CN102748874B - 一种集成太阳能热水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成太阳能热水器，在保温层(6)内设有一个空腔，该空腔中装有与之形状大小相适应的贮热水箱(5)，在保温层(6)的侧面还开有一个与其空腔连通的窗口，该窗口的外端口处安装透光盖板(1)，透光盖板(1)与贮热水箱(5)之间形成真空集热腔(2)，该真空集热腔(2)的内部为负压，在贮热水箱(5)朝向透光盖板(1)的箱板上涂有选择性吸收涂层。本发明集面式集热、集热腔具有真空保温特性和可承压运行于一体，不仅结构简单、紧凑，安装便捷，而且有效降低了生产成本及安装成本。本发明采用集成化方案，既减少了热传递的过程，又大大减少了单位容积的散热面积，因此提高了光-热转换效率以及保温效果。

Description

一种集成太阳能热水器

技术领域

本发明属于新能源领域中太阳能热应用行业，特别涉及一种集成太阳能热水器。

背景技术

目前，太阳能热水器主要分为两条技术路线：一条技术路线是真空管式太阳能热水器，另一条技术路线是平板式太阳能热水器。真空管式太阳热水器以全玻璃真空管式太阳能热水器最为常用，全玻璃真空管式太阳能热水器主要由全玻璃真空集热管、贮热水箱、支架以及其它附件组成，属于我国的原创技术。在目前的技术环境下，这种太阳能热水器以经济、使用效果较好而被农村市场广泛接受，但其固有的缺点严重限制了这种太阳能热水器的应用前景，具体缺点如下：

1)不能承压运行，常见的现象是压力不足，混水端的冷热水的压力不一致，使用体验效果差；

2)安全性差，全玻璃真空管式太阳能热水器没有办法使用玻璃钢化工艺，而且水箱处于热水器的顶端，重心高，一般太阳能热水器安装在高处，所以有比较多的安全隐患，特别是在极端天气环境下就更容易出现安全问题；

3)结构相对繁杂，所以故障率也比较高，其中真空管炸管、管路阻塞、电磁阀故障等常常发生；

4)美感度极差，上重下轻，几乎没有办法和任何一种建筑协调起来；

5)安装繁杂，占用空间大，对安装环境要求高；

6)包装运输不方便，容易损坏，运输体积大，对社会资源浪费大。

真空管太阳能热水器还有一些其它品类，如真空热管太阳能热水器，这类热水器也存在和全玻璃真空管式太阳能热水器类似的问题，而且经济性也差，所以市场上比较少见，只有一些太阳能工程有少量应用。

平板式太阳能热水器以平板式阳台壁挂式太阳能热水器最为常见，这类太阳能热水器在国外的发达国家应用较多，结构主要由平板集热器、贮热水箱、其它附件组成。这类太阳能热水器主要解决了太阳能热水系统的承压运行问题、部分解决了美观度问题。但同时也存在许多其它问题，具体如下：

1)材料使用多，社会资源消耗大，一台承压的阳台壁挂太阳能热水器要使用大量的铜材和铝材，还有大量的钢材以及其它许多材料；

2)安装繁杂，安装成本高，阳台壁挂太阳能热水器要安装水箱、集热器，还要安装多种繁杂管件，一台普通阳台壁挂太阳能热水器的安装费用在300-500元人民币；

3)成本高，推广商业价值不足，一台承压式阳台壁挂太阳能热水器的市场售价在5000-8000元人民币左右，一般的消费者接受比较困难，特别是面临燃气的竞争时就更加没有竞争力了；

4)热效率低，由于结构设计方面的原因，系统的散热面积非常大，所以一台100L的阳台壁挂式平板太阳能热水器往往集热器面积要达到2平方米；

5)美观度问题依然存在，因为贮热水箱和集热器是分离的，水箱安装在什么位置都会对内装或外景造成一定程度破坏，而且集热器和水箱之间要安装不易处理的硬质铜管，对安装的工艺水平要求非常高，就算较高的安装水平也不可能对建筑美观加分。

中国专利ZL99114680.8于2000年8月16日公开了一种太阳能热水器，由透光外管、内管、选择性吸收膜和两端的端盖构成，在内外管之间设置选择性吸收膜，并且内外管之间为真空层，在内外管的端部安装波纹状弹性端盖，并且端盖的外侧有保温层。以上结构在理论上能够实现利用太阳能对水加热，但是生产工艺非常不可行，主要体现在：

1)外形和安装环境的结合非常难，成本会高得没有应用价值；

2)两端无底的玻璃外管体积要足够大才有应用价值，而大的玻璃外管的价格是非常高的，而且钢化工艺将变得非常困难，甚至根本做不到，如果不钢化，玻璃外管在高处时，安全将是一个非常大的问题；

3)玻璃外管和两端的端盖如何实现可行的密封将是非常具有挑战性的难题，虽然文件中记载有包容性粘接，但在实际应用中根本达不到密封的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种集面式集热和集热面具有真空保温特性两大核心功能于一体的集成太阳能热水器。

本发明的技术方案如下：一种集成太阳能热水器，在保温层(6)内设有一个空腔，该空腔中装有与之形状大小相适应的贮热水箱(5)，贮热水箱(5)上设有冷水入口(51)和热水出口(52)，在保温层(6)的侧面还开有一个与其空腔连通的窗口，该窗口的外端口处安装透光盖板(1)，所述透光盖板(1)与贮热水箱(5)之间形成真空集热腔(2)，该真空集热腔(2)的内部为负压，在所述贮热水箱(5)朝向透光盖板(1)的箱板上涂有选择性吸收涂层。

本发明采用面式集热，当阳光从透光盖板进入真空集热腔后，照射在贮热水箱箱板上的选择性吸收涂层上，辐射能量被选择性吸收涂层转换成热能，选择性吸收涂层温度升高，由于热能的传递规律是由高温区向低温区传递，选择性吸收涂层后的贮热水箱箱壁的温度跟着升高，同样的原理，贮热水箱内的水得到加热，当冷水从冷水进口压入贮热水箱时，便同时将热水从热水出口顶出贮热水箱供使用者使用。

贮热水箱与透光盖板之间形成真空集热腔，真空集热腔通过抽真空后，会形成一个负压的状态，并且真空集热腔始终处于负压状态，由此具有两个方面的作用，第一个作用是能将太阳辐射能转换为热能，第二个作用是具有非常好的保温作用。贮热水箱除透光盖板这一侧以外，其余部分均包裹在保温层中，在保温层和真空集热腔的共同作用下，贮热水箱内的热水与外界之间无热阻低的热桥，这样贮热水箱向外散发的热量非常少，从而大大延长了热水的保持时间。

真空集热腔始终处于负压状态，外界的大气压在压差的作用下会将透光盖板向贮热水箱的方向挤压，这样会增加真空集热腔的密封效果，防止空气进入真空集热腔内。

本发明集面式集热和集热面具有真空保温特性两大核心功能于一体，不仅结构简单、紧凑，安装便捷，而且有效降低了生产成本及安装成本。本发明采用集成化方案，既减少了热传递的过程，又大大减少了单位容积的散热面积，因此提高了光-热转换效率以及保温效果。

在所述保温层(6)窗口的内壁中嵌装有密封圈(4)，所述密封圈(4)的断面为“E”形，具有两个槽口，其中的一个槽口中插入透光盖板(1)，另一个槽口中插入围板(3)外端的翻边，围板(3)的内端焊接在贮热水箱(5)上。以上结构造型简单，加工制作及装配容易；透光盖板、密封圈、围板和贮热水箱的箱板围成真空集热腔，并且密封圈的端面采用“E”形设计，透光盖板的各边插入密封圈对应的槽口中，围板外端翻边处理后也插入密封圈对应的槽口中，这样在外界大气压力的挤压作用下，透光盖板与密封圈之间以及密封圈与围板之间接合紧密，不仅能消除间隙，进一步提高密封的效果，而且有效增加了密封强度和密封距离。

所述保温层(6)和贮热水箱(5)均为长方体或圆柱体或半圆柱体或椭圆体或多面体，这样造型简单、大方，加工制作及装配容易，并且能适应不同的安装场合，提高人居环境的美观度。保温层(6)的外面除窗口外，其余部分包覆有金属外壳。

所述透光盖板(1)由玻璃或透光合成材料制成，以上结构便于选材，在确保透光盖板有足够的结构强度的同时，能有效提高透光的效果。

所述密封圈(4)由耐候硅胶制成。硅胶具有弹性形变量比较大，不易老化等特点，这样密封圈的使用寿命长，并且密封效果良好。作为等同的替换，密封圈也可以采用其它耐候合成材料制成。

所述冷水入口(51)和热水出口(52)位于贮热水箱(5)相对的箱板上，并且冷水入口(51)在贮热水箱(5)的下端，热水出口(52)在贮热水箱(5)的上端。冷水入口和热水出口采用对角布置是考虑了水流动的同程效应；热水出口位于冷水入口的上方是考虑了冷水和热水的自然分层问题。以上设计方案能够提高水的加热效率，并能确保流出使用的水为热水。

在所述贮热水箱(5)的顶部安装压力安全阀(55)和排气阀(56)；或者，在所述贮热水箱(5)的顶部安装液位传感器并开设有通气孔。压力安全阀和排气阀监测贮热水箱内的压力，使本发明能承压运行，当压力超过安全值时能够起泄压的作用，以保证贮热水箱在极端条件下的安全问题。排气阀是在所述贮热水箱有气体产生时，能及时将气体排除，保证用水效果和用水安全。本发明如果将压力安全阀和排气阀换装成通气管和液位传感器后，可以非常方便地做成非承压集成太阳能热水器。

在所述贮热水箱(5)内的下部空间装有电辅助加热器，该电辅助加热器的导线从贮热水箱(5)下部的电辅助加热端口(53)引出，并与控制器(7)电连接，在所述贮热水箱(5)的上部设有温度传感器端口(54)，该温度传感器端口(54)处安装温度传感器，温度传感器的导线与控制器(7)电连接。温度传感器用于感知贮热水箱内热水的温度，以便于用户使用热水方便，同时也向控制器提供温度信号，以便于控制器在需要的时候控制电辅助加热器工作，这样本发明可以实现全天候的热水生产。电辅助加热器作为非必要器件，不装也不会影响本发明采集太阳辐射能。

在所述透光盖板(1)的下方设有底托(58)，该底托(58)与贮热水箱(5)的底部相固定。底托能够防止透光盖板在重力的作用下慢慢向下滑动，既避免了透光盖板掉落引发安全问题，又保证了真空集热腔的功能持续有效。

在所述贮热水箱(5)的底部设有排污口(57)。排污口用于放水，以便于对贮热水箱进行清洁和维护。

本发明的有益效果是：

1)结构简单、紧凑，零配件非常少，不仅解决了成本问题，可以将产品成本控制在一个非常合理的水平，而且运行可靠，运行的故障率非常低；

2)采用了集成设计方案，热水器和管道的安装都变得非常简单，安装成本也可以下降很多；

3)材料使用量大大减少，特别是基本上不使用较昂贵的铜材，对社会资源的节约会产生非常积极的作用，而且产品过了使用寿命期后，材料具有非常强的回收再利用价值；

4)采用集成化方案，既减少了热传递的过程，又大大减少了单位容积的散热面积，因此大大提高了光-热转换效率以及保温效果；

5)采用一体化设计，采光面也可以作许多形状变化，走管简单，所以美观度大大提高，通过一些形状的定制设计，可以和建筑做到完美的结合；

6)可以非常方便地做成一种承压系统，使用水点的混水端静态水压永远一致；

7)应用范围广泛，可用于城乡家庭生活用热水生产，也可用于小型商用环境下的热水生产。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中贮热水箱的结构示意图。

图3为集成太阳能热水器系统工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2所示，保温层6为长方体结构，在保温层6内设有一个长方体空腔，该空腔中装有与之形状大小相适应的贮热水箱5。作为等同的替换，贮热水箱5和保温层6也可以为圆柱体、半圆柱体、椭圆体、或多面体或者其它适合的形状。在保温层6其中的一个侧面开有一个与其空腔连通的窗口，保温层6的外面除窗口外，其余部分包覆有金属外壳。在所述保温层6上开设的窗口优选为矩形，该窗口的内壁中嵌装有密封圈4。所述密封圈4优选为硅胶材质，也可以由其它变形量大、不易老化的材料制成。密封圈4为方框结构，断面为“E”形，具有内外两个槽口。

如图1、图2所示，在所述窗口的外端口处安装透光盖板1，该透光盖板1由钢化超白玻璃或透光合成材料制成，只要强度可靠、透光效果好即可。透光盖板1的形状与窗口的形状相同，本实施例中，透光盖板1为矩形，透光盖板1的四个侧边插入密封圈4上对应的外槽口中。在透光盖板1于贮热水箱5之间设置围板3，该围板3为矩形，并紧贴所述窗口的内壁。围板3的外端一体形成有翻边，该翻边插入密封圈4上对应的内槽口中。所述围板3的内端焊接在贮热水箱5的箱板上，透光盖板1、密封圈4、围板3和贮热水箱5的箱板共同围成一个密闭的腔室，该腔室为真空集热腔2，真空集热腔2通过围板3上安装的抽气嘴抽真空，使真空集热腔2的内部始终为负压状态。在压差的作用下，大气压力对透光盖板1施加有朝着贮热水箱5方向的挤压力，使真空集热腔2密封良好。

如图1、图2所示，在贮热水箱5朝向透光盖板1的箱板上涂有选择性吸收涂层。作为等同的替换，也可以在贮热水箱5朝向透光盖板1的箱板上焊接一块金属底板，该金属底板的周边与围板3连为一体，且金属底板的板面上涂有选择性吸收涂层或者直接焊接带有选择性吸收涂层的金属板。在所述贮热水箱5的顶部安装压力安全阀55和排气阀56，以便于贮热水箱5内的压力超高时能够自动泄压和在有气体产生时自动排气。在贮热水箱5上设有冷水入口51和热水出口52，所述冷水入口51和热水出口52位于贮热水箱5相对的箱板上，并按对角布置，冷水入口51在贮热水箱5的下端，热水出口52在贮热水箱5的上端。在所述贮热水箱5内的下部空间装有电辅助加热器，该电辅助加热器的导线从贮热水箱5下部的电辅助加热端口53引出，并与控制器7电连接，在所述贮热水箱5的上部设有温度传感器端口54，该温度传感器端口54处安装温度传感器，温度传感器的导线与控制器7电连接。所述贮热水箱5的底部设有排污口57，当需要进行清洁维护的时候，可以打开排污口57排掉污水。所述透光盖板1的下方设有底托58，该底托58与贮热水箱5的底部相固定。底托58托住透光盖板1，以防止透光盖板1在重力的作用下发生下滑或掉落。

本发明的工作原理如下：

当阳光从透光盖板1进入真空集热腔2后，照射在贮热水箱5箱板上的选择性吸收涂层上，辐射能量被选择性吸收涂层转换成热能，选择性吸收涂层温度升高，由于热能的传递规律是由高温区向低温区传递，选择性吸收涂层后的贮热水箱箱壁的温度跟着升高，同样的原理，贮热水箱内的水得到加热，当冷水从冷水进口压入本太阳能热水器时，便同时将热水从热水出口顶出本太阳能热水器供使用者使用。真空集热腔2具有保温作用，真空集热腔2与保温层6相结合，使贮热水箱5内的热水与外界之间无热阻低的热桥，这样贮热水箱5向外散发的热量非常少，从而大大延长了热水的保持时间。温度传感器用于感知贮热水箱5内热水的温度，以便于用户使用热水方便，同时也向控制器7提供温度信号，以便于控制器7在需要的时候控制电辅助加热器工作，从而实现全天候的热水生产。

如图3所示，利用本发明组成的集成太阳能热水器系统，总进水口通过管路依次串联总水阀8、过滤器9、增压阀10和止回阀11，从止回阀11接出的管路分为两路，一路与用水点12连接，另一路与贮热水箱5的冷水入口51连接。在低水压环境下，水从总进水口进入系统，经过一个总水阀8(总水阀8的设计是便于维修时使用，平时处于常开状态，如果一个家庭里面已经有了总水阀可以不用)，流经一个过滤器9(过滤掉一些不利于系统运行的杂质，水质好的环境可以不用)进入增压泵10进行增压(增压泵10的运行受控制器7控制，控制器7感受到用水点在用水时，对增压泵10发出启动命令，增压泵10运行，不用水时，增压泵10处于常闭状态)，压力满足要求的水要经过一个止回阀11(止回阀的设置是为了保护增压泵10)分为两路，一路直接进入用水点12(为用户直接提供冷水供应和提供混热水的冷水源)，另一路本发明中的贮热水箱5进行加热，在用户打开混水阀时，就可以通过调节混水阀的开关得到适合自己需要的热水，而且用户得到的是冷热水等压的混水供水方式。特别需要说明的是：在有市政自来水供应的环境下，增压泵、止回阀都可以省去。

尽管以上结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但本发明不限于上述具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的而不是限定性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以作出多种类似的表示，如改变真空集热腔2的真空度，或者将真空集热腔2设计成多个腔室，或者将保温层6做成分体结构，或者改变保温层6、贮热水箱5的造型及材质，或者改变贮热水箱5各水口及端口的布置位置等等，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种集成太阳能热水器，其特征在于：在保温层(6)内设有一个空腔，该空腔中装有与之形状大小相适应的贮热水箱(5)，所述保温层(6)和贮热水箱(5)均为圆柱体或半圆柱体或椭圆体或多面体，保温层(6)的外面除窗口外，其余部分包覆有金属外壳；所述贮热水箱(5)上设有冷水入口(51)和热水出口(52)，冷水入口(51)和热水出口(52)位于贮热水箱(5)相对的箱板上，并且冷水入口(51)在贮热水箱(5)的下端，热水出口(52)在贮热水箱(5)的上端；在保温层(6)的侧面还开有一个与其空腔连通的窗口，该窗口的外端口处安装透光盖板(1)，所述透光盖板(1)与贮热水箱(5)之间形成真空集热腔(2)，该真空集热腔(2)的内部为负压，在所述贮热水箱(5)朝向透光盖板(1)的箱板上涂有选择性吸收涂层；在所述保温层(6)窗口的内壁中嵌装有密封圈(4)，所述密封圈(4)的断面为“E”形，具有两个槽口，其中的一个槽口中插入透光盖板(1)，另一个槽口中插入围板(3)外端的翻边，围板(3)的内端焊接在贮热水箱(5)上。

2.根据权利要求1所述的集成太阳能热水器，其特征在于：所述透光盖板(1)由玻璃或透光合成材料制成。

3.根据权利要求1所述的集成太阳能热水器，其特征在于：所述密封圈(4)由耐候硅胶或其它耐候合成材料制成。

4.根据权利要求1所述的集成太阳能热水器，其特征在于：在所述贮热水箱(5)的顶部安装压力安全阀(55)和排气阀(56)；或者，在所述贮热水箱(5)的顶部安装液位传感器并开设有通气孔。

5.根据权利要求1或4所述的集成太阳能热水器，其特征在于：在所述贮热水箱(5)内的下部空间装有电辅助加热器，该电辅助加热器的导线从贮热水箱(5)下部的电辅助加热端口(53)引出，并与控制器(7)电连接，在所述贮热水箱(5)的上部设有温度传感器端口(54)，该温度传感器端口(54)处安装温度传感器，温度传感器的导线与控制器(7)电连接。

6.根据权利要求1所述的集成太阳能热水器，其特征在于：在所述透光盖板(1)的下方设有底托(58)，该底托(58)与贮热水箱(5)的底部相固定。

7.根据权利要求5所述的集成太阳能热水器，其特征在于：在所述贮热水箱(5)的底部设有排污口(57)。