CN106152562A - 一种相变蓄热、高效取热型太阳能热水与采暖系统 - Google Patents

Abstract

一种相变蓄热、高效取热型太阳能热水与采暖系统，由集热器(1)、取热泵(2)、储液箱(3)、储热水箱(4)、用热器(5)、换热器(6)、排气管(7)、通风阀(8)组成，其特征是：采用相变蓄热、高效取热方法，集热器(1)一端通过用热器(5)、换热器(6)与储液箱(3)一端连通，储液箱(3)另一端通过取热泵(2)与集热器(1)另一端连通，排气管(7)安装在集热器(1)上端接口上，通风阀(8)安装在集热器(1)下端接口上。集热器(1)是相变蓄热液管式真空管集热器，相变蓄热器(13)装在真空管(12)内，导热液管(14)从真空管(12)和相变蓄热器(13)中心穿过，导热液管(14)两端与联箱连通，导热工质进出口在集热器(1)两端。

Description

一种相变蓄热、高效取热型太阳能热水与采暖系统

技术领域

本发明是太阳能光热领域一种相变蓄热、高效取热型太阳能热水与采暖系统。

背景技术

现有真空管类、平板集热器类太阳能热水器、热水系统、热水采暖系统，普遍存在以下问题：

1、只有自然循环集热和强制循环集热两种集热方法，自然循环集热方法存在的问题是：热水器水箱必须就近安装在高于集热器的位置，由于水箱在室外高处，风阻大、热损大，不安全隐患多，对建筑形象、市容市貌影响大；现有强制循环集热方法存在的问题是：循环集热温差小、热转移效率低，循环泵运转时间长，耗电量大，遇停电和循环泵故障，不但无法集热，而且易引起集热系统过热。

2、现有紧凑式自然循环太阳能热水器，因为水箱在室外高处，水箱内外温差大，热损大，所集热能利用率低，易被大风吹垮，易因支架锈蚀坍塌，而且对建筑形象、市容市貌影响极大。

3、现有阳台壁挂式太阳能热水器，因为水箱在高处，而且水箱体积大而重，无论怎样做，都难以真正实现与建筑一体化。

4、现有任意规模的一次/二次强制循环太阳能热水系统，受温差控制影响，低辐照太阳能难收集，遇停电、循环泵故障，不但无法集热，而且易导致集热系统过热；涉及设备种类、数量多，故障因素多，设备自身热损大，循环集热耗电量大，获取太阳能热水的代价高。

5、现有太阳能热水采暖系统，从集热到供暖，要经过集热器-集热循环泵-集热换热器-储热水箱-采暖换热器-采暖循环泵-采暖器等设备和流程，涉及设备种类、数量多，故障因素多，热转移过程中热损大，循环集热、供暖耗电量大，储热水箱占用空间大，夏季停用期间防过热难，采用遮阳防过热方法，费钱费力不可靠，而且对建筑形象影响大。

6、现有真空管类一次循环集热的太阳能热水器、热水系统、热水采暖系统，真空管内有大量的水，真空管内水有阳光时加热无阳光时散热，特别是容易从联箱散热，昼夜热损很大，这种热损每天都存在，累积热损非常大。以58型真空管集热器为例，每支58型1.8米长真空管内储水3L，按平均每昼夜管内水温下降20度计，每天热损60大卡，每年365天21900大卡，相当于25度电产生的热量，每平方米集热器按8支真空管计算，每平方米集热面积每昼夜热损相当于0.56度电产生的热量，每年昼夜热损相当于200度电产生的热量，占集热器实际可集热的总量比例相当大，等同于大幅度降低了集热效率。

7、现有太阳能真空管，受真空管结构特征和高温特性影响，易过热，遇空晒管内温度高达200度左右，遇急冷易炸管，对真空管寿命和整个系统可靠性影响都很大。

8、现有二次循环集热的太阳能热水器、热水系统、热水采暖系统，都必须采用防冻液做导热工质，防冻液存在的问题是：导热性能低于水，在高温环境下易变质、失效，需要2年左右换一次，无毒防冻液成本、售价高，购液、换液服务费用都很高；防冻液是化工材料，大量使用难以避免对环境造成不利影响。

发明内容

本发明提供一种相变蓄热、高效取热型太阳能热水与采暖系统，包括任意规模的太阳能热水器、热水系统、热水采暖系统，可全面系统地解决上述问题。

本发明的技术方案是：

1.相变蓄热，高效取热。采用相变蓄热液管式真空管集热器，与取热泵、储液箱、换热器、储热水箱或用热器组成相变蓄热、高效取热型太阳能热水与采暖系统，其基本工作原理是：真空管收集的太阳能，就近储存在相变蓄热器内，当相变蓄热器蓄热量达到设定值，智能控制系统自动开启取热泵，驱动储液箱内导热工质流经相变蓄热器，循环提取相变蓄热器内热能，通过换热器转移到水箱、水池、锅炉循环系统内，或者直接注入暖气、地暖等用热器内。由于相变蓄热器相变蓄热温度高，取热时导热工质含热值高，与现有温差控制、强制循环集热方法同比，循环取热平均温差比现有循环集热温差高7倍左右，转移相同的热能，在循环泵功率相同的前提下，循环泵运转时间可缩短70％左右，等同于热转移效率提高70％左右，为便于表述，将上述集热方法形象地定义为：相变蓄热、高效取热方法，将采用该集热方法的太阳能热水器、热水系统、热水采暖系统，称为相变蓄热、高效取热型太阳能热水器、热水系统、热水采暖系统。

2.利用真空管内相变蓄热器，抑制真空管内高温，消除空晒影响，解决集热器因较长时间停电、停机和缺水、缺液引起的集热器、集热系统过热问题。

3.利用相变蓄热液管式真空管集热器进出口在真空器上下两端、导热工质可自动回流排空的结构特征，取热结束后，集热器内导热工质自动回流到储液箱，集热器、集热系统内因无导热工质而不存在受冻问题，而且为用水做导热工质和通风防过热创造了条件。

4.在储液箱中加入长效阻垢、除垢剂和流道保护剂，解决导热工质腐蚀、结水垢等问题，达到用水做导热工质的目的。

5.在集热器上端接口上安装排气管，在集热器下端接口上设置通风阀，为空气自然循环排热创造条件，通过手动或自动打开集热器通风阀，空气自动从通风阀进入，加热后从排气管排出，达到防过热的目的。

6.将暖气、地暖视为储液箱的一部分，通过循环将相变蓄热器中热能直接注入暖气、地暖内，达到取消太阳能热水采暖系统储热水箱、换热器、集热循环泵的目的。

7.每天日落后，自动开启取热泵，把相变蓄热器中热能转移到储热水箱、水池或用热器内，集热器、集热系统内无液体、无热能、昼夜无热损，等同于大幅度提高了集热效率。

本发明由集热器1、取热泵2、储液箱3、储热水箱4、用热器5、换热器6、排气管7、通风阀8组成，其特征是：采用相变蓄热、高效取热方法，集热器1一端通过用热器5、换热器6与储液箱3一端连通，储液箱3另一端通过取热泵2与集热器1另一端连通，排气管7安装在集热器1上端接口上，通风阀8安装在集热器1下端接口上。

集热器1是相变蓄热液管式真空管集热器，相变蓄热器13装在真空管12内，导热液管14从真空管12和相变蓄热器13中心穿过，导热液管14两端与联箱连通，导热工质进出口在集热器1两端，集热器1种类有单联、双联相变蓄热液管式真空管集热器，集热器(1)可串联、可并联、可横排、可竖排。

相变蓄热、高效取热方法是：真空管12收集的太阳能，储存在相变蓄热器13内，当相变蓄热器13蓄热达到设定值，取热泵2自动开启，驱动储液箱3内导热工质流经集热器1、用热器5、换热器6循环取热，通过换热器6把相变蓄热器13中热能转移到储热水箱4、蓄热箱池11内，用于太阳热水采暖系统时，直接注入用热器5内。

取热泵2用于驱动导热工质循环取热，取热泵2类型和功率根据安装要求和承载的集热面积选择，取热泵2可与储液箱3合为一体，也可外置。

储液箱3是一种用于储存导热工质的容器，其容积大小与负载的集热器1面积成正比，在储液箱3内加入长效阻垢、除垢剂和流道保护剂，可解决导热工质腐蚀、结水垢等问题；储液箱3内可设置加热装置辅助加热；储液箱3、取热泵2、储热水箱4可组成一体机，也可以各自为独立体。

储热水箱4是储水蓄热的容器，造型可多样，容积大小与负载的集热器1面积成正比，各种金属、非金属内胆水箱、水池，承压非承压水箱都适用，可根据不同的场合和使用要求选用。

用热器5是加热、采暖用设施，包括暖气、地暖和各种通过液体散热的设施。

换热器6是热交换装置，种类有胆中胆换热器、盘管换热器、夹套换热器、板式换热器、容积式换热器等，可根据集热规模、水箱容积、安装方法、所需换热功率选用不同种类的换热器6，换热器6可装在水箱内，也可装在水箱外。

排气管7用于集热器1进、排气和排热降温，集热期间，通风阀8已关闭，集热器1内部空气处于静止状态，不存在热能从排气管7流失问题，但从导热工质中分离的气体可从排气管7排出，由于排气管7管口高于集热器1液体出口，且集热器1导热工质进口流量受限，液体出口阻力小于进口阻力，取热时不存在液体从排气管7流出问题。

通风阀8是一种通径较大的阀门，用于集热器、集热系统过热时通风降温，集热器、集热系统内过热时，通风阀8自动打开，冷空气从通风阀8进入集热器1内，加热后从排气管7排出，达到自动降温防过热的目的。通风阀8可以是电控阀，也可以是手动阀或手拧接口盖，通风阀8上可安装微型风机强制通风排热。

限流器9用于限制每组集热器1中流量，以便均衡提取每组集热器1中热能，主要用于多组集热器1串、并联的大中型集热系统，限流器9可以是一只内径较小的限流管。

回流阀10用于为集热器1内导热工质回流提供通道，集热器1通常安装在高于储液箱3的位置，取热泵关闭后可自动回流，不用安装回流阀10，对于受连接方法限制不能回流的场合，可加装回流阀10。回流阀10连接方法有多种，凡能达到集热器1内导热工质回流的连接方法都适用，回流阀10工作过程是：取热泵2关闭时，回流阀10接通，取热泵2开启时，回流阀10关闭。

蓄热箱池11是一种高保温大容积储热容器，可以是水箱、水池，也可以是相变蓄热的水箱、水池，蓄热箱池11用于长时间储热和跨季节蓄热，储存的热能可用于热水辅助加热、采暖、制冷。

真空管12是一种一端开口、另一端有阻热墙和导热液管孔的全玻璃真空太阳集热管，其性能与现有三高管、紫金管相同，并随技术发展而提高。

相变蓄热器13是一种装有相变蓄热材料的高热导率容器，安装在真空管12内。

导热液管14是一种具有高效换热功能的金属管，从相变蓄热器13中心穿过，导热液管14可与相变蓄热器13同体，也可以是紧密结合的分体。

本发明的有益效果是：

1、相变蓄热，真空管收集的太阳能就近无损进入相变蓄热器，集热不耗电、不受停电、停机影响，低辐照度太阳能可收集，实际集热量更多。

2、高效取热，循环取热的导热工质温度高、含热值高，集热器长时间收集的太阳能，可在很短的时间内转移到储热水箱、水池或用热器内，与现有温差控制、强制循环集热方法同比，循环集热节电率达70％左右。

3、相变蓄热器装在真空管内，可避免空晒、限制管内高温、延长真空管使用寿命，遇长时间停电或取热泵故障不影响集热，不存在急冷、空晒炸管问题，不存在集热器内过热问题。

4、日落后，可通过智能控制，把相变蓄热器内热能自动转移到储热水箱、蓄热箱池内，集热器、集热系统无热源，昼夜几乎无热损，等同于大幅度提高了集热效率。

5、二次循环集热，循环集热系统与生活用水隔离，互不影响，水质和长期集热效率有保障。

6、用水做导热工质，导热性能比防冻液更好，不存在腐蚀、结水垢等问题，系统可靠性更高，导热工质成本降至零，用户无购液、换液费用，对环境无任何影响。

7、集热器真空保温热损小，集热水温高，无论南方、北方，四季都有很高的集热水温和集热效率。

8、组成的相变蓄热、高效取热型太阳能热水器，在耗电量极小的前提下，水箱可远离集热器，可落地、入室，可安装在室内任意适当位置，不但热损小、热利用率高，而且对建筑形象影响小，可与新老建筑一体化，可取代现有紧凑式太阳能热水器和阳台太阳能热水器。

9、组成的相变蓄热、高效取热型太阳能热水系统，与现有太阳能热水系统同比，循环集热节电率大于60％，涉及设备种类、数量少，故障因素少，不存在防冻、过热等问题，运行、维修费用低，各种场合都适用，可取代现有任意规模的太阳能热水系统、热水与跨季节蓄热采暖、制冷系统。

10、组成的相变蓄热、高效取热型太阳能热水采暖系统，无储热水箱、无集热循环泵、无换热器，涉及设备种类、数量少，故障因素少，设备自身热损小，与现有太阳能热水采暖系统同比，集热、供暖节电率大于60％，不存在防冻问题，可很方便地解决集热系统夏季停用期间空晒过热问题，综合成本低，运行、管理、维修费用低，可取代现有所有真空管类、平板集热器类太阳能热水采暖系统。

11、组成的相变蓄热、高效取热型太阳能热水器、热水系统、热水采暖系统所需控制、保护功能少，智能控制系统简单、方便、安全、可靠。

7.附图说明

图1：单联相变蓄热液管式真空管集热器示意图。

图2：双联相变蓄热液管式真空管集热器示意图。

图3：相变蓄热、高效取热型太阳能热水器基本原理图1。

图4：相变蓄热、高效取热型太阳能热水器基本原理图2。

图5：相变蓄热、高效取热型太阳能热水采暖系统基本原理图1。

图6：相变蓄热、高效取热型太阳能热水采暖系统基本原理图2。

图7：相变蓄热、高效取热型太阳能热水系统实施例1。

图8：相变蓄热、高效取热型太阳能热水系统实施例2。

图9：相变蓄热、高效取热型太阳能热水系统实施例3。

图10：相变蓄热、高效取热型太阳能热水采暖系统实施例1。

图11：相变蓄热、高效取热型太阳能热水采暖系统实施例2。

图12：相变蓄热、高效取热型太阳能热水采暖系统实施例3。

图13：相变蓄热、高效取热型太阳能蓄热热辅、采暖、制冷系统实施例。

图1～13中编号：1.集热器，2.取热泵，3.储液箱，4.储热水箱，5.用热器，6.换热器，7.排气管，8.通风阀，9.限流器，10.回流阀，11.蓄热箱池，12.真空管，13.相变蓄热器，14.导热液管。

具体实施方式

图1是本发明单联相变蓄热液管式真空管集热器示意图，图2是本发明用双联相变蓄热液管式真空管集热器示意图。图1、图2中集热管相同，只是组合方法不同。

图3、图4是本发明太阳能热水器基本原理图，图3与图4原理、性能相同，差别仅在于：图3采用单联相变蓄热液管式真空管集热器，图4采用双联相变蓄热液管式真空管集热器。

图5、图6是本发明太阳能热水采暖系统基本原理图，图5与图6原理、性能相同，差别仅在于：图5采用单联相变蓄热液管式真空管集热器，图6采用双联相变蓄热液管式真空管集热器。

图7～9是本发明太阳能热水系统实施例，是本发明众多实施例中的一部分，图7～9运行原理和性能相同，差别仅在于集热系统排列方式不同，图7是双联集热器并联竖排式太阳能热水系统，图8是单联集热器并联竖排式太阳能热水系统，图9是双联集热器水平排列式太阳能热水系统，不同的排列方法适用于不同的应用场合。

图10～12是本发明太阳能热水采暖系统实施例，是本发明众多实施例中的一部分，图10～12运行原理和性能相同，差别仅在于集热系统排列方式，图10是双联集热器并联竖排式太阳能热水采暖系统，图11是单联集热器并联竖排式太阳能热水采暖系统，图12是双联集热器水平排列式太阳能热水采暖系统，可适用于不同的应用场合。

图13本发明太阳能蓄热热辅、采暖、制冷系统实施例，是本发明众多实施例之一，由集热器1、取热泵2、储液箱3、储热水箱4、换热器6、蓄热箱池11等组成，生活用热水从储热水箱4输出，蓄热箱池11储存的热能：一是用于储热水箱4辅助加热，二是作为采暖、制冷用热源。本实施例的工作原理是：集热器1收集的太阳能就近储存在相变蓄热器13内，取热时通过取热泵驱动储液箱3内导热工质循环提取相变蓄热器13中热能，经过换热器6注入储热水箱4或蓄热箱池11，当储热水箱4水温低于设定值而且相变蓄热器13内无热能时，储热水箱4与蓄热箱池11之间的换热器6自动开启，将蓄热箱池11内热能注入储热水箱4内，达到辅助加热的目的。储存在蓄热箱池11中的热能，冬季可用于采暖，夏季可通过制冷机制冷，一年四季都可高效运行。

本发明集热运行过程是：

停止取热时，通风阀8关闭、回流阀10打开，集热器1内导热工质流出集热器1，真空管12收集的太阳能就近进入并储存在相变蓄热器13内，集热器1内温度传感器实时监测相变蓄热器13蓄热状态。取热时，回流阀10自动关闭，同时开启取热泵2，驱动储液箱3内导热工质流经集热器1-用热器5、换热器6循环取热，通过换热器6把相变蓄热器13中热能转移到储热水箱4、蓄热箱池11内，或者直接注入用热器5内，取热结束后，取热泵2自动关闭，回流阀10打开，导热工质自动流出集热器1，等待下一次取热循环。当集热器1蓄满而且储热水箱4或用热器5处于高温、不需要热能时，通风阀8自动打开，空气从通风阀8进入集热器1，加热后经排气管7排出，达到自动降温的目的，当集热器1内温度下降至设定值，通风阀8自动关闭。每天日落后，取热泵2自动开启，把相变蓄热器13内热能全部转移到储热水箱4、蓄热箱池11内，可将集热系统昼夜热损降至近于零，等同于大幅度提高了集热效率。

Claims (3)

1.一种相变蓄热、高效取热型太阳能热水与采暖系统，由集热器(1)、取热泵(2)、储液箱(3)、储热水箱(4)、用热器(5)、换热器(6)、排气管(7)、通风阀(8)组成，其特征是：采用相变蓄热、高效取热方法，集热器(1)一端通过用热器(5)、换热器(6)与储液箱(3)一端连通，储液箱(3)另一端通过取热泵(2)与集热器(1)另一端连通，排气管(7)安装在集热器(1)上端接口上，通风阀(8)安装在集热器(1)下端接口上。

2.根据权利要求1中所述的一种相变蓄热、高效取热型太阳能热水与采暖系统，其特征是：集热器(1)是相变蓄热液管式真空管集热器，相变蓄热器(13)装在真空管(12)内，导热液管(14)从真空管(12)和相变蓄热器(13)中心穿过，导热液管(14)两端与联箱连通，导热工质进出口在集热器(1)两端，集热器(1)种类有单联、双联相变蓄热液管式真空管集热器，集热器(1)可串联、可并联、可横排、可竖排。

3.根据权利要求1中所述的一种相变蓄热、高效取热型太阳能热水与采暖系统，其相变蓄热、高效取热方法是：真空管(12)收集的太阳能，储存在相变蓄热器(13)内，当相变蓄热器(13)蓄热达到设定值，取热泵(2)自动开启，驱动储液箱(3)内导热工质流经集热器(1)、用热器(5)、换热器(6)循环取热，通过换热器(6)把相变蓄热器(13)中热能转移到储热水箱(4)、蓄热箱池(11)内，用于太阳热水采暖系统时，直接注入用热器5内。