CN106907756B - 一种太阳能集中供热蓄热水箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能集中供热蓄热水箱，包括蓄热水箱，蓄热水箱的一个侧面上设置有太阳能集热供水管和太阳能集热回水管，蓄热水箱的另一个侧面上设置有采暖系统供水管以及采暖系统回水管；所述的蓄热水箱中垂直设有定位柱，定位柱上套装有浮动取水器；浮动取水器包括导水器，导水器为环形结构，导水器的一端连接有可弯折的取水管，取水管与所述的采暖系统供水管连接；所述的导水器上设置有气囊圈，通过控制气囊圈的充放气以调整浮动取水器在蓄热水箱中的位置。本发明结构简单，能进行自动控制，保证取水温度的稳定性，克服了传统蓄热水箱受天气影响而导致供水温度波动的弊端，同时按需求充分利用了水箱中的水温，提高了热利用效率。

Description

一种太阳能集中供热蓄热水箱

技术领域

本发明属于太阳能集中供热技术领域，涵盖太阳能供暖、热量存储/提取供应等技术，具体涉及一种可实现浮动式定向取水蓄热水箱，用以解决太阳能季节性波动大、采暖期不同时段用户负荷变化等问题。

背景技术

利用太阳能等可再生能源改善建筑室内热环境，可有效降低化石燃料使用。随着西北地区城镇化发展加速，城镇容积率增加，城镇周边有大量的空地可用于太阳能集中供热系统的建设。而开发太阳能集中采暖系统，必须解决跨季节蓄热、季节性采暖负荷变化和采暖期不同时段用户负荷变化等问题，供水系统调节复杂。鉴于太阳能集中供热的特点，现有的蓄热水箱难以满足变负荷引起的热媒参数要求。

现有的蓄热水箱供回水管大多固定，供水温度变化范围小，此类蓄热水箱适用于连续运行锅炉等恒定蓄热水温蓄热系统。而对于太阳能集中供热系统，由于季节性太阳辐射变化、天气原因等导致集热器集热量不同，使得蓄热水箱的蓄热量变化，蓄热水箱水温分层、固定位置水温波动。如果采用现有固定管路式蓄热水箱，将出现供水温度与用户需求不匹配的现象，严重影响太阳能集中供热系统的运行效果。

发明内容

针对现有的蓄热水箱取水口位置固定，不能根据采暖负荷变化和水箱内温度分层进行灵活取水的问题，本发明的目的在于，提供一种太阳能集中供热蓄热水箱，可根据采暖负荷季节性波动大和用户不同时段采暖负荷变化，实现定向取水。该装置结构简单，操作灵活，能有效解决现有蓄热水箱中存在的问题，达到定向取水的目的。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种太阳能集中供热蓄热水箱，包括蓄热水箱，蓄热水箱的一个侧面上设置有太阳能集热供水管和太阳能集热回水管，蓄热水箱的另一个侧面上设置有采暖系统供水管以及采暖系统回水管；所述的蓄热水箱中垂直设有定位柱，定位柱上套装有浮动取水器；浮动取水器包括导水器，导水器为环形结构，导水器的一端连接有可弯折的取水管，取水管与所述的采暖系统供水管连接；所述的导水器上设置有气囊圈，通过控制气囊圈的充放气以调整浮动取水器在蓄热水箱中的位置。

进一步地，所述的气囊圈设置两个，两个气囊圈将所述的导水器夹在中间；气囊圈上连接有充放气管，充放气管穿出蓄热水箱侧壁与一个充气泵连接；在充放气管上设置有电磁排气阀。

进一步地，所述的浮动取水器上设置有制动机构，制动机构包括固定环，固定环的内壁上分布有制动器，制动器包括一对制动杆，这一对制动杆的一端相互连接并固定在所述的固定环上，制动杆的另一端均安装有导轮；所述的一对制动杆中，其中一根制动杆上设置有电磁铁，另一根制动杆上设置有金属块，且两根制动杆之间设置有弹簧；在电磁铁与金属块未吸合时，所述的导轮与定位柱之间有间隙；电磁铁与金属块吸合后，导轮与定位柱接触。

进一步地，所述的采暖系统供水管连接在蓄热水箱侧面上的几何中心处。

进一步地，所述的充气泵与充放气管之间设置有止回阀。

进一步地，所述的蓄热水箱为矩形体结构，在蓄热水箱的侧面底部设置有自来水补水管，蓄热水箱的底部设置有排污管。

进一步地，所述的浮动取水器上设置有温度传感器，温度传感器通过数据传输线与一个取水温度控制器连接，该取水温度控制器与所述的充气泵和电磁排气阀连接。

进一步地，所述的温度传感器和取水管端部中心处的连线与蓄热水箱的底面平行。

进一步地，所述的导水器由一对导水管拼合而成，导水管为半环形结构，导水管的侧壁上开设有导水槽，导水管的前端设置有前端板，导水管的后端设置有后端板，前端板、后端板均为半圆管形结构；其中，前端板的外壁上设置有外螺纹，后端板的内壁上设置有内螺纹。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.增强取水灵活性，满足采暖负荷的变化

通过温度感应器测得的取水口温度以及控制器预设的取水温度，控制取水口在不同温度水层间上下移动，直到达到所需温度为止，从而使取水温度始终保持制定温度，以匹配采暖负荷变化；这样一方面可以增强蓄热水箱的取水灵活性，另一方面又可提高太阳能集中供热系统的运行效果。

2.实现取水的自动控制，保持取水温度的稳定性

预设取水温度一旦设定，则系统会根据测得水温而实现自动的控制，保证取水温度的恒定，而不必担心由于季节性及天气原因导致得水箱温度分布差异以致影响取水温度稳定性的问题。

3.结构简单，运行、维护方便，运行费用较低

本发明中取水装置结构部分并不复杂，维护简单方便；本发明的结构中，仅加气机和电磁铁消耗少量能量，整个系统的运行费用较低。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为浮动取水器的俯视结构示意图；

图3为两个气囊圈展开后的结构示意图；

图4为一个导水管的结构示意图；

图5为浮动取水器的侧视结构示意图；

图6和图7为制动器的结构示意图，其中图6为电磁铁和金属块未吸合时的状态，图7为吸合后的状态；

图8至图10为浮动取水器从上向下运动过程在不同位置时的示意图；

图11为取水温度控制器的结构示意图；

图12为充气泵部分的结构示意图；

图13为蓄热水箱温度分层图；

图14为蓄热水箱内流速分布图；

图中标号代表：1—蓄热水箱，2—太阳能集热供水管，3—太阳能集热回水管，4—自来水补水管，5—排污管，6—采暖系统回水管，7—采暖系统供水管，8—取水管，9—浮动取水器，10—阀门，11—定位柱，12—制动机构，13—气囊圈，14—温度传感器，15—充放气管，16—电磁铁，17—导轮，18—弹簧，19—取水温度控制器，19a—数据线连接端，20—数据传输线，21—充气泵，22—电磁排气阀，23—止回阀，24—固定环，25—导水器，251—前端板，252—导水管，253—导水槽，254—后端板，255—内螺纹，26—金属块，27—制动杆。

具体实施方式

由于蓄热水箱1中的水温是分层的，为了满足不同用户的使用需求，需要从不同的水稳层中取水以供给用户。然而水温层又是在一定范围内变动的，因此取水位置不能是固定的。利用这个思路方向，发明人提出了一种能根据实际需要在蓄热水箱1中移动的取水机构。

遵从上述技术方案，如图1至图14所示，本发明公开了一种太阳能集中供热蓄热水箱，包括蓄热水箱1，蓄热水箱1的一个侧面上设置有太阳能集热供水管2和太阳能集热回水管3，蓄热水箱1的另一个侧面上设置有采暖系统供水管7以及采暖系统回水管6；所述的蓄热水箱1中垂直设有定位柱11，定位柱11上套装有浮动取水器9；浮动取水器9包括导水器25，导水器25为环形结构，导水器25的一端连接有可弯折的取水管8，取水管8与所述的采暖系统供水管7连接；所述的导水器25上设置有气囊圈13，通过控制气囊圈13的充放气以调整浮动取水器9在蓄热水箱1中的位置。

图1的示例中给出了一种具体的蓄热水箱1结构，在该示例中，蓄热水箱1为矩形体结构，太阳能集热供水管2和太阳能集热回水管3位于蓄热水箱1一个侧面的上部、下部，来自太阳能热水器的热水自太阳能集热供水管2进入到蓄热水箱1中，以提升蓄热水箱1中的水温，蓄热水箱1中下部的水通过太阳能集热回水管3流回到太阳能热水器中，实现对蓄热水箱1中的水进行循环加热。

蓄热水箱1另一个侧面底部有自来水补水管4，其作用是向蓄热水箱1中补水，以弥补因为各种原因导致的蓄热水箱1中水量的减少。蓄热水箱1底部有排污管5，在检修时通过排污管5排除蓄热水箱1中的水。

用于向用户提供热水循环的是采暖系统，采暖系统供水管7连接在蓄热水箱1的一个侧面上，例如图1所示的水箱的右侧面上，位于该侧面上的几何中心处，这是考虑到浮动取水器9上下移动位置而设置的；而采暖系统回水管6位于该侧面上的下部位置。上述的各个管道上均安装有阀门10，可根据实际需要调整开度。

本发明中为了实现分层取水的目的，在蓄热水箱1中设置了定位柱11和浮动取水器9。定位柱11垂直于蓄热水箱1的底面，定位柱11的顶部接近或超出蓄热水箱1的顶面。定位柱11有两个重要作用，其一是限制浮动取水器9在上下浮动过程中的位置，防止浮动取水器9在取水过程中由于蓄热水箱1中水流运动的影响而使浮动取水器9的位置有过大偏移，而导致取水温度不恒定；其二是能与浮动取水器9上的制动机构12配合，限制浮动取水器9的位置。

本方案中浮动取水器9的作用是带动取水管8在蓄热水箱1中上下移动，而取水管8与采暖系统供水管7连接，将不同位置的、不同温度的水导向给采暖系统供水管7。取水管8为软质管体，可弯折，其长度应大于安装采暖系统供水管7的蓄热水箱1侧壁的几何中心与定位柱11底端之间的连线长度，以防止在浮动取水器9运动过程中取水管8发生损坏。

如图2至图4所示，为本发明中浮动取水器9部分的结构。本方案中浮动取水器9包括一个导水器25，导水器25呈环形结构，与取水管8连接。环形结构是为了套装在定位柱11上，限制整个浮动取水器9的位置。取水时，通过水泵抽水，水流通过导水器25进入取水管8中，继而被抽取给用户。

具体地，如图4所示，导水器25由一对导水管252拼合而成，导水管252为半环形结构，导水管252的侧壁上开设有导水槽253，导水管252的前端设置有前端板251，导水管252的后端设置有后端板254，前端板251、后端板254均为半圆管形结构；其中，前端板251的外壁上设置有外螺纹，后端板254的内壁上设置有内螺纹255。图4中给出的是其中一个导水管252的结构示意图，另外一个导水管252与之结构完全相同。两个导水管252进行拼合时，两个导水管252的前端板251拼合成一个带有外螺纹的圆管，利用螺栓等固定件，可将两个导水管252的前端进行相对固定；两个导水管252的后端板254拼合成一个带有内螺纹255的圆管，而在取水管8的端部外壁上有外螺纹，通过螺纹配合的方式将取水管8的端部与前述的带有内螺纹255的圆管连接，并在圆管外部通过铁丝、固定圈等环绕固定，实现取水管8与导水器25的连通。取水时，水箱中的水通过导水槽253进入到导水管252中，继而进入取水管8，通过这个结构使得取水时整个水温层中大范围内的水都能进入到取水管8中，能保证从水箱中取出的水温更加恒定。

本方案中浮动取水器9位置的调整，是通过改变整个浮动取水器9的浮力来实现的。具体地，浮动取水器9中设置有气囊圈13，在气囊圈13充气后，整个浮动取水器9的体积变大，浮力增加，则浮动取水器9将顺着定位柱11向水箱的上方运动，反之则向下运动。

为了便于安装和提供足够的浮力，本方案中气囊圈13设置两个，两个气囊圈13将所述的导水器25夹在中间；如图3所示，为两个气囊圈13展开后的结构示意图。两个气囊圈13通过软连板连接，将导水器25设置在其中部后，用气囊圈13将导水器25夹住，再对两个气囊圈13之间进行固定。气囊圈13上连接有充放气管15，充放气管15穿出蓄热水箱1侧壁与一个充气泵21连接；在充放气管15上设置有电磁排气阀22；充气泵21与充放气管15之间设置有止回阀23。充气时，启动充气泵21向气囊圈13充气；而放气时关闭充气泵21，打开电磁排气阀22。

本方案中，浮动取水器9在某个水温层取水时，受到水箱内水流的影响，位置可能发生变动，影响取水温度的稳定性。为了解决这个问题，本发明中设置了制动结构：

浮动取水器9上设置有制动机构12，制动机构12包括固定环24，固定环24的内壁上分布有制动器，制动器包括一对制动杆27，这一对制动杆27的一端相互连接并固定在所述的固定环24上，制动杆27的另一端均安装有导轮17；所述的一对制动杆27中，其中一根制动杆27上设置有电磁铁16，另一根制动杆27上设置有金属块26，且两根制动杆27之间设置有弹簧18；在电磁铁16与金属块26未吸合时，所述的导轮17与定位柱11之间有间隙；电磁铁16与金属块26吸合后，导轮17与定位柱11接触。

如图2、图6和图7所示，图2给出的示例中，制动器设置了四个，间隔分布，四个制动器的导轮17将所述的定位柱11围在中间，从而也限制了浮动取水器9整体的晃动幅度，以减小水流对取水器的影响。导轮17并非滚轮，导轮17固定在制动杆27上，不能转动，或仅能小幅度转动。导轮17的轮面和定位柱11表面均不光滑，使二者接触时能产生较大的摩擦力。固定环24采用金属环，以增大整个浮动取水器9的重量，并为制动机构12提供稳定的安装条件；固定环24为刚性环，不易形变。金属环可以安装在其中一个气囊圈13上，也可以设置在导水器25的内环上。如图6和图7所示，制动器的制动原理是，两根制动杆27端部活动式互连(连接点为图6中o点)，例如采用铰接的方式连接；当电磁铁16通电时产生磁性，与金属块26相互吸合，在这个过程中，两根制动杆27可以看作是绕着端部的连接点o进行转动，两个导轮17的运行轨迹均为一段圆弧。

如图6所示，在电磁铁16和金属块26未吸合时，由于弹簧18的作用，使得两个导轮17与定位柱11之间保持一定的距离；制动杆27和导轮17的总体长度D，大于连接点o到定位柱11之间的垂直距离L。那么以o为圆心D为半径作圆，定位柱11将与圆相交于两点，这两点之间的定位柱11相当于圆的一条弦。因此，导轮17运动时，必然与定位柱11相交，二者之间接触并产生摩擦，通过摩擦力将浮动取水器9固定在定位柱11上。为了实现自动制动，电磁铁16也通过下述的取水温度控制器19进行控制。

为了精确控制取水温度，本方案中，浮动取水器9上设置有温度传感器14，温度传感器14通过数据传输线20插在一个取水温度控制器19的数据线连接端19a上，该取水温度控制器19与所述的充气泵21和电磁排气阀22连接。温度传感器14测得的温度信号通过数据传输线20传输给取水温度控制器19，控制器将此信号与用户设置的温度值进行比对，如果不相同，则控制充气泵21或电磁排气阀22工作，通过调节气囊圈13的浮力控制取水管8的端部上下移动直到测得的温度值与设置的温度值相同为止。整个过程如图8至图10所示。温度传感器14和取水管8端部中心处的连线与蓄热水箱1的底面平行，即温度传感器14始终与取水管8的取水口位于同一水平线上，使温度传感器14测得的温度能精确反映当前取水管8端口处的水温。

通过温度传感器14和取水温度控制器19的设置，实现了取水温度的自动调节和控制。由于水箱中的温度由上到下是呈递减形式的，因此在控制中，如图11所示，在取水温度控制器19上设置好取水温度后，当温度传感器14测得的温度比设定温度低时，浮动取水器9应上浮，反之则下沉。

Claims (7)

1.一种太阳能集中供热蓄热水箱，包括蓄热水箱(1)，蓄热水箱(1)的一个侧面上设置有太阳能集热供水管(2)和太阳能集热回水管(3)，蓄热水箱(1)的另一个侧面上设置有采暖系统供水管(7)以及采暖系统回水管(6)；其特征在于，所述的蓄热水箱(1)中垂直设有定位柱(11)，定位柱(11)上套装有浮动取水器(9)；浮动取水器(9)包括导水器(25)，导水器(25)为环形结构，导水器(25)的一端连接有可弯折的取水管(8)，取水管(8)与所述的采暖系统供水管(7)连接；所述的导水器(25)上设置有气囊圈(13)，通过控制气囊圈(13)的充放气以调整浮动取水器(9)在蓄热水箱(1)中的位置；

所述的气囊圈(13)设置两个，两个气囊圈(13)将所述的导水器(25)夹在中间；气囊圈(13)上连接有充放气管(15)，充放气管(15)穿出蓄热水箱(1)侧壁与一个充气泵(21)连接；在充放气管(15)上设置有电磁排气阀(22)；

所述的浮动取水器(9)上设置有温度传感器(14)，温度传感器(14)通过数据传输线(20)与一个取水温度控制器(19)连接，该取水温度控制器(19)与所述的充气泵(21)和电磁排气阀(22)连接；

温度传感器(14)测得的温度信号通过数据传输线(20)传输给取水温度控制器(19)，取水温度控制器(19)将此信号与用户设置的温度值进行比对，如果不相同，则控制充气泵(21)或电磁排气阀(22)工作，通过调节气囊圈(13)的浮力控制取水管(8)的端部上下移动直到测得的温度值与设置的温度值相同为止。

2.如权利要求1所述的太阳能集中供热蓄热水箱，其特征在于，所述的浮动取水器(9)上设置有制动机构(12)，制动机构(12)包括固定环(24)，固定环(24)的内壁上分布有制动器，制动器包括一对制动杆(27)，这一对制动杆(27)的一端相互连接并固定在所述的固定环(24)上，制动杆(27)的另一端均安装有导轮(17)；所述的一对制动杆(27)中，其中一根制动杆(27)上设置有电磁铁(16)，另一根制动杆(27)上设置有金属块(26)，且两根制动杆(27)之间设置有弹簧(18)；在电磁铁(16)与金属块(26)未吸合时，所述的导轮(17)与定位柱(11)之间有间隙；电磁铁(16)与金属块(26)吸合后，导轮(17)与定位柱(11)接触。

3.如权利要求1所述的太阳能集中供热蓄热水箱，其特征在于，所述的采暖系统供水管(7)连接在蓄热水箱(1)侧面上的几何中心处。

4.如权利要求1所述的太阳能集中供热蓄热水箱，其特征在于，所述的充气泵(21)与充放气管(15)之间设置有止回阀(23)。

5.如权利要求1所述的太阳能集中供热蓄热水箱，其特征在于，所述的蓄热水箱(1)为矩形体结构，在蓄热水箱(1)的侧面底部设置有自来水补水管(4)，蓄热水箱(1)的底部设置有排污管(5)。

6.如权利要求1所述的太阳能集中供热蓄热水箱，其特征在于，所述的温度传感器(14)和取水管(8)端部中心处的连线与蓄热水箱(1)的底面平行。

7.如权利要求1所述的太阳能集中供热蓄热水箱，其特征在于，所述的导水器(25)由一对导水管(252)拼合而成，导水管(252)为半环形结构，导水管(252)的侧壁上开设有导水槽(253)，导水管(252)的前端设置有前端板(251)，导水管(252)的后端设置有后端板(254)，前端板(251)、后端板(254)均为半圆管形结构；其中，前端板(251)的外壁上设置有外螺纹，后端板(254)的内壁上设置有内螺纹(255)。