CN105823241A - 一种强制循环式窗式太阳能热水器装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强制循环式窗式太阳能热水器及其控制方法，设置循环水管和速热盘管两个热水取用结构，并通过毛细管相连，通过灵活调节热水取用的方式以及水流和导热介质的流动状态以适应不同的用水需求。本发明能够解决现有技术的不足，在保证太阳能热水器传热效率的同时兼顾了用户用水的需求，结构简单，成本低。

Description

一种强制循环式窗式太阳能热水器装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能热水器技术领域，尤其是一种强制循环式窗式太阳能热水器及其控制方法。

背景技术

在中大型的太阳能热水器系统中，普遍使用强制循环结构来保证整个太阳能热水器的热效率。但是，在这种太阳能热水器系统中，为了获得较高的传热效率，会将水的流量流速设定在一个特定的区间范围内，当用户用水量突然增加时，会造成系统水温的快速下降，必须使用辅助热源(比如电加热等)才能保证用户的正常使用，结构复杂，成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种强制循环式窗式太阳能热水器及其控制方法，能够解决现有技术的不足，在保证太阳能热水器传热效率的同时兼顾了用户用水的需求，结构简单，成本低。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种强制循环式窗式太阳能热水器，包括集热器和与集热器相连接的导热管，导热管内充有导热介质，还包括储水箱和与储水箱连接的循环水管，循环水管上连接有出水管，储水箱上设置有补水管，还包括一个速热盘管，集热器上至少连接有两个独立的导热管，速热盘管与循环水管分别与一个导热管接触，并进行热传递，循环水管与速热盘管之间设置有若干个毛细管，速热盘管内设置有与毛细管一一对应的导流套，导流套与速热盘管同轴设置，导流套的出水端设置有缩口，导流套正对着毛细管的位置设置有第一通孔，导流套位于第一通孔与缩口之间的侧壁上均匀设置有若干个第二通孔，第二通孔位于导流套内侧的一端设置有挡板，储水箱内设置有潜水泵，导热管、速热盘管和毛细管内分别设置有加压泵和流量调节阀，导热管、循环水管和速热盘管的末端分别设置一个温度传感器，循环水管上设置也设置有流量调节阀；控制器分别与潜水泵、加压泵、温度传感器和流量调节阀通讯连接。

作为优选，速热盘管和循环水管的横截面面积之比为1:20～1:35，速热盘管和循环水管的总长度之比为120:1～150:1。

作为优选，所述循环水管的进水端位于储水箱的底部，出水端位于储水箱的顶部。

作为优选，所述循环水管与导热管的接触面为波浪面，循环水管与其所接触的导热管的外侧包裹有导热铜管，导热铜管与循环水管和导热管的空隙处填充有导热铜块，导热铜管外侧包裹有隔热棉层。

一种用于上述强制循环式窗式太阳能热水器的控制方法，通过加压泵和潜水泵的驱动，使导热介质和水分别在导热管和循环水管内循环流动，导热介质在导热管内吸收太阳光的热量升温，然后经过热传递对循环水管内的水进行加热，在循环水管内被加热后的水流回储水箱，使得储水箱内的水温逐渐提高；在用户使用热水时，若循环水管内的水温在用户使用要求的水温之上，则直接从循环水管内取水使用，储水箱的水位随之降低，补水管向储水箱内补入冷水，从而随着热水的使用量累计加大，储水箱和循环水管内的水温逐渐降低；当水温降至用户使用要求的水温之下时，关闭出水管，开启速热盘管内的加压泵，从速热盘管内取水使用，与此同时打开毛细管内的加压泵，将循环试管内的部分水量引入毛细管内，当循环水管内的室温回恢复至用户使用要求的水温之上时，关闭速热盘管，从新开始使用循环水管供水。

作为优选，循环水管内水流的流速与导热管内导热介质的温度数值的平方成正比；循环水管内水流的流量的变化率与导热管内导热介质温度的变化率成正比，并且循环水管内水流流量的最大变化幅度不超过初始流量的80％。

作为优选，循环水管的初始流量为潜水泵额定输出的情况下，出水管和毛细管关闭，循环水管内的流量调节阀开度为50％的情况下的流量。

作为优选，单个毛细管的流量与速热盘管的流量之比为1:100～1:300。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明通过设置循环水管和速热盘管两个吸热结构，在水温正常时使用循环水管，以保持较高的传热效率；在水温下降时切换至速热盘管，暂时降低吸热的水量，通过小流量的水流大面积地接触导热管实现水温的迅速上升，以保证用水温度维持在一个正常的水平。通过毛细管向速热盘管注入循环水管的水流，可以使速热盘管中心部位的水流向外侧流动，提高速热盘管的传热效率，另外通过对循环水管内水流的使用，可以弥补速热水管对导热管内热量吸收效率低的缺点，提高在使用速热盘管时的系统整体传热效率。循环水管的流速和流量根据导热介质的温度变化进行适时调整，可以最大效率地利用导热介质中的热量。循环水管与速热盘管的优选匹配参数，可以在保持使用循环水管具有较高热传导效率和使用速热盘管具有较快的水温升高的同时，在整个系统联动调整时减小整个系统状态的波动。循环水管与导热管的接触结构可以进一步提高循环水管的吸热效率。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施例的结构图。

图2是本发明的一个具体实施例中速热盘管的结构图。

图3是本发明的一个具体实施例中循环水管与导热管接触的结构图。

图4是本发明的一个具体实施例中集热器与导热管的连接结构图。

图中：1、集热器；2、导热管；3、储水箱；4、循环水管；5、速热盘管；6、毛细管；7、导流套；8、缩口；9、第一通孔；10、第二通孔；11、挡板；12、潜水泵；13、加压泵；14、流量调节阀；15、温度传感器；16、出水管；17、波浪面；18、导热铜管；19、导热铜块；20、隔热棉层；21、集热管；22、弧形折流板；23、控制器。

具体实施方式

参照图1-4，一种强制循环式窗式太阳能热水器，包括集热器1和与集热器1相连接的导热管2，导热管2内充有导热介质，还包括储水箱3和与储水箱3连接的循环水管4，循环水管4上连接有出水管16，储水箱3上设置有补水管21，还包括一个速热盘管5，集热器1上连接有两个独立的导热管2，速热盘管5与循环水管4分别与一个导热管2接触，并进行热传递，循环水管4与速热盘管5之间设置有若干个毛细管6，速热盘管5内设置有与毛细管6一一对应的导流套7，导流套7与速热盘管5同轴设置，导流套7的出水端设置有缩口8，导流套7正对着毛细管6的位置设置有第一通孔9，导流套7位于第一通孔9与缩口8之间的侧壁上均匀设置有若干个第二通孔10，第二通孔10位于导流套7内侧的一端设置有挡板11，储水箱3内设置有潜水泵12，导热管2、速热盘管5和毛细管6内分别设置有加压泵13和流量调节阀14，导热管2、循环水管4和速热盘管6的末端分别设置一个温度传感器15，循环水管4上设置也设置有流量调节阀14；控制器23分别与潜水泵12、加压泵13、温度传感器15和流量调节阀14通讯连接。速热盘管5和循环水管4的横截面面积之比为1:31，速热盘管5和循环水管4的总长度之比为135:1，循环水管4的进水端位于储水箱3的底部，出水端位于储水箱3的顶部，循环水管4与导热管2的接触面为波浪面17，循环水管4与其所接触的导热管2的外侧包裹有导热铜管18，导热铜管18与循环水管4和导热管2的空隙处填充有导热铜块19，导热铜管18外侧包裹有隔热棉层20。集热器1内设置有集热管21，与循环水管4相接触的导热管2与集热管21的侧壁相连通，与速热盘管5相接触的导热管2插入到集热管21的内部，其出口端位于集热管21的中心。由于两个导热管2内的热量利用率不相同，将热量利用率高的导热管连接在集热管的外侧，可以使温度较低的导热介质首先吸收外界阳光，提高集热器1的吸热效率。速热盘管5的内壁均匀设置有弧形折流板22，弧形折流板22可以将从第二通孔流出的水流进行折流，使速热盘管5的内壁表面附近形成一个循环逆流层，可以增加水流在内壁表面附近的换热时间，从而提高速热盘管内的水温。

一种用于上述强制循环式窗式太阳能热水器的控制方法，通过加压泵13和潜水泵12的驱动，使导热介质和水分别在导热管2和循环水管4内循环流动，导热介质在导热管2内吸收太阳光的热量升温，然后经过热传递对循环水管4内的水进行加热，在循环水管4内被加热后的水流回储水箱3，使得储水箱3内的水温逐渐提高；在用户使用热水时，若循环水管4内的水温在用户使用要求的水温之上，则直接从循环水管4内取水使用，储水箱3的水位随之降低，补水管21向储水箱3内补入冷水，从而随着热水的使用量累计加大，储水箱3和循环水管4内的水温逐渐降低；当水温降至用户使用要求的水温之下时，关闭出水管16，开启速热盘管5内的加压泵13，从速热盘管5内取水使用，与此同时打开毛细管6内的加压泵13，将循环试管4内的部分水量引入毛细管6内，当循环水管4内的室温回恢复至用户使用要求的水温之上时，关闭速热盘管5，从新开始使用循环水管4供水。循环水管4内水流的流速与导热管2内导热介质的温度数值的平方成正比；循环水管4内水流的流量的变化率与导热管2内导热介质温度的变化率成正比，并且循环水管4内水流流量的最大变化幅度不超过初始流量的80％。循环水管4的初始流量为潜水泵12额定输出的情况下，出水管16和毛细管6关闭，循环水管4内的流量调节阀14开度为50％的情况下的流量。单个毛细管6的流量与速热盘管6的流量之比为1:100～1:300，所有毛细管6的总流量与速热盘管6的流量之比为3:50。毛细管6的流速保持在速热盘管6流速的2～2.5倍。导热介质的标准循环周期为30分钟，标准循环周期情况下的流速为标准流速，导热介质的实际实时流速与标准流速的流速差值为：

$\mathrm{\Δf}=\±\frac{{(T_2-T_3-5)}^2}{\sqrt{50-T_1}}$

其中，Δf为流速差值，T₁为户外温度，T₂为导热介质的温度，T₃为循环水管内的水温，当T₂比T₃高于5℃时Δf取正值，当T₂比T₃低于5℃时Δf取负值。通过调整导热介质的流速，可以提高导热介质传递热量的效率。

本发明可以在两种热水取用方式中自由切换，在保证整个系统处于较高的热效率的同时兼顾了用户的用水便利性。

上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

Claims (8)

1.一种强制循环式窗式太阳能热水器，包括集热器(1)和与集热器(1)相连接的导热管(2)，导热管(2)内充有导热介质，还包括储水箱(3)和与储水箱(3)连接的循环水管(4)，循环水管(4)上连接有出水管(16)，储水箱(3)上设置有补水管(21)，其特征在于：还包括一个速热盘管(5)，集热器(1)上至少连接有两个独立的导热管(2)，速热盘管(5)与循环水管(4)分别与一个导热管(2)接触，并进行热传递，循环水管(4)与速热盘管(5)之间设置有若干个毛细管(6)，速热盘管(5)内设置有与毛细管(6)一一对应的导流套(7)，导流套(7)与速热盘管(5)同轴设置，导流套(7)的出水端设置有缩口(8)，导流套(7)正对着毛细管(6)的位置设置有第一通孔(9)，导流套(7)位于第一通孔(9)与缩口(8)之间的侧壁上均匀设置有若干个第二通孔(10)，第二通孔(10)位于导流套(7)内侧的一端设置有挡板(11)，储水箱(3)内设置有潜水泵(12)，导热管(2)、速热盘管(5)和毛细管(6)内分别设置有加压泵(13)和流量调节阀(14)，导热管(2)、循环水管(4)和速热盘管(6)的末端分别设置一个温度传感器(15)，循环水管(4)上设置也设置有流量调节阀(14)；控制器(23)分别与潜水泵(12)、加压泵(13)、温度传感器(15)和流量调节阀(14)通讯连接。

2.根据权利要求1所述的强制循环式窗式太阳能热水器，其特征在于：所述速热盘管(5)和循环水管(4)的横截面面积之比为1:20～1:35，速热盘管(5)和循环水管(4)的总长度之比为120:1～150:1。

3.根据权利要求1所述的强制循环式窗式太阳能热水器，其特征在于：所述循环水管(4)的进水端位于储水箱(3)的底部，出水端位于储水箱(3)的顶部。

4.根据权利要求1所述的强制循环式窗式太阳能热水器，其特征在于：所述循环水管(4)与导热管(2)的接触面为波浪面(17)，循环水管(4)与其所接触的导热管(2)的外侧包裹有导热铜管(18)，导热铜管(18)与循环水管(4)和导热管(2)的空隙处填充有导热铜块(19)，导热铜管(18)外侧包裹有隔热棉层(20)。

5.一种用于权利要求1所述的强制循环式窗式太阳能热水器的控制方法，其特征在于：通过加压泵(13)和潜水泵(12)的驱动，使导热介质和水分别在导热管(2)和循环水管(4)内循环流动，导热介质在导热管(2)内吸收太阳光的热量升温，然后经过热传递对循环水管(4)内的水进行加热，在循环水管(4)内被加热后的水流回储水箱(3)，使得储水箱(3)内的水温逐渐提高；在用户使用热水时，若循环水管(4)内的水温在用户使用要求的水温之上，则直接从循环水管(4)内取水使用，储水箱(3)的水位随之降低，补水管(21)向储水箱(3)内补入冷水，从而随着热水的使用量累计加大，储水箱(3)和循环水管(4)内的水温逐渐降低；当水温降至用户使用要求的水温之下时，关闭出水管(16)，开启速热盘管(5)内的加压泵(13)，从速热盘管(5)内取水使用，与此同时打开毛细管(6)内的加压泵(13)，将循环水管(4)内的部分水量引入毛细管(6)内，当循环水管(4)内的室温回恢复至用户使用要求的水温之上时，关闭速热盘管(5)，从新开始使用循环水管(4)供水。

6.根据权利要求5所述的强制循环式窗式太阳能热水器的控制方法，其特征在于：循环水管(4)内水流的流速与导热管(2)内导热介质的温度数值的平方成正比；循环水管(4)内水流的流量的变化率与导热管(2)内导热介质温度的变化率成正比，并且循环水管(4)内水流流量的最大变化幅度不超过初始流量的80％。

7.根据权利要求6所述的强制循环式窗式太阳能热水器的控制方法，其特征在于：循环水管(4)的初始流量为潜水泵(12)额定输出的情况下，出水管(16)和毛细管(6)关闭，循环水管(4)内的流量调节阀(14)开度为50％的情况下的流量。

8.根据权利要求5所述的强制循环式窗式太阳能热水器的控制方法，其特征在于：单个毛细管(6)的流量与速热盘管(6)的流量之比为1:100～1:300。