CN107131659B - 真空管系统集成定补双循环太阳热水器 - Google Patents

Abstract

真空管系统集成定补双循环太阳热水器。在真空管共用热水系统纵向联箱两侧，横卧直插真空管集热器阵列的基础上，通过对其进行自然循环系统集成的技术创新，增加光伏同步定补双循环自动控制，将其改造成能大幅提高整个系统光热转换效率，消除真空管高温闷晒结垢状况，降低真空管炸管几率，实现高层、多层建筑大型保温储热水箱“建筑一体化”低位隐蔽安装的真空管系统集成定补双循环太阳热水器。突破大型系统简易排污、抗冻难题，以抗拒气候异常的风险与破坏。上述发明攻克了真空管共用系统几十年来一直未能得到根治的一系列跨世纪难题，完善了产品的技术结构，提高了可得热水产量，规范了基础构件标准。为更广泛地开僻国内外清洁可再生能源热水器市场，奠定了坚实的技术质量基础。

Description

真空管系统集成定补双循环太阳热水器

技术领域

本发明涉及太阳能光热—光伏综合利用领域。是一种以真空管自然循环系统集成为基础，光伏定补双循环自控为手段，能满足高标准“建筑一体化”安装要求的高效真空管太阳热水装置。

背景技术

传统的真空管共用热水系统，采用在纵向联箱两侧横向卧式口对口直插真空管组成的太阳能集热阵列，配置用浮球阀控制水位的大型高位保温储热循环水箱，再分别用冷水下循环管和热水上循环管与横卧真空管集热阵列纵向联箱的上下两端联通，从而构成了所谓的真空管自然循环共用热水系统。

严格说来，这种系统是在原有平板自然循环太阳热水器的基础上，用横卧真空管阵列简单替换平板集热器后，派生出来的一个分支体系。尽管这种系统已出现多年，也能勉强使用；但系统存在若干弊端，确实需要进行改进：首先，该系统光热转换效率低下；可得热产量远远低于同等规模的平板型热水系统。其次，所有的真空管热水器都会在“使用说明书”中坦言：不能在有太阳强日照的情况下加注冷水，或用顶水法取用热水，否则易造成真空管炸裂；不管系统大小，只要有一支真空管炸裂，整个系统立即“水淹七军”陷入瘫痪；这种系统也不例外，第三，系统难以实现“建筑一体化”安装。高高耸立在屋顶的大容积保温循环水箱和浮球补水箱，作为添加在屋顶上的违章建筑，既造成视觉污染，又存在安全隐患。第四，系统不具备基本的排污和抗结垢功能。无论是纵向斜插还是横卧直插的真空管集热阵列，不拨管就不能简单地将管中的污垢和泥沙清除干净。正常情况下系统运行一两个夏天之后，真空管内腔就开始结垢，联箱和管内也会积存下大量的泥沙和污垢，不清除将严重影响水质卫生，要清除不拨管就难以操作。第五，真空管家用或共用系统，在低度短时间的冰冻下，由于单孔盲肠状真空管管内结冰有伸缩有余，不一定会出大问题；但系统的冷、热水管道，浮球补水箱等极易被冻裂；在异常气象频发的条件下，突发深度冻害，包括真空管和水箱在内，一切皆有可能；如果现有系统仍然不设防，发生跑冒滴漏将成为新常态。

纵向斜插紧凑型家用真空管热水器是这样工作的：在太阳长时间的高温强辐射下，处于闷晒状态下的真空管内部分水分子被汽化；最初形成若干小水蒸汽泡，小汽泡在不断的合併和上浮运动中逐渐变大，最后以浮力冲出管口，同时挤压并带出部分热水进入到保温水箱内。与此同时，处于真空管管口上方水箱内的低温水分子，在重力作用下乘虚而入，填补真空，落入真空管内，歪打正着地实现了管内外局部区域的冷热水交换。这种间隙性的热交换方式，与真空管闷晒导致的高管温互为因果；其过程伴随着真空管严重结垢，辐射热损大，光热转换效率低；以及（如果此时）突遇冷水激降必发生炸管等后果。

在大型真空管共用系统中，真空管被成对的横卧侧向直插到联箱纵向通道的两侧所形成的基本构架，最大的单元组件双排并列50余支真空管集热器；更有甚者将2—4组大单元组件纵向串连，以显示热水工程之宏伟。这种超大型系统结构，使真空管所处工作环境，远比纵向斜插入水箱的紧凑型系统更为恶劣。因为真空管被横卧放置后，管内外水的温差循环换热机制被彻底破坏，真空管内被加热的水被半封闭地局限在横卧真空管腔内，无法通过自然循环对流进行有效的热交换，真空管内再高的闷晒温度，也难使被汽化的蒸汽泡和高温水能从水平横向管口处被轻易排出。根据“帕斯卡定律”：在密闭连通容器内处于静止状态的流体内所产生的压强，会大小不变均匀地传递到各个方向。联箱纵向通道左右两侧口对口安装的真空管，在同等安装和日照环境条件下，管内会产生同样大小，但方向完全相反的流体压强。真空管内所产生的高温热水在压力相当，方向相反的液体压强作用下，相互对恃，形成僵局。联箱底部从下循环管导入的低温大比重冷水，自然也就只能被压迫在通道底部，不可能被轻易被置换进入到横卧真空管内，去吸收太阳辐射能升温。这种非线性的僵恃局面，需要某种不可预测的随机偶然因素才能被打破。由于水是热的不良导体，在整个联箱内不同温度的冷热水分子质点相互混杂，处于紊流状态的流体，形不成有序的温度分层，从而难以建立起强势的温差对流循环运行机制，导致整个系统的热交换处于被阻隔、滞留和延误交换的混沌状态。众所周知，高温流体长时间地被滞留在通道内，必然会造成更多更大的辐射热损。

根据太阳能质检部门提供的系统红外监测照片显示，横卧安装在联箱纵向通道两侧的真空管阵列，始终存在一个稳定的，由上向下倒置收敛的高温红外辐射区。这一高温红外辐射区域的存在，充分说明系统产生的热量，因为对流循环不畅，被长时间地阻隔在“单孔盲肠状”管口附近的区域内，位置越靠上的真空管，被堵塞在管内的高温水越多。正因为高温热水不能顺利地进入到纵向联箱内，并通过上循环回路尽速汇集到保温储热水箱，才造成了系统的辐射热损大和光热转换效率低下，同时还伴生出真空管高温闷晒的系列弊端。

真空管共用热水系统自投入使用以来，几十年过去了，一直未见有对其进行深入的理论分析及有效技术改进，或促以防治其系列弊端技术措施方案建议的相关报导。而且从市场动向来看，遗憾的是普遍存在愈演愈烈盲目拼凑应用的趋势。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，在真空管共用热水系统纵向联箱两侧，横卧直插真空管集热器阵列的基础上，通过对其进行自然循环系统集成的技术创新，并增加光伏同步定补双循环自动控制，将其改造成能大幅提高整个系统的光热转换效率，消除真空管高温闷晒结垢状况，降低真空管炸管几率，实现高层、多层建筑大型保温储热水箱“建筑一体化”低位隐蔽安装，突破大系统简易排污、抗冻难题，以抗拒气候异常的风险与破坏。

上述发明攻克了真空管共用系统几十年来一直未能得到根治的一系列跨世纪难题，完善了产品的技术结构，提高了可得热水产量，规范了基础构件标准。为更广泛地开僻国内、外清洁可再生能源热水器市场，奠定了坚实的技术质量基础。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

在纵向联箱1的共用通道2和横向直插真空管集热阵列内，完成自然循环换热机制的系统集成，并配置一套全新的光伏发电定温补水与无源二次循环增温的控制系统；

纵向联箱1共用通道2内预埋安装有与冷水下循环管（7）联通的鱼骨式沿程泄流管（8）。微泄流管（9）与鱼骨式沿程泄流管（8）联通后，插入到左右两侧真空管内，直至真空管末端。

相互正交的左右两根相对称的微泄流管9，通过三通接头与鱼骨式沿程泄流管（8）联通，组合成冷水下循环的末端。

纵向联箱1内的热水共用通道上口3与循环水箱15的热水上循环管5相连相通，共同构成系统的热水上循环通道。

纵向联箱1内的热水共用通道下口4与排污抗冻阀6相连接，构成系统的排污、排空抗冻的专用通道。

自来水补水管13经温控补水电动阀12后，先与射流三通11的主水道相串联，然后通过三通接头10，再分别与循环水箱15和冷水下循环管7相连相通。

储热总水箱25的二次循环输水管23经温控余水二次循环电动阀24后，直接与射流三通11的侧向分支水管相连通。

光伏发电定温补水与无源二次循环增温的控制系统，由太阳能电池板18，蓄电池19，定温控制箱20，循环水箱温度监控探头21，储热总水箱温度监控探头22，二次循环输水管23，余水二次循环电动阀24，以及射流三通11，自来水温控补水电动阀12，自来水输水管13等部件共同组合而成。

进入到循环水箱15内的热水，被安装在循环水箱内的热水监控探头21随时监控检测水温的达标情况。当温度达到人为设定的标准（例如：45-60℃之间某确定值），系统自动开启自来水光伏温控补水电动阀12，用自来水对系统进行补水，以便将达标热水顶推到水箱热水下水管17，直接流入到已实现集储分离，“建筑一体化”低位隐蔽安装位置的主储热总水箱25内保存。供用户按需直接提取使用。

在有日照的时候，如果预埋在主储热总水箱靠底部特定位置的温度监控探头22，监测到水箱底部存水水温低于人为设定的标准（例如：35-20℃之间某确定值），使得箱内平均温度低于使用下限（例如：40℃），系统就会在开启自来水光伏温控补水电动阀12，用自来水对系统进行补水时，会同步开启余水二次循环电动阀24，将主储热总水箱25内的低温水通过二次循环输水管23直接送到射流三通11的侧向分支管处，利用通过射流三通11主管中自来水的强大流体压力，将其一部分“抽吸”到循环水箱15内；或送入下循环管7的“鱼骨式沿程泄流管”8及末端微泄流管9，直接送到真空管阵列内进行二次循环增温。

经上述技术改造后，我们在自然循环范畴内实现了横卧真空管阵列的高效冷热交换，同步克服了真空管高温闷晒、内管结垢、遇冷炸管、排污困难等一系列久已存在的顽疾。创新了大型真空管共用热水系统定温补水的新技术。解决了低位保温储热水箱隔夜散热余水无源二次循环增温的跨世纪难题。相信上述创新成果，对解决我国城乡更多高层或多层建筑太阳热水供应，以及在更大范畴，更高标准地向国内外推广应用可再生能源，具有划时代的战略意义。

附图说明：

图1为本发明真空管系统集成定补双循环太阳热水器的系统结构示意图。

图2为系统保温循环水箱15，热水上循环管5，以及纵向联箱1共用通道内需提前预埋安装的与下循环管7联通的鱼骨式沿程泄流管8，及末端微泄流管9的部件组合示意图。

图3为光伏发电可调定温控制箱20定温补水及散热余水二次循环控制系统逻辑电路示意图。

图中：纵向联箱1、共用通道上口3、共用通道下口4、热水上循环管5、排污抗冻阀6、冷水下循环管7、鱼骨式沿程泄流管8、末端微泄流管9、三通接头10、射流三通11、光伏温控补水电动阀12、自来水输水管13、循环水箱放气管14、保温循环水箱15、循环水箱下循环通道出口16、循环水箱热水下水管17、光伏太阳能电池板18、锂离子蓄电池19、可调定温控制箱20、循环水箱热水监控探头21、储热总水箱余水温度监控探头22、储热总水箱二次循环输水管23、光伏温控余水二次循环电动阀24、储热总水箱25。

本发明系统结构不仅限于附图所示。

具体实施方式：

为了构建能满足集储分离，高标准“建筑一体化”低位隐蔽安装大型主储热保温水箱的前提下，能高效运行的真空管自然循环共用热水系统；我们需在真空管集热阵列的纵向联箱总成部件上，实现自然循环换热机制的系统集成；再加装一组光伏控制定温补水，以及主储热水箱隔夜散热余水无源二次循环增温功能的控制系统。

1、按图1所示：需要为系统选配一支“瘦高型”小容量（100-150L）的立式保温循环水箱15，以满足更好的水温分层，并产生较高的热虹吸压力头。

2、按图2所示：将冷水下循环管7延长，穿过纵向联箱1共用通道下口4，进入到纵向联箱1共用通道内，改造成具备沿程均匀泄流功能的鱼骨式沿程泄流管8。微泄流管9通过三通接头与鱼骨式沿程泄流管8联通，微泄流管9的另一端直接插入到对应的真空管内，直至真空管的末端。在共用通道内确保不发生冷、热水掺混现象的前提下，利用冷水大比重的下行压力，通过末端微泄流管9将真空管中比重较轻的热水，反方向地顶推到纵向联箱1的共用通道内。在完成每一支真空管内冷、热水交换的同时，将真空管阵列中所产热水，同步顶推到纵向联箱1的共用通道内汇积。

3、按图3所示：光伏发电定温补水控制器系统，由光伏太阳能电池板18，蓄电池19，可调定温控制箱20，循环水箱热水监控探头21，储热总水箱余水温度监控探头22，散热余水二次循环输水管23，散热余水二次循环温控电动阀24，以及射流三通11，自来水光伏温控补水电动阀12，自来水输水管13等部件组合而成。

4、在保温循环水箱15的热水出水口的下方，安装有热水监控探头21。当该探头监控到水箱热水达到事先设定温度后，光伏定温控制箱20发出指令启动安装在自来水输水管13上的温控补水电动阀12，将自来水通过三通接头10，一部分直接进入保温循环水箱15内，将水箱上部的达标热水顶推进水箱热水下水管17，直接流入到低位隐蔽安装的主储热总水箱25内保存备用；还有一部分自来水则沿下循环管7经鱼骨式沿程泄流管8的末端微泄流管9，直接注入到真空管内，并将真空管内所产热水进行冷热交换后，通过热水上循环通道进入保温循环水箱15内，以提升循环水箱内的平均温度。

5、按“建筑一体化”集储分离，“水箱0视觉”的高标准要求，系统主储热总水箱25低位隐蔽安装在建筑物几何包线之内，目视不到的地方，以免造成视觉污染或安全隐患。

6、在储热总水箱25下部安装余水温度监控探头22，探头下方近水箱底部为散热余水二次循环输水管23，输水管口在箱外还安装有温控余水二次循环电动阀24，散热余水二次循环输水管23直接与射流三通11的侧向分支管相连通。

工作原理：

真空管系统集成定补双循环太阳热水器是这样工作的；在有太阳的时候，真空管在日照下开始对管中的水进行加热，由于在整个真空管集热阵列的热水上循环通道区域内没有其他干扰源，处于相对静止状态下接受太阳光热的闷晒，处于阳光直射下水体表层的水分子最先被加热，随着温度升高水分子比重变轻，开始顺着在系统中长度最短，管径最大，转弯半径最大，爬升角度最大的热水上循环通道向水体的最高处浮动，诱发了最初的热虹吸现象。在持续的日照下，随着更多受热水分子的集群上浮，处于循环水箱15底部下循环通道出口16附近的低温水，也感觉到热虹吸压力的存在，于是凭借着自身低温高密度形成的重量，在地心引力的作用下向下流动，并通过下循环管7的“鱼骨式沿程泄流管”8的末端微泄流管9试探着渗透进入真空管内，以弥补热水分子上浮后留下的空间。少数水分子最初的萌动，渐渐变成一股暗流，在太阳辐照能源源不断的驱动下，最后发展形成趋势，整个系统内部的流体都在大自然温差对流循环规律的规范下运转起来。与此同时，系统配置的光伏电池也在阳光的照射下开始进入工作状态；最初接到电信号的循环水箱热水监控探头21和储热总水箱余水温度监控探头22最早进入工作状态，不断监测两个水箱指定位置层面的水体温度变化情况。当监控探头21纪录到循环水箱储水温度达到人为设定的温度（例如：55℃）时，会通过可调定温控制器20发出指令，启动自来水光伏温控补水电动阀12；随即，自来水通过三通接头10分别从循环水箱15的下循环通道口16和下循环管7的接口，自动进入循环水箱15和下循环管7内。其中进入循环水箱15的冷水会通过抬高水箱内存水水位，将处于最上部的达标热水通过循环水箱热水出水口外接的热水下水管17，将其导入按建筑一体化要求低位安装的储热总水箱25内保存。而进入下循环管7的自来水，会通过“鱼骨式沿程泄流管”8的末端微泄流管9，均衡地泄流进入到每一支真空管的中、下部，将各真空管内所产热水反向顶推出管口连接的共用通道2内。直到循环水箱热水监控探头21报告，水箱热水温度已低于人为设定的温度，可调定温控制器20再次发出关闭自来水光伏温控补水电动阀12的指令，系统又恢复到在系统既有的热虹吸压力头作用下的温差对流循环状态下平稳运行。

倘若在有太阳日照的时候，储热总水箱余水温度监控探头22报告总水箱底部存水温度低于人为设定的温度（例如：25℃），可调定温控制器20会在发出启动自来水光伏温控补水电动阀12时，同步打开散热余水二次循环温控电动阀24；让储热总水箱中的散热余水沿散热余水二次循环输水管23自动流到射流三通11的侧向分支管处；按“伯努利定律”，利用从自来水管13中喷涌而出的自来水在通过射流三通11喉部时，动压增加静压减少的物理现象，将侧向相当于管道总流量20%-30%左右的水箱散热余水，抽吸到真空管阵列中去进行二次循环增温。直到监控探头22感知到储热总水箱25测控点温度，已恢复到全水箱的平均温度达到了人为设定的最低使用温度（例如：40℃）后，系统将自动关闭二次循环温控电动阀24；即停止执行二次循环增温功能。

根据自然循环热虹吸压力计算公式：H_T＝h×（r₂-r₁）；

式中：H_T—为热虹吸压力；r₂、r₁—分别为冷、热水的比重；

h—为集热器中心平面与循环水箱中心平面的高差；

从该式中我们知道:在定温补水情况下，由于r₁和r₂相对稳定，即（r₂-r₁）变动辐度不大的情况下，所以中心距h越大，系统获得的热虹吸作用压力也就越大。在相对“稳定”的集热器进、出口温度下，系统若能取得较大的循环流量，系统将获得更高的光热转换效率。

事实上，实践经费证明，自然循环定温补水系统如果选用“大细长比”小容量的“瘦高型”（例如：100-150L的小直径）保温循环水箱，则可比相同集热器面积的常规自然循环大系统，提高50-80%以上的达标热水产量。

对于真空管系统而言，用降低管温来换取较大的循环流量，不仅可有效提高光热转换效率，而且可根治死水闷晒造成的高温结垢和遇冷炸管等一系列顽疾；因而可以认为，在对真空管阵列进行温差循环换热机制系统集成的基础上，将其改造成定补双循环系统，是提高真空管共用系统热效率；攻克真空管一系列跨世纪难题；满足高标准建筑“建筑一体化”安装；以及解决总储热水箱散热余水无源二次循环增温，等一举多得的创举。

Claims (3)

1.一种真空管系统集成定补双循环太阳热水器，由纵向联箱（1）、热水上循环管（5）、排污抗冻阀（6）、冷水下循环管（7）、鱼骨式沿程泄流管（8）、末端微泄流管（9）、三通接头（10）、射流三通（11）、光伏温控补水电动阀（12）、自来水输水管（13）、保温循环水箱（15）、循环水箱下循环通道出口 （16）、循环水箱热水下水管 （17）、光伏太阳能电池板（18）、锂离子蓄电池（19），可调定温控制箱（20）、循环水箱热水监控探头（21）、储热总水箱余水温度监控探头（22）、储热总水箱二次循环输水管（23）、光伏温控余水二次循环电动阀 （24）、储热总水箱（25）组合而成，其特征在于：纵向联箱（1）通过热水上循环管（5）和冷水下循环管（7）与保温循环水箱（15）上下端连通，形成自然温差对流循环；保温循环水箱（15）通过循环水箱热水下水管（17）与储热总水箱（25）顶端连通，储热总水箱（25）底部通过储热总水箱二次循环输水管（23）、光伏温控余水二次循环电动阀（24）、射流三通（11）、光伏温控补水电动阀（12）、三通接头（10）、冷水下循环管（7）与纵向联箱（1）和保温循环水箱（15）的底部连通，形成定温补水循环；光伏太阳能电池板（18）、锂离子蓄电池（19）、可调定温控制箱（20）、循环水箱热水监控探头（21）、储热总水箱余水温度监控探头（22）、储热总水箱二次循环输水管（23）、光伏温控余水二次循环电动阀 （24）、射流三通（11）、光伏温控补水电动阀（12）、自来水输水管（13）共同组成光伏发电定温补水控制系统，实现自然温差换热与定温补水换热的双循环工作机制；冷水下循环管（7）与鱼骨式沿程泄流管（8）、末端微泄流管（9）是连通一体的管道，末端微泄流管（9）的一端直接插入到对应的真空管内，直至真空管的末端， 鱼骨式沿程泄流管（8）安装在纵向联箱（1）的共用通道内，进入冷水下循环管（7）的自来水，通过鱼骨式沿程泄流管（8）、末端微泄流管（9）均衡地进入到每一支真空管的中、下部，将各真空管内所产热水反向顶推出管口，流入纵向联箱（1）的共用通道内，这一结构使得横卧安装的真空管在自然温差循环范畴下实现了高效冷热交换功能。

2.如权利要求1所述的真空管系统集成定补双循环太阳热水器，其特征在于：保温循环水箱（15）为大细长比小容量的瘦高型立式保温水箱，典型容量为100升——150升。

3.如权利要求1所述的真空管系统集成定补双循环太阳热水器，其特征在于：定补双循环的工作机制为：纵向联箱（1）与保温循环水箱（15）之间形成自然温差对流循环，真空管加热的水以温差对流的方式不断循环进入保温循环水箱（15）；进入到保温循环水箱（15）内的热水，被循环水箱热水监控探头（21）检测水温的达标情况，当温度达到人为设定的标准，系统自动开启光伏温控补水电动阀（12），用自来水对系统进行补水，将达标热水顶推到循环水箱热水下水管（17），流入到储热总水箱（25）内保存；在有日照的时候，如果储热总水箱余水温度监控探头（22）监测到水箱底部水温低于人为设定的标准，系统就会开启光伏温控补水电动阀（12），用自来水对系统进行补水，同时，同步开启光伏温控余水二次循环电动阀（24），将储热总水箱（25）内的低温水通过储热总水箱二次循环输水管（23）直接送到射流三通（11），射流三通（11）将其一部分抽吸到保温循环水箱（15）内，另一部分通过冷水下循环管（7）、鱼骨式沿程泄流管（8）和末端微泄流管（9）直接送到真空管内进行二次循环增温。