CN103968573A - 一种真空式太阳能热水系统的热传输方法、系统及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空式太阳能热水系统的热传输方法、系统及其制造方法，特别涉及一种分体式太阳能热水系统。该热能传输方法，包括由集热单元收集太阳能、并将太阳能转换成热能过程，以及由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；其中热能传输过程是通过集热器内换热工质在呈真空状态且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

一种真空式太阳能热水系统的热传输方法、系统及其制造方法

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。

上述的热能传输方法还存在一个共有的缺陷，即作为传热工质的水在传输过程中需要经过较长的管路运输进而会有大量的热量散失，并且生活用水是通过与传热系统中作为换热工质的水的温度差进行热量交换，这种热传递方式的换热效率低下。

上述热能传输方法还存在另一个缺陷，即系统中需要大量的水用以作为换热工质进行循环才能保证生活用水可以获得足够的热量，这样的热传输系统所占用的空间及用水量都比较大，不利于现在高层住宅的设计与使用。

并且，上述热能传输若采用自然循环方式是利用热虹吸原理，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。

采用强制循环的方式可以实现生活水箱低于太阳能集热器安装，但是该方法需要耗费一定的电力，以实现作为传热工质的水的循环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。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种在太阳能集热单元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太阳能集热单元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。

本发明的另一个目的是提供一种仅需少量换热工质，就可以实现在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太阳能热水系统。

本发明的另一个发明目的是提供一种可以高效、方便的制造分体式太阳能热水系统的方法。

为实现上述发明目的，本发明提出一种真空式太阳能热水系统的热能传输方法，包括由集热单元收集太阳能、并将太阳能转换成热能的过程，以及由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：

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呈高温热蒸汽；

高温热蒸汽通过与集热器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蒸汽在换热过程中被冷凝后再次呈液态的换热工质并通过密封的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，换热工质的蒸发-冷凝循环过程在完全密封且真空状态循环系统内进行；

在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，将由集热单元采集并转换的热能转输至水箱。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述换热工质由水构成。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，内压力为0.1Pa至一个大气压之间。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述系统内的压力为0.1Pa。

如上所述的真空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。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述沸点低于100℃的液态工质为甲醇、乙醇、丙酮、四氟乙烷或氢氟烃类化合物。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述换热工质为两种或两种以上的工质混合构成混合工质，所述混合工质中至少包含一种沸点低于100℃的液态工质。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述的混合工质由丙酮与水组成。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，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。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，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。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述与集热器的蒸汽出口导通的密封蒸汽通道的内腔口径小于集热器内腔口径，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。

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

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，其中，所述的集热单元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。

如上所述的真空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。

同时，本发明还提出一种采用如上所述的热能传输方法的真空式太阳能热水系统，包括：

集热单元，采集太阳能并转换成热能；

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，集热器内容置有换热工质，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；该密封循环系统呈真空状态；

所述换热工质在密封循环系统的集热器内被蒸发成高温热蒸汽，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。

如上所述的真空式太阳能热水系统，其中，所述密封循环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。

如上所述的真空式太阳能热水系统，其中，所述密封循环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。

如上所述的真空式太阳能热水系统，其中，所述抽真空装置和注液装置由一个抽真空注液管构成。

如上所述的真空式太阳能热水系统，其中，所述换热工质为水。

如上所述的真空式太阳能热水系统，其中，所述换热工质为沸点低于100℃的液态工质。

如上所述的真空式太阳能热水系统，其中，所述的换热工质为两种或两种以上的工质混合构成混合工质，所述混合工质中至少包含有一种沸点低于100℃的液态工质。

如上所述的真空式太阳能热水系统，其中，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。

如上所述的真空式太阳能热水系统，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。

如上所述的真空式太阳能热水系统，其中，所述与集热器的蒸汽出口密封导通的蒸汽通道的内径小于集热器内腔口径，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。

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

如上所述的真空式太阳能热水系统，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％。

如上所述的真空式太阳能热水系统，其中，所述的集热单元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。

如上所述的真空式太阳能热水系统，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。

如上所述的真空式太阳能热水系统，其中，所述二次换热器呈盘管状，环设于水箱外层或贯穿于水箱内。

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

如上所述的真空式太阳能热水系统，其中，所述的二次换热器为一环形套筒，环设于水箱外层或插设于水箱内。

如上所述的真空式太阳能热水系统，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。

如上所述的真空式太阳能热水系统，其中，所述的太阳能集热管呈水平排设置，太阳能集热管的换热端与呈竖直设置的集热器连接。

如上所述的真空式太阳能热水系统，其中，所述的太阳能集热管竖直排列设置，太阳能集热管的换热端与水平设置的集热器连接。

同时，本发明还提出一种制造如上所述的真空式太阳能热水系统的方法，其中，包括：

步骤一，组装所述热能传输系统，连接集热器、蒸汽通道、二次换热器和工质回流通道，检测所述热能传输系统的密封性，调试所述热能传输系统至密封性合格；

步骤二，通过抽真空装置对所述热能传输系统预抽真空；

步骤三，通过注液装置将换热工质注入所述热能传输系统；

步骤四，密封所述热能传输系统。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

1、本发明能够在太阳能集热单元的冷凝端与分体式水箱间高效传递热能并最大限度地减少在热能传输过程中的热能损失，使得以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、本发明克服现有技术中，太阳能需采用泵等装置实现热能的传输的缺陷，不需辅助 设备即可实现热水系统的自然循环的高效的热能传输，使得以太阳能集热器的热水系统可以更方便的应用于高层建筑中。

3、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液态工质的液面控制实现热水系统的工质灌液量的控制，操作以及维修简单方便，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，而不意图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真空式太阳能热水系统；

图1-1为本发明实施例一中集热器的蒸汽出口处的局部放大图；

图2为本发明实施例二的真空式太阳能热水系统；

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真空式太阳能热水系统；

图4为本发明实施例四的真空式太阳能热水系统；

图5为本发明实施例五的真空式太阳能热水系统；

图6为本发明实施例六的真空式太阳能热水系统；

图7为本发明实施例七的真空式太阳能热系统；

图8为本发明实施例八的真空式太阳能热水系统；

图9为本发明实施例九的真空式太阳能热水系统；

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真空式太阳能热水系统。

附图标记说明：

10-集热单元；11-换热端；12-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-抽真空装置；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详细说明本发明的真空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，主要通过太阳能集热单元10收集太阳能，并将其转换为热能。该热能通过集热单元10的换热端11传导给热能传输系统。

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。这一过程是在完全密封循环系统内进行并且该密封循环系统呈真空状态；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的蒸发-冷凝循环过程在完全密封循环系统内进行，该密封循环系统呈真空状态；

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，本发明中的热能传达室输系统采用完全密封且呈真空状态的循环系统，并通过呈真空状态的循环系统内的换热工质30的循环过程的液-气- 液三种状态的转换，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。

特别是在本发明中，由于该密封循环系统呈真空状态，其中的换热工质30的沸点随之降低，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，因此换热工质30采用水即可。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普通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。并且由于密封循环系统为真空状态，其中的不凝气体被排除，这样，系统中的工作效率进一步得到提高，系统的能耗进一步降低，系统中各设备的使用寿命也进一步得以延长。

本发明中，在热能传输过程中密封循环系统内的压力控制在0.1至一个大气压之间。

本发明中，在热能传输过程中密封循环系统内的压力优选为0.1Pa。可以适合我国大部分地区使用。

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密封循环系统中压力或真空度需要保持的范围，已保证可以使换热工质30能很快进行液汽转换并在集热器20内形成高温蒸汽32。

请参考图1-1，为本发明实施例一中集热器的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在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。

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，而且有利于蒸汽的集聚和热能的保持，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。

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，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。

热能传输方法的真空式太阳能热水系统，包括：

集热单元10由太阳能集热管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则为太阳能集热管12的冷凝端。通常情况下，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产生热水的装置，同时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。

综上所述，所述换热工质30在呈真空状态的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。本发明真空式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。

为使本发明的真空式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，为提供较好的系统密封性，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由金属管构成，并通过焊接或其它联接方式进行密封联接，并进行密封和保温处理。抽真空装置80，固定连接于蒸汽通道60或工质回流通道70上，通过抽真空装置80将上述密封热能传输系统预抽真空。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上的抽真空装置80对系统进行抽真空处理，使系统内的大气压维持在0.1Pa至一个大气压之间最后将抽真空装置80密封。

由于上述系统中的气压力为0.1Pa，在此压力下水的沸点为接近零度，小于100℃，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，由于系统进行过抽真空处理，其中的不凝气体被排除，系统中的工作效率进一步得到提高，系统的能耗进一步降低，系统中各设备的使用寿命也进一步得以延长

如一次实施中，采用水为导热介质，真空度为0.1Pa，试验时间为早上九点至下午十五点。其中，自开始接受辐照开始，五分钟内介质即开始沸腾，当天测试总辐照量为15，352MJ/ m²，上水温度为17摄氏度，水箱中热水最高温度为66摄氏度，平均温度为55摄氏度，集热器效率为62％。

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。

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。这样在本发明中，换热工质30的水平液面31的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。

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，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相对于太阳能集热管12垂直方向设置，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。

制造本发明真空式太阳能热水系统的方法，包括：

步骤一，组装所述热能传输系统，连接集热器20、蒸汽通道60、二次换热器50和工质回流通道70，步骤二，检测所述热能传输系统的密封性，调试所述热能传输系统至密封性合格；步骤三，通过抽真空装置80，本实施例为使用一真空计量程为0至10-3毫巴的真空泵， 通过抽真空装置80对系统进行真空处理，其中，抽真空装置80上安装有一截止阀门，抽真空时打开，真空处理完毕后，关断。其中，真空处理完成时，需等待一段时间并确认真空计读数再关断截止阀门，以再次确认系统密封性是否良好。对所述热能传输系统预抽真空；步骤四，通过注液装置将换热工质30注入所述热能传输系统；步骤五，密封所述热能传输系统。

在本实施中，也可以采用抽真空装置80和注液装置由一个抽真空注液管构成，先由该抽真空注液管抽真空，再经其注入换热工质30，最后将其密封。

实施例二

本实施例的真空式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。

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。

具体在实施例中，可以在蒸汽通道60或工质回流通道70上设置注液装置，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80，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80和注液装置由一个抽真空注液管构成，先由该抽真空注液管抽真空，再经其注入换热工质30，最后将其密封。

本发明中，在热能传输过程中所使用的换热工质30也可为沸点低于100℃的液态工质。 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。

本发明所述的换热工质30可由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)。由于换热工质30采用了比水的沸点更低的液态工质，在呈真空状态的密封系统中更易沸腾，尤其适用于气温低的北方地区使用。

由于本发明采用了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，而这一点是目前普通的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，可以改变密封系统中的真空度(及压力)和不同的换热工质组合太阳能热水系统的使用范围相区配。

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

本实施例的真空式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，在本实施例中，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

本实施例的真空式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，在本实施例中，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

本实施例的真空式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

本实施例的真空式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，在本实施例中，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

本实施例的真空式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，在本实施例中，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

本实施例的真空式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，在本实施例中，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

本实施例的真空式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，在本实施例中，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的盘管结构也可如图9-1所示。

实施例十

本实施例的真空式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，在本实施例中，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)

1.一种真空式太阳能热水系统的热能传输方法，包括由集热单元收集太阳能、并将太阳能转换成热能的过程，以及由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：

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成高温热蒸汽；

高温热蒸汽通过与集热器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蒸汽在换热过程中被冷凝后再次呈液态的换热工质并通过密封的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，换热工质的蒸发-冷凝循环过程在完全密封且真空状态循环系统内进行；

在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所述的真空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由水构成。

3.如权利要求1所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于内压力在0.1Pa至一个大气压之间。

4.如权利要求3所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于，所述系统内的压力为0.1Pa。

5.如权利要求1所述的真空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。

6.如权利要求5所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述沸点低于100℃的液态工质为甲醇、乙醇、丙酮、四氟乙烷或氢氟烃类化合物。

7.如权利要求5所述的真空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两种或两种以上的工质混合构成混合工质，所述混合工质中至少包含一种沸点低于100℃的液态工质。

8.如权利要求7所述的真空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丙酮与水组成。

9.如权利要求1所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，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。

10.如权利要求1或9所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，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最高换热端，集热单元的换热端完全被换热工质包容。

11.如权利要求1所述的真空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密封蒸汽通道的内腔口径小于集热器内腔口径，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。

12.如权利要求1所述的真空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出口端高于集热器内液态换热工质的最高水平液面。

13.如权利要求1所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述的集热单元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。

14.如权得要求1所述的真空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。

15.一种采用如权利要求1热能传输方法的真空式太阳能热水系统，包括：

集热单元，采集太阳能并转换成热能；

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，集热器内容置有换热工质，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；该密封循环系统呈真空状态；

所述换热工质在密封循环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。

16.如权利要求15所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述密封循环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。

17.如权利要求15所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述密封循环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。

18.如权利要求16或17所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述抽真空装置和注液装置由一个抽真空注液管构成。

19.如权利要求15所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述换热工质为水。

20.如权利要求15所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述换热工质为沸点低于100℃的液态工质。

21.如权利要求15所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述的换热工质为两种或两种以上的工质混合构成混合工质，所述混合工质中至少包含有一种沸点低于100℃的液态工质。

22.如权利要求15所述的真空式太阳能热水系统，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。

23.如权利要求15或22所述的真空式太阳能热水系统，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最高换热端，集热单元的换热端完全被换热工质包容。

24.如权利要求15所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述与集热器的蒸汽出口密封导通的蒸汽通道的内径小于集热器内腔口径，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。

25.如权利要求15所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述贯穿于水箱的二次换热器出口端高于集热器内液态换热工质的最高水平液面。

26.如权利要求25所述的真空式太阳能热水系统，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％。

27.如权利要求15所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述的集热单元采用玻璃-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。

28.如权得要求15所述的真空式太阳能热水系统，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。

29.如权利要求15所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述二次换热器呈盘管状，环设于水箱外层或贯穿于水箱内。

30.如权利要求15所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述的二次换热器与水箱呈内外环套结构。

31.如权利要求30所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述的二次换热器为一环形套筒，环设于水箱外层或插设于水箱内。

32.如权利要求15所述的真空式太阳能热水系统，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。

33.如权利要求15或27所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述的太阳能集热管呈水平排设置，太阳能集热管的换热端与呈竖直设置的集热器连接。

34.如权利要求15或27所述的真空式太阳能热水系统，其特征在于所述的太阳能集热管竖直排列设置，太阳能集热管的换热端与水平设置的集热器连接。

35.制造如权利要求15所述的真空式太阳能热水系统的方法，其特征在于，包括

步骤一：组装所述热能传输系统，连接集热器、蒸汽通道、二次换热器和工质回流通道，

步骤二：检测所述热能传输系统的密封性，调试所述热能传输系统至密封性合格；

步骤三：通过抽真空装置对所述热能传输系统预抽真空；

步骤四：通过注液装置将换热工质注入所述热能传输系统；

步骤五：密封所述热能传输系统。