CN109798681A - 具有自动防冻功能的太阳能集热装置和集热防冻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自动防冻功能的太阳能集热装置和集热防冻方法，属于太阳能集热装置技术领域。本发明包括储水单元、集热板单元、电控单元和循环单元：储水单元包括进水阀、储水罐、出水阀、通气管；所述循环单元包括电机、由水泵、二位三通阀、单向阀、以及连接各部件的管路组成；所述的集热板单元包括集热板和集水罐。所述的电控单元包括控制器、压力传感器，集热板温度传感器，水罐温度传感器等。本发明装置中无防冻介质，安全高效，本发明装置中室外集热板采用的是抽空防冻，能彻底的根除上冻问题；而且所采用的元件种类和数量较少，系统简单、可靠。

Description

具有自动防冻功能的太阳能集热装置和集热防冻方法

技术领域

本发明涉及一种具有防冻功能的太阳能集热装置和防冻方法，属于太阳能集热装置技术领域。

背景技术

现有的阳台分体式太阳能集热板在室外，储水和控制系统在室内，安装方便、不受楼房高度的限制，其应用的日趋广泛。在冬季室外温度低于0℃的区域，分体式太阳能热水系统面临的最大问题是室外集热板的防冻。

目前，常见的防冻热水系统如图1所示。采用防冻液作为热交换介质，当集热板内防冻液温度高于储水罐内水的温度时，控制单元启动水泵，防冻液在集热板和换热管内循环流动，将换热管内的热量带到储水罐，达到加热的效果。这种方案的缺点有：一、需要使用防冻液作为热交换介质，间接加热水，多一次换热过程，效率低。二、防冻液为有毒介质，使用过程中易挥发，对健康不利且日常使用中需要保养维护补充防冻液。三、防冻液的仍然有冰点，若出现极端低温天气，温度低于防冻液冰点时，仍然会冰冻。

中国授权发明专利CN102589165B公开了一种串联置换定温防冻太阳能热水器系统，集热器与非承压存储式保温水箱采取串行连接方式，系统架构简单两者安装的相对位置可高可低灵活方便；整个系统不采用任何其它介质，通过机械阀的配合和利用自来水本身的能量实现零功耗防冻，采用全新的置换换热方法实现高速度高效率换热；水箱中的水温可控可预定，热水的利用率达到百分百。相比传统太阳能热水器不仅成本有优势而且具有更大的性价比。但是其防冻功能是通过水路切换阀来实现防冻模式完成的，不能自动切换，且存在集热板内水无法完全排净的风险，仍然有冻裂的可能。排出的水无法利用，存在浪费。

中国授权发明专利CN104764230B公开了一种防冻太阳能供水装置，包括太阳能集热箱、水箱以及混水阀，所述太阳能集热箱的出水口和水箱的出水口分别通过套管连接在混水阀的热水入口和冷水入口上，在所述套管上还安装有一吸热放热管，在该吸热放热管内充注相变介质 ；在所述太阳能集热箱的上端和水箱的上端还连接有一压差调节管，在该压差调节管上设置有一延所述压差调节管长度方向滑动的绝热调整片。本发明供水装置增加了吸热放热管和压差调节管，通过滑动绝热调整片在压差调节管的位置，从而平衡冷热水箱的压差，使冷水箱内冷水流入套管内，增大循环温差，促进管内水流动，起到防止水管冻住无法流动的目的。该装置仅仅对管道实现了防冻，未对室外的集热箱增加防冻功能。且防冻的热量均来自吸收的太阳辐射能量，若在零下的温度和多日无光照的环境下，则会造成集热箱内的热量消失殆尽，集热箱和管道都会冰冻。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种具有自动防冻功能的太阳能集热装置和集热防冻方法，装置中无防冻介质，安全高效，无毒无害，且能自动实现防冻功能。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种具有自动防冻功能的太阳能集热装置，包括储水单元、集热板单元、电控单元和循环单元：

所述的储水单元，用于储存热水，包括储水罐，储水罐具有进水口A、出水口B、循环进水口C、循环出水口D，进水口A连接进水阀，进水阀连接水源，出水口B连接出水阀，储水罐上部装有将储水罐内部与大气连通的通气管，储水罐内部装有内管道，内管道的上口高于液面，内管道的下口连接所述循环进水口C；

所述的集热板单元包括集热板和集水罐，集热板具有进口E和出口F，出口F通过管路与集水罐连通；

所述的电控单元包括控制器、安装在所述集水罐上的压力传感器、安装在所述集热板上的集热板温度传感器、安装在所述储水罐上的水罐温度传感器；

所述的循环单元，用于所述储水单元与集热板单元的热交换，包括水泵，用于驱动水泵的电机、二位三通阀、单向阀，所述储水罐的循环出水口D和单向阀通过所述二位三通阀和管路与集热板的进口E相联，所述集水罐通过管路和水泵与所述储水罐的循环进水口C相联。

进一步地，所述水罐温度传感器与所述控制器的输入端相连，用于将检测到的水罐温度信号T14输入至控制器；所述集热板温度传感器与所述控制器的输入端相连，用于将检测到的集热板温度信号T9输入至控制器；所述压力传感器与所述控制器的输入端相连，用于将检测到的集水罐内的压力信号P6输入至控制器；

所述二位三通阀与控制器的输出端相连，所述电机与控制器的输出端相连；当所述控制器探测到T9＞T14时，控制器将二位三通阀通电，阀芯移动将所述储水罐的循环出水口D和集热板进口E接通，二位三通阀与单向阀的接口关闭，然后控制器控制电机启动；当控制器探测到T9≤T14时，控制器将二位三通阀电磁阀断电，阀芯复位，单向阀和集热板进口E接通，二位三通阀与储水罐的循环出水口D的接口关闭，控制器保持电机通电；控制器探测到压力P6＞0，则继续保持电机通电，当P6＝0时，控制器将电机断电。

进一步地，所述水罐温度传感器与所述控制器的输入端相连，用于将检测到的水罐温度信号T14输入至控制器；所述集热板温度传感器与所述控制器的输入端相连，用于将检测到的集热板温度信号T9输入至控制器；所述压力传感器与所述控制器的输入端相连，用于将检测到的集水罐内的压力信号P6输入至控制器；

所述二位三通阀与控制器的输出端相连，所述电机与控制器的输出端相连；当所述控制器探测到T9＞T14时，控制器将二位三通阀通电，阀芯移动将所述储水罐的循环出水口D和集热板进口E接通，二位三通阀与单向阀的接口关闭，然后控制器控制电机启动；

当控制器探测到T9≤T14时，控制器将二位三通阀断电，阀芯复位，单向阀和集热板进口E接通，二位三通阀与储水罐的循环出水口D的接口关闭，此时控制器将电机断电；当控制器探测到T9≤5℃时，控制器将电机4通电，控制器探测到压力P6＝0时，将电机断电。

作为可选的方案，所述进水阀是手动阀或自动控制阀。

作为一种可选的实施例，所述集热板温度传感器埋设在所述集热板内部的固体壳体中。

作为一种可选的实施例，所述集热板温度传感器悬空设置在所述集热板内部中空的流体通道中。

进一步地，所述集水罐的位置低于所述集热板的位置。

进一步地，所述水泵选用具备自吸能力的水泵。

一种采用所述具有自动防冻功能的太阳能集热装置的太阳能集热和防冻方法，

集热方法：

当所述控制器探测到T9＞T14时，启动集热程序，控制器将所述二位三通阀通电，阀芯右移，将所述储水罐的循环出水口D和集热板进口E接通，二位三通阀与单向阀的接口关闭；然后控制器控制电机启动，带动水泵进行集热循环；低温水从储水罐的循环出水口D流经二位三通阀，再到集热板的进口E，水流在集热板内部吸收热量后，高温水从集热板的出口F流出到集水罐，再流向水泵后泵送回到储水罐的循环进水口C，通过内管道回到液面以上位置；

防冻方法：

当控制器探测到T9≤T14时，停止集热过程，控制器将二位三通阀电磁阀断电，阀芯左移复位，连通大气的单向阀和集热板进口E接通，二位三通阀与所述储水罐的循环出水口D的接口关闭；此时控制器保持电机通电，在水泵的吸力作用下，空气从单向阀进入，通过二位三通阀后进入集热板，将集热板内的水抽回到储水罐；所述集水罐低于集热板，因而优先保证集热板内存留空气不存留水；

所述控制器通过压力传感器探测到压力P6＞0，判定集水罐内有水存留，则继续保持电机通电，水泵持续将管路中的水抽回储水罐；当P6＝0时，控制器将电机断电，停止抽水。

作为一种可选的方案，所述防冻方法替换为：

当控制器探测到T9≤T14时，停止集热过程，控制器将二位三通阀断电，阀芯左移复位，连通大气的单向阀和集热板进口E接通，二位三通阀与所述储水罐的循环出水口D的接口关闭；此时控制器将电机断电，水泵停止工作，停止集热循环；

当控制器通过集热板温度传感器探测到室外温度T9≤5℃时，自动启动防冻模式，此时控制器将电机4通电，在水泵的吸力作用下，空气从单向阀进入，通过二位三通阀后进入集热板，将集热板内的水抽回到储水罐，控制器通过压力传感器探测到压力P6＝0时，将电机断电，停止抽水。

本发明的有益效果是：本发明装置中无防冻介质，安全高效，无毒无害，使用过程中无需维护；本发明装置中室外集热板采用的是抽空防冻，能彻底的根除上冻问题；本发明能自动实现防冻功能，而且所采用的元件种类和数量较少，系统简单、可靠。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。

图1 是防冻太阳能集热装置现有技术；

图2 是本发明装置构成图。

图中：1-进水阀，2-储水罐，3-控制器，4-电机，5-水泵，6-压力传感器，7-集水罐，8-集热板，9-集热板温度传感器，10-二位三通阀，11-单向阀，12-出水阀，13-通气管，14-水罐温度传感器，15-热交换器，16-内管道。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

如图2所示的一种具有自动防冻功能的太阳能集热装置，包括储水单元、集热板单元、电控单元和循环单元：所述的储水单元，用于储存热水，包括储水罐2，储水罐2具有进水口A、出水口B、循环进水口C、循环出水口D，进水口A连接进水阀1，进水阀1连接水源，出水口B连接出水阀12，储水罐2上部装有将储水罐2内部与大气连通的通气管13，为非承压式储水。储水罐2内部装有内管道16，内管道16的上口高于液面，内管道16的下口连接所述循环进水口C。

所述的集热板单元包括集热板8和集水罐7，集热板8具有进口E和出口F，出口F通过管路与集水罐7连通。

所述的电控单元包括控制器3、安装在所述集水罐7上的压力传感器6、安装在所述集热板8上的集热板温度传感器9、安装在所述储水罐2上的水罐温度传感器14。

所述的循环单元，用于所述储水单元与集热板单元的热交换，包括水泵5，用于驱动水泵5的电机4、二位三通阀10、单向阀11，所述储水罐2的循环出水口D和单向阀11通过所述二位三通阀10和管路与集热板8的进口E相联，所述集水罐7通过管路和水泵5与所述储水罐2的循环进水口C相联。

进一步地，所述水罐温度传感器14与所述控制器3的输入端相连，用于将检测到的水罐温度信号T14输入至控制器3；所述集热板温度传感器9与所述控制器3的输入端相连，用于将检测到的集热板温度信号T9输入至控制器3；所述压力传感器6与所述控制器3的输入端相连，用于将检测到的集水罐7内的压力信号P6输入至控制器3；

所述二位三通阀10与控制器3的输出端相连，所述电机4与控制器3的输出端相连；当所述控制器3探测到T9＞T14时，控制器3将二位三通阀10通电，阀芯移动将所述储水罐2的循环出水口D和集热板进口E接通，二位三通阀10与单向阀11的接口关闭，然后控制器3控制电机4启动；当控制器3探测到T9≤T14时，控制器3将二位三通阀10电磁阀断电，阀芯复位，单向阀11和集热板进口E接通，二位三通阀10与储水罐2的循环出水口D的接口关闭，控制器3保持电机4通电；控制器3探测到压力P6＞0，则继续保持电机4通电，当P6＝0时，控制器3将电机4断电。

所述水罐温度传感器14与所述控制器3的输入端相连，用于将检测到的水罐温度信号T14输入至控制器3；所述集热板温度传感器9与所述控制器3的输入端相连，用于将检测到的集热板温度信号T9输入至控制器3；所述压力传感器6与所述控制器3的输入端相连，用于将检测到的集水罐7内的压力信号P6输入至控制器3；控制器的型号：可选用STC公司的STC89C52单片机；或者选用82C51、89C51等51系列单片机。温度传感器可选用：东莞市星响电子科技有限公司销售的MF53-503F-3950-600L 型号温度传感器；或者青岛桢岚电子有限公司销售的ZL-013型号温度传感器，可防水。压力传感器可选用：上海域丰传感仪器有限公司销售的CS400 或P1103压力传感器。

所述二位三通阀10具有三个水路接口，所述二位三通阀10失电时，连通大气的单向阀11和集热板进口E接通，此时将二位三通阀10与所述储水罐2的循环出水口D的接口关闭；所述二位三通阀10得电时，阀芯右移，将所述储水罐2的循环出水口D和集热板进口E接通，此时将二位三通阀10与单向阀11的接口关闭。

所述二位三通阀10与控制器3的输出端相连，所述电机4与控制器3的输出端相连；当所述控制器3探测到T9＞T14时，控制器3将二位三通阀10通电，阀芯移动将所述储水罐2的循环出水口D和集热板进口E接通，二位三通阀10与单向阀11的接口关闭，然后控制器3控制电机4启动；

当控制器3探测到T9≤T14时，控制器3将二位三通阀10断电，阀芯复位，单向阀11和集热板进口E接通，二位三通阀10与储水罐2的循环出水口D的接口关闭，此时控制器3将电机4断电；当控制器3探测到T9≤5℃时，控制器3将电机4通电，控制器3探测到压力P6＝0时，将电机4断电。

作为可选的方案，所述进水阀1是手动阀或自动控制阀。出水阀12打开，最终用水端低于储水罐2时，热水自然流出；若最终用水端高于储水罐2时，则本装置配有自动增压泵送装置，保证正常供水。

作为一种可选的实施例，所述集热板温度传感器9埋设在所述集热板8内部的固体壳体中。

作为一种可选的实施例，所述集热板温度传感器9悬空设置在所述集热板8内部中空的流体通道中。此实施例在集热过程中，探测的是流经集热板内的水温度；在非集热过程中探测的为流体通道内部空气温度。

进一步地，所述集水罐7的位置低于所述集热板8的位置。

进一步地，所述水泵5选用具备自吸能力的水泵。

一种采用所述具有自动防冻功能的太阳能集热装置的太阳能集热和防冻方法，

集热方法：

当所述控制器3探测到T9＞T14时，启动集热程序，控制器3将所述二位三通阀10通电，阀芯右移，将所述储水罐2的循环出水口D和集热板进口E接通，二位三通阀10与单向阀11的接口关闭；然后控制器3控制电机4启动，带动水泵5进行集热循环；低温水从储水罐的循环出水口D流经二位三通阀10，再到集热板8的进口E，水流在集热板8内部吸收热量后，高温水从集热板8的出口F流出到集水罐7，再流向水泵5后泵送回到储水罐2的循环进水口C，通过内管道16回到液面以上位置。在循环过程中，集热板8内温度降低，储水罐2内的水温逐渐升高。

防冻方法：

当控制器3探测到T9≤T14时，停止集热过程，控制器3将二位三通阀10电磁阀断电，阀芯左移复位，连通大气的单向阀11和集热板进口E接通，二位三通阀10与所述储水罐2的循环出水口D的接口关闭；此时控制器3保持电机4通电，在水泵5的吸力作用下，空气从单向阀11进入，通过二位三通阀10后进入集热板8，将集热板8内的水抽回到储水罐2；所述集水罐7低于集热板8，因而优先保证集热板8内存留空气不存留水。

所述控制器3通过压力传感器6探测到压力P6＞0，判定集水罐7内有水存留，则继续保持电机4通电，水泵5持续将管路中的水抽回储水罐2；当P6＝0时，控制器3将电机4断电，停止抽水。此时整个室外部分无水存留，因此实现彻底防冻。

作为一种可选的方案，所述防冻方法替换为：

当控制器3探测到T9≤T14时，停止集热过程，控制器3将二位三通阀10断电，阀芯左移复位，连通大气的单向阀11和集热板进口E接通，二位三通阀10与所述储水罐2的循环出水口D的接口关闭；此时控制器3将电机4断电，水泵5停止工作，停止集热循环。

当控制器3通过集热板温度传感器9探测到室外温度T9≤5℃时，自动启动防冻模式，此时控制器3将电机4通电，在水泵5的吸力作用下，空气从单向阀11进入，通过二位三通阀10后进入集热板8，将集热板8内的水抽回到储水罐2，控制器3通过压力传感器6探测到压力P6＝0时，将电机4断电，停止抽水。此时整个室外部分无水存留，因此实现彻底防冻。

本发明装置中无防冻介质，安全高效，本发明装置中室外集热板采用的是抽空防冻，能彻底的根除上冻问题；而且所采用的元件种类和数量较少，系统简单、可靠。对上述方案的简单变换均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有自动防冻功能的太阳能集热装置，其特征在于：

包括储水单元、集热板单元、电控单元和循环单元：

所述的储水单元，用于储存热水，包括储水罐（2），储水罐（2）具有进水口A、出水口B、循环进水口C、循环出水口D，进水口A连接进水阀（1），进水阀（1）连接水源，出水口B连接出水阀（12），储水罐（2）上部装有将储水罐（2）内部与大气连通的通气管（13），储水罐（2）内部装有内管道（16），内管道（16）的上口高于液面，内管道（16）的下口连接所述循环进水口C；

所述的集热板单元包括集热板（8）和集水罐（7），集热板（8）具有进口E和出口F，出口F通过管路与集水罐（7）连通；

所述的电控单元包括控制器（3）、安装在所述集水罐（7）上的压力传感器（6）、安装在所述集热板（8）上的集热板温度传感器（9）、安装在所述储水罐（2）上的水罐温度传感器（14）；

所述的循环单元，用于所述储水单元与集热板单元的热交换，包括水泵（5），用于驱动水泵（5）的电机（4）、二位三通阀（10）、单向阀（11），所述储水罐（2）的循环出水口D和单向阀（11）通过所述二位三通阀（10）和管路与集热板（8）的进口E相联，所述集水罐（7）通过管路和水泵（5）与所述储水罐（2）的循环进水口C相联。

2.根据权利要求1所述的具有自动防冻功能的太阳能集热装置，其特征在于：所述水罐温度传感器（14）与所述控制器（3）的输入端相连，用于将检测到的水罐温度信号T14输入至控制器（3）；所述集热板温度传感器（9）与所述控制器（3）的输入端相连，用于将检测到的集热板温度信号T9输入至控制器（3）；所述压力传感器（6）与所述控制器（3）的输入端相连，用于将检测到的集水罐（7）内的压力信号P6输入至控制器（3）；

所述二位三通阀（10）与控制器（3）的输出端相连，所述电机（4）与控制器（3）的输出端相连；当所述控制器（3）探测到T9＞T14时，控制器（3）将二位三通阀（10）通电，阀芯移动将所述储水罐（2）的循环出水口D和集热板进口E接通，二位三通阀（10）与单向阀（11）的接口关闭，然后控制器（3）控制电机（4）启动；当控制器（3）探测到T9≤T14时，控制器（3）将二位三通阀（10）电磁阀断电，阀芯复位，单向阀（11）和集热板进口E接通，二位三通阀（10）与储水罐（2）的循环出水口D的接口关闭，控制器（3）保持电机（4）通电；控制器（3）探测到压力P6＞0，则继续保持电机（4）通电，当P6＝0时，控制器（3）将电机（4）断电。

3.根据权利要求1所述的具有自动防冻功能的太阳能集热装置，其特征在于：所述水罐温度传感器（14）与所述控制器（3）的输入端相连，用于将检测到的水罐温度信号T14输入至控制器（3）；所述集热板温度传感器（9）与所述控制器（3）的输入端相连，用于将检测到的集热板温度信号T9输入至控制器（3）；所述压力传感器（6）与所述控制器（3）的输入端相连，用于将检测到的集水罐（7）内的压力信号P6输入至控制器（3）；

所述二位三通阀（10）与控制器（3）的输出端相连，所述电机（4）与控制器（3）的输出端相连；当所述控制器（3）探测到T9＞T14时，控制器（3）将二位三通阀（10）通电，阀芯移动将所述储水罐（2）的循环出水口D和集热板进口E接通，二位三通阀（10）与单向阀（11）的接口关闭，然后控制器（3）控制电机（4）启动；

当控制器（3）探测到T9≤T14时，控制器（3）将二位三通阀（10）断电，阀芯复位，单向阀（11）和集热板进口E接通，二位三通阀（10）与储水罐（2）的循环出水口D的接口关闭，此时控制器（3）将电机（4）断电；当控制器（3）探测到T9≤5℃时，控制器（3）将电机4通电，控制器（3）探测到压力P6＝0时，将电机（4）断电。

4.根据权利要求1或2所述的具有自动防冻功能的太阳能集热装置，其特征在于：所述进水阀（1）是手动阀或自动控制阀。

5.根据权利要求1或2所述的具有自动防冻功能的太阳能集热装置，其特征在于：所述集热板温度传感器（9）埋设在所述集热板（8）内部的固体壳体中。

6.根据权利要求1或2所述的具有自动防冻功能的太阳能集热装置，其特征在于：所述集热板温度传感器（9）悬空设置在所述集热板（8）内部中空的流体通道中。

7.根据权利要求1或2所述的具有自动防冻功能的太阳能集热装置，其特征在于：所述集水罐（7）的位置低于所述集热板（8）的位置。

8.根据权利要求1或2所述的具有自动防冻功能的太阳能集热装置，其特征在于：所述水泵（5）选用具备自吸能力的水泵。

9.一种采用权利要求1至8任一项所述的具有自动防冻功能的太阳能集热装置的太阳能集热和防冻方法，其特征在于：

集热方法：

当所述控制器（3）探测到T9＞T14时，启动集热程序，控制器（3）将所述二位三通阀（10）通电，阀芯右移，将所述储水罐（2）的循环出水口D和集热板进口E接通，二位三通阀（10）与单向阀（11）的接口关闭；然后控制器（3）控制电机（4）启动，带动水泵（5）进行集热循环；低温水从储水罐的循环出水口D流经二位三通阀（10），再到集热板（8）的进口E，水流在集热板（8）内部吸收热量后，高温水从集热板（8）的出口F流出到集水罐（7），再流向水泵（5）后泵送回到储水罐（2）的循环进水口C，通过内管道（16）回到液面以上位置；

防冻方法：

当控制器（3）探测到T9≤T14时，停止集热过程，控制器（3）将二位三通阀（10）电磁阀断电，阀芯左移复位，连通大气的单向阀（11）和集热板进口E接通，二位三通阀（10）与所述储水罐（2）的循环出水口D的接口关闭；此时控制器（3）保持电机（4）通电，在水泵（5）的吸力作用下，空气从单向阀（11）进入，通过二位三通阀（10）后进入集热板（8），将集热板（8）内的水抽回到储水罐（2）；所述集水罐（7）低于集热板（8），因而优先保证集热板（8）内存留空气不存留水；

所述控制器（3）通过压力传感器（6）探测到压力P6＞0，判定集水罐（7）内有水存留，则继续保持电机（4）通电，水泵（5）持续将管路中的水抽回储水罐（2）；当P6＝0时，控制器（3）将电机（4）断电，停止抽水。

10.根据权利要求9所述的一种太阳能集热和防冻方法，其特征在于：

所述防冻方法替换为：

当控制器（3）探测到T9≤T14时，停止集热过程，控制器（3）将二位三通阀（10）断电，阀芯左移复位，连通大气的单向阀（11）和集热板进口E接通，二位三通阀（10）与所述储水罐（2）的循环出水口D的接口关闭；此时控制器（3）将电机（4）断电，水泵（5）停止工作，停止集热循环；

当控制器（3）通过集热板温度传感器（9）探测到室外温度T9≤5℃时，自动启动防冻模式，此时控制器（3）将电机4通电，在水泵（5）的吸力作用下，空气从单向阀（11）进入，通过二位三通阀（10）后进入集热板（8），将集热板（8）内的水抽回到储水罐（2），控制器（3）通过压力传感器（6）探测到压力P6＝0时，将电机（4）断电，停止抽水。