CN102706000A - 一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器 - Google Patents

Abstract

一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，是一台在具备防冻功能的同时又具备抗冻功能的分体式太阳能热水器，而且这两种功能的互换及实现完全是基于零耗电，不依赖于任何的外界的电能，在不同的地区或同一个地区不同的气候环境中，可以交叉使用或选择使用，给客户带来极大的方便性。防冻不耗电，抗冻不用防冻液。系统采用单回路高效直接置换换热，不仅热效率高，而且系统成本低，性价比超高。整个装置采用全机械结构，安全又可靠。彻底解决类似平板集热器的防冻和抗冻，是一台真正高效方便零耗电的全天候太阳能热水器，具有非常大的推广使用价值。

Description

一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器

技术领域

本发明涉及到一种兼有防冻功能和抗冻功能的分体式太阳能热水器系统，属于太阳能热水器领域。

背景技术

随着节能环保的不断深化，越来越多的人们开始选择使用太阳能热水器，我们国家各地区的气候条件相差非常大，这就要求生产的太阳能热水器能满足各地区气候的要求，太阳能热水器可以根据各地日照的不同，采取不同的集热器面积和水箱容积的配置，但是另外的一个比较严重的问题是，各地区的气温相差非常大，零度以下的温度的天数不尽相同，如何根据每个地区的不同气候条件，经济合理方便解决太阳能热水器的冰冻而损坏太阳能热水器。是所有太阳能热水器制造商必须要考虑的问题。随着城市太阳能热水器的普及，与建筑一体化的趋势越来越高，平板集热器的应用会更加多。而要普及推广平板集热器的太阳能热水器，首先必须要有一个高效经济合理的防冻抗冻技术解决方案。目前市场上推广使用的平板太阳能热水器的抗冻解决方案主要是采用防冻液，系统采用双回路自然循环间接换热，成本高热效率低，而且还有安全隐患；防冻解决方案主要是采用循环泵，依赖电能强制换热，到设定温度用水箱中的热水循环到集热器中来防冻，系统架构复杂，依赖电能增加使用成本，停电则无法使用；还有的防冻方案是落水排空，对集热器和管道的安装有严格的限制，无法大范围推广使用。这几种方案都是相互独立使用，有没有更加理想的防冻抗冻技术，根据不同地区的气候条件或同一地区不同时间段由客户灵活选择性价比更高更方便的防冻抗冻技术方案。

发明内容

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案是：一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，该系统包括，集热器、贮热水箱、水路切换阀、气水混合阀、出水加压阀、水路开关阀、温控装置以及各部分之间的连接管道共同构成；集热器通过温控装置与贮热水箱串行连接；其中的水路切换阀、水路开关阀、气水混合阀、出水加压阀通过管道连接后内置在贮热水箱的内胆与外壳之间或作为一个组合阀体以独立体的形式存在于水箱体以外，水路切换阀和水路开关阀的转动面板可以镶嵌在贮热水箱的外壳上或独立体的面板上。

其中水路切换阀，具有四个接口，分别是A、B、C、D四接口，通过阀的转动可分别实现至少三种连通位置：AB通且CD通，只有AD通，只有CB通；D接口连接贮热水箱的出水口，C接口连接到出水加压阀的吸水口，B接口连接到水路开关阀的入水口，A接口连接到自来水进水口。

其中水路开关阀有三个接口，分别是a接口、b接口、c接口，通过转动实现a接口与b接口连通，或a接口与c接口连通；a接口即为水路开关阀的入水口，连接到水路切换阀的B接口，b接口连接到集热器的入水口，c接口连接到气水混合阀的入水口。

其中气水混合阀有三个接口，分别是入水口、出水口、吸气口，入水口与水路开关阀的c接口连接，出水口通过一个三通与集热器的入水口联在一起，吸气口直接与大气连通，或通过管道与贮热水箱的透气口联在一起。气水混合阀的作用是从气水混合阀的入水口流入的水，会自动混入固定比例的空气然后在出水口流出，也就是说从气水混合阀流出的水流不再是单纯的水，而是空气和水混合的液体。

其中出水加压阀，有三个接口，分别是入水口、出水口、吸水口，入水口接自来水，吸水口连接到水路切换阀的C接口，出水口连接到热水管道。水流从入水口流入，会在吸水口产生负压，从而实现比较大的吸水力，然后从出水口流出。使得从出水加压阀出水口流出的水流是一种有压水流。

其中的集热器，是一种承压集热器，至少具有一个入水口和一个出水口，集热器的出水口处安装有温控装置。集热器可以是平板集热器，也可以是真空管式集热器。

其中的温控装置，包含一个温度控制阀和排空控制阀，两个阀相互独立通过三通连接，或设计在一起成为一个整体，有一个进水口和出水口，具有排空功能的还有一个呼吸口。温控装置在集热器内的水温没有达到温控装置的预定温度，则把水截留在集热器中，如果水温达到，则把集热器中的水输送到贮热水箱中，这种形式的换热称为置换换热，换热效率远远超过自然循环换热。

 其中的贮热水箱，具有三层构造，分别是内胆、保温层和外壳，至少具有进水口、出水口、透气口和辅助接口。辅助接口的数量和类型，根据实际情况配置。

其中的独立体，是有水路切换阀、水路开关阀、气水混合阀、出水加压阀通过管道连接后构成独立于水箱体以外的一个组合阀体，独立体上的接口，通过管道分别与自来水、贮热水箱、集热器、热水管道连接构成本发明的另一种表现形式。功能和性能与组合阀体内置在水箱保温层中相同。水路切换阀、水路开关阀和气水混合阀还可以进一步改进成为一个单体综合阀。

本发明各部分管道的连接是，自来水接口连接到一个三通管，水流分成两路，一路连接到水路切换阀的A接口；另一路连接到出水加压阀的入水口；水路切换阀的B接口通过水管连接到水路开关阀的a接口上，水路开关阀的b接口通过一个三通管连接到集热器的入水口，集热器的出水口通过连接到温控装置入水口，温控装置的出水口通过水管连接到贮热水箱的进水口，贮热水箱的出水口连接到水路切换阀的D接口，水路切换阀的C接口连接到出水加压阀的吸水口，出水加压阀的出水口连接到外接的热水管道上。如此构成一个水路的水环流，此水路的连接是在正常集热和正常使用热水的状态中，如果某些情况需要防止冰冻，则通过水路切换阀的转动，使水路切换阀只有CB连通状况下，通过出水加压阀的吸水口的吸水，实现集热器及连接管道的抽空，由于集热器和管道中无水从而实现防冻。不需要防冻时，人工要重新转动水路切换阀到正常位使得AB连通且CD连通。是否需要防冻有人工进行操作。

在水路开关阀上还有一条水路通道，即水路开关阀的c接口连接到气水混合阀的入水口，气水混合阀的出水口通过水管连接到水路开关阀与集热器入水口之间的三通管上的一个接口。气水混合阀的吸气口，可以直接连通大气，也可以通过一个管道连接到贮热水箱的透气口上。该吸气口是一个单向吸气口，气流允许进入，液体或气体都不允许从阀体中出来。转动水路开关阀，使得水路开关阀的a接口只与c接口连通，那么所有要流入到集热器中的水全部是从气水混合阀的出水口流出的。由于气水混合阀的作用，使得从气水混合阀出水口流出的液体中不仅仅只有水，而且包含有固定比例的气体，该比例的大小有气水混合阀和水压共同决定，如果水压不变，则完全决定气水混合阀本身。在此种情况下，进入到集热器中的就是一种气水混合物，由于有一个固定比例的气体存在，而且该气体与水充分混合，此时集热器就不怕冻了。即使由于气温低，发生冰冻现象，由于集热器的管路中有一定比例的气体存在，能够抵抗由于水冰冻，体积增大而导致的管路涨裂的可能，此时集热器就具有抗冻的功能。

从上面的描述，我们可以清楚看到，本发明的太阳能热水器，同时具有防冻功能和抗冻功能，两者的工作原理和工作机制是有区别的，再次总结描述如下。

防冻的机制是通过转动水路切换阀，配合出水加压阀，出水加压阀的吸水口抽空集热器和相应管道中的水实现集热器和管道不会出现冰冻现象的发生，但每次从防冻状态要回到正常集热和用热水状态，必须人工再转动水路切换阀到正常工作状态来实现。也就是说特殊的天气情况下，晚上为了防止冰冻现象发生，转动水路切换阀到防冻状态，第二天如果太阳高照，就又需要转动水路切换阀到正常工作状态。人工操作在某些特定的气候条件下会比较多。这种防冻机制或功能的选择在冬天而尔会发生冰冻的天气的地区使用会更加高效和方便，或在一个比较确定的时间段内为防止冰冻发生比较理想。本发明的防冻完全不同于一般的落水排空防冻，是一种抽空防冻，对于集热器和管道的安装几乎没有什么特别的限制，能实现集热器和管道的彻底排空，而且是一种零耗电的抽空防冻，节能又可靠。

抗冻的机制是水路切换阀始终在正常工作状态，通过转动水路开关阀，配合气水混合阀来实现的，使得进入集热器和相应管道中的液体不再是100％的水，而是加入固定比例的气体，由于气体的加入，使得集热器和管路再也不怕由于冰冻体积膨胀而是管道损坏，此状态由于水路切换阀始终在工作状态中，所以不需要人工反复操作。一年可能只需要操作一次，比如某个地区，一年四季，春夏秋三季，气温都在0度以上，而到了冬季才会到0下的温度，那么一年只到冬季气温到0度以前操作一次，来年开春再操作一次。此状况，由于集热器中被加热的介质混入一定比例的气体，热效率会有一点下降，但可以通过接一根管道来弥补，即贮热水箱的透气口连接一个管道到气水混合阀的吸气口，这样被加热的气体又重新被应用。这样热效率的降低就微乎其微了。带来的是使用的方便，几乎不需要人工的操作就实现了抗冻。对于使用太阳能热水器的人来说，完全是一种全自动的抗冻解决方案，此解决方案对比目前市场采用防冻液的方案相比，有以下的优点：第一，系统成本比防冻液方案要低很多；第二，直接置换换热，集热效率要高于防冻液的间接自然循环换热；第三，后期维护成本低，没有要补充和更换防冻液的需求；第四，防冻液的毒性带来安全隐患。

本发明的有益效果是，一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，是一台同时具备防冻功能，又同时具备抗冻功能的分体式太阳能热水器，而且这两种功能的实现完全是基于零功耗，不依赖于任何的外界的电能，在不同的地区或不同的气候环境中，可以交叉使用或选择使用，给客户带来极大的方便性。防冻不耗电，抗冻不用防冻液，单回路直接置换换热，热效率高，成本低，整个装置采用全机械结构，安全可靠，性价比超高。是一台真正高效方便的全天候太阳能热水器，具有非常大的推广使用价值。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1 是本发明的系统连接示意图。

图2 是本发明中的独立体连接示意图。

图中 101.贮热水箱，102.集热器，103.水路切换阀，104.水路开关阀，105.气水混合阀，106.出水加压阀，107.温控装置，108.入三通，109.出三通，110.独立体；201.水箱进水口，202.水箱出水口，203.水箱透气口，204.集热器入水口，205.集热器出水口，206.热水器入水口，207.热水器出水口，208.置换出水口，209.吸气口，210.混合阀出口，211.混合阀入口，212.吸水口，213.加压阀入口，214.加压阀出口，215.水箱辅助接口，216.水箱外壳，217.水箱内胆，218.水箱保温层，219.置换通气口，220.置换入水口。

具体实施方式

图中，水路切换阀（103）有四个接口，分别是A、B、C、D四接口，通过面板的转动至少有以下三档工作状态：“正常”档，AB连通、CD连通；“防冻”档，只有CB连通；“应急”档，只有AD连通。水路开关阀（104）有三个接口，分别是a、b、c三接口，通过面板的转动至少有两档，“一档”是a只与b连通，“二档”是a只与c连通。温控装置（107）内置有温控阀和排空阀，主要完成集热器（102）集热到预定水温就打开把热水输送到贮热水箱（101）中，冷水则滞留在集热器（102）中等待第二次加热再送；排空阀配合水路切换阀（103）的“防冻”档，和出水加压阀（106）共同完成对集热器（102）和相应管道的抽空防冻。

根据水流方向来描述各部件之间的连接关系，自来水通过水管连接到热水器入水口（206），水流通过入三通（108）分成两路，其中一路连接到出水加压阀（106）的加压阀入口（213）上；另一路通过管道连接到水路切换阀（103）的A接口上，水路切换阀（103）在“正常”档位，AB连通，B接口通过管道连接到水路开关阀（104）的a接口上，水路开关阀（104）在“一档”，即ab连通，b接口通过出三通（109）其中的一个接口通过管道的连接成为置换出水口（208），置换出水口（208）通过管道连接到集热器（102）的集热器入水口（204），集热器出水口（205）连接到温控装置（107）入水口上，温控装置（107）出水口通过管道连接到贮热水箱（101）的水箱进水口（201），水箱出水口（202）通过管道连接到水路切换阀（103）的D接口上，水路切换阀（103）此时处于“正常”档位，即在AB连通的同时，CD也连通，C接口通过管道连接到出水加压阀（106）的吸水口（212）上，出水加压阀（106）的加压阀出口（214）通过管道连接成为热水器出水口（207）。整个一个连接工作过程，就是一个自来水进入到太阳能热水器，流过阀体组，进入到集热器，在集热器中吸收太阳能加热水到预定温度后，流入到贮热水箱中储藏，通过出水加压阀流入到热水管道，在热水应用点流出使用。

在水路开关阀（104）的c接口还有另外一个支路的连接，c接口通过管道与气水混合阀（105）的混合阀入口（211）连接在一起，混合阀出口（210）通过管道与出三通（109）的一个接口联在一起，吸气口（209）可以不接任何管道，只要保持该接口与大气连通就可以，为了充分利用已经加热的气体，也可以通过管道与贮热水箱（101）的透气口（203）连接在一起，图中虚线连接的部分，提高热效率。

通过以上的连接，本发明的防冻和抗冻工作过程和原理描述如下：正常工作时，水路切换阀（103）在“正常”档位，即AB连通、CD连通；水路开关阀（104）在“一档”即ab连通。在集热器（102）中的水通过不断地吸收太阳能而被加热，加热到预定温度通过温控装置（107）输送到贮热水箱（101）中储藏。与热水器出水口（207）相连接的热水管道打开，就可以使用热水。

如果需要防冻，则转动水路切换阀（103）到“防冻”档，即只有BC连通，由于出水加压阀（106）的吸水口（212）作用，能够把与吸水口（212）连通的管道中的水全部抽吸空，当然包括集热器（102）中的水。管道和集热器（102）中无水，当然就不会存在冰冻的问题，在“防冻”档位，集热器（102）将停止吸收太阳能加热水的工作。如果需要重新开始吸热用热水工作，则须人工把水路切换阀（103）重新转到“正常”档才可以。

如果需要抗冻，则水路切换阀（103）在“正常”档位，把水路开关阀（104）从“一档”转到“二档”，即ac连通，ab断开，此时气水混合阀（105）开始起作用，流入集热器（102）中的水流是从气水混合阀（105）的混合阀出口（210）中流出的，从上面的描述我们已经知道从气水混合阀（105）的混合阀出水口（210）中流出的液体或介质，是一种具有固定气体比例的介质，与普通的水流不相同。正是这种带固定比例的气水混合物在集热器（102）中，一方面还是可以被太阳能吸收加热，然后送入到贮热水箱（101）中；另一方面这种气水混合物，就不怕气温低冰冻现象的发生，因为气水混合物中的气体部分完全可以抵消水由于冰冻体积膨胀带来的涨裂管道现象的发生，真正实现了抗冻。在抗冻状态下，由于水路切换阀（103）始终在“正常”档位，所以太阳能热水器的各部分工作都正常，也就是说气温高有太阳能的时候正常集热，气温低的时候抗冻，水箱中有热水就随时可以使用。

在抗冻状态下，唯一的缺点是集热器（102）在把水加热的同时，也把混合中的气体加热，而加热的混合物进入贮热水箱（101）中的时候，由于气压环境的不同，加热的气体大部分会从水中分离出来，汇聚在贮热水箱（101）的顶部。而这部分的热气就会通过贮热水箱（101）的透气口挥发到水箱外面，会降低一点太阳能热水器的集热效率。改进的办法是，把贮热水箱（101）的透气口（203）通过一根管道连接到气水混合阀（105）的吸气口（209）上，见图示中的虚线部分。也就是说把已经加热的气体通过气水混合阀（105）重新进入到集热器（102）中，这样这部分已经被加热的气体的能量被重新利用，就不会影响到太阳能热水器的集热效率。也就是说基本上不会降低太阳能热水器的集热效率，某些情况下还可以提高效率。

图示中的贮热水箱（101）的辅助接口（215）只画了一个，并不表示本发明的贮热水箱就只有一个上部的辅助接口，实际情况下贮热水箱（101）的辅助接口有多个，安装的位置也可能在贮热水的上部，下部或侧面，比如：电辅助加热口、安全阀安装接口、水温水位接口等，这是一个公知的技术和接口配置，本说明不再累赘描述。

图1是本发明的各阀体连接以后的组合阀体内置于贮热水箱（101）的水箱内胆（217）与水箱外壳（216）之间的保温层（218）中。图2是本发明的各阀体连接以后的组合阀体作为一个独立体，独立体（110）有五个接口，分别是热水器入水口（206）、热水器出水口（207）、置换出水口（208）、置换入水口（220）、置换通气口（219）。应用时在贮热水箱（101）外面独立存在，通过水管与贮热水箱（101）和集热器（102）进行连接，即置换入水口（220）通过水管与贮热水箱（101）的热水出口连接，置换通气口（219）直接与大气连通，或通过管道与贮热水箱（101）的透气口连接；自来水连接到热水器入水口（206），热水管接热水器出水口（207），集热器的入水口接置换出水口（208），如此构成一个完整的太阳能热水器。独立体（110）内部各阀体之间的连接与图1示意的相同。

图1与图2中，主要阐述了本发明的各阀体之间、以及与贮热水箱、集热器之间的连接关系，同时也阐述了本发明的工作原理。在实际的应用中，一般在入三通（108）与水路切换阀（103）的A接口之间，还应该安装一个水位控制阀，以便控制贮热水箱（101）中的水位，贮热水箱（101）中水满则自动停止进水工作；另外一种改进的阀体组合，是把水路切换阀（103）、水路开关阀（104）和气水混合阀（105）三个阀设计成一个单独的综合阀，该阀有五个接口，分别为A1、B1、C1、D1、E1接口；其中A1、C1、D1三个接口对应水路切换阀（103）的A、C、D三接口，B1接口对应与出三通（109）的出口（208）的位置，E1接口对应接口（209），如此这样则可以通过一个单一阀体的转动实现防冻和抗冻。

综上所述，一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，通过管道把水路切换阀、水路开关阀、气水混合阀、出水加压阀的有机联接后的阀体组，可以与贮热水箱构成一个整体，也可以成为一个独立体，配合集热器共同组成一台同时具备防冻功能和抗冻功能的分体式太阳能热水器；整个系统全机械结构，零功耗，安全可靠，通过贮热水箱上的面板转动阀，轻松实现。真正实现全天候全地区都可以使用，而且使用非常方便。真正实现防冻不耗电，防冻部件不被冻；抗冻不用防冻液，也不需要改变集热器的架构；直接单循环置换换热，热效率高。系统架构成本低、使用成本低、安装成本低。具有非常大的市场推广效益。

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 (10)

1.一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，其特征是：该系统包括，集热器、贮热水箱、水路切换阀、气水混合阀、出水加压阀、水路开关阀、温控装置以及各部分之间的连接管道共同构成；集热器通过温控装置与贮热水箱串行连接；其中的水路切换阀、水路开关阀、气水混合阀、出水加压阀通过管道连接后内置在贮热水箱的内胆与外壳之间或作为一个组合阀体以独立体的形式存在于水箱体以外，水路切换阀和水路开关阀的转动面板可以镶嵌在贮热水箱的外壳上或独立体的面板上。

2.根据权利1所述的一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，其特征是：所述的水路切换阀，具有四个接口，分别是A、B、C、D四接口，通过阀的转动可分别实现至少三种连通位置：AB通且CD通，只有AD通，只有CB通；D接口连接贮热水箱的出水口，C接口连接到出水加压阀的吸水口，B接口连接到水路开关阀的入水口，A接口连接到自来水进水口。

3.根据权利1所述的一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，其特征是：所述的水路开关阀有三个接口，分别是a接口、b接口、c接口，通过转动实现a接口与b接口连通，或a接口与c接口连通；a接口即为水路开关阀的入水口，连接到水路切换阀的B接口，b接口连接到集热器的入水口，c接口连接到气水混合阀的入水口。

4.根据权利1所述的一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，其特征是：所述的气水混合阀有三个接口，分别是入水口、出水口、吸气口，入水口与水路开关阀的c接口连接，出水口通过一个三通与集热器的入水口联在一起，吸气口直接与大气连通，或通过管道与贮热水箱的透气口联在一起。

5.根据权利1所述的一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，其特征是：所述的出水加压阀，有三个接口，分别是入水口、出水口、吸水口；入水口接自来水，吸水口连接到水路切换阀的C接口，出水口连接到热水管道。

6.根据权利1所述的一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，其特征是：所述的集热器，是一种承压集热器，至少具有一个入水口和一个出水口，集热器的出水口处安装有温控装置。

7.根据权利1所述的一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，其特征是：所述的温控装置，包含一个温度控制阀和排空控制阀，两个阀相互独立通过三通连接，或设计在一起成为一个整体，有一个进水口和出水口，具有排空功能的还有一个呼吸口。

8. 根据权利1所述的一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，其特征是：所述的贮热水箱，具有三层构造，分别是内胆、保温层和外壳，至少具有进水口、出水口、透气口和辅助接口。

9.根据权利1所述的一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，其特征是：所述的独立体，是有水路切换阀、水路开关阀、气水混合阀、出水加压阀通过管道连接后构成独立于水箱体以外的一个组合阀体，独立体上的接口，通过管道分别与自来水、贮热水箱、集热器、热水管道连接构成本发明的另一种表现形式。

10.根据权利1所述的一种兼有防冻和抗冻功能的分体式太阳能热水器，其特征是：所述的各部分管道的连接，是自来水接口通过一个三通管，水流分成两路，一路连接到水路切换阀的A接口；另一路连接到出水加压阀的入水口；水路切换阀的B接口通过水管连接到水路开关阀的a接口上，水路开关阀的b接口通过一个三通管连接到集热器的入水口，集热器的出水口连接到温控装置入水口，温控装置的出水口通过水管连接到贮热水箱的进水口，贮热水箱的出水口连接到水路切换阀的D接口，水路切换阀的C接口连接到出水加压阀的吸水口，出水加压阀的出水口连接到外接的热水管道上；在水路开关阀还有一条水路通道，即水路开关阀的c接口连接到气水混合阀的入水口，气水混合阀的出水口通过水管连接到水路开关阀与集热器入水口之间的三通管上的一个接口。

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