CN103032966A - 高效安全的太阳能热水器 - Google Patents

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肖良文
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Abstract

一种高效安全的太阳能热水器,包括集热管、保温水箱和连接管道,保温水箱用隔板隔离有后备加热水箱,后备加热水箱设有进水口和出水口,该出水口即为该保温水箱的热水出口;保温水箱内还设置有导水组件,导水组件的漂浮式进水口总是漂浮在保温水箱中被太阳能加热了的水的近水面层,与其连通的导水软管的另一端与后备加热水箱的进水口相通;后备加热水箱内设有与外部控制电路相连、以水温触发开启或关闭的防水型电加热装置;所述集热管装入了填充有相变物料的蓄热球。本发明的有益效果是:本热水器总是输出保温水箱中最热的水;在太阳能不足以加热到适宜水温时,才启动后备加热;集热管内的蓄热球,既减少了水箱的体积,又充分有效利用太阳能资源。

Description

高效安全的太阳能热水器
[0001] 技术领域本发明涉及小型热水供应系统,尤其涉及适用于住宅或小型办公场所的热水供应系统,尤其涉及高效能的太阳能热水器。
[0002] 背景技术太阳能热水器把太阳光能转化为热能,将水从低温加热到高温,以满足人们在生活、生产中对使用热水的需求。参考图17,现有技术太阳能热水器是由集热管1、保温水箱2及相关附件组成,把太阳能转换成热能主要依靠集热管I。集热管I受阳光照射面温度高,集热管I背阳面温度低,管内水便产生温差反应使热水上浮冷水下沉,集热器管2内的水吸热后温度升高,比重减小而上升,形成一个向上的动力,这就是热虹吸现象,参见图15所示。随着热水的不断上涌并贮存在保温水箱2的上部,同时通过下循环使集热管I内不断补充温度较低的水,如此循环往复,最终整保温箱水2都升高至一定的温度;为使整个保温水箱2的水都能被使用,该热水器保温水箱2的热水出口都是设置在水箱最底部,因此,使用者需要某一适宜的水温时,必须等待整个水箱加热到该温度。
[0003] 同时,现在的太阳能热水器都很容易将水加热到100°C,特别是有加压装置的太阳能热水器,其水温甚至被加热超过100°c。如果这种热水器的水箱与热水龙头直接连接,那么保温水箱水温接近100°c流出时,势必对人体健康甚至生命造成很大危害。这种设计在世界各地都是不符合安全规范的。正如图16所示,家用热水器的水温最高应该限定在不高于600C (即140 °F)才较为安全。
[0004] 由于早晚和季节的变化,特别是在日照较短的冬季,现有技术的太阳能热水器无法保证在任何时间都能提供足量及足够热的水,而现有技术利用热虹吸管现象的太阳能热水器,一般是不带后备加热装置的,使用者也未必会自行为热水器加装后备加热装置。有一些家庭则是安装另一套电或燃气的热水装置来弥补冬季时太阳能热水器供应热水不足的问题。由于这两套热水装置是分别独立使用的,这种组合使用方式就显然既不智能也不经济。此外,这种组合使用方式也增加了原材料和自然能源的使用和损耗。
[0005] 实际上,即使是在冬季,太阳也能提供非常充足的热能。如下表一所示,我们看到在中国部分城市一年的平均日照能量(按10年的平均统计)情况,表中所述的日照能量是指太阳光照射在地球表面的总和。
[0006] 以上海为例,全年日照能量最低值是一月份,即便如此,该月也达到全年日照能量最高值七月份的41.5%,即:
(2. 09/5. 52) X 100=41. 5%
表一:中国部分城市一年的日照能量
Figure CN103032966AD00041
也就是说,一年中只有少数时间,太阳能热水器不能将水加热到人体沐浴时所适宜的中等温度,即不低于38°C。当水温低于38°C时,使用者会觉得水温过冷,而需要使用第二套热水系统或者只能去公共浴室。现有的这些方式,既浪费了自然能源,又增加了使用者的能源开支。提高能源的使用率就是要充分使用现有的资源而不是忽略和浪费。
[0007] 现有技术所有的玻璃集热管I都由外管和内管构成,在太阳能热水器使用过程中,内管总是充满热水。由于这些管子是安装在保温水箱2热水接口的下面,那么管内的这些热水就会一直源源不断,因此保温水箱I的尺寸大小就不得不设计得更大些。通常所用这些集热管子的外径采用的是058或047。在总长为1. Sm的管子里,第一种外径规格的管子容量为2. 7升,而第二种外径的管子是1. 6升。一套热水器系统一般采用大约12到20根这样的管子,因此总容量相对应的即为32. 4升到54升或者19. 2升到32升。越大的水容量就意味着更大的屋顶负荷,更大的水箱,使用更多的支架,增加使用的成本。
[0008] 发明内容本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处而设计生产一种高效安全的太阳能供热的热水器,解决现有技术太阳能热水器利用太阳能效率不高造成资源浪费和不安全等问题。
[0009] 本发明为解决上述技术问题而提出的技术方案是,一种高效安全的太阳能热水器,包括集热管、保温水箱和连接管道,特别是所述保温水箱用隔板隔离有后备加热水箱,该后备加热水箱设有进水口和出水口,该出水口即为该保温水箱的热水出口 ;所述保温水箱内还设置有导水组件,该导水组件包括漂浮式进水口和导水软管,所述漂浮式进水口总是漂浮在保温水箱中被太阳能加热了的水的近水面层,与其连通的导水软管的另一端与所述后备加热水箱的进水口相通;所述后备加热水箱内设有与外部控制电路相连、以水温触发开启或关闭的防水型电加热装置;所述集热管装入了填充有相变物料的蓄热球。
[0010] 所述后备加热水箱内安装有另一导水组件,其漂浮式进水口总是漂浮在后备加热水箱中被加热了的水的近水面层,其导水管出水端连接在后备水箱的热水出口。
[0011] 所述各导水组件的漂浮进水口是带有浮球或由漂浮材质制成的水管。
[0012] 所述蓄热球包括热传导能性能好的塑料的外壳和其的充满内部蓄/放热性能极好的相变物料;该蓄热球直径小于所述集热管内管的直径。所述相变物料的相变温度变化范围在大于等于70°C至小于100°c之间,所述相变物料包括石蜡。
[0013] 所述热水器还装有恒温器,该恒温器的入水口分别接冷水和经热水器升温的热水,其出水口的水温预先设定的温度;该恒温器安装在所述保温水箱的内部或是其外部。
[0014] 所述防水型电加热装置包括水温感应器,防干烧感应器和安全调温器,所述水温感应器,防干烧感应器和安全调温器均电连接在所述外部控制电路。
[0015] 所述保温水箱是类半圆柱体或柱体,即所述保温水箱的底部至少是平面,令该保温水箱能直接放置。
[0016] 同现有技术相比较,本发明的有益效果是:所述热水器总是输出保温水箱中最热的水;而且在太阳能不足以加热到适宜水温时,才启动后备加热;采用集热管内的蓄热球的热水器,既减少了水箱的体积,又充分有效利用太阳能资源。所述热水器在使用时总是能最有效地利用太阳能,又向使用者提供最适宜安全的热水供应。
[0017] 附图说明
图1是本发明高效安全的太阳能热水器优选实施例一之保温水箱2局部剖视示意图; 图2是所述热水器各优选实施例中所述集热管I的剖视示意图;
图3是所述热水器优选实施例二中所保温水箱2的剖视示意图;
图4是所述热水器优选实施例三中所述保温水箱2的局部剖视示意图;
图5是所述热水器各优选实施例中所述导水组件6的结构示意图;
图6是图5的A部的放大示意图;
图7是图6的B部的放大示意图;
图8是所述热水器各优选实施例中所述保温水箱2流入后备加热水箱22的水温大于60°C时,恒温装置开启时的工作示意图;
图9是所述热水器各优选实施例中所述保温水箱2流入后备加热水箱22的水温低于60°C时,恒温装置关闭时的工作示意图;
图10是所述各实施例中所述电加热装置3的功率根据后备水箱22的水量确定所需功率的工作原理示意图;
图11是所述实施例一中在电压在230V电加装置3为8. 8KW(38A)时,水温与加热时间的关系图;
图12是有相变物料蓄热能力与水蓄热力的比值表,图中各曲线是蓄热单元中所含相变物料,以石蜡为例、在O〜100%不同占比的情况下,各工作温度时,其蓄热能力与水蓄热能力的比值;
图13是所述各实施例中所述热水器的类圆柱体形保温水箱2是放置在鞍形屋顶的示意图;
图14是所述各实施例中所述热水器的柱体形保温水箱2是放置在鞍形屋顶的示意
图;
图15是所述热水器内部发生热虹吸现象的示意图;
图16是水温与发生烫伤的时间关系图;
图17是现有技术的太阳能热水器带有安装支架的轴测投影示意图。
[0018] 具体实施方式 下面,结合附图所示之优选实施例进一步阐述本发明。
[0019] 参见图1和图2,本发明的优选实施例一是,一种高效安全的太阳能热水器,包括集热管1、保温水箱2和连接管道,所述保温水箱2用隔板4分隔有后备加热水箱22,该后备加热水箱22设有进水口 221和出水口 222,该出水口 222即为所述保温水箱2的热水出口 ;所述保温水箱2内还设置有导水组件6,该导水组件6包括漂浮式进水口 61和导水软管62,所述漂浮式进水口 61总是漂浮在所述保温水箱2中被太阳能加热了的水近水面层,与其连通的导水软管62的另一端与所述后备加热水箱22的进水口 221相通;所述后备加热水箱22内设有与外部控制电路相连、以水温触发开启或关闭的防水型电加热装置;所述集热管I的内管中填充有相变物料(PCM,Phase Change Material)的蓄热球11。
参见图5至图7,所述导水组件的漂浮进水口 61是带有浮球或由漂浮材质制成的水管;所述导水软管62的固定端621位于所述保温水箱2下端,并采用固定件632将该导水软管62的固定;在该固定端621的软管中内装有稳定装置622,以保证软管总是畅通的。
[0020] 参见图8和图9,所述后备加热水箱22中,还装有恒温器7,该恒温器7两个入水口分别接冷水和经热水器升温的热水,其出水口的水温为预先定的温度;只要水的温度低于恒温器设定的工作温度,混合阀门一直保持关闭,冷水不会进入混水阀门,热水可直接放出。当水温升高并高于设定温度时,混水阀打开,冷水可连续地与热水混合流出。图8和图9中标注的设定温度60°C只是举例说明,恒温器可以设定几乎是各种温度范围。所述恒温器可安装在所述后备水箱22内或保温水箱2外部。
[0021] 所述恒温器温度值设定在低于被烫伤的水温就尽可能地减少了被热水烫伤的危险,也避免了意外触摸热水管被烫伤的可能。同时热水管的热量损失也减小,所述热水器的供水管路系统和淋浴器也可以避免因长期高温引起的材料老化而导致热效能降低。
所述集热管I内的蓄热球11有着热传导能性能良好的塑料壳体,壳内充满蓄/放热性能极好的相变物料,该蓄热球11的直径小于所述集热管I内管的直径。所述相变物料具有非常优异的蓄/放热能的能力,相变温度变化范围在70°c至小于100°C之间,非常适合于太阳能热水器系统的应用。本实施方案中,例举采用的相变物料是潜热石蜡,这样在所述集热管I中填充有70%石蜡材质的蓄热球11与30%的水,参见图12(取自德国Rubitherm有限公司统计),这样的比例关系就可以使进出所述集热器内管的15开氏温度的水提高2. 8倍的热存贮能力。
[0022] 用70%的蓄热球11与30%水的比例方案替代原来的20根管子均充满水的方案,可增加的热水量为2. 8 X 54 = 151升。此外,通过选择不同PCM的蓄热球,可使热水箱的体积减半甚至减更多,这些相变物料包括包括无机相变物料和有机相变物料,无机相变物料包括结晶水合盐、熔融盐、金属和合金;有机相变物料包括石蜡、脂肪酸、高密度聚乙烯和多元醇。这种科学方式可减小水箱大小并不会降低使用者使用的舒适度,通过稍微改变一下内管的水流方式就可提高热传导的效能。PCM的蓄热球I的直径比集热管内管的直径小,水流不会被阻断而是涡流式流动。
[0023] 本实施例中所例举中采用的潜热石蜡PCM蓄热球对生态系统是无害的,对植物、动物和微生物都没有任何有害影响。它被划分为不含水无危害物质类(当高于27 ° C熔化后)并且是100%可循环使用的,尤其对人体健康无毒无害。精炼的潜热石蜡PCM完全符合德国标准(BgVV)的纯度要求和美国食品及药物管理局(FDA)对于食品类材料的管制要求。
[0024] 某些PCM在其发生相变的过程中是持续并稳定的,这是因为在其热能存贮的过程中没有任何化学反应的发生,不仅由于它的自身的材料,热传递媒介,而且包括在系统应用中的其它的结构材料,熔化和凝固的过程都是纯粹的物理过程,这就是为什么热存贮能力在其工作的全程中一直保持于很高的水平。因此这些PCM在热水系统中应用是绝对安全可靠的。通过使用这类PCM相变物料填充管系统的电加热后备热水器可显著减少存贮空间而更加具有吸引力和优势。
实施例一中,所述各防水型电加热装置包括水温感应器,防干烧感应器和安全调温器,所述水温感应器,防干烧感应器和安全调温器均电连接在外部控制电路中。该后备加热水箱22的结构,防止对整个保温水箱加热,只有当流入的水温低于预定的热水温度时,才对流过的水量进行另外加热。
[0025] 参见图10,在设计所述防水型电加热装置的功率应考虑流入后备水箱的流量|;>和水温并考虑后备加热水箱22的容量和需加热水的温度 <、流出该后备加热水箱22的流量和水温(O ’以及工作电压U。
[0026] 参见图11,现对该太阳能热水器的能量计算加以说明:一般情况下,一个人进行淋浴需要38°C热水大约50升和大约5分钟时间。如果冷水是从10°C起开始算起。那么将50升的水从10°C度加热到38°C度需要大约1. 63 kWh的电能,或者相当于使用低效的燃气热水器消耗O. 2单方米的燃气。下表二,表明本发明热水器与采用普通太阳能热水器和另一套电或燃气热器的作为备用热水器方案比较情况。
[0027] 表二能耗比较
Figure CN103032966AD00071
上表中,所耗能量的按水温>10°c且≤38°C的范围,并以设想的开始温度10°C起计算的。
[0028] 一般来说,很少的日子水箱的水温会低于10°C度,本发明的热水器这种采用太阳能附加备用电加热装置的组合方式可大大节省该备用加热装置消耗的能量以及实际运行的时间。显然,采用普通太阳能热水系统和另一套电或燃气热器作为备用热水器的方案中,当该普通太阳能热水器的加热水温达不到38°C度时,必然启用另一套热水器独立供应热水,这样,既使用其它能源,还浪费了所有的太阳能(参看表一“中国部分城市一年的日照能
) O
[0029] 许多信息都让消费者错误地相信,运营一套带有后备电加热太阳能热水器肯定比分别投入一套‘夏天’型和一套‘冬天’型的系统成本要贵得多。因此,很大数量的中国家庭用户都是使用的两套热水器系统。
[0030] 这种根深蒂固的错误认识,源于那种简单而错误的设计:加热一整箱水只为一次淋浴使用。如此的不负责任的设计理念只会阻碍太阳能的使用和发展,以致100%地使用纯电加热器,这设计同样损害了用户以及国家的利益。
[0031] 实际上,当水温为25°C,采用本发明太阳能热水器,10万人洗浴可节省88万kWh的公共电能或者大约9. 5万立方米的燃气。如果全国范围使用,那么节省的能源可相当于几个发电厂加大量的输变电电网设施。
[0032] 如果按照O. 69 ¥/ kWh的单价计算,那么用户可节省Y60. 72万元,也相当于对应于单独使用燃气或电加热器是YO. 61/每次洗浴。而公共浴室费用一般为Y2/每次,是所有方法中最贵的。
[0033] 参见图3,优选实施例二是与前述实施例一相类似,不同之处在于所述保温水箱2以一定比例用隔板4分隔(可根据用户热水的消耗量来确定分隔比例)出后备加热水箱22,并在后备加热水箱22内再安装一漂浮式导水组件6’,其导水软管62’出水端连接在后备加热水箱22的热水出口 222。这样,所述导水组件6’总是将后备水加热水箱22内的最热的水先输出。
[0034] 考虑到用户在使用时,并不需要将一整箱的保温水箱I的水再加热,因此本发明中的保温水箱I被有隔热芯的隔板4按一定比例分割成两部分。所述隔板4采用隔热芯,即减少需电加热的水的总量并且可防止热量传导到隔壁的内腔里。此处还可使用一只温度感应器控制后备加热水箱22中的电加热装置以一定温度时启动后备加热装置。另外,还可选择地采用一只计时器来只按照预设的时间启动电加热加热装置。这样就很好地避免全天加热而造成的损耗。
根据用户热水的消耗量,在保温水箱2中后备加热水箱22的大小可按40升,50升或者80升等各容量进行设计和生产。此部分内容的设计与市场上普通锅炉的设计方法是一致。这种设计方案可保证即使在冬季能最有效地利用太阳能。
[0035] 在‘寒冷’的季节太阳下午就落山,后备加热水箱内的电加热装置在大约下午4左右开始加热,这样太阳能就不会被浪费。电加热装置假设功率为1. 6 kW,加热40升的“冷”水在2小时之内可让水温从10°C升至75°C。通过从保温箱2另一分隔部分混合成大约100升的38°C的水就可连续提供2个人淋浴的过程使用。
[0036] 参见图4,本发明的优选实施例三,是设计一种高效安全的太阳能热水器,包括集热管1、保温水箱2和连接管道,尤其是在保温水箱2内设置有导水组件6,该导水组件6包括漂浮式进水口 61和导水软管62,导水软管62 —端与该漂浮式进水口 61相连,另一端连接于所述水箱2的下部。我们知道,保温水箱2内总热水上浮冷水下沉,采用导水组件6总是将水箱2最热的水输出。
[0037] 当然,作为进一步改进,可以在用隔板4将所述保温水箱2隔出后备加热水箱22,该后备加热水箱22设有进水口 221和出水口 222,该出水口 222即为该保温水箱2的热水出口 ;所述导水组件6的导水软管62的出水口端与所述后备加热水箱22的进水口 221相通;所述后备加热水箱22内设有与外部控制电路相连、以水温触发开启或关闭的防水型电加热装置。
[0038] 所述实施例中也可以采用集热器2内管填加PCM蓄热球和/或在保温水箱分隔出后隔热水箱22的方式,以提高太阳能热水器的功效。
[0039] 参见图2,本发明的优选实施例四,设计另一种高效安全的在太阳能热水器,包括集热管、保温水箱和连接管道,特别是所述集热管内管中填充有相变物料PCM的蓄热球11。
[0040] 作为进一步改进,可在所述保温水箱2用隔板4隔有后备加热水箱22,该后备加热水箱22设有进水口 221和出水口 222,该出水口 222即为该保温水箱2的热水出口 ;所述保温水箱2内还设置有导水组件6,该导水组件6包括漂浮式进水口 61和导水软管62,所述漂浮式进水口 61总是漂浮在水面中,与其连通的导水软管62的另一端与所述后备加热水箱22的进水口 221相通;所述后备加热水箱22内设有与外部控制电路相连、以水温触发开启或关闭的防水型电加热装置。
[0041] 参见图1,本发明的优选实施例五,是设计一种高效安全的在太阳能热水器,包括集热管1、保温水箱2和连接管道,所述保温水箱2用隔板4隔有后备加热水箱22,该后备加热水箱22设有进水口 221和出水口 222,该出水口 222即为该保温水箱2的热水出口 ;所述后备加热水箱22内设有与外部控制电路相连、以水温触发开启或关闭的防水型电加
热装置。
[0042] 参见图3,本发明的优选实施例六与实施五所不同的是:所述保温水箱I用隔热芯的隔板4分按用户使用需要以一定比例割成两部分,其中一个作为后备加热水箱22。同时,所述实施例中也可以采用集热器内管填加PCM的蓄热球11和/或在水箱中采用导水组件6,以提闻太阳能热器的功效。
[0043] 参见图13和图14,上述各实施例中,所述保温水箱2是类圆柱体或柱体,即所述保温箱2的底部至少是平面,令该保温水箱2能直接放置。这样设计可方便直接安装在屋顶。因为这种形状,屋顶面可以不再集中承载而是分散承载水箱的负荷。另外,大部分的结构性的构件都将减少,这种保温水箱外形的改变可大大减少裸露在屋顶而被雷击的可能性出现。
[0044] 实际应用中,上述实施方案可根据需要,组合使用,设计出节能且经济的太阳能热水器。

Claims (10)

1. 一种高效安全的太阳能热水器,包括集热管(I)、保温水箱(2)和连接管道,其特征在于:所述保温水箱(2)用隔板(4)隔离有后备加热水箱(22),该后备加热水箱(22)设有进水口(221)和出水口(222),该出水口(222)即为该保温水箱(2)的热水出口 ;所述保温水箱(2)内还设置有导水组件(6),该导水组件(6)包括漂浮式进水口(61)和导水软管(62), 所述漂浮式进水口(61)总是漂浮在保温水箱(2)中被太阳能加热了的水的近水面层,与其连通的导水软管(62)的另一端与所述后备加热水箱(22)的进水口(221)相通;所述后备加热水箱(22)内设有与外部控制电路相连、以水温触发开启或关闭的防水型电加热装置(3); 所述集热管(I)装入了填充有相变物料的蓄热球(11)。
2.根据权利要求1所述的高效安全的太阳能热水器,其特征在于:所述后备加热水箱(22)内安装有导水组件(6 ‘),其漂浮式进水口(61 ‘)总是漂浮在后备加热水箱(2)中被加热了的水的近水面层,其导水管(62’)出水端连接在后备水箱 (22)的热水出口(222)。
3.根据权利要求1或2所述的高效安全的太阳能热水器,其特征在于:所述漂浮进水口(61、61’ )是带有浮球或由漂浮材质制成的水管。
4.根据权利要求1所述的高效安全的太阳能热水器,其特征在于:所述蓄热球(11)包括热传导能性能好的塑料的外壳和其的充满内部蓄/放热性能好的相变物料;该蓄热球(11)直径小于所述集热管(I)内管的直径。
5.根据权利要求1或4所述的高效安全的太阳能热水器,其特征在于:所述相变物料包括无机相变物料和有机相变物料。
6.按照权利要求1所述的高效安全的太阳能热水器,其特征在于所述热水器还装有恒温器(7),该恒温器(7)的入水口分别接冷水和经热水器升温的热水,其出水口的水温预先设定的温度;该恒温器安装在所述保温水箱(2)的内部或是其外部。
7.根据权利要求1所述的高效安全的太阳能热水器,其特征在于:所述防水型电加热装置(3 )包括水温感应器,防干烧感应器和安全调温器,所述水温感应器,防干烧感应器和安全调温器均电连接在所述外部控制电路。
8.根据权利要求5所述的高效安全的太阳能热水器,其特征在于:所述无机相变物料包括结晶水合盐、熔融盐、金属和合金。
9.根据权利要求5所述的高效安全的太阳能热水器,其特征在于:所述有机相变物料包括石蜡、脂肪酸、高密度聚乙烯和多元醇。
10.根据权利要求1或4所述的高效安全的太阳能热水器,其特征在于:所述相变物料的相变温度变化范围在大于等于70°C至小于100°C之间。
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