CN110220315B - 适用于高层楼房的太阳能中央热水器 - Google Patents

Abstract

本发明兼顾高层楼房和太阳能热水器的各自特点，环绕高楼的负一层、南面墙壁、楼顶平台及北面墙壁，建立了集中采热、分户供热的循环管网式太阳能中央热水器系统，该系统集采热、蓄热、换热、供热及补水多种功能为一体，能使管网内注入的自来水逐渐升温、并自行沿本管网循环流动，从而实现了管内无残留冷却水需排空、楼内所有用户全天侯开阀即获热水的理想效果，为太阳能热水器在高层楼房的应用，提供了切实可行的新方案。

Description

适用于高层楼房的太阳能中央热水器

技术领域

本发明属于太阳能利用范畴，具体涉及一种适用于高层楼房的太阳能中央热水器。

背景技术

众所周知，太阳能热水器是清洁能源利用的成功范例之一，其采集阳光辐射能无污染提升水温，从而便于人们使用廉价的热水，因此获得了政府的支持和大家的青睐，曾迅猛发展遍及千家万户。该热水器有分体式和联体式两大类，分体式的集热管置于户外阳光下，经管道与户内的水箱连通，并用泵在两体间强制循环进行热交换，优点是适应多种场地便于安置；联体式的集热管与水箱上下直接连通成一体，均置身户外阳光下，集热管内的水温升高时会自行流向上部的水箱，而箱内的低温水则下潜换入管内，即“温差自然循环方式”进行热交换，优点是无需泵而更节能。

近些年来随着“百米高楼”的兴起，家庭用太阳能热水器因安装条件的变化致市场份额锐减，究其原因主要因为：一是高层住宅导致管线过长输水时易造成热水的降温，同时管内每次使用后而残留的大量冷却水，再次使用前需排空又造成浪费；二是楼顶平台面积太小，无法容纳整座楼所有用户的热水器；三是整座楼的南面墙壁光照区域不均，只有上部约三分之一的面积获阳光直接照射可安置集热器，而中下部三分之二的面积受前楼遮挡无法采热；四是小区物业为规避麻烦减少纠纷，一律不许在高楼上安装太阳能热水器；再加上太阳能热水器受天气影响，光照强时热水有富余，阴雨天时热水不够用；多种因素综合作用，迫使人们只得重新使用既耗能又污染环境的电加热或燃气热水器。为此如何扬长避短，有效实现太阳能热水器在高层楼房中的再续应用，是一个亟待解决的有普遍现实意义的关乎新能源的大问题。

发明内容

本发明兼顾高层楼房和太阳能热水器的各自特点，环绕高楼的负一层、南面墙壁、楼顶平台及北面墙壁，建立了集中采热、分户供热的循环管网式太阳能中央热水器系统，并凭借系统内逐渐升温并自然循环的水流，保障楼内每个用户24小时都能即时获取热水。

本发明的技术方案是，适用于高层楼房的太阳能中央热水器，由纵向依次串联的蓄热低位水箱、空气能热泵、蓄热套管、管式集热器、蓄热交换箱、集热高位水箱、落水管，以及横向设置的旁通输水管、旁通均热管，共同构成环绕高楼的纵横交织的循环管网系统，该系统集采热、制热、蓄热、换热、供热及补水多种功能为一体，能使管网内注入的自来水被升温、并自行沿本管网循环流动，从而实现该热水器全天侯开阀即供热水的效果。

所述蓄热低位水箱（1）是密闭的承压箱体，作为纵向循环管路中具储水和蓄热功能的组件设在高楼负一层内，该水箱北边箱壁设有短管经三通，分别与落水管（7）和侧向连接外部自来水源的电动注水阀（1—1）连通，该水箱南边箱壁设有短管与空气能热泵（2）连通。该水箱之内上下穿插、间隔排列多块空心隔板（1—2），所有隔板的左右两端均与箱体密封固定，从北边起第一块隔板的下端与箱体密封，上端与箱体间留有一定的间隙，以便水流从上端处通行，第二块隔板的上端密封下端留隙，以便水流从下端处通行，其余隔板按此类推，以便水流上下翻越前行，全部隔板的空心总容积约占箱体容积的一半，且该隔板之内均密封装有相变蓄热介质。

所述空气能热泵（2）是大功率电加热设备，作为纵向循环管路中的辅助制热组件置于蓄热低位水箱的南边，在连续阴雨无阳光的天气里，其按本系统的“可控编程”主要使用谷电取空气中热能进行制热，以加热途经其内的水流，同等条件下其耗电不及传统电加热器的一半，该热泵的输出端连接着蓄热套管。

所述蓄热套管（3）是内外双层结构的管道，即外管中套有内管且两管间密闭不相通，其内管用于输水而外管则密封装有相变蓄热介质。作为纵向循环管路中的上水管道，该套管外裹保温材料垂直安装在高楼南墙的中部和下部位置，其下端经电动上水阀（3—1）与空气能热泵连通，其上端与管式集热器连通。

所述管式集热器（4）为分体式，由多根两端通透的玻璃承压真空集热管（4—1）、密封穿插在上下两端的联集管（4—2）上而构成，该集热管上镀有太阳能选择性吸收涂层，用以采集阳光辐射能加热途经管内的水流。作为纵向循环管路中利用太阳能的采热组件，该集热器多个一组上下排列、垂直固定在高楼南墙的上部有直射阳光的区域，每个集热器之间经传感止回阀（4—3）串联接通，最上边的传感止回阀经三通分别与排气管（4—4）和蓄热交换箱连通。

所述蓄热交换箱（5）由保温箱体、集热箱盖（5—1）和箱中的螺旋盘管（5—2）及箱内装载的相变蓄热介质（5—3）共同构成，作为纵向循环管路中采集太阳能进行蓄热和换热的组件，置于楼顶平台上的阳光下，其中的集热箱盖为双层真空结构的平板玻璃，密封固定在箱体上，其上镀有太阳能选择性吸收涂层，可吸收阳光辐射能加热箱内的相变蓄热介质。本系统中多个部位的相变蓄热介质为同一物质，该介质在60度以下时为固体，其温度与环境温度同步，在60度及以上时会逐渐融化，并大量吸收热能成为高温液体，反之其向环境释放潜热会重凝成固体，故可利用该介质于阳光强时吸收储备热能，无阳光时向途经的水流释热。箱中被该介质包裹覆盖着的螺旋盘管，其一端穿南边箱壁与管式集热器连通，另一端穿北边箱壁与集热高位水箱连通。

所述集热高位水箱（6）由保温箱体和集热端盖（6—1）及箱体上的水位传感器（6—2）构成，作为纵向循环管路中采集太阳能加热并储存热水的组件，置于楼顶平台上的阳光下，其中的集热端盖为双层真空结构的平板玻璃，密封固定在箱体上，其上镀有太阳能选择性吸收涂层，可吸收阳光辐射能加热流入箱内的水体。该箱的水位传感器依据箱中水位的升降变化，电令蓄热低位水箱前、与自来水源连通的电动注水阀（1—1）开启或关闭，该传感器的上部短管兼具呼吸孔作用。穿该水箱北边箱壁设有短管与落水管连通。

所述落水管（7），外裹保温层依托高楼北面墙体垂直设置，该管上端经横向短管与集热高位水箱连通，下端折向经温度传感器（7—1）过单向阀（7—2）与蓄热低位水箱连通。该落水管既是纵向循环管路中的环流通道，又是向各个用户供应热水的主管道，沿该竖向落水管、间隔设有多根横向的分户管（7—3），该多根分户管分别穿墙进入室内，经分户电磁阀和分户水表，向各自的用户计量供应热水。

上述依次串联的多种设施构成了环绕高楼的单套纵向循环管路，按楼房建筑特点每单元配置两套，整座楼装有多套各自独立的纵向循环管路，再分别用旁通输水管和旁通均热管将该多套纵向管路横向连通起来，由此构成纵横交织的循环管网系统。

所述旁通输水管（8）于蓄热交换箱之前，将整座楼上的多套各自独立的纵向循环管路横向连通成一体。当管式集热器（4）内的某个橡胶密封件或某根玻璃集热管意外损坏出现泄漏时，则该泄漏区域内的水流出现波动，引发该泄漏集热器上方的传感止回阀（4—3）的阀芯随之上下窜动，该窜动信号又电令该管路下端的电动上水阀（3—1）随之关闭，该单套管路暂时中止向上供水，因泄漏而回落的水流又带动该泄漏集热器上方的传感止回阀（4—3）自行闭合，阻止该阀上端管路内的水顺管下泄。此时其他多套管路会自行通过该横向的旁通输水管（8）分流，绕过该单套管路上的集热器向该管路上部供水。即多套纵向管路经此横向连通的输水管，形成了互为旁路的上水管网，从而保障本系统不间断输水环流运行。

所述旁通均热管（9）于集热高位水箱之后，将整座楼上的多套纵向管路横向连通成一体。当某单元多个用户在某时段大量消耗热水、导致该落水管内的水温比其他管路低一些的时侯，因高温水比低温水的流动性更好，此时其他管路中相对高温的热水会自行通过该横向的旁通均热管分流，向该低温落水管内掺入高温水。即多套纵向管路经此横向连通的均热管，形成了互相支持的落水管网，从而有效利用整个系统中的多路热能均衡供应热水。

所述“采热”，是指管式集热器（4）和交换箱的集热箱盖（5—1）及高位水箱的集热端盖（6—1），作为本热水器中利用太阳能的主要制热设施，均置于直射的阳光下以采集阳光辐射能，加热循环管网中环流的水和交换箱中的相变蓄热介质。

所述“制热”，是指空气能热泵（2）作为本热水器中利用空气热能的辅助制热设施，在连续阴雨无阳光的天气里，循环管网中的水温逐渐下降至55度时，落水管下端的温度传感器（7—1）启动该热泵，用一份电能两份空气能制造热能，加热途经的水流以提高水温。按“可控编程”在用电高峰时段加热水温至60度便停泵以节电，在用电低谷时段加热水温至80度停泵，以借助高温水流向相变蓄热介质中蓄热。

所述“蓄热”，是指置于蓄热低位水箱空心隔板中和蓄热套管外管中及蓄热交换箱中的相变蓄热介质，被加热融化成液体后可蕴含储存大量高温热能。

所述“换热”，是指循环管网中环流的水与相变蓄热介质虽分别隔离，但却全方位紧密接触互为环境关系，因此二者间各自蕴含的潜热可互相交换实行均温，白天阳光强时流动的热水可用富余的热能帮助该蓄热介质升温，夜晚无阳光时该介质将潜热回传给水流，由此保持水流具有足够高的温度，特别是在阴雨天气，该介质相变凝固会释放大量热能加热水流，从而维持本热水器长时间的热水供给。

所述“供热”，是指本热水器制备的热水在沿管路绕楼循环的过程中，可经分户管道抵达各用户单位，故各用户开阀即出热水。

所述“补水”，是指随着各用户单位使用消耗热水，集热高位水箱（6）中储备的热水随之减少，水位降至水位下限时，水位传感器（6—2）电令与外部自来水源连通的电动注水阀（1—1）开启，外部压力自来水由此进入本系统内，并顺南边管路边前行边被加热升温，然后抵达集热高位水箱中抬升水位至上限，此时该水位传感器又令该电动注水阀关闭，补水完成停止注水。

所述 “自行环流”是指本循环管网中，南北两边垂直管路的高度相等，其内水体的密度、比重、压力原本等同一致，但是由于南边管路被阳光直射且受采热、制热、蓄热设施的作用，其内的水温被持续加热始终高于北边管路的水温，该温差改变了两边的平衡状态，造成北边管路内的水压实质性高于南边，导致落水管（7）中的相对低温水向南自行流入蓄热低位水箱（1）中，然后顺管路上行，沿途继续被加热升温进入集热高位水箱（6）中，复经落水管又流向蓄热低位水箱。该种温差因白天有阳光可供采热、夜晚有蓄热介质释热、阴雨天有空气能热泵制热而永续存在，故系统内的水流受温差驱使永不停歇顺管路自行循环流动，且温差越大流速越快。

上述电动注水阀、空气能热泵、电动上水阀、传感止回阀、水位传感器、温度传感器，均与设于值班室内的智能控制仪电连接，该控制仪按设定的“可控编程”自动操控本热水器运行，也可人为手动选择所需的操控程序。

本发明的有益效果是：与已有的每家每户各自独立的太阳能热水器相比，本方案以集中采热、分户供热的绕楼循环管网方式，对整座高楼内所有用户实行全天侯供热，既高效利用了高楼有限的阳光直射面积，又避免了户均输水管线过长的问题，且管内无残留冷却水开阀即供热水，还降低了制作安装成本，并持续节省日常的运行费及维护费。

附图说明

图1是本发明的主视图；图2是图1的左视图；图3是图1的俯视图；图4是图1的局部放大图。

图中标号：1蓄热低位水箱、1—1电动注水阀、1—2空心隔板、2空气能热泵、3蓄热套管、3—1电动上水阀、4管式集热器、4—1真空集热管、4—2联集管、4—3传感止回阀、5蓄热交换箱、5—1集热箱盖、5—2相变蓄热介质、5—3螺旋盘管、5—4排气管、6集热高位水箱、6—1集热端盖、6—2水位传感器、7落水管、7—1温度传感器、7—2单向阀、7—3分户管、8旁通输水管、9旁通均热管。

具体实施方式

下面结合附图及本热水器的运行方式做进一步说明，不限制本发明。

按设计要求将本太阳能热水器各部件，围绕高楼组装成纵横交织的循环管网系统，其中智能控制仪装在值班室内并与本系统内的各电器元件分别电连接。

首次使用，合闸通电后，集热高位水箱上的水位传感器6—2，电令蓄热低位水箱前的、与外部水源连通的电动注水阀1—1开启，外部供水管道中的压力自来水，经该阀进入本系统的管道中向南北两边流动，其中向北的水流被单向阀7—2阻挡停滞不前；而向南的水流不断进入蓄热低位水箱1中，并连续翻越空心隔板1—2而注满整个水箱，接着进入空气能热泵2中，该泵受温度传感器7—1控制，于合闸通电时已启动对途经其内的水流进行加热，初步升温的水流经电动上水阀3—1、沿蓄热套管3上行流向管式集热器4，该集热器的真空集热管4—1采集阳光辐射能，对途经的水流进行加热，被再次升温的水流继而顺管流向蓄热交换箱5中，该箱的集热箱盖5—1采集阳光辐射能，对箱内的相变蓄热介质5—2进行加热，该介质吸收大量热能融化成高温液体，并通过置身在该介质中的螺旋盘管5—3，向管中盘旋前行的水流隔管传热，进一步升温的水流继续前行进入集热高位水箱6中，该箱的集热端盖6—1采集阳光辐射能，直接加热进入箱内的水流，至此该水流已升温成55度以上的热水，该热水又顺落水管7出水箱下行，经温度传感器（7—1）抵达单向阀7—2，隔着该阀被压力自来水阻挡蓄积不前。此时持续注入的自来水造成集热高位水箱内的水位逐渐升高，至水位上限时，水位传感器6—2令电动注水阀1—1关闭停止注水，随之自来水所携带的高水压消失，整个循环管网系统内充满静止状态的常压液态水。

随着空气能热泵的持续加热，热泵内的水温逐渐升高并自行沿蓄热套管上升，而套管内的相对低温水则随之下潜换入热泵内，该种“局部上下自然环流均热现象”持续进行时，也带动了密封在蓄热套管外管中的相变蓄热介质同步吸热升温，从而导致蓄热套管内、外管的温度整体升高。与此同时管式集热器吸收阳光辐射能，持续加热其内的水体使水温升高。由此造成蓄热套管和管式集热器内的水温、逐渐比落水管内的水温高，从而使得高楼南北两边垂直管路内水体的密度、比重、水压随之产生差异，该差异驱使落水管内的水体顶开单向阀向南流入蓄热低位水箱内，继而又进入空气能热泵受热，然后顺蓄热套管上行同时向该管中的蓄热介质传热，接着该水流依次经管式集热器、蓄热交换箱、集热高位水箱持续被太阳能加热，升温后的热水又从落水管下行，复又流向蓄热低位水箱，同时将水温传递给空心隔板内的相变蓄热介质，由此形成持续不断的循环流动，并逐步整体抬升管网内水流和蓄热介质的温度。

当落水管内的水温达60度时，温度传感器令空气能热泵停止加热，而上述三种太阳能集热设施仍然继续为途经的水流加热，其中管式集热器的持续采热升温，造成了南边管路内的水温始终高于北边管路的水温，从而导致该种“温差循环流动”始终不断进行，而蓄热交换箱则为其内的蓄热介质注入了大量热能并间接提升了水温，而集热高位水箱则直接加热提升箱内水温，而高温的水流则在循环流动中，将热能不断传递给蓄热低位水箱和蓄热套管中的蓄热介质，从而储备热能并提升了整个循环管网系统的温度。由于该系统实行了有效的保温措施，故升温快而热损小，所以能长时间保温运行。

当太阳西沉、集热设施无阳光可采热时，系统中的高温蓄热介质开始向途经的水流均热，其中蓄热套管中的蓄热介质所蕴含的高温热能，造成了南边管路内的水温始终高于北边管路，从而保障“温差循环流动”不间断进行。持续循环至第二天阳光普照时，集热设施再次采光加热水流和蓄热介质，为持续的温差环流添加新的热动力。

当遭遇连续阴雨天气，系统中的水温降至55度时，温度传感器令空气能热泵启动为水流加热，升温的水流沿途又将热能传递给蓄热介质，从而保持南北两边管路的温差并导致水流的持续循环。该热泵的运行受“可控编程”控制，用电高峰时段加热水温至60度即中止，用电低谷时段加热水温至80度才中止，以利用谷电向蓄热介质储备更多的热能，从而减少对峰电的使用，达到削峰填谷降低电费并保持水温的目的。

在持续的循环流动过程中，系统内充满了55度以上的热水，当高楼内的用户开启分户电磁阀时，该热水从分户管7—3流向室内，经分户水表计量供用户使用。（为方便对主要部分的描绘，该分户室内管线及部件未经图示）。

随着楼内众多用户的开阀用水，集热高位水箱内的蓄水量逐渐减少，当水位降至水位下限时该水箱的水位传感器，令连通外部水源的电动注水阀再次开启向系统内补注新水，新补入的自来水在如前述循环流动的过程中被逐步加温成热水，当集热高位水箱内的水位因补水而升至上限时，水位传感器令电动注水阀关闭中止补水。

当某单元内的多个用户在某一时段集中大量使用热水，造成该单元单套纵向管路内的水温，略低于其他纵向管路的水温时，由于高温水比低温水活跃易流动，其他管路内的相对高温水，会通过横向连接多套纵向管路的旁通均热管9，自行向该低温管路内分流输水，从而有效利用了整个系统内的多处热能向用户均衡供热。

在持久的循环流动过程中，当某个橡胶密封件或某根玻璃真空集热管年久损伤、而致某一管式集热器出现泄漏时，该泄漏区域内的水流发生波动，引发处于该泄漏区上方的传感止回阀4—3的阀芯在阀内上下窜动，该窜动信号报警并致该管路下端的电动上水阀3—1关闭，该管路内的水流中止并因泄漏而下降，又进而引发该传感止回阀的阀芯下落闭合，从而自行阻止该阀上方管路内的水向下流淌，因此该损伤处只短暂流出少量的水即止流待修复，修复完成后可手动开启该上水阀恢复向上输水。此一期间，系统内的其他管路则通过旁通上水管8，自行向该问题管路上方的蓄热交换箱分流输水，从而保障问题管路在内的整个太阳能中央热水器系统的不间断输水运行，以满足楼内所有用户对热水的需求。

Claims (8)

1.适用于高层楼房的太阳能中央热水器，由纵向依次串联的蓄热低位水箱、空气能热泵、蓄热套管、管式集热器、蓄热交换箱、集热高位水箱、落水管，以及横向设置的旁通输水管、旁通均热管，共同构成环绕高楼的纵横交织的循环管网系统，该系统集采热、制热、蓄热、换热、供热、补水多种功能于一体，能使管网内注入的自来水被升温、并自行沿本管网循

环流动，从而实现该热水器全天侯开阀即供热水的效果；所述空气能热泵是大功率电加热设备，作为纵向循环管路中的辅助制热组件置于蓄热低位水箱的南边，在连续阴雨无阳光的天气里，其按本系统“可控编程” 主要使用谷电取空气中热能进行制热，以加热途经其内的水流，该热泵的输出端连接着蓄热套管；所述集热高位水箱由保温箱体和集热端盖及水位传感器所构成，作为纵向循环管路中采集太阳能加热并储存热水的组件置于楼顶平台上，其中的集热端盖为双层真空结构的平板玻璃，可采集太阳能加热流入箱内的水体，该箱的水位传感器依据箱内水位的升降变化、电令与自来水源连通的电动注水阀开启或关闭，穿该水箱北边箱壁设有短管与落水管连通。

2.根据权利要求1所述的适用于高层楼房的太阳能中央热水器，其特征是：所述蓄热低位水箱是密闭的承压箱体，作为纵向循环管路中具储水和蓄热功能的组件设于高楼负一层内，该水箱北边箱壁设有短管经三通，分别与落水管和侧向连接外部自来水源的电动注水阀连通，该水箱南边箱壁设有短管与空气能热泵连通，该水箱内间隔设有多块空心隔板，该隔板内密封装有相变蓄热介质。

3.根据权利要求1所述的适用于高层楼房的太阳能中央热水器，其特征是：所述蓄热套管是内外双层结构的管道，即外管中套有内管且两管间密闭不相通，其内管用于输水而外管则密封装有相变蓄热介质，作为纵向循环管路中的上水管道，该套管垂直安装在高楼南墙的中下部位置，其下端经电动上水阀与空气能热泵连通，其上端与管式集热器连通。

4.根据权利要求1所述的适用于高层楼房的太阳能中央热水器，其特征是：所述管式集热器为分体式，由多根玻璃承压真空集热管、密封穿插在上下两端的连集管上而构成，用以采集阳光辐射能加热途经其内的水流，作为纵向循环管路中利用太阳能的采热组件，该集热器多个一组上下排列、垂直固定在高楼南墙上部阳光直射的区域，每个集热器之间经传感止回阀串通，最上端经三通分别与排气管和蓄热交换箱连通。

5.根据权利要求1所述的适用于高层楼房的太阳能中央热水器，其特征是：所述蓄热交换箱由保温箱体、集热箱盖和箱中的螺旋盘管及箱内装载的相变蓄热介质共同构成，作为纵向循环管路中采集太阳能进行蓄热和换热的组件置于楼顶平台上，其中的集热箱盖为双层真空结构的平板玻璃，可采集太阳能加热箱内的相变蓄热介质，该介质于阳光强时吸纳储备热能，无阳光时向途经的水流释热，箱中的螺旋盘管一端穿南边箱壁连接管式集热器，另一端穿北边箱壁与集热高位水箱连通。

6.根据权利要求1所述的适用于高层楼房的太阳能中央热水器，其特征是：所述落水管，外裹保温层依托高楼北面墙体垂直设置，该管上端经横向短管与集热高位水箱连通，下端折向经温度传感器过单向阀与蓄热低位水箱连通，作为纵向循环管路中的环流通道兼供应热水的主管道，沿该竖向落水管间隔设有多根横向的分户管，该多根分户管分别穿墙伸入室内，经分户电动阀和分户水表，向各自的用户计量供应热水。

7.根据权利要求1所述的适用于高层楼房的太阳能中央热水器，其特征是：所述旁通输水管于蓄热交换箱之前，将整座楼按需配置的多套各自独立的纵向循环管路横向连通成一体，由此该多套纵向循环管路经该横向连通的输水管，形成了互为旁路的上水管网，从而保障本系统不间断输水环流运行。

8.根据权利要求1所述的适用于高层楼房的太阳能中央热水器，其特征是：所述旁通均热管于集热高位水箱之后，将整座楼按需配置的多套纵向循环管路横向连通成一体，由此该多套纵向循环管路经该横向连通的均热管，形成了互相支持的落水管网，从而有效利用整个系统中的多路热能均衡供应热水。

Images