CN104833110A - 一种高效太阳能热水器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效太阳能热水器,包括太阳能集热装置、高温水箱、低温水箱、水泵、电磁阀、液位计、温度探测器、控制器。本系统针对传统太阳能热水器热水温度越高集热效率越低、上下水管道贮存冷水造成水资源浪费、热水器使用时舒适性降低的问题,将集热装置与冷、热水箱串联,热水箱内置电热丝,分阶段加热热水,客户端使用时即时流出热水,防止高温水箱干烧;定时将集热装置及管道内的余水流入冷、热水箱,实现最大限度减少系统热量损失并达到管道防冻目的。该系统集热装置的效率得到提高,向外散热量得到减少,热水器的使用舒适性得到增强,并节约水资源。

Description

一种高效太阳能热水器
技术领域
[0001] 本发明属于太阳能热水器技术应用领域,具体涉及一种高效太阳能热水器。
背景技术
[0002] 目前,太阳能热水器是我国大力提倡普及的热水器设备。相比其他热水器,太阳能热水器不但节省常规能源,没有任何污染物或废弃物产生,可以高效产出热水,而且运行费用几乎为零,长期使用经济效益好,使用寿命也很长,切实响应了我国建设能源节约型、环境友好型社会的号召。太阳能热水器有众多优点,尽管如此,它也有一些技术上的不足之处限制其发展。
[0003] 效率问题:太阳能热水器在刚开始运行时,水箱内热水与外界换热温差大,换热效率高。然而随着热水器水箱内温度升高,换热温差逐渐减小,效率也随之降低。然而在家庭使用时,往往不需要过高温度的热水,造成热水与大量冷水混合后才能供给使用。
[0004] 一次性容纳过多水量问题:传统太阳能热水器为保证使用时有充足多的热水,系统往往能够容纳过量水量,在使用时却难以全部用尽,造成系统出现余水贮存,影响水质、浪费水资源。
[0005] 管路贮存余水问题:太阳能热水器室外管道中会贮存余水,使用时需要先将该部分冷水放掉,才有热水流出。这既影响了使用效果,又造成了水资源浪费。
[0006] 加热效果问题:太阳能热水器加热效果受天气影响较大,在阴雨天热水器加热效果不理想,需要其他辅助加热设备。
[0007] 类似的现有太阳能热水器优化设计中,可以在太阳能热水器出水口加设循环泵,将管道内冷水送回太阳能热水器。然而,系统加设循环泵,增大了太阳能热水器系统的总压,使得压力较低的自来水管网冷与热水在混水阀处难以混合,客户端流出水温度过高。此夕卜,冬季管道较长的情况下,从太阳能热水器流下的热水经管道换热后,温度总会降低,该方法无法在严寒天气满足用户对热水的要求。或者在客户端出水口加设电加热装置加热管道的冷水,但在出水口热水处于流动状态,装电加热装置对流动水的加热效果并不好。
[0008] 家用热水温度一般在50°C〜60°C,而太阳能热水器能够将热水加热至60〜85°C,在使用时往往要加入大量冷水。而随着太阳能热水器内热水温度的增高,太阳能集热装置吸收太阳能加热热水就越困难,而太阳能热水器在单位时间内向外散失的热量也越多。及时将太阳能热水器储水箱内的高温热水引走,混合冷水,使太阳能热水器集热装置内的热水与换热器一直处于大温差换热状态,并减少热水与空气的温差,能够使太阳能热水器在单位时间内提供更多的有效热水。
[0009] 本发明的目的是采用新型控制方法,通过集热装置与低温水箱,高温水箱之间的循环加热,使得集热装置内部热水保持在大温差,提高了换热效率;将高温热水储存在高温水箱中,即需即取,节水;夜间集热器及管道中的余水回流,减少系统热能散失,同时排空管道中的水,达到防冻、节水目的;在高温水箱中设置电热丝,在太阳能辐射强度不够时,作为辅助加热。
[0010] 本发明所采用的技术方案是:
一种高效太阳能热水器,包括太阳能集热装置I及其内检测太阳能集热装置I水温的集热装置温度探测器8、低温水箱7及其内检测低温水箱7水温的低温水箱温度探测器9、高温水箱6及其内检测高温水箱6的高温水箱温度探测器10 ;
所述低温水箱7与自来水管相连,通过冷水上水管与所述太阳能集热装置I连接,所述太阳能集热装置I通过热水下水管与三通电磁阀14的进口连接;所述三通电磁阀14的两个进口分别通过管道与所述低温水箱7和高温水箱6连接;
当所述高温水箱6与所述低温水箱7之间的温差大于设定温度时,所述三通电磁阀14连通通往所述低温水箱7的管道;当所述高温水箱6与所述低温水箱7之间的温差小于设定温度时,所述三通电磁阀14连通通往所述高温水箱7的管道;在太阳能集热装置I热水下水过程同时,所述低温水箱7下部低温水通过冷水上水管流入所述太阳能集热装置I。
[0011] 所述低温水箱7安装在所述高温水箱6上方;在所述低温水箱7与高温水箱6之间设置有补水管和溢水管;
在所述所述太阳能集热装置I设置有用于探测集热装置内部液位是否达到使集热装置的集热面充分利用太阳能的集热装置液位计13,若未达到,则通过冷水上水管引入低温水箱7内冷水;
在所述高温水箱6内设置有防止高温水箱6干烧的高温水箱液位计12 ;当高温水箱液位计12检测到低水位时,所述低温水箱7通过补水管向高温水箱6补水;当高温水箱液位计12检测到高水位时,高温水箱6通过溢流管将多余水输入低温水箱7中;
在所述低温水箱7内设置有探测到低温水箱低水位时通过自来水管引入冷水保证低温水箱7水量以及探测到低温水箱7高水位避免引入多余水的低温水箱液位计11。
[0012] 所述设定温度为5〜10°C。
[0013] 所述高温水箱6内部下方设有在太阳能不足时用于加热高温水箱6内热水的电热丝。
[0014] 在所述冷水上水管上设有用于驱动冷水流动的供水泵2。
[0015] 在所述高温水箱6和所述低温水箱7外分别设置有保温层。
[0016] 与现有技术相比,本发明创新具有的有益效果是:
I)集热装置中的水温保持较低水平,集热面与集热装置内部热水处于大温差换热状态保证集热效率,集热装置内部热水与外界空气处于小温差状态减少系统散热,集热装置高效利用太阳能。
[0017] 2)设置室内低温水箱,使其作为缓冲水箱为集热设备提供需加水、在系统水量达到下限时从自来水管网引水、容纳系统每个加热循环产生的多余热水,达到对系统内的水分阶段循环加热目的,使系统在能够保障热水供应的基础上,对冷热水实行即需即取,从而实现系统最小限度从外界引入循环用水、高效集热即达到节水、高效利用太阳能作用。
[0018] 3)太阳能热水器生产的热水储藏在室内高温水箱中,使用时可即时出热水,充分满足用户对热水的需求;
4)夜间或需要防冻时,系统将集热装置及室外管道中的余水在重力作用下通过冷水上水管回流进入低温水箱,减少系统夜间向外散热,防止管道冻裂,避免管道无用水浪费;
5)用低温水箱内低温水保护高温水箱不被干烧,在非必要情况下自来水管网中冷水不会流入系统,实现最大限度节水。
附图说明
[0019] 图1为本发明的系统示意图;
图2为本发明的热水器工作控制流程图;
图3是本发明的防干烧控制流程图;
图4是本发明的分阶段加热循环控制流程图;
图5是本发明客户端使用控制流程图;
图6是本发明定时控制流程图。
[0020] 图中:1、太阳能集热装置,2、供水泵,3、混水阀,4、喷头,5、控制器,6、高温水箱,
7、低温水箱,8、集热装置温度探测器,9、低温水箱温度探测器,10、高温水箱温度探测器,
11、低温水箱液位计,12、高温水箱液位计,13、集热装置液位计,14、下水三通电磁阀,15、防过热电磁阀,16、回流电磁阀,17、自来水供水电磁阀,18、水箱供水电磁阀,19、高温水箱保温层,20、低温水箱保温层,21、电热丝。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图和具体实施方式对本发明创新进行详细说明。
[0022] 本发明如图1所示,包括太阳能热水器集热装置1、供水泵2、混水阀3、喷头4、控制器5、高温水箱6、低温水箱7、集热装置温度探测器8、低温水箱温度探测器9、高温水箱温度探测器10、低温水箱液位计11、高温水箱液位计12、集热装置液位计13、下水三通电磁阀
14、防过热电磁阀15、回流电磁阀16、自来水供水电磁阀17、水箱供水电磁阀18、高温水箱保温层19、低温水箱保温层20、电热丝21。
[0023] 太阳能集热装置I位于室外,冷水进水口 l_a与冷水上水管h连接,热水出口 l_b与热水下水管i连接,其内部设置集热装置温度探测器8检测太阳能集热装置I出口附近水温,设置集热装置液位计13,检测内部液位是否达到要求使太阳能集热装置I的集热面充分利用,同时,当太阳能集热装置I的液位达到安全液位下限时,低温水箱7通过冷水上水管h向太阳能集热装置I补水;下水三通电磁阀14位于热水下水管i与高温热水下水管X、低温热水下水管w三通处,控制达标热水流入高温水箱或低温水箱;
低温水箱7位于室内,为非密闭式水箱,通过低温水箱溢流管r与大气相通,其下部出口 7-a与冷水出水管V连接,上部出口 7-b与低温水箱溢流管r连接并将其通向卫生设备,下部入口 7-c与自来水管η连接,下部出水口 7-d与泄流管s连接并分支为通向卫生设备管路、补水管k,上部入口 7-e与热水下水管w连接,上部入口 7-f与冷水回水管u和高温水箱溢流管t形成三通连接,内部设置低温水箱液位计11探测低温水箱7低水位时从自来水管η通过水泵抽水时保证低温水箱7水量并探测低温水箱7高水位避免引入多余水进入系统浪费水资源,外部设置低温水箱保温层减少低温水箱7的热量损失。在光照充足情况下低温水箱7向太阳能集热装置I提供低温热水,保证系统高效利用太阳能并避免传统太阳能热水器一次性容纳过多水量造成水资源浪费。在室内低温水箱7冷水出水管V上设置有供水泵2,供水泵2间歇运行;在补水管k上设置有防过热电磁阀15,用于控制低温水箱7向高温水箱6补水,充分利用系统内部水来防止高温水箱6干烧,减少系统对无用水的需求,节约水资源。在冷水回水管U上设有回流电磁阀16,用于控制夜间太阳能集热装置I及管道中的余水回流,减少系统热能散失。在自来水管η上设有自来水供水电磁阀17,用于控制冷水进入低温水箱7 ;冷水上水管m上设有供水电磁阀18,用于控制低温水箱7向太阳能集热装置I供水。低温水箱7作为一个缓冲为太阳能集热装置I提供需加水、在系统水量达到下限时从自来水管η引水、容纳系统高温水箱6的多余热水,达到对系统内的水分阶段循环加热目的、高效利用太阳能,使系统冷、热水实行即需即取、最小限度从外界引入循环用水。
[0024] 高温水箱6位于室内,为密闭式水箱,其安装位置比低温水箱7低。其下部热水出口 6-a与热水出水管道连接,上部入口 6-b与热水下水管X连接,上部入口 6-c与补水管k连接,下部出口 6-d与高温水箱溢流管t连接,溢流管t设置单向阀只允许热水从高温水箱6流向低温水箱7,内部设置高温水箱温度探测器9检测高温水箱6内的水温,设置高温水箱液位计12探测高温水箱6内部液位保护高温水箱,当高温水箱液位计12检测到低水位时,开启防过热电磁阀15使低温水箱7通过补水管k向高温水箱6补水;当高温水箱液位计12检测到高水位时,开启单向阀使得高温水箱6内多余热水通过溢流管t流入低温水箱
7中;在高温水箱6内设置有电热丝21,电热丝21在光照不足时启动。高温水箱6外部设置有保温层减少系统散热损耗,高温水箱6容纳太阳能集热装置I内达标热水,为客户端提供即时热水。在高温水箱6出口有混水阀3,将自来水管p、高温水箱6热水出水管j中的冷热水混合后,由冷热水混合管q将用户用水送至喷头4。
[0025] 太阳能集热装置I的集热装置温度探测器8、低温水箱7内部设置低温水箱温度探测器9、高温水箱6内部设置高温水箱温度探测器10分别将温度信号传递给控制装置5,形成温差控制系统,控制该系统进行分阶段加热循环,使太阳能集热装置I中的水温降低,集热面与内部热水保持大温差换热状态并提高集热效率,太阳能集热装置I中水与外界空气保持小温差状态并减少系统散热,太阳能集热装置I高效利用太阳能:若上一次使用热水时客户端将系统内热水用尽,系统初启动时高温水箱6内的水是由补水管k从低温水箱7内引入的冷水,则高温水箱6与低温水箱7的温差At1会趋于0,若上一次客户端使用完热水后,高温水箱6内热水液位低于其液位下限,系统初启动时高温水箱6内的水是由补水管k从低温水箱7内引入的冷水与原有热水的混合,则高温水箱6与低温水箱7的温差At1较低;若上一次客户端使用完热水后,高温水箱6内热水液位高于其液位下限,系统初启动时高温水箱6内热水温度较高,此时△ h较大,选择高温水箱6收纳太阳能集热装置I下水会导致集热效率降低,宜选用低温水箱7收纳太阳能集热装置I下水;当At1小于设定值&时,采用太阳能集热装置I出口热水与高温水箱6内部热水的温差At2控制系统运行,建议&在5〜10°C之间,At2随着太阳能集热装置I内水温升高而逐渐升高,当At2达到设定值〖2时,太阳能集热装置I内部热水流入高温水箱6,At2降至最低,供水泵2开启,低温水箱7向太阳能集热装置I提供低温热水,形成分阶段加热的热水循环,建议&在10〜15°C之间;当高温水箱6与低温水箱7的温差At1大于设定值^时,采用太阳能集热装置I出口热水与低温水箱7内部热水的温差Λ &控制系统运行,Δ 13随着太阳能集热装置I内水温升高而逐渐升高,当At3达到设定值^时,太阳能集热装置I内部热水流入低温水箱7上部,Λ〖2降至最低,供水泵2开启,低温水箱7向太阳能集热装置I提供低温水箱7下部的低温热水,形成分阶段加热的热水循环,建议&在10〜15°C之间。
[0026] 各个设备之间连接形成分阶段加热热水系统,操作方法需要参照操作程序(图2、图3、图4):本发明的具体工作过程如下:
热水分阶段加热循环时,低温水箱7向太阳能集热装置I提供冷水,太阳能集热装置I集热,当高温水箱6与低温水箱7的温差At1小于设定值^时,采用太阳能集热装置I出口热水与高温水箱6内部热水的温差Λ〖2控制系统运行,当Λ 12达到设定值12时,下水三通电磁阀14将热水下水管道i与高温水箱热水下水管道X联通,供水泵2开启,水箱供水电磁阀18打开,低温水箱7向太阳能集热装置I提供低温热水;当高温水箱6与低温水箱7的温差At1大于设定值^时,采用太阳能集热装置I出口热水与低温水箱7内部热水的温差At3控制系统运行,当At3达到设定值%时,下水三通电磁阀14将热水下水管道i与低温水箱热水下水管道w联通,太阳能集热装置I内部热水流入低温水箱7上部,供水泵2开启,水箱供水电磁阀18打开,低温水箱7向太阳能集热装置I提供低温水箱7下部的低温热水。因为太阳能集热装置I中的热水流入低温水箱7后在低温水箱7上层,而低温水箱7内的冷水在下层,根据物理知识,冷、热水混合迅速是由于密度原因,热水在下层、冷水在上层则冷热水很容易混合,热水在上层、冷水在下层,则不会那么容易混合。
[0027] 高温水箱液位计12探测高温水箱6液位达到安全下限,控制器5控制防过热电磁阀15打开,低温水箱7内冷水流入高温水箱6,保护高温水箱6防干烧,若低温水箱液位计12探测到低温水箱7液位同时达到液位下限,说明系统内循环水量已达到最低值,则打开自来水供水电磁阀17,从自来水管η中引入冷水。
[0028] 客户端使用热水时,关闭水箱供水电磁阀18,回流电磁阀16,下水三通电磁阀14将管道1、w联通,判断高温水箱6与低温水箱7内水温差At1是否在预先设定的允许混合的温度范围内,若允许混合,则打开防过热电磁阀。若不符合,则只使用高温水箱6中热水,若高温水箱6液位达到液位下限则启动防干烧子程序,将低温水箱7中低温热水引入高温水箱6内,再次判断高温水箱6内热水是否符合客户端要求,若符合,则直接使用,若不符合则开启电加热子程序,启动电热丝21进行加热。
[0029] 所述的控制器5设置时间控制,在夜间或需要防冻时系统自动关闭防过热电磁阀
15、水箱供水电磁阀18,打开回流电磁阀16、下水三通电磁阀14将热水下水管i和低温水箱热水下水管w联通,太阳能集热装置I及室外管道中余水在重力作用下流入低温水箱7,室外管道通过包覆保温材料进行保温,保温材料不限,实现最大限度减少系统向外散热,避免管道冻裂,在预设时间点,定时装置控制系统开启,判断太阳能集热装置I温度是否符合防冻要求,若符合,则进行正常的热水循环,若不符合且客户端人需要热水则启动电加热程序。
[0030] 本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已,并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰,都应作为本发明的技术范畴。

Claims (6)

1.一种高效太阳能热水器,其特征在于,包括太阳能集热装置(I)及其内检测太阳能集热装置(I)水温的集热装置温度探测器(8)、低温水箱(7)及其内检测低温水箱(7)水温的低温水箱温度探测器(9 )、高温水箱(6 )及其内检测高温水箱(6 )的高温水箱温度探测器(10); 所述低温水箱(7)与自来水管相连,通过冷水上水管与所述太阳能集热装置(I)连接,所述太阳能集热装置(I)通过热水下水管与下水三通电磁阀(14)的进口连接;所述下水三通电磁阀(14)的两个进口分别通过管道与所述低温水箱(7)和高温水箱(6)连接; 当所述高温水箱(6)与所述低温水箱(7)之间的温差大于设定温度时,所述三通电磁阀(14)连通通往所述低温水箱(7)的管道;当所述高温水箱(6)与所述低温水箱(7)之间的温差小于设定温度时,所述三通电磁阀(14)连通通往所述高温水箱(7)的管道;在太阳能集热装置(I)热水下水过程同时,所述低温水箱(7)下部低温水通过冷水上水管流入所述太阳能集热装置(I)。
2.根据权利要求1所述的高效太阳能热水器,其特征在于,所述低温水箱(7)安装在所述高温水箱(6)上方;在所述低温水箱(7)与高温水箱(6)之间设置有补水管和溢流管; 在所述所述太阳能集热装置(I)设置有用于探测集热装置内部液位是否达到使集热装置的集热面充分利用太阳能的集热装置液位计(13),若未达到,则通过冷水上水管引入低温水箱(7)内冷水; 在所述高温水箱(6)内设置有防止高温水箱(6)干烧的高温水箱液位计(12);当高温水箱液位计(12)检测到低水位时,所述低温水箱(7)通过补水管向高温水箱(6)补水;当高温水箱液位计(12)检测到高水位时,高温水箱(6)通过溢流管将多余水输入低温水箱(7)中; 在所述低温水箱(7)内设置有探测到低温水箱低水位时通过自来水管引入冷水保证低温水箱(7)水量以及探测到低温水箱(7)高水位避免引入多余水的低温水箱液位计(11)。
3.根据权利要求1所述的高效太阳能热水器,其特征在于,所述设定温度为5〜10°C。
4.根据权利要求1所述的高效太阳能热水器,其特征在于,所述高温水箱(6)内部下方设有在太阳能不足时用于加热高温水箱(6)内热水的电热丝。
5.根据权利要求1所述的高效太阳能热水器,其特征在于,在所述冷水上水管上设有用于驱动冷水流动的供水泵(2 )。
6.根据权利要求1所述的高效太阳能热水器,其特征在于,在所述高温水箱(6)和所述低温水箱(7)外分别设置有保温层。
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