CN103697607A - 一种具有蓄热功能的太阳能集中热水系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有蓄热功能的太阳能集中热水系统，包括太阳能集热器阵列、水箱、集热器循环泵、单向阀、电磁阀等部件。水箱内底部设有灌装了相变蓄热介质的蓄热器，蓄热器芯管内为水路通道。蓄热器水路进口与太阳能集热器阵列出口相连，蓄热器出口直接敞开于热水储水箱中，太阳能集热器阵列进口依次通过单向阀和集热器循环泵与热水储水箱下部相连，通过顶水电磁阀与自来水供水管道连接。经太阳能集热器加热后的热水和补入水箱的冷水，均先流经蓄热器芯管，并与蓄热器热交换。当水箱内的水温高于或低于蓄热器内蓄热介质的相变温度时，分别向蓄热器放热或从蓄热器吸热。通过蓄热器的吸放热，减小能量消耗，实现太阳辐射能量移峰填谷的有效利用。

Description

一种具有蓄热功能的太阳能集中热水系统

技术领域

本发明涉及一种利用太阳能集中生产和供应生活热水的领域，具体涉及一种具有蓄热功能的太阳能集中热水系统以及其优化的工作方法。

背景技术

随着石油、煤炭、天然气等传统化石能源的日渐减少，以及使用这些化石能源所带来的环境问题日趋严峻，发展各类清洁能源与可再生能源利用技术受到了越来越多的重视。其中，在建筑物上使用规模化的太阳能集热装置，为建筑物集中供应生活热水便是一种有效的可再生能源利用手段，并且具有优良的环保性能。随着城市能源结构的调整，以及城市建筑向中高层发展的特点，近年来工程规模的太阳能集中热水系统在城市建筑物中的应用得到了迅速发展。太阳能集中热水系统的构造流程及其相应工作逻辑关系不同，系统的产热能力也不尽相同，构造合理的系统能够最大限度地吸收太阳辐射能量，并将所吸收的太阳辐射能量转化成热水的温升存储到水箱中。

夏季晴朗高温天气由于太阳辐射强度大，系统所生产的热水量超过用户的需求量，因此会导致水箱储满热水，并且热水的温度也会越来越高，这会导致如下一些问题：1）供水温度过高（有时会达到65～80℃），可能会造成用户不小心烫伤；2）水温过高会导致水箱和所有过流部件中的非金属元件（如密封橡胶等）加速老化，从而寿命缩短；3）水箱存储的水温高会造成向环境散热的热损失增加，当天用不完的高温热水到第二天用水时间段，其所储存的相当一部分热能都散失掉了，如果第二天是阴天，前一天多吸收的热量并不能最大限度地保留下来以缓解当天太阳能吸收量的缺口。

对于上述问题，有些系统采用加大水箱的办法解决产水和存水温度过高导致的安全和热损，并使系统晴天能蓄积多余的太阳辐射热，但这往往受到建筑物楼面承载能力的限制。事实上，由于水箱重量一般都在近十吨到数十吨的范围内，所以即使是按用户额定热水需求量设定水箱大小，也往往受限于建筑物承载能力而不得不使用较小的水箱；因此采用加大水箱的方案解决上述问题并不理想，或者受制于建筑物承载能力而难以实现。当然，还有些系统通过控制逻辑的设置，当水箱满水并且温度上升到较高的数值时（如70℃），停止太阳能集热，这造成太阳能利用限度没有实现最大化；并致使集热器内的水沸腾，高温导致集热器内的非金属密封件加速老化，如果是真空管集热器，还可能导致下次进水时真空玻璃管炸裂。

发明内容

本发明目的是：为克服以上现有技术中的缺点，提供一种具有蓄热功能的太阳能集中热水系统，用于建筑物生活热水的集中生产和供应。

本发明的技术方案是：

一种具有蓄热功能的太阳能集中热水系统，包括依次连接的自来水管、太阳能集热器阵列和水箱，自来水管上装设有顶水电磁阀；所述水箱内设置有蓄热器，蓄热器水路进口与太阳能集热器阵列的出口连接，蓄热器水路出口直接敞开于水箱中；水箱开设有第一循环口，依次与集热器循环泵、单向阀和太阳能集热器阵列进口连接。

优选的，所述太阳能集热器阵列沿水流方向的末端集热器出口端设有集热器水温传感器，所述水箱内设有水箱水温传感器和水箱水位传感器，所述各个传感器与系统控制器件连接。

优选的，所述蓄热器的数量为多个，其可以串联或并联使用。

优选的，所述蓄热器包括蓄热器外壳和蓄热器芯管，所述蓄热器外壳和蓄热器芯管构成夹套，所述夹套中密封地灌装有蓄热介质，所述蓄热器芯管的两端分别设有蓄热器水路进、出口。其中，所述蓄热介质的相变温度T_R=50～70℃，其优选值为55～60℃。

优选的，所述蓄热器外壳的内、外表面，蓄热器芯管的内、外表面中至少有一个表面设置有翅片。

优选的，所述蓄热器芯管为内螺纹管或外螺纹管或波纹管或肋片管或翅片管或螺旋强化换热管。

优选的，所述系统中还设置辅助热源，所述辅助热源开设有辅助热源循环进水口、出水口和直热进水口；辅助热源循环进水口依次连接辅助热源单向阀、辅助热源循环泵与开设在水箱上的第二循环口，辅助热源出水口与蓄热器的进水口连接；直热进水口连接自来水管。

以上所述具有蓄热功能的太阳能集中热水系统的工作方法如下：

步骤1、参数设定：蓄热介质的相变温度为T_R，系统热水供水温度T_S=T_R–(5～10)℃，集热器定温产水温差Δt₁=1～(T_R–T_S)℃，集热器循环停止温差Δt₂=2～5℃，集热器循环启动温差Δt₃=Δt₂+(2～8)℃，蓄热提取补水温差Δt₄=3～(T_R–T_S)℃。其中，T_S、Δt₁、Δt₂、Δt₃、Δt₄的优选值分别为50、3、3、7、(T_R–T_S)/2℃。

步骤2、集热器水温传感器测得集热器内的水温为T₁，所述水箱水温传感器测得水箱内的水温T₃，所述水箱水位传感器测得水箱内的水量H，满水时为100%；

1）当T₁≥T_S+Δt₁，且H<100%，且T₃≥T_S时，系统控制器件控制顶水电磁阀打开，太阳能集热器阵列定温产水；当T₁≤T_S-Δt₁，或H=100%，或T₁<T_S时，顶水电磁阀关闭；

2）当T₁-T₃≥Δt₃时，系统控制器件控制集热器循环泵打开，形成集热器阵列热循环管路；当T₁-T₃≤Δt₂，集热器循环泵关闭；

3）当H<50%，且T₃≥T_S+Δt₄时，系统控制器件控制顶水电磁阀打开，提取蓄热器所蓄积的热量；当T₃≤T_S，或H>70%时，顶水电磁阀关闭；

4）当H<H_L时，其中H_L为第一循环口上沿的高度，系统控制器件控制顶水电磁阀打开，自来水流经太阳能集热器阵列快速补水到水箱内，直至H>H_L+20cm，关闭顶水电磁阀。

本发明的优点是：

一、系统在太阳能辐射强度高的天气，可以将多吸收的太阳能存储于蓄热器的蓄热介质中，等到天气不好时或没有太阳能辐射的夜晚蓄热介质与水箱中的水发生热传递，从而实现了最大限度地吸收和利用太阳辐射能量，减少辅助热源开启的能源消耗，并实现太阳辐射能量移峰填谷的有效利用。

二、系统中所蓄积的热能可以应对偶尔异常产生的用水量过大的现象，而不必动用初级能源利用率低的辅助热源（电辅热、热泵等）加热，或出现热水供应中断的现象。

三、可通过蓄热器数量的合理设置，而减小系统中所需配置的水箱尺寸，进而减小水箱占地面积和重量，提高系统对建筑结构的适应性，增大系统的应用范围。

四、即使在太阳辐射很强的天气，水箱温度也基本不超过蓄热温度（如60℃），集热器最高工作温度则不会超过蓄热温度10℃，而传统太阳能集热系统在太阳辐射很强的天气，水箱可能上升到85℃，集热器中则可能达到95℃甚至沸腾；整个系统较低的工作温度有利于保证系统中各非金属元件的使用寿命，同时有利于减小系统的散热损失，而且也不会出现真光管集热器的真空玻璃管炸裂现象。

五、水箱的快速补水流经太阳能集热器，这样即使天气不好，集热器内的水温未上升到能利用的设定热水供水温度T_S，也能使集热器内温度高于冷水的温水中蓄积的热量得以利用，从而提高整个系统的太阳能利用效率；此外，冷水进入集热器取代其中的温水降低了集热器的整体温度，这还有助于提高太阳能集热器的太阳能吸收率。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例1的示意图；

图2为本发明实施例2的示意图；

图3为本发明中蓄热器的示意图；

图4为本发明蓄热器串联的示意图；

图5为本发明蓄热器并联的示意图；

图6为本发明蓄热器装设有翅片的示意图，其中(a)蓄热器外壳外表面设有翅片，(b)蓄热器外壳内外表面设有翅片，(c)蓄热器芯管外表面设有翅片，(d)蓄热器芯管内外表面设有翅片；

图7为本发明中蓄热器局部剖视图；

图8为图7中A的放大图。

其中：1.太阳能集热器阵列，2.集热器水温传感器，3.水箱，4.蓄热器，41.蓄热器外壳，42.蓄热器芯管，43.蓄热介质，44.蓄热器水路进口，45.蓄热器水路出口，46.第一翅片，47.第二翅片，48.第三翅片，49.第四翅片，4a.串联蓄热体，4a1.串联蓄热体进水口，4a2.串联蓄热体出水口，4b.并联蓄热体，4b1.并联蓄热体进水口，4b2.并联蓄热体出水口，5.水箱水温传感器，6.水箱水位传感器，7.集热器循环泵，8.顶水电磁阀，9.单向阀，10.辅助热源，11.辅助热源单向阀，12.辅助热源循环泵。

具体实施方式

实施例1：

如图1和图3所示，水箱3内的底部装设有蓄热器4，蓄热器4包括蓄热器外壳41和蓄热器芯管42，蓄热器外壳41和蓄热器芯管42构成夹套，夹套中密封地灌装有蓄热介质43，所述蓄热介质43为液固相变蓄热介质，其相变温度T_R高于所设定的系统热水供水温度T_S，并低于70℃，蓄热介质43的相变温度T_R=50～70℃，其优选值为55～60℃，蓄热器芯管42的两端分别为蓄热器水路进口44和蓄热器水路出口45，蓄热器水路进口44与太阳能集热器阵列1的出口连接，蓄热器水路出口45直接敞开于水箱3中；太阳能集热器阵列1的进口依次与单向阀9、集热器循环泵7和设置于水箱3底部的第一循环口连接；太阳能集热器阵列1的进口还通过顶水电磁阀8与自来水管连接。太阳能集热器阵列1沿水流方向的末端集热器出口端设有集热器水温传感器2，水箱3内设有水箱水温传感器5和水箱水位传感器6。以上各传感器、电磁阀与系统控制器件（图中未示出）连接。

更进一步的，水箱3内可以使用多个蓄热器4，如图4、图5所示将四个蓄热器4串联或者并联使用；如图4所示的串联蓄热体4a，将四个蓄热器4的蓄热器水路进、出口依次连接，最后形成的串联蓄热体4a具有串联蓄热体进水口4a1与太阳能集热器阵列连接，串联蓄热体出水口4a2直接敞开于水箱3中；图5所示的并联蓄热体4b，将四个蓄热器4用管道并联起来形成的并联蓄热体4b具有并联蓄热体进水口4b1和并联蓄热体出水口4b2。串联或并联使用的蓄热器可增强系统的蓄热能力，改善蓄热器与进水和水箱存水之间的换热效果。

更进一步的，蓄热器外壳的内、外表面，蓄热器芯管的内、外表面中至少有一个表面设置有翅片，如图6（a）～（d）所示，分别为蓄热器外壳41外表面设置第一翅片46、蓄热器外壳41内外表面设置有第一翅片46和第二翅片47、蓄热器芯管42外表面设置第三翅片48、蓄热器芯管42内外表面设置有第三翅片48和第四翅片49。蓄热器芯管42可使用内螺纹管、外螺纹管、波纹管、肋片管、翅片管、螺旋管等各种强化换热管，从而增强蓄热器与进水和水箱存水之间的换热效果。

图7、图8为本发明中蓄热器的一种具体结构实现示例及其局部剖视和放大图，蓄热器外壳41为金属铸造结构，其外表面和内表面直接铸造有强化换热的第一翅片46和第二翅片47，分别用于强化水箱侧和蓄热介质侧的换热；蓄热器芯管42为金属轧制外翅片管，其外表面直接轧制了第三翅片48，用于强化芯管与蓄热介质的换热。

本实施例中所涉及的系统，其工作方法如下所述：

步骤1、参数设定：系统热水供水温度T_S=T_R–(5～10)℃，集热器定温产水温差Δt₁=1～(T_R–T_S)℃，集热器循环停止温差Δt₂=2～5℃，集热器循环启动温差Δt₃=Δt₂+(2～8)℃，蓄热提取补水温差Δt₄=3～(T_R–T_S)℃。其中，T_S、Δt₁、Δt₂、Δt₃、Δt₄的优选值分别为50、3、3、7、(T_R–T_S)/2℃。

步骤2、集热器水温传感器测得集热器内的水温为T₁，所述水箱水温传感器测得水箱内的水温T₃，所述水箱水位传感器测得水箱内的水量H，满水时为100%；

1）当T₁≥T_S+Δt₁，且H<100%，且T₃≥T_S时，系统控制器件控制顶水电磁阀打开，太阳能集热器阵列定温产水；当T₁≤T_S-Δt₁，或H=100%，或T₁<T_S时，顶水电磁阀关闭；

2）当T₁-T₃≥Δt₃时，系统控制器件控制集热器循环泵打开，形成集热器阵列热循环管路；当T₁-T₃≤Δt₂，集热器循环泵关闭；

3）当H<50%，且T₃≥T_S+Δt₄时，系统控制器件控制顶水电磁阀打开，提取蓄热器所蓄积的热量；当T₃≤T_S，或H>70%时，顶水电磁阀关闭；

4）当H<H_L时，其中H_L为第一循环口上沿的高度，系统控制器件控制顶水电磁阀打开，自来水流经太阳能集热器阵列快速补水到水箱内，直至H>H_L+20cm，关闭顶水电磁阀。

当太阳能辐射强度好，太阳能集热器产热量充盈，水箱温度超过蓄热器内蓄热介质的相变温度后，浸泡在水箱中的蓄热器将通过其壳体将水箱中的热量转移到蓄热介质中，从而限制水箱温度的进一步升高，并可使系统存储更多的热量。当遇到阴雨天或没有太阳能辐射的夜晚，或用户用水量异常增加时，蓄热器又通过其壳体将蓄热介质中存储的热量释放给逐步补入水箱的冷水，从而将热量持续地供给用户使用。由集热器生产的进入水箱存储的热水，以及流经集热器补进水箱的冷水均首先流经蓄热器芯管，首先与蓄热介质换热，然后再进入水箱，进一步通过蓄热器外壳与蓄热介质换热，这可最大限度地增强水箱进水（热水或冷水）与蓄热器的换热效果，改善水箱内的水温均匀性。

实施例2：

如图2所示，本实施例与实施例1比较，系统中增设了辅助热源10（电加热器、热泵等），辅助热源10的循环进水口依次通过辅助热源单向阀11和辅助热源循环泵12与水箱3的下部连接，辅助热源10的出水口与蓄热器水路进口44相连；辅助热源10（尤其是热泵）同时具有直热产水功能时，其单设的直热产水进水口还与自来水管连接。在实施例1的工作方法的基础上，本实施例在太阳能辐射不好太阳能集热器产水量不足的条件下，依靠辅助热源10补充生产和供应热水，实现系统的全天候热水供应；当水箱温度因散热而降低后，辅助热源10也通过其匹配的辅助热源循环泵12对水箱进行循环加热升温。流出辅助热源10的由其直热产水或循环加热功能所产生的热水，同样先流经蓄热器芯管42内部，再进入水箱3，从而增强温度稍高的热水与蓄热器的换热效果，改善水箱3内的水温均匀性。

上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求书内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。

Claims (9)

1.一种具有蓄热功能的太阳能集中热水系统，包括依次连接的自来水管、太阳能集热器阵列和水箱，自来水管上装设有顶水电磁阀，其特征在于：所述水箱内设置有蓄热器，蓄热器水路进口与太阳能集热器阵列的出口连接，蓄热器水路出口直接敞开于水箱中；水箱开设有第一循环口，依次与集热器循环泵、单向阀和太阳能集热器阵列进口连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有蓄热功能的太阳能集中热水系统，其特征在于：所述太阳能集热器阵列沿水流方向的末端集热器出口端设有集热器水温传感器，所述水箱内设有水箱水温传感器和水箱水位传感器，所述各个传感器与系统控制器件连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有蓄热功能的太阳能集中热水系统，其特征在于：所述蓄热器的数量为多个，其可以串联或并联使用。

4.根据权利要求1所述的一种具有蓄热功能的太阳能集中热水系统，其特征在于：所述蓄热器包括蓄热器外壳和蓄热器芯管，所述蓄热器外壳和蓄热器芯管构成夹套，所述夹套中密封地灌装有蓄热介质，所述蓄热器芯管的两端分别设有蓄热器水路进、出口。

5.根据权利要求4所述的一种具有蓄热功能的太阳能集中热水系统，其特征在于：所述蓄热器外壳的内、外表面，蓄热器芯管的内、外表面中至少有一个表面设置有翅片。

6.根据权利要求4所述的一种具有蓄热功能的太阳能集中热水系统，其特征在于：所述蓄热器芯管为内螺纹管或外螺纹管或波纹管或肋片管或翅片管或螺旋强化换热管。

7.根据权利要求1所述的一种具有蓄热功能的太阳能集中热水系统，其特征在于：所述系统中还设置辅助热源，所述辅助热源开设有辅助热源循环进水口、出水口和直热进水口；辅助热源循环进水口依次连接辅助热源单向阀、辅助热源循环泵与开设在水箱上的第二循环口，辅助热源出水口与蓄热器的进水口连接；直热进水口连接自来水管。

8.具有蓄热功能的太阳能集中热水系统的工作方法：

步骤1、参数设定：蓄热介质的相变温度为T_R，系统热水供水温度T_S=T_R–(5～10)℃，集热器定温产水温差Δt₁=1～(T_R–T_S)℃，集热器循环停止温差Δt₂=2～5℃，集热器循环启动温差Δt₃=Δt₂+(2～8)℃，蓄热提取补水温差Δt₄=3～(T_R–T_S)℃；

步骤2、集热器水温传感器测得集热器内的水温为T₁，所述水箱水温传感器测得水箱内的水温T₃，所述水箱水位传感器测得水箱内的水量H，满水时为100%；

1）当T₁≥T_S+Δt₁，且H<100%，且T₃≥T_S时，系统控制器件控制顶水电磁阀打开，太阳能集热器阵列定温产水；当T₁≤T_S-Δt₁，或H=100%，或T₁<T_S时，顶水电磁阀关闭；

2）当T₁-T₃≥Δt₃时，系统控制器件控制集热器循环泵打开，形成集热器阵列热循环管路；当T₁-T₃≤Δt₂，集热器循环泵关闭；

3）当H<50%，且T₃≥T_S+Δt₄时，系统控制器件控制顶水电磁阀打开，提取蓄热器所蓄积的热量；当T₃≤T_S，或H>70%时，顶水电磁阀关闭；

4）当H<H_L时，其中H_L为第一循环口上沿的高度，系统控制器件控制顶水电磁阀打开，自来水流经太阳能集热器阵列快速补水到水箱内，直至H>H_L+20cm，关闭顶水电磁阀。

9.根据权利要求8所述的具有蓄热功能的太阳能集中热水系统的工作方法，其特征在于：所述T_S、Δt₁、Δt₂、Δt₃、Δt₄的值分别为50、3、3、7、(T_R–T_S)/2℃。

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