀到应急工作位置，C接口与A接口连通，D接口关闭，B接口关闭。自来水通过C接口与A接口直接流入到水箱中，水箱水满以后，水位控制阀关闭，回到正常工作位置，通过电加热水箱中的水。

本发明的有益效果是，不采用任何其它介质，利用机械阀和自来水本身的能量实现分体太阳能热水器的零功耗防冻和全新高速的置换换热方法，同时实现对太阳能热水器的水箱中的热水温度进行可控式定温。打破常规并行连接方式，本发明的非承压存储式保温水箱串行连接承压集热器，集热器不仅可以选用真空管式集热器和平板式集热器，而且不用任何电能实现两者安装的位置可高可低，非常方便。相对其它分体太阳能热水器，本发明具有非常大的成本优势和性价比。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1 是本发明水箱在上集热器在下的连接示意图。

图2 是本发明水箱在下集热器在上的连接示意图。

图中 201.非承压存储保温水箱，202.集热器，203.水位控制阀，204.限压温控阀，205.出水加压阀，206.水路切换阀，207.呼吸阀，301.水箱入水口，302.水箱内胆出水口，303.水箱自来水进口，304.水箱出水口，305.水箱自来水出口，306.水箱透气口，307.水箱外壳，308.水箱保温层，309.水箱内胆，310.集热器冷水入口，311.集热器热水出口，312.热水管，313.水箱辅助接口。

具体实施方式

 图1中，非承压存储保温水箱（201）安装在集热器（202）相对高一点的位置，此种安装位置在分体阳台壁挂太阳能热水器中普遍被采用。图中点划线以上的部分安装在室内，点划线以下的部分安装在室外；室内部分一般不考虑防冻问题，室外的部分需要考虑防冻。以下为描述简洁考虑，非承压存储保温水箱（201）用简化为水箱（201）。

图中，水位控制阀（203）、出水加压阀（205）和水路切换阀（206）通过水管相互连接后采取镶嵌在水箱（201）中，与水箱（201）成为一个整体，水路切换阀（206）的换档开关设置在水箱（201）的面板上，便于操作；这些阀体与水箱（201）成为一个整体以后，对于水箱（201）来说至少有以下的几个接口：水箱入水口（301），水箱出水口（304），水箱自来水进口（303），水箱自来水出口（305），水箱透气口（306），水箱辅助接口（313）。其中水箱辅助接口（313）可根据需求开置1个或多个。本发明也不排斥这些阀通过水管连接后外置在水箱（201）外面，各自独立。

水箱（201）体内的水管连接，水箱自来水进口（303）进入水箱体内分两路，其一，通过水管连接到出水加压阀（205）的流入口，出水加压阀（205）的流出口连接水箱出口（304），出水加压阀（205）的吸水口与水路切换阀（206）的D接口相连；其二，通过水管与水位控制阀（203）的进水口相连，水位控制阀（203）的出水口通过水管与水路切换阀（206）的C接口相连；水路切换阀（206）的A接口与水箱内胆出水口（302）连接在一起，水路切换阀（206）的B接口与水箱自来水出口（305）连接在一起。

水箱（201）体以外水管的连接，自来水通过水管与水箱自来水进口（303）连接在一起，水箱自来水出口（305）通过水管与集热器（202）的集热器冷水入口（310）连接在一起，集热器热水出口（311）连接一个三通管，三通管的中间接口连接一个呼吸阀（207），三通管的另一侧连接一个限压温控阀（204），限压温控阀（204）的另一侧通过水管连接水箱入水口（301）；水箱出水口（304）通过水管接水龙头。

从以上的水管连接来看，外形上看，集热器（202）与水箱（201）之间也存在两根连接管，一根是水箱的自来水出口（305）通过水管与集热器（202）的集热器冷水入口（310）连接；另一根是集热器（202）的集热器热水出口（311）通过水管与水箱（201）的水箱入水口（301）连接；但是逻辑上，集热器（202）与水箱（201）的水箱内胆（309）之间只有一根水管连接，即热水管（312）参与了集热器（202）与水箱（201）之间的换热，整个系统有此仅此一根参与换热，另一根水管只是物理连接并不参与两者之间的换热，因此逻辑上集热器（202）与水箱（201）之间还是一种串联。这是本发明与传统太阳能热水器集热器与水箱之间存在两根或两根以上的换热通道完全不同，传统的太阳能热水器集热器与水箱之间是并联方式。

本发明的工作过程，工作状态，水路切换阀（206）的档位放置在“工作”状态，C接口连通B接口，D接口连通A接口。图示中带箭头的黑实线，自来水通过水箱自来水入口（303）流入到水位控制阀（203）的进水口，由于水箱中水位不满，水位控制阀（203）的阀门始终打开的，自来水从水位控制阀（203）的出水口流出，通过水管流入到水路切换阀（206）的C接口，从B接口流出，流到水箱自来水出口（305），从水箱自来水出口（305）出来的水通过水管流入到集热器冷水入口（310），通过集热器（202）从集热器热水出口（311）流出，由于自来水本身的压力使得呼吸阀（207）关闭，自来水的温度没有达到限压温控阀（204）的预定阀门开启温度，限压温控阀（204）关闭阀门，使自来水滞留在集热器中停止流动。

在集热器（202）内的水通过集热器不断地吸收太阳能量加热水的温度，当水的温度加热到限压温控阀（204）的阀门开启预定温度，阀门打开，自来水重新开始流动，新进来的自来水通过自身的能量把已经加热的水置换到达水箱（201）中保存，同时由于新进来的自来水温度低，使得限压温控阀（204）的阀门重新关闭，自来水停止流动，等待下一次的冷水置换热水的过程，一直到水箱中的热水满，关闭水位控制阀（203）才停止这种置换换热的过程。这种置换换热的方法相比传统太阳能热水器自然换热的方法换热速度和换热效率都有非常巨大的提高，而且水箱中的水温是确定的可控的。

防冻状态，水路切换阀（206）的档位放置在“防冻”状态，D接口与B接口连通，C接口关闭，A接口关闭；由于管路中失去自来水的压力，使得呼吸阀（207）的阀门打开与大气连通。图示中带箭头的虚线，打开水箱出水口（304）管路中的水阀，使从水箱自来水进口（303）进来的水快速流过出水加压阀（205），出水加压阀（205）在吸水口处产生吸力，把与D接口连通的管道中的水全部吸出，把有可能要防冻的水管和集热器全部抽空，彻底实现防冻。此情况下，热水管（312）由于限压温控阀（204）的存在，此段水管是不排空的，因为此段水管上接水箱（201）中的热水，加上水管进行保温措施，一则不容易冻，二者即使冻了水管也不会冻坏。整个过程除了自来水参与以外，没有任何其它的能量参与，实现零功耗。

应急状态，水路切换阀（206）的档位放置在“应急”状态，C接口与A接口连通，B接口与D接口关闭。此种情况是在水箱中没有热水或热水太少不够用时才使用的，没有通过集热器加温的自来水直接进入水箱，这些进入水箱（201）的冷水，通常情况需要电辅助加热，相当于此时的水箱（201）就变成电热水器。应急状态加满水以后就可以回到“工作”状态，通过电加热水，然后开始使用热水。

图2所示，是集热器（202）安装的相对文字比水箱（201）的位置高，此种安装位置可以应用在集热器（202）安装在屋顶，水箱（201）安装在室内。连接方式和工作方法与图1相同不再描，唯一不同点热水管（312）平常里面没有水不需要防冻处理。

综上所述，一种串联置换定温防冻太阳能热水器，集热器串联连接非承压存储式保温水箱，架构简单两者安装的相对位置可高可低；通过机械阀的配合和利用自来水本身的能量实现零功耗防冻，采用全新的置换换热方法实现高速度高效率换热；水箱中的水温可控可预定，热水的利用率达到百分百。相比传统太阳能热水器具有非常大的性价比。

 以上阐述了本发明的基本原理和主要特征，本发明不受实施条例的限制，在不脱离本发明的基本原理和主要特征的前提下所作出的改进和变化，都应落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种串联置换定温防冻太阳能热水器系统，其特征是：系统包括非承压存储式保温水箱、承压集热器、呼吸阀、限压温控阀、水位控制阀、水路切换阀、出水加压阀以及连接各部分的管道组成；保温水箱与集热器采用串行连接，即水箱内胆与集热器之间只有一根逻辑连接管道，呼吸阀安装在集热器的热水出口处，然后再连接限压温控阀；自来水通过水位控制阀和水路切换阀以后首先进入到集热器，在集热器中被加热到预定温度后才允许被新进入的冷水置换进入非承压存储式保温水箱中储藏；水位控制阀、水路切换阀和出水加压阀通过相应的水管连接可以内嵌在水箱的保温层中与水箱构成一个整体，也可以外置在水箱体外。

2.根据权利1所述的一种串联置换定温防冻太阳能热水器系统，其特征是：所述的水位控制阀有两个接口，进水口和出水口，进水口接水箱的自来水入口，出水口与水路切换阀的C口连接。

3.根据权利1所述的一种串联置换定温防冻太阳能热水器系统，其特征是：所述的水路切换阀有四个接口，分别是A接口、B接口、C接口、D接口；A接口与存储式保温水箱内胆的出水口连接在一起，B接口为水箱的自来水出口，C接口与水位控制阀的出水口连接在一起，D接口与出水加压阀的吸水口连接在一起；通过水路切换阀的不同档位实现四接口之间不同的连接关系，具有正常、防冻、应急三个工作状态。

4.根据权利1所述的一种串联置换定温防冻太阳能热水器系统，其特征是：所述的出水加压阀有三个接口，分别是流入口、流出口和吸水口，流入口通过水管与水箱的自来水入口连接在一起，流出口与水箱的出水口在一起，吸水口与水路切换阀的D口连接在一起。

5.根据权利1所述的一种串联置换定温防冻太阳能热水器系统，其特征是：所述的呼吸阀具有一个连接口和通气口，连接口通过一个三通管串接在集热器的热水出口处，三通管的另一侧接限压温控阀的温阀入水口。

6.根据权利1所述的一种串联置换定温防冻太阳能热水器系统，其特征是，所述的限压温控阀有两接口，分别是温阀入水口和温阀出水口，温阀入水口上行连接与呼吸阀在一起的三通管，温阀出水口通过水管连接水箱的入水口。

7.根据权利1所述的一种串联置换定温防冻太阳能热水器系统，其特征是，非承压存储式保温水箱和承压的集热器安装的相对位置可高可低，各安装阀的连接位置不变。

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