CN103075818A - 一种热管式太阳能热水系统的热传输方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热管式太阳能热水系统的热传输方法及其系统，涉及一种太阳能热水系统，特别涉及一种分体式太阳能热水系统。该热能传输方法包括由热管式的集热单元将太阳能转换成热能过程，以及通过热能传输系统传导输至水箱，对水箱内的低温水进行加热的热能传输过程，其中，热能传输过程是通过集热器内换热工质在完全密封循环系统内进行连续的液-汽-液相变，实现高效的将由所述集热单元采集并转换的热能转输至水箱。本发明能够在热管式太阳能集热单元的冷凝端与分体式水箱间高效传递热量减少热量损失，实现生活热水水箱与太阳能集热器不需外部辅助能量实现远距离热能传输，适应现代高层建筑的要求。

Description

一种热管式太阳能热水系统的热传输方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能热水系统，特别涉及一种分体式太阳能热水系统。

背景技术

太阳能是一种取之不尽的绿色能源，太阳能热水系统作为太阳能的直接且有效的利用在全世界的范围内被广泛地使用。随着太阳能热水技术发展，作为城市建筑太阳能系统的一种解决方案，阳台式太阳能热水器的市场空间逐渐呈上升趋势，得到越来越多的太阳能厂家的高度关注，并推出一系列的阳台式太阳能热水产品。作为太阳能与建筑一体化的先锋产品，阳台壁挂太阳能热水器成功的与建筑一体化完美结合，更得到了广大消费者的一致认可，从而实现了在高层建筑上对太阳能热水技术的应用。

由于高层建筑结构以及高层建筑采光等条件的限制，大多数的应用于高层建筑上的太阳能热水系统通常采用将收集太阳能的集热单元与生活水箱的分体设计。集热单元设置于阳台或者建筑物的采光面，水箱则设置于室内，并通过自然循环或强制循环的方式将热能从集热单元导向水箱。

现有的阳台太阳能热水系统，依据收集太阳能的集热单元的结构主要分为两大技术体系，一种采用平板式太阳能集热单元，另一种则采用真空管式太阳能集热单元。

平板太阳能热水器是继第一代焖烧式太阳能热水器之后的第二代太阳能热水器。平板型太阳能热水器是目前太阳能集热器中的一种主要类型。由吸热板芯、壳体、透明盖板、保温材料及有关零部件组成。阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上，在吸热体上面排列的流体通道。其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收转变为热能后，传向流体通道中的工质。这样，从集热单元底部入口的冷工质，在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后的热工质，带着有用的热能从集热器的上端出口，蓄入水箱中待用，即为有用能量收益。由于平板式热水器可以将从太阳能吸收的热能通过流体通道直接传输至水箱，其热传输方法及结构直接简单，适用于壁挂式阳台太阳能热水器。但是，由于吸热体温度升高将损失一部分热量，通过透明盖板和外壳又向环境散失一部分热量，这些都构成平板太阳集热单元的各种热损失，则其传导给流体通道内工质再由工质传输至水箱的热能被大大地减弱了。在比较寒冷的地区(低于-10℃北方地区)需要大量电能作为辅助能源。

全玻璃真空管型太阳能热水器是真空管型热水器的一种，因其结构简单，投资成本低，生产工艺成熟等，在太阳能市场场中占有相当份额。其主要结构由内、外两层玻璃管组成，内、外玻璃管之间进行真空处理，并且内管真空侧镀有选择性吸收涂层。工作时，内管内充满水，并通过涂层将太阳能转换为热能并传送给水。常见为直接插入水箱内提供热水。但其也存在明显的缺陷：可靠性差，维护难，一根管破损则整个系统将无法运行；内管易结水垢且难以清除；不能承压运行；热容大，热损大；存在冻裂隐患。此种种，都影响了其使用寿命及在大型热水工程中的应用。

U型管真空管主要分为两种。一种为玻璃吸热体结构，另外一种为金属吸热体结构。其主要的工作原理都是利用吸热体将太阳能转换为热能，并传送给U型管，再加热流通于U型管内的导热介质，从而制造热水。U型管热水器解决了全玻璃真空管太阳能热水器不能承压运行的为题，但其存在维护难，集热板安装困难，易局部过热等问题，并且需要循环泵等辅助设备，且所需功率较大，热性能不理想，所以应用较少。

假热管式真空管热水器也是真空管热水器的一种。此种真空管是在全玻璃真空管的基础上，将一根热管放入玻璃内管内，并连接一个金属筒作为固定和二次导热。金属筒与内管管壁紧密接触。工作时，内管的选择性吸收涂层将太阳能转换为热能，并通过管壁传递给金属筒，再传递给热管。此种真空管解决了全玻璃真空管存在的内管易结水垢的问题，并且不会出现冻裂的危险。维护相对更容易，且个别管子的破损不影响整体体统的运行。但因其经过多次的传导才将热能传递给热管，且玻璃内管内是非真空的，因此其热损很大，热效率低。

热管真空管式太阳能热水器是继闷晒型、平板型、全玻璃真空管之后的第四代太阳能热水器，是真空管型热水器的一种，从根本上解决了其它类型太阳能集热器在热效率、承压能力、防冻性能、安装维护方面的存在的问题，且价格适中，，适用范围极其广泛。由于热管式太阳能热水技术领域内的大部分知识产权为中国所拥有，中国企业的热管式太阳能热水器占领90％以上的国际市场。其原理是由热管原理构成每一个独立的集热单元，通过工质在热管的冷凝端冷凝换热的方式，将热能传导至水箱。使用较为广泛的是将热管的冷凝端直接插设于水箱内，直接与水箱内的水进行的热交换，从而将热能传导给水箱。但是，这种简单的结构仅适用于平层建筑或高层建筑的顶层，在城市建筑，特别是高层建筑上的使用受到了极大的限制。其问题在于热管式热水器中，集热单元内工质只能在完全封闭的热管内循环，不能通过热管内的工质的流动将热能直接传输给与热管的换热端分体设置的水箱。

目前解决这个问题的方式是将在集热单元的冷凝端与水箱间建立一个热传输系统。在这个热传输系统中，集热单元的换热端(热管的冷凝端)插设于集热器，与集热器内的水进行热交换，加热后的热水通过流体通道传输至水箱。热管中的工质不能直接进入热水系统中进行循环，只能先加热循环系统中的水，再由系统中的工质加热生活水箱中的热水。此种方式通常采用强制循环的方式实现热传输系统内工质的循环，需要耗费一定的电力，若停电则系统无法运行，并且循环泵、膨胀罐、水箱相互独立，利用管路连接，热量散失较大。因此目前此种方式主要应用于建筑特别高层建筑的集中式热水系统。

采用自然循环的太阳能热水系统是利用热虹吸原理，依靠太阳能集热器的热传输系统中集热器与生活热水水箱的温差与压强差而形成的热虹吸压头使作为热能传输工质的水流动，进而循环，不需任何外部动力。但是，由于上述热传输系统内的压强差较小，为保证正常运行和防止夜间无辐射时热水倒循环，水箱底部必须高于太阳能集热器，在与建筑结合设计中，特别是在壁挂式阳台太阳能热水器的使用受到局限。

为实现热管式太阳能热水器的自然循环，一种方法是采用二级热管的热水系统。是用二级热管连接太阳能集热器与生活热水水箱，通过二极热管将太阳能集热器收集到的热能传递给生活热水水箱，可以在低温状态下工作。但是生活热水水箱的位置受到二级热管长度的限制，生活热水水箱与太阳能集热器不能离开较远距离，不适应现代住宅的要求。

有鉴于自然循环的热管式太阳能热水器在建筑，特别是高层建筑特上的应用的局限性，近些年国外提出了一种改进型的平板式太阳能集热单元。即在集热单元通道内产生蒸汽，而不是液态热工质，再由外部连接管路直接将蒸汽传输到设置于水箱内，对低温水进行加热。或者通过与外部管路连接并设置于水箱内的换热器，将热能传输给水箱中的水。蒸汽冷却为液体，再回到平板型太阳能集热器中循环加热。经测试了水，丙酮及R134a分别作为液态传热工质的性能，其性能分别为50％左右。

但是这种方法依然存在着不可克服的技术缺陷，首先，平板型太阳能集热单元通道为串联或并联连接，液体工质需要利用吸热体收集到的太阳能被加热而形成的蒸汽，需要在连续的多弯头回转的管路内产生，这样蒸汽产生不容易同时蒸汽的压力不高，蒸汽也就不容易进入循环进而推动整个循环系统的工作。其次，由于工质既要分布于多个吸热体内吸收太阳能，又要进入到循环系统中加热水箱中的水，这就需要较多的液态工质并且难以明确液体工质的灌注量。

这种方法还存在另一个不可克服的技术缺陷，尽管改进型平板式太阳能热器做出了上述重要的改进，但是平板型太阳能热水器的热量散失大的缺陷并没有通过上述的改进而得到有效的克服。大量的使用实践证明，平板式太阳能集热单元在冬天及日照较低时，并不能有效地将液态导热工质加热为蒸汽，为维持正常的热水供应，仍需要大量辅助电能。而由于平板式太阳能热水器的在集热单元与外部管道中在同一个导通循环通道内，因此只能采用同一种导热工质，不能兼顾在集热单元内的工质转换效率以及在水箱内的热转换效率两个方面，因此仍存在热转换效率低的缺陷。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种在热管式太阳能集热单元的冷凝端与分体式水箱间可以高效传递热量减少热量损失的热传输方法，使得以热管式太阳能集热器的热水系统高效地应用于高层建筑或阳台上的分体式热水系统中，实现热管式太阳能热水系统建筑完美的一体化结合。

本发明的另一个发明目的是提供一种在热管式太阳能集热单元的冷凝端与分体式水箱间可以不需要辅助外部能量就可自然循环的热传输方法，使得以热管式太阳能集热器的热水系统可以更广泛的应用于高层建筑中，实现生活热水水箱与太阳能集热器不需外部辅助能量就可以离开较远距离，适应现代住宅的要求。

本发明的另一个发明目的是提供一种可以兼顾热量在集热单元内的转换效率以及在水箱内的转换效率两个方面的热传输方法，使得热水系统兼具了热管式太阳能集热单元可以高效的将太阳能转换为热能，同时热量又可以高效的传递给生活水箱，更适合现代高层建筑的使用。

本发明的另一个目的是提供一种仅需少量换热工质，就可以实现在热管式太阳能集热单元的冷凝端与分体式水箱间可以传递热量的热传输方法，使得在热传输系统中只需注入少量的换热工质就可以推动整个热传输系统工作，在保证高效的热传输的基础上同时又兼具了经济性，更适合在现在建筑中的推广和应用。

本发明的另一个目的是提供在可以高效传递热量，无需辅助电能可自然循环兼具了高效的集热效果和高效的热传输效果同时只需少量换热介质即可推动的分体式热管太阳能热水系统。

为实现上述发明目的，本发明提出了一种热管式太阳能热水系统的热能传输方法，包括由热管式的集热单元收集太阳能、并将太阳能转换成热能过程，以及将由所述集热单元转换的热能通过热能传输系统传导输至水箱，对水箱内的低温水进行加热的热能传输过程；其中，所述热能传输过程：

所述集热单元的换热端与热传输系统中集热器内的换热工质进行沸腾换热，在集热器内呈液态的换热工质在换热过程中蒸发后呈高温热蒸汽；

所述高温热蒸汽通过与集热器的蒸汽出口导通的密封蒸汽通道进入二次换热器，由二次换热器与水箱内的低温水进行热交换，将水箱内的低温水加热，完成一次热能传输过程；进入二次换热器内的高温热蒸汽在换热过程中被冷凝后再次呈液态的换热工质通过密封的换热工质回流通道返回集热器内，进入下一个热传输过程的循环；上述热传输过程中，换热工质由低沸点工质构成，换热工质的蒸发-冷凝循环过程在完全密封循环系统内进行；

在所述集热单元与集热器的热交换的全部过程中，上述热能传输过程连续循环，将由所述集热单元采集并转换的热能转输至水箱。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述换热工质为沸点低于100℃的液态工质。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述低沸点液态工质由甲醇、乙醇、丙酮、四氟乙烷或氢氟烃类化合物。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述的换热工质由两种或两种以上的工质混合组成混合工质，所述混合工质中至少包含一种低沸点工质，所述混合工质的沸点低于100℃。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述的混合工质由水和丙酮混合组成，其中丙酮的体积含量为10％-90％。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，丙酮的体积含量为20％-40％。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述集热器内的换热工质液面低于集热器的蒸汽出口，集热器内在换热工质最高水平液面的上方形成一可容置高温热蒸汽的空间，同时通过控制集热器内换热工质的最高水平液面的高度控制系统内换热工质的灌液量。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述集热器内的换热工质的水平液面高于所述集热单元的最高换热端，所述集热单元的换热端完全被换热工质包容。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述与集热器的蒸汽出口导通的蒸汽通道的内腔口径小于集热器的内腔口径，集热器内的高温热蒸汽挤入蒸汽通道后被加压而形成高压高温热蒸汽。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述二次换热器的出口端高于集热器内液态换热工质的最高水平液面。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述的热管式集热单元由玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管构成，所述换热端为该玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管的冷凝端。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述导通于集热器和二次换热器间的蒸汽通道和工质回流通道进行保温处理。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述的所述热能传输过程中换热工质在密封真空状态下循环。

本发明同时提出了一种采用上述热能传输方法的热管式太阳能热水系统，包括：

集热单元，由热管式太阳能集热管构成，用于采集太阳能并转换成热能，并通过所述热管式太阳能集热管的换热端进行热能的转换；

水箱，设有补水入口和热水出口；

热能传输系统，将集热单元的热能传输至水箱，对水箱内的低温水进行加热；其中：

与集热单元的换热端进行热交换的集热器，该集热器内容置有低沸点的换热工质，在换热过程中呈液态的换热工质在换热过程中蒸发呈高温热蒸汽；

集热器的蒸汽出口端导通于密封蒸汽通道，蒸汽通道的另一端导通于二次换热器；二次换热器贯穿于水箱；二次换热器的出口端导通于密封的冷凝后工质回流通道，工质回流通道的另一端导通于集热器，构成密封循环热能传输系统；

所述换热工质在密封循环热能传输系统的集热器内被蒸发呈高温热蒸汽，进入二次换热器与水箱内的低温水进行加热；进入二次换热器内的高温热蒸汽在换热过程中被冷凝后再次呈液态的换热工质通过密封的工质回流通道返回集热器内，进行热传输过程的再循环。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述低沸点换热工质为沸点低于100℃的液态工质。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述低沸点工质为甲醇、乙醇、丙酮、四氟乙烷或氢氟烃类化合物。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述的换热工质由两种或两种以上的工质混合组成混合工质，所述混合工质中至少包含一种低沸点工质。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述的混合工质由水和丙酮混合构成，其中丙酮的体积含量为10％-90％。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，丙酮的体积含量为20％-40％。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述的集热器内的换热工质液面低于集热器的蒸汽出口，在集热器内换热工质最高水平液面的上方形成一容置高温热蒸汽的空间。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述的集热器内的换热工质的水平液面高于集热单元的最高换热端，集热单元的换热端完全被换热工质包容。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述与集热器的蒸汽出口导通的蒸汽通道的内径小于集热器的内腔口径，集热器产生的高温热蒸汽挤入蒸汽通道后被加压而形成高压高温热蒸汽。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述贯穿于水箱的二次换热器的出口端高于集热器内液态换热工质的最高水平液面。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述的导通于二次换热器的出口端的工质回流通道的坡度大于1％。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述密封循环热能传输系统上设有抽真空装置，该抽真空装置设置于蒸汽通道或工质回流通道上。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述密封循环热能传输系统上设有注液装置，该注液装置由设置于蒸汽通道或工质回流通道上的注液管构成。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于抽真空装置和注液装置由一个抽真空注液管构成。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述的热管式太阳能集热管采用玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管，所述换热端为该玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管的冷凝端。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述导通于集热器和二次换热器间的蒸汽通道和工质回流通道外设有保温层。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述二次换热器呈盘管状，贯穿于水箱内，以增大二次换热器的换热面积。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述的二次换热器与水箱呈内外环套结构。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述的二次换热器为一环形套筒，环设于水箱外层或贯穿于水箱内。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述的导于集热器和二次换热器间的蒸汽通道和工质回流通道由金属管构成。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述的热管式太阳能集热管呈水平排设置，所述热管式太阳能集热管的冷凝端与呈竖直设置的集热器连接。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其中，所述的热管式太阳能集热管竖直排列设置，所述热管式太阳能集热管的冷凝端与水平设置的集热器连接。

与现有技术相比，本发明具有以下明显的优势：

1、本发明能够在热管式太阳能集热单元的冷凝端与分体式水箱间高效传递热量减少热量损失，使得以热管式太阳能集热器的热水系统可以更广泛的应用于高层建筑中，实现生活热水水箱与太阳能集热器不需外部辅助能量实现远距离热能传输，适应现代高层建筑的要求。

2、本发明不需辅助电能就可以使热水系统的自然循环实现高效的热量传输，使得以热管式太阳能集热器的热水系统可以更广泛的应用于高层建筑中，实现生活热水水箱与太阳能集热器不需外部辅助能量就可以离开较远距离，适应现代住宅的要求。

3、本发明从根本上解决了分体式热管式太阳能热水系统的热能传输的问题，在充分利用热管式集热单元的热能转换效率高的特点的同时，最大限度地提高了分体式太阳能热水系统的热能传输系统内的热能传输效率，使得将通过热管式太阳能集单元高效收集的太阳能并转换成的热能，又高效的传递给生活水箱，扩展了热管式太阳能热水系统在现代高层建筑中的应用。

4、本发明所需少量液态工质推动整个热传输系统的运转，在保证高效的热传输的基础上同时又兼具了经济性。并且，本发明通过对集热器内工质液面的控制实现热水系统的工质灌液量的控制，操作以及维修更为简单，适合推广和应用。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明实施例一的太阳能热水系统；

图1-1为本发明实施例一中集热器蒸汽出口处的局部放大图；

图2为本发明实施例二的太阳能热水系统；

图2-1为本发明中的一种立式套筒结构的二次换热器的局部放大图；

图2-2为本发明中的一种卧式套筒结构的二次换热器的局部放大图；

图3为本发明实施例三的太阳能热水系统；

图4为本发明实施例四的太阳能热水系统；

图5为本发明实施例五的太阳能热水系统；

图6为本发明实施例六的太阳能热水系统；

图7为本发明实施例七的太阳能热系统；

图8为本发明实施例八的太阳能热水系统；

图9为本发明实施例九的太阳能热水系统；

图9-1为本发明中的一种盘管结构的二次换热器的局部放大图；

图10为本发明实施例十的太阳能热水系统。

附图标记说明：

10-集热单元；11-换热端；12-热管式太阳能集热管；20-集热器；21-空间；22-蒸汽出口；30-换热工质；31-液面；32-热蒸汽；40-水箱；41-补水口；42-热水出口；50-二次换热器，51-出口端；52-蒸汽进口；60-蒸汽通道；70-工质回流通道；80-抽真空注液管；90-保温层；h-高度差。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

实施例一

结合图1详细说明本发明的热管式太阳能热水系统的热能传输方法。本发明热能传输方法具体包括两个过程：

过程一，由热管式的集热单元10收集太阳能、并将太阳能转换成热能过程；这个过程是一个集热过程，主要通过热管式太阳能集热单元10收集太阳能，并将其转换为热能。通过热管式太阳能集热单元10的集热效率极高的特性，收集太阳能并在热管内部完成热能转换。该热能通过热管式集热单元10的换热端11传导给热能传输过程。

过程二，将由所述集热单元10转换的热能通过热能传输系统传导输至水箱40，对水箱40内的低温水进行加热的热能传输过程；这个过程是从热管式集热单元10的换热端11采集热能，再将该热能传输至水箱40内，并且与水箱40内低温水进行热交换，对水箱40内的低温水进行加热。本发明所述热能传输的具体过程为：

集热单元10的换热端11与热传输系统中集热器20内的换热工质30进行沸腾换热，在集热器20内呈液态的换热工质30在换热过程中蒸发后呈高温热蒸汽32；

高温热蒸汽32通过与集热器20的蒸汽出口22导通的密封蒸汽通道60进入二次换热器50，由二次换热器50与水箱40内的低温水进行热交换，将水箱40内的低温水加热，完成一次热能传输过程；进入二次换热器50内的高温热蒸汽32在换热过程中被冷凝后再次呈液态的换热工质30通过密封的工质回流通道70返回集热器20内，进入下一个热传输过程的循环；在本实施例中的热能传输全部过程，换热工质30由低沸点工质构成，换热工质30的蒸发-冷凝循环过程在完全密封循环系统内进行；

在所述集热单元10与集热器20进行热交换的全部过程中(即有日照的时间内)，上述热能传输过程连续循环，将由所述集热单元10采集并转换的热能转输至水箱40。

本发明的热传输过程及其工作原理是通过换热工质30的循环过程的液-气-液三种状态的转换实现的，将从集热单元10的换热端11采集的热能以高温热蒸汽32状态传输给水箱40，在水箱40内将热量释放出来与低温水进行热交换，对水箱40内的低温水进行加热，从而实现热能的传输。在热交换过程中，高温热蒸汽32再次被冷凝为液态，并利用重力返回集热器20内进入下一个热传输的循环过程。大量的试验证明，相对于现有的热管式太阳能系统利用热水进行热传输的方法，本发明具有非常显著的效率高、热损小的热能传输特点。

在本发明中，由于采用了低沸点的换热工质30，因此在集热器20内的换热工质30在较低温度下即很快蒸发为高温热蒸汽32。相对于热水而言，并利用高温热蒸汽32极好的流动性将热能传输至水箱40。因此，本发明完全可以实现采用热管式太阳能集热管的分体式太阳能热水系统的自然循环过程，而不再利用如水泵等任何的辅助动力实现热能传输的强制循环过程。

本发明中，在热能传输过程中所使用的换热工质30可为沸点低于100℃的液态工质。本发明人经大量实验证明，目前使用范围较广的沸点低于100℃的液态工质，如甲醇、乙醇、丙酮、四氟乙烷或氢氟烃类化合物均可应用于本发明中。

本发明在具体实施过程中，可以依据使用地区的气温特点选择沸点不同的工质，以达到工质在不同情况下确保换热工质30能很快地进行液-汽转换并在集热器20内形成高温热蒸汽32。例如，在气温较低的地区可以选择沸点范围在20-60℃的低沸点换热工质，如丙酮。而在气温较高有南方地区可以选择沸点范围在50℃以上的低沸点换热工质，如甲醇或乙醇。上述低沸换热工质所具有的共同特点是在尚未达到100℃时，特别是冬天或者日照不足时都能保证在集热器20内的工质高效蒸发。

本发明所述的低沸点换热工质30可则两种或两种以上的工质混合构成混合工质，所述混合式工质中至少包含有一种低沸点工质。具体在本实施例中所采用的混合工质由非低沸点工质的水和低沸点工质丙酮混合而成，其中，混合工质中丙酮的含量为10％-90％(体积)。经过大量实验，当丙酮的含量优选为20％-40％(体积)时，热能传输的效率高，并且可以适合我国大部分地区使用。

由于本发明采用了热管式太阳能集热管集热效率高，适用的地区广的特点，例如适用于最低温度在约零下20℃北方地区直至温度高于30℃的南方地区，特别是本发明在低于零下10℃北方地区完全可以在无需任何辅助电能的情况下提供充足的热水，而这一点是目前平板式太阳能热水系统不能实现的。所以在本发明中，为达到从集热单元10所采集的热能高效、低损的传输至分体设置的水箱40，低沸点换热工质30的选择范围也设定的比较宽泛，使之与热管式太阳能热水系统的使用范围相区配。

请参考图1-1为本发明实施例一中集热器蒸汽出口处的局部放大图；如图1-1所示，在本发明中，集热器20内的换热工质30的液面31低于集热器20的蒸汽出口22，在集热器20内换热工质30最高水平液面31的上方形成一个容置高温热蒸汽32的空间21。这样，就保证了在集热器20中的换热工质30可以有充分的空间沸腾，有利于换热工质30由液态转变为高温热蒸汽32，同时也更有利于高温热蒸汽32的聚集，从而产生一定的蒸汽压力，高温热蒸汽32也就更容易进入循环进而推动整个循环系统的工作。

本发明中，与集热器20的蒸汽出口22相导通的蒸汽通道60的内腔口径小于集热器20的内腔口径，这样换热工质30的高温热蒸汽32在集热器20上方聚集后，挤入空间更小蒸汽通道60中，此时，高温热蒸汽32的体积急剧减少的情况下压力增加而进一步形成高压高温热蒸汽，该高压高温热蒸汽在二次换热器50内的冷凝的换热效率要远高于普通的高温热蒸汽，同时因为具有更高的压力，其对整个系统的推动作用也要更好。

在本发明中，集热器20内换热工质30的水平液面31高于集热单元10的最高的换热端11，这样集热单元10的所有换热端11都被液态的换热工质30所包容，进而所有的集热单元10都可对液态的换热工质30进行加热，确保集热单元10与集热器20间的换热效率。这样在本发明中，换热工质的水平液面31高度控制在集热单元10的最高的换热端11与集热器20的蒸汽出口22间的高度差h的范围内即可。

本发明中，通过控制集热器20内的换热工质30的液面31高度，可以控制整个密封循环热传输系统中的换热工质30的灌液量。使得对于整个系统的操作和维修更简单更标准，也更利于本发明的推广和应用。

综上所述，通过对集热器20内的换热工质30的液面31水平高度的控制，使得换热工质30产生的高温热蒸汽32很容易集聚在集热器20上方的一个小空间21内，相对于平板式太阳能在串联或并联的管道内呈分散状态的蒸汽而言，集聚在一个小空间21内的高温热蒸汽32不仅流动性更好可以加快循环之外，而且有利于热能的保持，因此本发明可以最大限度地减少热能的流失，具有热能损失小的优势。

另外，本发明通过对蒸汽通道60内腔口径小于集热器20内腔口径的方法，使得作为热能传输的高温热蒸汽32进一步产生加压的效果，更有利于热能的高效传输。

用以实现本发明的方法的太阳能热水系统请参见图1。

热能传输方法的热管式太阳能热水系统，包括：

集热单元10由热管式太阳能集热管12构成，用于采集太阳能并转换成热能，并通过所述热管式太阳能集热管12的换热端11进行热能的转换；具体在本实施例中，集热单元10中的热管式太阳能集热管12可采用玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管以及其它采用热管原理的所有太阳能集热管。集热单元10的换热端11则为热管式太阳能集热管12的冷凝端。通常情况下，热管式太阳能集热管12为多个规则排列后组成一个集热单元10。

水箱40，设有补水口41，以保持水箱40内的安全水位。水箱40是本系统中重要的换热并产生热水的装置，并将热水暂时保存于其中，并通过热水出口42导通于用户的使用端，提供生活用水。

热能传输系统，用于将集热单元10的热能传输至水箱40，对水箱40内的低温水进行加热；其中：

与集热单元10的换热端11进行热交换的集热器20，集热器20内容置有低沸点的换热工质30，在换热过程中呈液态的换热工质30在换热过程中蒸发呈高温热蒸汽32；具体在本实施例中，集热器20与集热单元10的换热端11的联接采用目前太阳能热水系统是常规使用的插接方式。集热单元10通过其换热端11将热能通过辐射的方式与集热器20内的换热工质30进行沸腾换热，使得低沸点的换热工质30很快蒸发呈高温热蒸汽32，并集聚在集热器20的上方。

集热器20的蒸汽出口22端导通于密封蒸汽通道60，蒸汽通道60的另一端导通于二次换热器50；二次换热器50贯穿于水箱40；二次换热器50的出口端51导通于密封的冷凝后工质回流通道70，工质回流通道70的另一端导通于集热器20，从而将冷凝后呈液态的换热工质30返回集热器20内。在本发明中，上述的热能传输系统成密封循环系统；

综上所述，所述换热工质30在密封循环热能传输系统的集热器20内被蒸发呈高温热蒸汽32，进入二次换热器50与水箱40内的低温水进行加热，完成热能的传输过程；进入二次换热器50内的高温热蒸汽32在换热过程中被冷凝后再次呈液态的换热工质30通过密封的工质回流通道70返回集热器20内，进行热能传输过程的再循环。本发明太阳能热水系统的工作原理及其效果如前所述，在此不再赘述。

为使本发明的热太阳能热水系统达到更佳的热能传输效果，本实施例中给出如下具体实施方式。

具体在本实施例中，换热工质30为水和丙酮组成的混合工质，其中，丙酮的含量为30％(体积)。此时可以保证较高热能传输的效率。丙酮的沸点低于60℃，可以很快的进行液气转换，形成高温热蒸汽32，进而推动整个系统运转，而水的沸点高不易沸腾可以停留于集热器20内保证液面31的高度始终处于低于蒸汽出口22而高于集热单元10的最高的换热端11的范围内，保证最佳的热传输效果。同时，丙酮的含量大约为30％(体积)时，即可以保证系统中丙酮的热蒸汽压力足够高进而推动整个系统的运行，又将热蒸汽压力的最高值控制在合理的范围内，降低了因蒸汽压力过高而使系统过载的风险。这样利于整个系统的安全运行，同时因为系统内的蒸汽压力可控又减低了制造系统时各个所需设备的强度要求，更经济。

在本实施例中，二次换热器50采用盘管状换热器，通过加长二次换热器50的长度的结构达到增大的换热面积的目的，实现换热充分的效果。在换热过程中，进入二次换热器50内的高温热蒸汽32被冷凝后再次呈液态。

为提供较好的系统密封性，本发明中，导于集热器20和二次换热器50间的蒸汽通道60和工质回流通道70由金属管构成，并通过焊接或其它联接方式进行密封联接，有利于密封和保温处理。在具体实施过程中可以先将对系统进行组装，并测定整个系统的密封性能，整个系统的密封性能达到要求后，再通过设置于蒸汽通道60或工质回流通道70上的注液装置将换热工质30注入系统，最后将注液装置密封，注液装置可以选则注液管等多种形式。

在本发明中，二次换热器50的出口端51高于集热器20内液态换热工质30的最高水平液面31。由于虹吸效应，出口端51也就高于在工质回流通道70中液态的换热工质30的液面31，这样，冷凝后的换热工质30也就更容易在重力的作用下由回流到工质回流通道70内，从而形成自然循环，而无需任何其它设备。

另外在本发明中，集热器20内换热工质30的水平液面31高于集热单元10的最高的换热端11，这样集热单元10的所有换热端11都被液态的换热工质30所包容，进而所有的集热单元10都可对液态的换热工质30进行加热，确保集热单元10与集热器20间的换热效率。

同时本发明中，在热水系统的静态状态(即在无日照的情况下集热单元10不进行工作的情况)液态的换热工质30基本上集中在集热器20中，这样只需要少量的换热工质30就可以推动整个系统的运转，更具经济性，并且对于换热工质30的测量和控制更加容易，适合在现在建筑中推广和应用。

本发明在具体实施过程中，可以根据使用地区的气温情况，对导通于集热器20和二次换热器50间的蒸汽通道60和工质回流通道70进行保温处理，设置保温层90。这样，热能在传输过程中的热量损失会更小。

本实施中，热管式太阳能集热管采用适合于阳台的横向排列的方式，集热器20相对于热管式太阳能集热管12垂直方向设置，热管式太阳能集热管12的冷凝端采用比较常用的插入式联接方式插入集热器20内。二次换热器50采用盘管式结构，该盘管贯穿水箱40，并全部浸入水箱40内。通过盘管增大管道的长度，使得处于二次换热器50的盘管内的高温热蒸汽32与水箱40内的低温水进行充分换热。

实施例二

本实施例的太阳能热水系统如图2所示，本实施例的热能传输工作原理及其效果与实施例一基本相同。

具体在实施例中，所述密封循环热能传输系统采用真空系统，其内的气压低于大气压，这样在其中的换热工质30更易沸腾，即使在冬季气温低的北方地区，或者高海拔地区也可以正常使用。在具体实施过程中，可以在蒸汽通道60或工质回流通道70上设置抽真空装置，在检测好整个系统的密封性后，先进行抽真空的操作，之后封闭抽真空装置，再由注液装置将换热工质30注入，最后密封注液装置；也可以采用抽真空装置和注液装置有一个抽真空注液管80构成，先由该抽真空注液管80抽真空，再经其注入换热工质30，最后将其密封。

在本实施例中，导通于二次换热器50的工质回流通道70的坡度大于1％，即二次换热器50的出口端51与工质回流通道70内液态的换热工质30的最高液面31间的高度差与出口端51与工质回流通道70内液态的换热工质30的最高液面31的水平距离的比例大于1∶100，这样，冷凝后的换热工质30也就更容易在重力的作用下由出口端51回流到工质回流通道70内的液面31。

在本实施例中，导于集热器20和二次换热器50间的蒸汽通道60和工质回流通道70由金属管构成，并通过焊接或高密封度螺纹与集热器20和二次换热器50连接，换热工质30的热蒸汽32在其中长时间运行的过程中，泄露量很小。因此，本实施例可以使用于较长距离的热传输的情况。

在本实施例中，二次换热器50可采用如图1所示的盘管式结构，也可以采用如图2所示的与水箱40呈内外环套结构。其中可以选择的一种实施方式为二次换热器50可为一环形，贯穿于水箱40内。还可以选择的另一种实施方式为二次换热器50环设于水箱40外层。同时，蒸汽通道60与工质回流通道70与二次换热器50的连接方式也可如图2-1或图2-2所示的由二次换热器50的底部接入。在本实施例中，环形套筒与蒸汽进口52以及工质回流通道70间密封联接，从而确保工质循环系统的密封真空状态。

本实施例的其他结构特征的说明请参考实施例一。

实施例三

本实施例的太阳能热水系统如图3所示，本实施例的热能传输工作原理及其效果与实施例一基本相同。

如图3所示，本实施例与实施例一的区别仅在于，二次换热器50与水箱40为卧式盘管结构。这样，由于盘管结构的存在，二次换热器50与水箱40的接触面积即换热面积增加，在水箱40中的热传输效率也相应提高。

在本实施例中，如图3所示，集热单元10可呈水平排设置，集热单元10的换热端11与呈竖直设置的集热器20连接。

实施例四

本实施例的太阳能热水系统如图4所示，本实施例的热能传输工作原理及其效果与实施例一基本相同。

如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于二次换热器50与水箱40为卧式环套结构。集热单元10可呈水平排设置，集热单元10的换热端11与呈竖直设置的集热器20连接。

实施例五

本实施例的太阳能热水系统如图5所示，本实施例的热能传输工作原理及其效果与实施例一基本相同。如图5所示，本实施例中，集热单元10可竖直排列设置，集热单元10的换热端11与位于集热单元10上方水平设置的集热器20连接。在集热器20中的液态的换热工质30的液面31高度要高于集热单元10的换热端11的高度，以确保集热单元10的换热端11完全被液态的换热工质30包容。进而保证全部的冷凝端换热端11都可以对液态的换热工质30进行加热，保证集热器20内的换热效率。

实施例六

本实施例的太阳能热水系统如图6所示，本实施例的热能传输工作原理及其效果与实施例一基本相同。如图6所示，集热单元10可竖直排列设置，集热单元10的换热端11与水平设置的集热器20连接，二次换热器50与水箱40为立式环套结构。

实施例七

本实施例的太阳能热水系统如图7所示，本实施例的热能传输工作原理及其效果与实施例一基本相同。如图7所示，集热单元10可竖直排列设置，集热单元10的换热端11与水平设置的集热器20连接。二次换热器50与水箱40为卧式盘管结构。

实施例八

本实施例的太阳能热水系统如图8所示，本实施例的热能传输工作原理及其效果与实施例一基本相同。如图8所示，集热单元10可竖直排列设置，集热单元10的换热端11与水平设置的集热器20连接。二次换热器50与水箱40为卧式环套结构。

实施例九

本实施例的太阳能热水系统如图9所示，本实施例的热能传输工作原理及其效果与实施例一基本相同。如图9所示，集热单元10可呈水平排列设置，集热单元10的换热端11与呈竖直设置的集热器20连接。二次换热器50与水箱40为盘管结构，并且二次换热器50环绕设置于水箱40外部。二次换热器50与水箱40的盘管结构可为图9-1所示。

实施例十

本实施例的太阳能热水系统如图10所示，本实施例的热能传输工作原理及其效果与实施例一基本相同。如图10所示，集热单元10可呈竖直排列设置，集热单元10的换热端11与呈水平设置的集热器20连接。二次换热器50与水箱40为盘管结构，并且二次换热器50环绕设置于水箱40外部。

由于本发明中集热单元10的排列方式及其与集热器20的连接方式有多种选择，同时二次换热器50与水箱40的连接结构也有多种方式进行选择，本发明在实际的应用中可以根据建筑的不同特点及客户的不同需求进行多种灵活的组合和变形，更加适于在现在建筑尤其是现在高层建筑上的推广和应用。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。

Claims (35)

1.一种热管式太阳能热水系统的热能传输方法，包括由热管式的集热单元收集太阳能、并将太阳能转换成热能过程，以及将由所述集热单元转换的热能通过热能传输系统传导输至水箱，对水箱内的低温水进行加热的热能传输过程；其特征在于，所述热能传输过程：

所述集热单元的换热端与热传输系统中集热器内的换热工质进行沸腾换热，在集热器内呈液态的换热工质在换热过程中蒸发后呈高温热蒸汽；

所述高温热蒸汽通过与集热器的蒸汽出口导通的密封蒸汽通道进入二次换热器，由二次换热器与水箱内的低温水进行热交换，将水箱内的低温水加热，完成一次热能传输过程；进入二次换热器内的高温热蒸汽在换热过程中被冷凝后再次呈液态的换热工质通过密封的换热工质回流通道返回集热器内，进入下一个热传输过程的循环；上述热传输过程中，换热工质由低沸点工质构成，换热工质的蒸发-冷凝循环过程在完全密封循环系统内进行；

在所述集热单元与集热器的热交换的全部过程中，上述热能传输过程连续循环，将由所述集热单元采集并转换的热能转输至水箱。

2.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述换热工质为沸点低于100℃的液态工质。

3.如权利要求2所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述低沸点液态工质为甲醇、乙醇、丙酮、四氟乙烷或氢氟烃类化合物。

4.如权利要求2所述热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述的换热工质由两种或两种以上的工质混合组成混合工质，所述混合工质中至少包含一种低沸点工质，所述混合工质的沸点低于100℃。

5.如权利要求4所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述的混合工质由水和丙酮混合组成，其中丙酮的体积含量为10％-90％。

6.如权利要求5所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于，丙酮的体积含量为20％-40％。

7.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述集热器内的换热工质液面低于集热器的蒸汽出口，集热器内在换热工质最高水平液面的上方形成一可容置高温热蒸汽的空间，同时通过对集热器内换热工质的最高水平液面的高度的控制实现系统内换热工质准确的灌液量。

8.如权利要求1或7所述热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述集热器内的换热工质的水平液面高于所述集热单元的最高换热端，所述集热单元的换热端完全被换热工质包容。

9.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述与集热器的蒸汽出口导通的蒸汽通道的内腔口径小于集热器的内腔口径，集热器内的高温热蒸汽挤入蒸汽通道后被加压而形成高压高温热蒸汽。

10.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述二次换热器的出口端高于集热器内液态换热工质的最高水平液面。

11.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述的热管式集热单元由玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管构成，所述换热端为该玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管的冷凝端。

12.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述导通于集热器和二次换热器间的蒸汽通道和工质回流通道进行保温处理。

13.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述的所述热能传输过程中换热工质在密封真空状态下循环。

14.一种采用如权利要求1热能传输方法的热管式太阳能热水系统，包括：

集热单元，由热管式太阳能集热管构成，用于采集太阳能并转换成热能，并通过所述热管式太阳能集热管的换热端进行热能的转换；

水箱，设有补水入口和热水出口；

热能传输系统，将集热单元的热能传输至水箱，对水箱内的低温水进行加热；其特征在于：

与集热单元的换热端进行热交换的集热器，该集热器内容置有低沸点的换热工质，在换热过程中呈液态的换热工质在换热过程中蒸发呈高温热蒸汽；

集热器的蒸汽出口端导通于密封蒸汽通道，蒸汽通道的另一端导通于二次换热器；二次换热器贯穿于水箱；二次换热器的出口端导通于密封的冷凝后工质回流通道，工质回流通道的另一端导通于集热器，构成密封循环热能传输系统；

所述换热工质在密封循环热能传输系统的集热器内被蒸发呈高温热蒸汽，进入二次换热器与水箱内的低温水进行加热；进入二次换热器内的高温热蒸汽在换热过程中被冷凝后再次呈液态的换热工质通过密封的工质回流通道返回集热器内，进行热传输过程的再循环。

15.如权利要求14所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述低沸点换热工质为沸点低于100℃的液态工质。

16.如权利要求15所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述低沸点工质为甲醇、乙醇、丙酮、四氟乙烷或氢氟烃类化合物。

17.如权利要求15所述热管式太阳能热水系统，其特征在于所述的换热工质由两种或两种以上的工质混合组成混合工质，所述混合工质中至少包含一种低沸点工质。

18.如权利要求17所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述的混合工质由水和丙酮混合构成，其中丙酮的体积含量为10％-90％。

19.如权利要求18所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于，丙酮的体积含量为20％-40％。

20.如权利要求14所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述的集热器内的换热工质液面低于集热器的蒸汽出口，在集热器内换热工质最高水平液面的上方形成一可容置高温热蒸汽的空间。

21.如权利要求14或20所述热管式太阳能热水系统，其特征在于所述的集热器内的换热工质的水平液面高于集热单元的最高换热端，集热单元的换热端完全被换热工质包容。

22.如权利要求14所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述与集热器的蒸汽出口导通的蒸汽通道的内径小于集热器的内腔口径，集热器产生的高温热蒸汽挤入蒸汽通道后被加压而形成高压高温热蒸汽。

23.如权利要求14所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述贯穿于水箱的二次换热器的出口端高于集热器内液态换热工质的最高水平液面。

24.如权利要求14或23所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述的导通于二次换热器的出口端的工质回流通道的坡度大于1％。

25.如权利要求14所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述密封循环热能传输系统上设有抽真空装置，该抽真空装置设置于蒸汽通道或工质回流通道上。

26.如权利要求14所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述密封循环热能传输系统上设有注液装置，该注液装置由设置于蒸汽通道或工质回流通道上的注液管构成。

27.如权利要求25或26所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于抽真空装置和注液装置由一个抽真空注液管构成。

28.如权利要求14所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述的热管式太阳能集热管采用玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管，所述换热端为该玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管的冷凝端。

29.如权得要求14所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述导通于集热器和二次换热器间的蒸汽通道和工质回流通道外设有保温层。

30.如权利要求14所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述二次换热器呈盘管状，贯穿于水箱内，以增大二次换热器的换热面积。

31.如权利要求14所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述的二次换热器与水箱呈内外环套结构。

32.如权利要求31所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述的二次换热器为一环形套筒，环设于水箱外层或贯穿于水箱内。

33.如权利要求14所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述的导于集热器和二次换热器间的蒸汽通道和工质回流通道由金属管构成。

34.如权利要求14或28所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述的热管式太阳能集热管呈水平排设置，所述热管式太阳能集热管的换热端与呈竖直设置的集热器连接。

35.如权利要求14或28所述的热管式太阳能热水系统，其特征在于所述的热管式太阳能集热管竖直排列设置，所述热管式太阳能集热管的换热端与水平设置的集热器连接。

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