CN111194391B - 热水箱 - Google Patents

Abstract

一种热水箱，包括：外壳，其封闭容纳有热交换液体的腔室，该外壳包括基座、侧壁和盖；以及冷水入口，其连接到热交换器的第一端，以及热水出口，其连接到热交换器的第二端，其中，热交换器位于腔室的上部；主加热元件，其连接到电源以用于加热热交换液体，该主加热元件位于腔室的下部。

Description

热水箱

技术领域

本发明涉及一种热水箱，并且尤其是一种太阳能热水箱，其对于产生节能热水是特别有利的。

背景技术

太阳能热水器通过将太阳辐射收集在吸收器玻璃平板或真空管阵列上而工作。通常，带有面板和箱的热虹吸管配置可确保将热水引导至主压力箱(水平或垂直或在地面(对于抽吸系统而言))。

参照图10，示出了典型的太阳能热水系统200。该系统包括水平安装的储水箱202，在储水箱202的端部并朝向储水箱202的底部具有冷水入口204，在箱202的端部且朝向箱202的顶部具有热水出口203。箱202的容量通常基于安装场所对热水的需求。例如，与有两个成年人的房屋相比，有四个成年人的房屋通常需要更大的储存容量。

箱202连接至通常包括一系列集热管210的集热器或太阳能收集器201，并且通常安装在房屋的屋顶上。

较冷水将趋向于表示为项207的箱202的底部，较热水或热水将朝着由项208表示的箱202的顶部上升。较冷水207离开箱202并通过管205进入集热管210中。通常，用户可以将集热管称为太阳能电池板。穿过集热管210之后，热水经过管206返回到箱202。

家用热水供应因此将进入箱202，然后通过容纳在太阳能收集器210中的铜管。来自太阳的热能将加热太阳能收集器210中的水。然后，加热后的水返回箱202，然后可供用户使用。

在图9中示出了替代的常规太阳能热水系统。该布置类似于图10的系统，但是，水从通常位于地面上的储水箱104泵送到通常位于屋顶上的太阳能集热器100。除了操作是相似的。主冷水通过位于箱104侧面并朝向箱104底部的主冷水入口105进入箱104。

冷水106朝向箱104的底部沉降，而热水102朝向箱104的顶部沉降。冷水106经由管道108泵送至太阳能集热器100。水通过太阳能集热器中的许多管子能够加热水。然后，热水通过管101返回到箱104。

冷水管108有效地穿过箱104的侧壁，朝向冷水106沉降的箱104的底部。相反，从太阳能集热器100经由热水管101返回的热水穿过箱104上部中的箱104的侧壁。这样，冷水和热水的混合被最小化，确保在需要时为用户提供最热的水。进水口105和出水口103必须分别位于箱的底部和顶部附近，以确保仅从箱中释放出热水。

然后，热水102可通过热水出口103供用户使用。在使用中，当用户通过出口103提取水时，经由入口105添加等量的水。

在两种先前布置中的某些情况下，例如在阳光低的阴天，太阳能收集器100、201可能不会产生足够的热量来加热箱104、202中的水。为了避免这种可能情况，热水系统还包括单独的加热元件109、209，它们成为系统的增压器。加热元件109、209连接到AC干线电源。如果需要，该单独的元件109、209可以加热水。

无论是水平安装还是垂直安装的太阳能热水器，通常都将包括一个额外的增压器，以在冬天或多云的天气条件下无法充分利用面板的太阳热能时增加热量。通常，在水平系统中，增压器209朝向箱202的下半部并且在入口204上方穿过箱202的端部。对于垂直系统，增压器109在箱104的下三分之一处穿过箱104的侧壁，并且再次位于高于进水口105的位置处。在两种情况下，增压器的位置都是试图最好地加热箱中的水。特别是，增压器加热的水不会直接受到进入的冷水的影响。如果增压器位于热水区域，也不会受到接收到高温读数的不利影响。该系统的期望是确保箱中的全部供水被加热。通过将增压器放置在箱的下部，可以更好地进行管理。

尽管这样的系统可以提供热水，但是它们也具有许多限制。

大多数太阳能热水器是钢(玻璃衬里)的主压力容器，其内部压力限制为450至800kPa，类似于不锈钢或铜的低压系统(165kPa)。自来水供应可能具有压力脉动或水的基本压力波动。这些波动会导致由脉动驱动的金属疲劳引起的与主压力相关的故障，以及由此产生的缝隙腐蚀，这始于保护钢的箱内部搪瓷衬里的微裂纹。微裂纹通常在箱内部、端部焊接处或贯穿箱壁的侧面穿透点处开始。

不良的水质也可能加速热水系统的退化和过早失效。在劣质的水中，通常存在高含量的溶解盐，包括碳酸氢盐。碳酸盐(或更常见的锅炉水垢)的积累是由于在劣质水中加热通常溶解的碳酸氢盐而产生的，从而使固体盐从溶液中沉淀出来。然后，固体盐会阻塞系统中的热水供应管，特别是传统太阳能热板或阀门中的铜管。在夏季，面板加热到80℃以上并不罕见，因此会导致这种降解的化学反应。

所有太阳能热水系统都依赖于放置进水口和出水口以及通过箱的侧壁的增压器入口。关于水平箱，箱的端部可有效地视为侧壁。这些侧壁入口在一定程度上是必需的，以确保不影响热水的供应。为了能够进入，要在箱的侧壁上打孔。即，孔被钻孔通过箱壁，以允许管道和任何其他必要的零件进入箱中。这些切口或贯穿孔会使壁腐蚀。每个贯穿孔都需要一个防水密封件，该密封件能够承受施加在箱侧壁上的压力。每个贯穿孔也会增加失败的风险。特别是，在最终确定箱及其组件时，在组装过程中可能会由于任何轻微的缺陷而产生薄弱点。贯穿孔的常见位置的这种选择会导致制造复杂、泄漏、腐蚀的薄弱环节以及额外的维护成本。但是，尽管侧壁贯穿孔会引起已知问题，但是对于传统系统的功能而言，它们是必需的。

另一个已知问题源自安全特征。众所周知，细菌会在水环境中繁殖。为了避免将受感染的水传递给用户，热水系统确保将水加热到至少60摄氏度。然后在每个出水龙头处安装回火阀，以将冷水与热水混合，以将水温降至安全水平。这是低效的，因为仅需将水冷却就需要额外的能量来加热水。此外，这些阀门需要额外的维护并不少见。

阀故障也是太阳能热水器中的常见弱点。由于基本的太阳能热水器主压力系统所需的阀数量过多，这使人感到恼火。由于箱被加压到主压力，并且箱中的热水也是向房屋供应的水，因此出于安全原因增加了许多额外的阀门。例如，在箱中包括额外的阀，例如泄压阀，以在太阳能面板过加热箱水时释放蒸汽压力。类似地，太阳能热板也需要相同的压力释放阀，以防止在炎热条件下产生蒸汽压力。在许多地方，太阳能热板也可能需要防冻阀。这些防冻阀的工作方式是允许箱中的热水流过面板，从而减少面板中的管中的水冻结的可能性，并使管分开导致系统故障。所有这些都增加了太阳能热水器的维护成本。

期望提供一种能够改善一些上述问题的改进的热水系统。

发明内容

在广义上，提供了一种热水箱，其中所有进入箱的贯穿孔都穿过箱的顶部。

在另一广泛形式中，提供了一种包括双盘管热交换器的热水箱。

在第一方面，提供了一种热水箱，其包括：

外壳，该外壳封闭包含热交换液体的腔室，所述外壳包括基座、侧壁和盖；

连接到热交换器的第一端的冷水入口和连接到所述热交换器的第二端的热水出口，其中，所述热交换器位于所述腔室的上部；

连接到电源的主加热元件，其用于加热所述热交换液体，所述主加热元件位于所述腔室的下部。

在一种布置中，热交换器包括从第一端到第二端延伸的一组平行的盘管。

主加热元件可以是连接至光伏板阵列的DC元件。进入箱的所有贯穿孔都可能穿过盖。也就是说，例如冷水入口、热水入口和主加热元件可以穿过盖。

在替代布置中，主加热元件可以是AC元件，并且另外，箱可以适于接收来自外部电源或机构的过量能量。

方便地，主加热元件可以被容纳在壳体中以更好地确保主加热元件的精确放置。

在一些布置中，热交换器位于腔室的上半部中，并且主加热元件位于腔室的下三分之一中。优选地，主加热元件位于基座附近。

在可能的布置中，主加热元件悬挂在热交换液体中，并且理想地从盖或穿过盖悬挂。

在第二方面，提供了一种太阳能热水箱，其包括：

圆筒形的外壳，其封闭有容纳热交换液体的腔室，所述外壳包括基座、侧壁和盖；

冷水入口，该冷水入口通过所述盖连接到浸入所述热交换液体的热交换器的第一端的第一分流器，以及热水出口，该热水出口通过所述盖连接到所述热交换器的第二端的第二分流器，其中，所述热交换器位于所述腔室的上部，并且包括液体地连接所述第一分流器和第二分流器的一组平行盘管；

穿过所述盖并朝向所述基座的元件壳体，所述元件壳体适于将DC加热元件定位在所述基座附近以加热所述热交换液体，所述DC加热元件连接至光伏阵列。

在优选的布置中，箱将进一步包括连接到第二电源的第二加热元件，第二加热元件位于热交换器内部。第二加热元件可以是通过盖连接到干线电源的AC元件。所述箱还可以包括填充管，填充管穿过所述盖，以使所述热交换液体能够被添加到所述外壳或从所述外壳移除。

热交换液体可以用单宁处理后的水。

在优选实施例中，外壳将由塑料形成，并且理想地，外壳的壁将是波纹状的。

预期外壳将被隔热材料包裹。隔热材料可以被预形成为容纳能够包围外壳的圆柱形轮廓。如果外壳壁是波纹状的，则期望预形成的隔热材料将邻接波纹的每个波峰。以这种方式，不仅波纹壁增加了外壳的强度，而且至少在隔热体和波纹的波谷之间形成了空间，从而提高了箱的热阻。

还可以在隔热材料周围进一步包括反射铝外皮，以进一步增强强度和耐热性。

在各种布置中，箱将进一步包括控制器，以用于有效地接通或关断加热元件。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的说明性实施例。根据所附的描述，本发明的其他特征和优点也将变得显而易见。

图1示出了本发明的系统的概观。

图2是本发明的一个实施例中的箱的剖视图。

图3示例了本发明的一个实施例的盖组件。

图4例示了本发明的一种实施方式的箱比例。

图5示出了在本发明的实施例的箱中的液体的液流流动。

图6示出了本发明的一个实施例中的盖的横截面细节。

图7示出了本发明的一个实施例中的热交换盘管。

图8示出了用于本发明的可能的控制系统的功能图。

图9和图10显示了常规的太阳能热水系统。

具体实施方式

提供以下描述以使本领域的任何技术人员能够制造和使用本发明，并且在特定应用及其要求的上下文中提供以下描述。对于所公开的实施例的各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用。因此，本发明无意限于所示的实施例，而是符合与本文公开的原理和特征一致的最宽范围。

参照图1，示出了本发明的基本布置。该系统包括优选由塑料制成的箱8，但是在其他实施例中它可以由金属制成。塑料比金属更可取，因为塑料可增强箱壁的热阻。可以认为，用于生产优选实施方案的最经济的方法是聚乙烯波纹箱，它采用了纺丝塑料工艺。理想地，箱壁将包括诸如聚氨酯的隔热材料。聚氨酯将来可以由有机材料制成，其耐热性约为聚苯乙烯的两倍。聚氨酯可以模制或线切割成其部件设计形状。它是刚性的，并具有良好的抗压强度，能够提供额外的支撑。

箱8可以在地面上从外部安装在传统房屋的屋檐下，这是大多数常规气体或电力存储系统的通常位置。

箱8包括进水口3和出水口4，两者均优选位于箱8的顶部。水在进水口3中通过热交换器6并通过出水口4流出。这样，水不会与箱8的内容物混合。

箱还包括位于箱8底部附近的加热元件9。理想地，该元件9是DC元件，并且优选地通过箱8的顶部连接至太阳能光伏板1。太阳能光伏板阵列可以位于建筑物的屋顶上，或其他能接收足够阳光的便利位置。

在替代布置中，对于并网区域，底部DC元件可以用类似定位的AC元件代替。在白天，这允许将多余的能量从电网中倾倒掉，这很容易导致电网中可再生能源的峰值。AC增压器的额定值可以提高到3kW或更高，以便在峰值过剩供电时段内使用时可以更快地使用。可以将特殊的控制功能添加到控制机制中，并开发功能，最后与国家电力机构一起进行编程。这样，这些机构就可以从电网中释放或倾倒多余的电力，因为他们知道该能量将储存在热能中。这将减少电力机构维护昂贵的电池组的需要，并且还将减少家用系统中的消费者使用电池。水加热也可以在电网关断或低峰值时段使用，这使得消费者加热水的价格甚至更低。

在一些布置中，可以使用光伏板的替代电源。例如，可以使用风力发电机、水力电源或发电机。

箱8中充满了热交换液体7，例如添加了脱氧混合物的水，例如添加了单宁的水。

光伏板1上的阳光发电，以为加热元件9供电。在操作中，该元件9传递能量或加热箱8中的主要或热交换液体7。当液体7被加热时，其升至箱8的顶部允许任何较冷的液体7落到箱8的底部。这样，箱8顶部的液体7通常会比箱8底部的液体7更热。实际上，在某个点上，箱8中所有液体7的温度将是相似的。

在阴天、低日照时间或大量使用的情况下，光伏板1可能不会产生足够的能量来加热液体7。为解决此问题，优选的布置还包括第二加热元件5，该第二加热元件5连接至AC干线电源2或一些其他电源。该连接还优选地穿过箱8的顶部。可以认为，如果有必要，该系统可以在夜间从非峰值功率(如果有的话)完全(通过第二加热元件)得以增强，从而由于在箱中的热交换液体中保持了很高的蓄热效率，降低成本并24小时内提供相对较低成本的水。

第二加热元件5应该朝着箱8的顶部和/或靠近热交换器6定位。如果第二加热元件5位于箱8的中间或朝着箱8的底部，它将以与第一加热元件9相同的方式工作。但是，通过将第二加热元件5放置在顶部，靠近上升的热主液体，它将更好地确保热交换器6周围的液体7处于最佳或尽可能最佳的状态，在这种情况下，可能会向热交换器提供热液体。

当用户需要热水时，将冷水或自来水泵送至入口3中，或通过热交换器6以主干压力泵入。当水通过热交换器时，水从液体7通过热交换器6到水的热传递而被加热。然后，热水流出出口供用户使用。

优选的布置还将至少包括一些基本控件。控件可以检测光伏板1何时未产生足够的功率，并确定是否应该接通第二加热元件5。这样的决定还可以基于液体7的温度。例如，控制器还可以感测液体7的温度，并且如果温度下降到预定的最低温度以下，则第二加热元件5被接通。

在其他情况下，如果控制器感测到液体的温度高于预定阈值，则它将关断第一和/或两个加热元件5、9。在这种情况下，该系统还可以被配置为将从光伏板1产生的电力传递回电网。

理想地，当确定接通第二元件5时，控制器将感测箱8的顶部处的液体7的温度，并且当确定关断第一元件5时，相反地感测箱8的底部处的液体7的温度。这样，当热交换器6周围的温度低时，可以接通第二加热元件5以更好地确保热水的供应。类似地，如果靠近箱8的底部的液体7的温度达到阈值，则意味着箱中的所有液体7已经被加热并且不需要进一步加热。

如图1所示，可以将箱制成密封系统。即，通常不能从外部接近箱内的所有元件。这可能会简化安装并降低维护要求。可替代地，可以通过在箱的顶部上设置盖或其他进入口来接近箱内的元件。这样的通路将允许维修或更换箱内部的任何有故障的零件。

转到图2，示出了优选实施例。在该实施例中，箱26由波纹壁形成以增加强度。尽管也可以使用非波纹壁，但波纹的附加强度是一个优势，尤其是在运输或递送到安装位置的过程中。壁优选地由诸如聚乙烯、聚丁烯的塑料材料或适合于注塑的另一种材料构成。

塑料箱26应耐降解或变形，并在低于80℃的温度下保持完整的结构强度。认为10mm厚的聚乙烯的结构完整性可以在100℃下长时间保持完整的结构强度，并且因此是合适的选择。而且，由于这样的极端温度在本发明中预计不会发生。始终希望内部温度低于60℃，从而消除了塑料箱中的任何结构减弱问题。

在一些实施方式中，考虑到箱的相对简单的轮廓，也可以决定使用模制的基于碳的纳米技术。塑料的另一种替代方法是不锈钢或铜，但是这可能更昂贵且运输更重。塑料箱是优选的，因为它对腐蚀呈惰性，并且与金属箱相比具有更好的耐热性。

箱26可以被包裹在隔热材料21中，例如模制的或线切割的聚氨酯，以避免任何热桥连。隔热材料试图将一整夜的温度损失降至最低，目的是在大多数温带气候下的整个季节中，将系统的损失保持在每天1-3kWh或更低。优选地，隔热材料21将不粘附至金属或任何其他塑料部件。

在优选实施例中，将在构造箱之前进行隔热。隔热材料可以预形成以适合箱的确切形状。然而，实际上优选地，将隔热材料预形成以适应大体上圆柱形的箱，包括当箱为波纹状时。用于隔热的不完美的模具导致气穴，这可能是有利的。与标准系统相比，这种在箱周围组装隔热体的方法提高了箱的整体热效率。模制的圆柱状泡沫隔热材料在铝外皮上以及内部在内部塑料箱上产生较小的薄空气阻力，从而在波纹型塑料箱和接合隔热材料的相对光滑的垂直表面之间形成部分正弦波状的气隙。这种额外的表面空气阻力基本上附加于反射性外皮以及主要的泡沫隔热材料。这样可以在24小时内保持箱中的最大热惯性。

常规系统的一个缺点是通常施加注入的隔热材料，然后该隔热材料粘贴到部件并将部件粘附在一起。通过使用聚氨酯，隔热材料不应粘附在任何组件上。这将允许拆除模制的侧面隔热板，并分离顶部和底部形状的隔热材料以进行任何不太可能的维修，以及重新使用隔热板和形状。这些部件可以例如在翻新或二手维修系统中重复使用。

用于隔热材料21的其他替代材料可以包括聚苯乙烯。在优选的布置中，取决于位置，隔热材料的厚度将在35mm和125mm之间。在一种布置中，箱26的顶部和底部在顶部处由在75mm和125mm之间(优选地100mm)的聚氨酯隔热，在底部处由在40mm和60mm之间(优选地50m)m的聚氨酯隔热，以及侧面35mm和55mm之间(优选地45毫米)的聚氨酯隔热。虽然可以为所有外部部件提供相同量的隔热材料，但最好在顶部设置更多隔热材料，因为这是最热的水上升的地方，因此此处传热损失会增加。侧面的优势是在塑料箱和隔热材料之间有额外的气隙，大大增加了隔热效果。因此，需要的隔热材料很少。

此外，该实施例产生茶壶辐射的隔热效果或向内反射的辐射，从而降低了电导率，因此改善了复合壁的整体隔热效果。这减少了对箱侧壁上更厚的隔热材料的需要。热辐射从抛光的铝皮的内外表面反射回系统中。隔热材料的目的是减少箱的热损失，从而提高热水系统的能效。

隔热材料由铝外皮28或其他保护材料保护。外皮28例如也可以由硬化的塑料形成。优选地，外皮28也将是反射性的，以进一步帮助防止热损失。

理想地，隔热材料21被模制或被线切割的聚氨酯泡沫切割成两种形状。这些形状可以是围绕箱26的两个互补的部分，并由外应力铝板28固定在适当的位置。隔热层最好如下：

壁0.199W/m2K冬季最大损失0.267kWh/天

顶部0.746W/m2K最大冬季损失0.125kWh/天

底部1.456W/m2K最大冬季损失0.244kWh/天

冬季总损失＝-0.635kWh/天

在预成形的隔热件21、箱26和外部片材表面28之间的小气隙增加了整体表面的空气阻力，从而进一步提高了隔热率，超过了常规的热水技术。

箱26本身应该是完全自支撑的，隔热材料21和受应力的铝皮28是箱26的壁强度的额外增加。在优选的布置中，外皮是保持隔热部件就位并提供额外的壁支撑的铝板28。金属外皮还增加了抗机械损伤的抗冲击性。并且，提供“茶壶效应”的隔热效果，以提高整体热效率。

在某些安装中，可以决定不包括任何隔热材料或外皮。如果是这种情况，本发明将仍然有效，但是，效率将不高。特别地，预期在大多数情况下将需要更多的能量来维持期望的温度。

在一些实施例中，箱还将包括模制塑料基座27。诸如模制塑料的材料的使用减少了箱与地面之间的任何热桥连，从而最大化了隔热的效率。它还具有所需的强度并可以降低成本。

箱26中充满热交换液体，例如带有腐蚀抑制剂的水。在优选的布置中，热交换液体的性质包括4200kJ/M³的储热容量。

箱的顶部被盖14包围，盖14理想地将被模制为塑料，以密封箱26中的热交换液体。可以通过实施盖边缘夹具和密封件19来改善这种密封。箱26内壁上包括唇形件还允许盖14更容易地关断。通过使用垫圈29(图6)和盖侧夹具30，可以进一步改善液体密封。夹具30允许接近箱26的内部，同时还使组件既水密又气密。

各种部件能够穿过盖14并进入箱26中的热交换液体中。在优选的布置中，DC元件电缆壳体25从盖14悬垂并穿过盖14。壳体25顶部是DC元件端口11。DC元件9或主加热元件穿过该元件端口11，并通过连接到太阳能光伏板或备用电源的电缆朝着箱26的底部悬挂。理想地，主加热元件9也将位于箱26的中心轴线附近，并且也位于箱的底部附近。这样的布置激发了下面讨论的高效内部热分配液流。

壳体25对于本发明不是必不可少的，但是，如果需要的话，它允许更容易地维护或更换元件9，并且还可以将元件准确地定位在正确的位置。即，可以简单地通过将电缆从元件入口11拉回而将元件取出。虽然如果没有壳体，则可以将元件9卸下，但是在某些情况下，如果盖没有设计用于可能移除元件9，则需要取下盖14。

在使用中，元件9将加热箱26中的热交换液体。将加热元件9周围的液体。随着该液体被加热，它将朝着箱26的顶部上升，而较冷的液体将下降。随着较温暖的液体移动到箱26的顶部，该过程将继续。在某个时刻，箱中的所有液体将有效地处于相似的温度。实际上，有时在用水和寒冷天气下，箱顶部和底部之间的温度差可能高达10℃至15℃。

在优选的布置中，一旦液体已经达到预定温度，加热元件9将被关断直到液体冷却。这样可以防止液体过热。在这种情况下，加热元件9的功率可以被转移到其他用途。

设想到本发明将是太阳能热水系统的一部分，并且元件9将连接到太阳能光伏板。这具有提供由太阳产生的电力的优点。然而，在多云或阴天，或在低日照的区域或时间，可能没有足够的电力供应到元件9以加热热交换液体。可替代地，高用水量可能已有效地排干了系统。为了解决这个问题，箱体还包括第二元件5，第二元件5通过第二元件入口12连接到替代电源。可以预计，这种替代电源将是干线电源，但是另一替代电源可以是发电机。

以前，AC增压器总是通过立式箱的侧壁进入，并且通常朝着箱的中部放置，以适应压力型容器的开放容积和内部液流。

与常规系统不同，在本发明的优选实施例中，为了更好的操作，第二元件5将朝着箱26的顶部悬挂并且靠近热交换盘管6。这将使得热交换器6周围的热交换液体能够被更快地加热，并且当主加热没有达到满负荷时更早地提供热水。理想地，第二元件5应尽可能地集中在热交换器6的盘管上，以在寒冷或多云的天气条件下需要时增强并用作瞬时加热器元件。在优选的布置中，预期所需的增压量将是最小的。因此认为，只要第二元件5位于热交换器的空隙中，它就应足以满足要求。每天向系统提供的大部分热量将由加热元件9提供。只要增压器或第二元件5在热交换器的中央空隙内，它将按预期起作用。在某些极端安装中，确保第二元件5居中可能更为重要。

在某些应用中，通向两个加热元件的电缆可以穿过位于盖上的电接线盒或壳体13，并穿过公共导管18。这不是必需的，而仅仅是为了简化安装并确保住户不会意外访问连接。

如果被调节或期望，则还可以包括箱溢流管16。如果热交换液体膨胀，或者发生其他增加箱26内部压力的事件，则一些热交换液体将能够通过箱溢流管16逸出并方便地进入膨胀箱17。包括箱溢流管16通过有效地通过该敞开的排气机构消除了箱内部的压力，从而减轻了箱内部高压引起的爆炸危险。在一些实施例中，溢流管和膨胀箱可被构造成如果箱中的膨胀压力消退则有助于液体的返回。

在所示的实施例中，还示出了控制面板20。在这种情况下，控制面板20位于膨胀箱17下方，以便于制造。尽管在某些情况下可能不提供壳体，但是预期控制面板20将在与膨胀箱尺寸相似的壳体内部。尽管控制面板20可以向用户提供一些控制，但是应当理解，可以在没有控制面板的情况下创建系统。在这种情况下，该系统将主要是被动系统，因为这些元件将继续加热热交换液体。

在优选的布置中，取决于实现方式，控制面板20可以提供一系列功能。这些可能包括：

1.当达到预定温度时关断元件9，并且当温度降至该预定阈值以下时再次接通元件9。

2.如果温度低于预定阈值则接通元件5，并且当达到另一个预定温度时再次将其关断。

3.仅在预定时间段内进行元件5、9的接通和关断操作。

4.关断系统—例如，如果用户将离开一段时间。

5.主要用于夜间调峰的时钟机制。

参照图8，示出了一个实施例的两个控制系统—即DC加热元件控制件或主控制器43，以及AC增压器控制件或次级控制器44。DC加热元件控制件43用于控制加热元件9的操作，AC增压器控制件44可用于控制第二加热元件5。

主控制器包括第一温度传感器37，该第一温度传感器37连接至第一恒温器35，并被定位为测量热交换液体7的温度。恒温器和温度传感器可以为组合式单元，例如双金属毛细管恒温器。方便地，第一温度传感器37可以位于箱26的内部，并且优选地位于箱26的下部。理想地，第一温度传感器37将不靠近加热元件9，以便避免感测最近加热的液体的温度。优选地，不要加热后立即读取液体的温度。相对于箱顶部的液体，还优选使用箱的下部来测量名义上较凉的液体的温度。然而，应当理解，温度传感器37可以位于能够测量液体温度的任何位置，只要考虑到控制器在操作中的位置即可。

当第一恒温器35经由温度传感器37检测到热交换液体7的温度低于预定温度时，可以激活第一开关38以接通加热元件9。这可以通过允许将来自光伏板1(或其他电源)的电能引导到加热元件9来实现。当第一恒温器35经由温度传感器37检测到热交换液体7的温度高于预定温度时，可以启动第一开关38以关断加热元件9。这可以通过切断向加热元件9的电能供应来实现。

在一些实施例中，可能优选的是不具有主控制器35。在这种情况下，加热元件9将始终接通。在其他布置中，除了具有温度激活的控制器以外，恒温器和温度传感器可以用计时器代替。

在图8所示的布置中，主控制器包括第二开关39，当不需要加热元件9时，第二开关39使来自光伏板1的电能传递到逆变器40。逆变器40可以用于给用户的其他设备供电或者被添加/返回到干线电源电网。在一些布置中，第一开关38和第二开关39可以组合成单个开关，该单个开关将电力传递到加热元件9或逆变器40。

在所示的布置中，次级控制器36使用计时器41以及第二恒温器36和第二温度传感器42。第二温度传感器42可以再次位于将允许确定热交换液体7的温度的任何位置。然而，优选的是将第二温度传感器42定位在箱26的顶部三分之一中的热交换器6内。其原因在于，优选的系统旨在确保用户总是有可用的热水。因此，确保围绕热交换器6的热交换液体7处于最佳温度的期望。

包括可选的计时器41，以确保仅当可能需要热水时才接通第二加热元件5。例如，在大多数情况下，早上3点不太可能需要热水。类似地，对于有工作的家庭，在工作日的中间可能不需要热水。因此，计时器41可以被设置为仅允许第二加热元件在可能需要热水之前和期间运行。这节省了不必要的加热，因此节省了成本。

如果第二恒温器36通过第二温度传感器42检测到热交换液体7中的低温，并且计时器41指示可能需要热水的时间，则从市电或其他替代电源向第二加热元件5提供电力。当热交换液体7的温度高于预定温度时，或者计时器41指示非必要时段时，可以切断第二加热元件5的电力。

在某些布置中，可能不需要第二加热元件5。在其他布置中，尽管不太可能，但是第二加热元件5可以恒定地接通。在其他情况下，可能存在用户操作以接通第二加热元件5的手动开关。

另一选择是包括箱填充管15，如果需要，该箱填充管15将允许将额外的热交换液体倒入或泵入箱26中。在这种情况下，优选的是，箱填充管朝向箱26的底部延伸，以便不与箱顶部的较热液体混合和/或不利地影响热交换操作。在一些布置中，可以提供柔性填充管。可替代地，将使用刚性管来提供具有更长寿命的耐热热水管。填充管15还可以用于在热水系统的安装期间填充箱26，或者如果需要任何维护问题，则从箱26中清空热交换液体。再次确保填充管15朝着箱的底部延伸允许在必要时有效地将箱抽空，而无需将排放管放置在箱的底部或底部附近。在大多数情况下，也可以使用虹吸管技术代替抽吸来排空液体，或者如果在附近可以发现比填充管/排空管的底部水平较低的收集点，则可以使用重力来排空液体。

在一种布置中，填充管15可以是到箱的上部三分之一部分的铜，然后经由耐热挠性管24延伸到箱的底部。可替代地，管15可以是聚丙烯。填充管15还可以构造成连接到泵，这在现场难以排出或存储排空的热交换液体的情况下是特别有利的。理想情况下，维修人员将能够储存热交换液体，以便在维修后重新使用。

冷水入口3可以方便地连接到自来水源，或者在某些设施中可替代地连接到另一个水源。自来水通过进水口3，然后通过热交换盘管6。当水通过管/盘管时，它吸收热交换液体中的热能并加热。然后，热水继续通过管并从出水口流出。

热交换盘管6或热交换器可形成盖组件的一部分，并将有效地悬挂在箱26的盖14上，并位于箱26的中心。理想地，箱的轴线也将形成热交换器的轴线。热交换器6将方便地连接到盖14。这可以借助于进水口和出水口，但是也可以从盖或箱26的侧壁设置另外的支架。在某些安装中，可以是支架为热交换器提供所有支撑，进水口和出水口仅能使水通过。

热交换器6可以由高级铜或钛制成，或者在将来可能由基于碳纳米管的技术制成。可以使用其他材料，只要它们具有高导电性并在结构上可以承受箱26中的内部水压即可。

冷水通过进水口3进入。然后，冷水在“Y”形接头3A处有效地分成两股，Y形接头3A的两个出口进入热交换器6的独立盘管。因此，可以将热交换器视为如图7所示的双重平行螺旋形式。如果通向进水口的管的直径为1/2英寸(12.7毫米)的常规尺寸，则盘管的优选直径约为3/8英寸(9.52毫米)。在热交换器6的另一端，双盘管通过反向的Y形接头4A重组，然后将其连接到热水出口4。通过这种方式，可以有单个的冷水源和单个的热水源，但是在热交换器中的传热是通过双盘管进行的。

在某些布置中，冷水入口Y形接头3A和热水出口Y形接头4A可以浇铸到盖14中。

尽管本发明已经采用了双并联盘管，但是应当理解，也可以使用三个或更多个并联盘管。然而，可以预期的是，在大多数情况下，本装置的效率将意味着不需要更多平行路径的增加的成本和复杂性。如果使用较高的水流量或盘管中包含的回路数较少，则可以使用较高的平行路径。在后面的示例中，具有更多平行路径将有效地确保热交换液体中的管道总长度相同。

通过将盘管分成平行路径，当盘管中的水通过热交换液体时，有效地降低了主压力。从一个1/2英寸的管到两个3/8英寸的管的过渡意味着流经热交换器的总体积将略有减少，从而减慢流速并增加管中的摩擦和湍流。因此，出口处的水压只会降低约10％，但导致水龙头上的水量减少。与进口相比，盘管中的压力可降低5％至15％。因此，水流的减慢利用了箱26的顶部中上升的热量，从而允许在热交换液体和水之间的改进的热交换。

由于使用者将需要较少的热水，因此期望这种改善的热传递还将导致用水减少。从淋浴喷头出来的水量较少，因此在适当温度下产生的热水较少。由于热交换器中的摩擦和湍流会降低整个系统的有效压力，因此减慢流出系统的水量可以节省水，并且整个系统的压降很小。

3/8英寸的管6A、6B在热交换器的管中产生低水平的湍流，该湍流在500kPa水压下从进水口3开始。该流动是层流和湍流之间的一半，从而导致相对于管壁有更好的热传递速率，而不会过度降低水压。层流意味着几乎没有湍流，分子以平滑的、基本上平行的方式流动。当分子与热交换器管的热壁碰撞时，某些湍流会增加传递速率。太多的湍流会增加摩擦，并过多地降低水压。中点是优选的。期望该热交换器的效率将接近100％，以确保在通过热交换器6的稳定流动状态下，箱26中的传热液体的温度将与出水口4处的温度接近相等。

热交换器6(包括两个平行路径)的有效总长度是通过热交换液体的管的长度的量度。换句话说，如果将热交换器的盘管拉直成单个线性管，则长度将为有效总长度。每次安装的长度可以由预计该箱运行所处的气候或天气条件来确定。优选地，这些长度可以是：

寒冷的气候70-75米

凉温带50-60米

温带45-55米

高温干旱46-50米

热带25-30米

替代地，可以选择单个长度并将其用于所有气候。然而，这样的安排对于各种气候不会被认为是有效的。

热交换器可占据箱容积的顶部30％-50％(如图1和图2所示)。优选地，热交换器将占据箱容积的顶部约30％。较冷的气候将可能需要更长的热交换器，这种热交换器需要进一步向下延伸到箱中。

在优选布置中的盖14包括支撑件或支架22、23，其从盖14悬挂以确保热交换器6的铜盘管位于正确的位置。支架22、23可以由塑料制成，其形式为特殊模制的聚丁烯或其他基于碳的材料。在一个实施例中，组件的支架具有到箱26的壁的支托支撑件23，该支托支撑件又由铜管或模制的碳基材料或聚丁烯制成。

热交换器6的位置和比例独特地能够在箱中产生液流流动，从而进一步提高热交换效率。重要的是认识到本发明产生两个不同的流动。有水流过热交换器，在箱中的液流流动。因此，提到了在热交换器中的干线压力水流，不应将其与箱中的液流流动相混淆。可以预见，在世界上所有气候中，装有本箱的太阳能热水系统有可能潜在地允许DC元件和AC元件(直接和间接地通过非高峰和电网连接的偏移量)实现100％的太阳能贡献。

如图5所示，本发明中的热交换器6的构造产生了加热液体的均匀、平滑、层状垂直流32，该加热流向上穿过双盘管，并像喷泉那样在顶部向上和向外流出，以及完成其垂直上升，从内部热交换器到箱壁的液流都有一个向上的角向交叉流33，与向下层叠的垂直流动的冷却液体34相连。冷却器流向下流到箱壁的内表面。

当主和/或次级元件正在进行加热时，会出现这种一般的液流流动状态，但是当用户激活水龙头并从热交换器中传递热量时，在激活主压力热交换器时，液流会加速，并且冷液体在热交换器内向上流动，并逐渐被加热。随后终止于侧壁的较冷的较稠的热交换液体落到箱34的底部，从而通过重力驱动箱中的内部液流。

这些液流以有效且新颖的方式在热交换器周围分配热水，从而确保在大量使用热水(例如长时间淋浴或沐浴)后，为用户提供更快的温度恢复。

更笼统地说，热交换液体由元件9加热。这将起到加热箱26中的热交换液体7的作用。在该实施例中，当用户需要热水时，冷水进入热交换器6的底部。当水向上流过热交换器6的盘管时，热量从热交换液体7传递到水中。热水继续向上流动并流出热交换器6。

当水流过热交换器6时，本实施例的设计使得在热交换液体7中形成液流流动。当冷水流过热交换器6时，热量从热交换液体7传递到水中。这导致在转移点处的热交换液体7冷却。冷却的热交换液体7已经将其热量传递到流经盘管6A、6B的水中，然后将沿着箱26的壁向下倾泻34。冷却的热交换液体7随后将被加热元件9加热。

当加热元件加热热交换液体7时，热交换液体7穿过箱26的中部上升32。热交换液体7继续穿过热交换器6的中部上升。液流流动，从而使热交换液体7在内部盘管6B上并在内部盘管6B与外部盘管6A之间通过。当热交换液体7围绕盘管6A、6B时，它可以将其储存的热量传递到盘管6A、6B内部的水中。

该液流路径产生有效的流动，该流动基本上确保加热的液体不与冷却的液体混合，并且加热的液体围绕热交换器并且在发生热传递时被有效地替换。

在优选的布置中，热交换器6可以由高品质的铜构成，具有两个平行的管，所述两个平行的管从在盖14上方的、进入的冷水供应管3分离成浇铸到盖14中的“Y”形接头，并且形成两个3/8英寸(或作为替代热交换器为1/2英寸的管)的管，该管向下延伸到箱26内的热交换器6组件的底部。方便地选择3/8英寸或1/2英寸的管，因为它们是标准可用管。如果需要，可以使用其他尺寸，但是可能需要自定义尺寸的管。

每个管弯曲成平行向上的螺旋管的内侧6B和外侧6A，以形成热交换器。理想地，对于300升的箱，外管6A需要从箱26的内壁向后缩回约90mm。在优选的布置中，热交换器的外管6A可以具有从箱26的内部的中心线到管中心线的大约157.74mm的半径，并且内管6B可以具有从同一点到管中心线的大约147.74mm的半径。

这在内部和外部向上螺旋盘管之间产生了大约15mm的间隙。盘管优选地以大约12.7mm的间隔隔开，因为它们向上盘旋至盖14的下侧，盘管从盖14悬挂。

两个管的这种螺旋从盖14的底部开始一直延伸到大约55毫米，从而为从箱6的中心区域中的热交换器6组件的空隙内流到热交换器6和箱26的壁之间的外部间隙中的热流液流形成了必要的间隙，连接从箱26的内部向下层叠的冷却剂热交换液体。

当两个平行的管到达顶部时，它们连接另一个“Y”形接点4A，即出口4，并融回到从盖14伸出的1/2英寸的管中。这成为为建筑物出口服务的热水供应管。

在温带气候下，设想外部盘管的匝数为24，内部盘管的匝数为23。

除了热交换器6通过防水螺纹连接到两个盖铸入的“Y”形接头之外，还可以通过特殊形成的结构支撑来提供额外的支撑，该结构支撑有助于将热交换器6从盖14上悬挂下来。为了这样的安装，可以具有更坚固的塑料悬挂支柱，带有特殊的槽口，以将内侧和外侧的铜盘管牢固地并紧紧地保持在适当的位置，并将它们分开保持在盘管之间的空间中，从而为向上流动的液流形成间隙并保持内管和外管中螺旋管之间的间隙。

热交换器6的平行盘管可以通过塑料结构支撑件22保持在一起。支撑件可以例如由模制的聚丁烯或具有所需结构抗拉/抗压强度同时还耐温的类似材料制成。在一些布置中，可以在热交换器6的周围均匀地间隔开四个支撑件22。支撑件22可以从在热交换器26的顶部和底部处注入箱26的内部的定位槽口模制凸起悬挂。支撑件22可以是曲棍球棒，成形有模制的凹槽或金属，可以按所需的间距夹在平行格式的盘管组件中。

这些可以提供更大结构整体性的支撑件也可以方便地连接到盖14，以进一步将热交换器牢固地稳定在位置22。这在防止运输期间的移位以及安装期间的搬运方面是特别有利的。

在热交换器26的底部，曲棍球棒状的支撑件22可以整齐地放置在从箱14的壁铸成的带槽口的凸起中。在这些支撑件的底部，特殊的臂可以伸到中心位置，从而固定元件电缆壳体25以及填充管24。

这种相对开放的构造应当对箱26中上升的热水流提供最小的阻碍。这种布置使热交换器6远离内部箱壁和当水流过热交换器并被热交换器加热时，顺着箱26的内表面落下的冷却器使液体倾泻。

在一些实施方式中，箱26还可以包括电接线盒13，如图3所示，以容纳到两个元件的电力电缆。包含接线盒可以有效地弄清楚进入系统的电气设备的存放位置，从而简化安装。该盒也可以是附加的安全功能，并有助于防水连接。

现在转到图4，列出了优选实施例的相对尺寸。我们将假定该箱的设计容量可以加热300升生活热水。然而，将理解的是，可以使用以下所述的相同比率或相对性来使用较小或较大容量的箱。

提供300升热水的优选布置将在箱26内包括约300升的热交换液体。为了实现这一点，箱的直径B将在400mm和600mm之间，并且优选地约为500mm，在箱的盖和内底板之间测得的高度A为在1400mm和1600mm之间，优选为约1500mm。

如图4中的项E所示，主元件9可以从盖14悬垂在距主元件9的中心线1000mm和1300mm之间，并且理想地将从盖的底侧悬垂大约1300mm。优选的是确保在箱26的底部和元件9的底端之间保持100mm的间隙。

箱26的尺寸确定为将热交换器6容纳在如箱26的项C所示的顶部三分之一位置。对于温带气候应用，C优选地在500mm和700mm之间。对于从较小尺寸的热带地区到较大尺寸的寒冷冷气候的气候，C值最好在270毫米和1000毫米之间。当主元件9加热时，热交换液体将从箱26的底部连续升起。主元件9相对于侧壁居中定位，以连续加热热交换液体，从而加热热交换器6，并可以通过壳体25保持在适当的位置，壳体25本身可以通过侧向支架23连接到热交换器6的底部。

在优选的布置中，热交换器6包括两组盘管。热交换器6的外部盘管可位于盖14的下侧下方55-75mm处，如由项F标记所示，并且距箱26的壁的内表面90-100mm处，如由标记G所示。在一个实施例中，热交换器6位于盖下方55mm处，并且距侧壁90mm处。

认为该相对间隔允许用于倾斜冷却内部下降的热交换液体的理想空间以层流方式下降，从而不会干扰上升的热交换液体通过箱26的向上移动的中央区域并通过热交换器6。

盘管6的每匝相隔在9.52mm和15mm之间，理想情况下，相隔12mm，如项H所示。标记为项I的两个平行匝之间的间隙相隔在15mm和25mm之间，最好相隔15毫米。热交换器的直径到边缘约325mm。可以认为，该间隔使得在两个平行的盘绕部分的整个长度上，热量能够更有效地分配到所有热交换器管的外表面。

此外，在顶部(在盖下方)F的间隙的比例以及到箱G的侧面的间隙的比例产生了平滑有效的层流式流动状态，因此上升的热水不会与已经出现在箱内表面上的下降的较冷水混合。

如图4所示，优选实施例的相对比例为：盖间隙：侧间隙：螺旋管之间的垂直间隙：平行盘管组之间的间隙(F)：(G)：(H)：(I)＝(55-75)：(90-100)：(12-15)：(15-25)。该比率可确保正确的液流状况，以使箱在大多数(即使不是全部)气候下也能更有效地工作。

对于在温带气候下使用的箱，热交换器6具有在300mm和400mmm之间的直径，标记为项D。当箱B的内径为500毫米时，该直径优选为约325mm。对于300升箱版本，项A可以为1500毫米。应当调节直径D，以适应各种气候区域的热交换器的长度。

预期对于300升的箱，D将被固定，但是随着较大的箱，D将成比例地增加。例如，一个450升的箱可能导致D变为约402毫米。C的尺寸可能取决于盘管的匝数。例如，在热带气候中，C可能约为140毫米，在寒冷的气候中约为900毫米，而在温带气候中约为597毫米。

表1提供了各种气候所需的推荐的总体系统配置。

表1—气候区建议的系统规模

可以看出，大多数气候只需要为300升箱26使用多达4/320W的光伏板1(尤其是在多云条件下具有更高性能的那些板)。这样的阵列应通过代表足以完全加热静态箱的功率的1.2kW额定直流电阻元件9传递热量，而不会在温暖和夏季月份一整天的日照中进行增压。在冬季和季节中期，贡献率将达到60％-90％，其余部分将根据需要通过AC增压器元件5提供。

增压器元件5的尺寸在热带和炎热气候下可以设定为1kW，在凉爽和温暖的温带气候下可以设定为2kW，而在非常寒冷的气候下可以设定为3kW，这应该能够满足大多数国内需求。在寒冷的天气中，这种AC增压器元件5实际上可以在高使用时间内充当瞬时增压器。然而，由于本发明的热惯性益处，对于普通家庭使用而言，这种需求是不可预期的。

本发明提供了一种最大化太阳能贡献的非常有效的方法。底部的主要热源以及箱顶部三分之一的辅助增压系统可以确保在整个300升中维持50℃的温度，而不是像大多数常规热水系统那样，仅在箱顶部保持50℃。

本发明的箱解决了与标准太阳能热水系统相关的许多问题。

也消除了一些常规系统中所要求的对牺牲阳极的需求以及与之相关的维护要求。本发明不是压力容器，也没有任何容易腐蚀的部件。所有金属配件和固定装置都可以是铜或黄铜，并且主要液体可以用单宁添加剂处理。

用于与住宅的干线冷水连接的边界处的压力(500kPa)的限制，并且因此使这种阀远离热水箱减少了潜在的基准水垢的形成。

止回阀的位置远离热水源，与大多数系统(3)相比，具有不腐蚀或结垢的优点，建议最小200mm。如果止回阀太靠近提升冷水供应的箱的热水，并且又太靠近，则止回阀将一直处于加热状态。这将通过腐蚀和可能沉积的盐过早地降解阀而增加降解。

优选实施例的一个独特特征是，箱的所有内部部件都悬挂在箱26的顶部或盖14上。应当理解，在某些布置中，盖可以替代地是箱的组成部分，因此不可移动。通过确保组件从顶部进入，意味着侧壁上不需要穿透。应当理解，没有穿透意味着侧壁没有产生薄弱点或潜在的泄漏点。现有系统的已知问题是在贯穿孔周围可能发生泄漏。迄今为止，这只是一个公认的问题。传统设计要求侧面穿透进入箱。这些侧面穿透被认为是必要的，并且作为响应采取步骤来尝试，以尽量减少任何泄漏或其他问题。但是，问题仍然存在。

使用特殊的主压力双螺旋高档铜盘管(或基于金属或碳的替代)热交换器(1/2英寸至3/8英寸的管)。这样可确保所用的惰性水直接来自总管，避免了通常与热水主压力容器相关的任何细菌问题。

为主要液体设定的50℃极限还减少了锅炉垢或靠近系统的阀门钙化的任何可能性，从而消除了维护要求。它还消除了对箱本身的任何泄压阀的需要。

塑料内箱26和盖14确保完全惰性的腐蚀环境。对于在热水系统(尤其是间接系统)中使用，这是一个巨大的优势。

该惰性耐腐蚀环境可以通过使换热液体中的氧气脱氧并限制细菌的生长而扩展到热交换器。这可以通过用单宁除氧剂处理换热液体来实现，实际上可以完全保护箱内的所有金属成分和固定装置。这样可以消除热交换器外表面或箱内部在内部定位的任何金属配件或固定装置的腐蚀。

用纺丝或模制塑料(例如10mm波纹状聚乙烯)26制成的箱本身没有腐蚀问题。该惰性箱在涉及的工作温度下具有充分的结构强度，并且在额外的支撑下通过隔热和外部受压的外皮完全隔离而确保非常长的使用寿命(可能长达40至50年)。塑料盖14在盖表面的底部必须承受的最高温度约为54℃，并且聚乙烯在80℃下保持化学稳定。盖组件非常坚固，且隔热效果良好，并且没有对任何穿透孔施加水压，因此与常规系统相比，更易于为箱防水。

主加热元件9可以是可能由不锈钢制成的直流电阻型，并且由于所产生的处理水环境而不会受到腐蚀。DC元件9通过防水、耐热的柔性电缆从入口11向下悬挂在管状壳体25的下方。在不太可能需要不断更换的DC元件的情况下，所有这些都可以从箱顶部的DC元件入口11进行检修，然后将其撤回，更换并顺着管下放回其在箱E中的正确位置，至中心线位置。

本发明的热交换器唯一地平衡了热交换速率和水龙头的使用速率，这在太阳能热水系统中以前没有得到适当解决。这意味着，由于下降到箱侧面的冷液体不与箱上升的热液混合而直接流到箱底部，因此热交换液体的温度降是最小的。箱的顶部三分之一被双平行流热交换器完全占据，因此总干水供应始终保持最高温度。

主要热源的这种并列放置比其他立式热水箱更好，并且预期在主出口4处的自来水温度的恢复将比其他热交换系统更快。这是因为新鲜的热液体源不断地从底部升起以代替经由顶部的热交换器6使用的热液体。

该布置的优点在于：向上流动的加热的液体穿过热交换器的中部，并且不与倾泻的周边液流混合，这会产生不必要的湍流，从而减慢了热交换器周围来自中间空隙中上升的热量以及热交换器的平行盘管之间的间隙的热交换。

基于热模拟，申请人认为，本发明极大地提高了热水箱的热效率，从而使一次流体中的热惯性策略在24小时周期内非常有效。认为本发明的效率是常规热水箱的3至5倍。这部分是由于超出反射表层的表面空气电阻的热阻增加，以及由于在刚性模制隔热层之前的波纹、塑料箱和铝外表皮的茶壶作用而产生的气泡。这样可以在需要的时候在夜间非高峰供电期间进行任何必要的增压。

在本发明的优选实施例中，箱的效率与非峰值增压系统一起使得能够直接或经由电网使用PV以经济地加热水。并网光伏替代方案允许将多余的可再生能源倾倒到热水箱中，而不是唯一地排入昂贵的电池系统，从而有可能降低消费者和公用事业公司的储存成本。该设施还增加了公用事业公司的管理灵活性，减少了可再生能源向电网的过度供应，并协助公用事业公司管理电网系统中电力供应的稳定性。

本发明的另一个优点是减少了对回火阀的需求。如背景技术部分所述，常规的热水系统包括多个回火阀以释放压力和/或减少冻结。在许多情况下，这些可以被视为安全功能和必需的标准。在本发明中，回火阀不是必须的。这是因为包括任何使用过的添加剂的热交换流体以及通过热交换器的干线压力水的分离消除了压力积聚的风险，因此消除了对泄压阀的需求。然而，如果标准要求使用回火阀，则本发明可以在系统的出口处包括一个回火阀。如果需要，将热水箱限制在一个阀内，可以降低生产和维护成本。

在整个说明书中，对“一个实施例”或“实施例”的引用表示结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指的是同一实施例。

此外，可以以任何合适的方式以一种或多种组合来组合特定的特征、结构或特性。应当理解，本领域技术人员可以以与上述方式不同的方式来实现本发明，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出变化。

在本说明书中包括对文档、设备、动作或知识的任何讨论以解释本发明的上下文。不得认为任何材料在任何国家，在与本说明书有关的专利申请的提交日期或之前构成了现有技术基础或相关技术的常识的一部分。

Claims (15)

1.一种热水箱，包括：

外壳，所述外壳封闭包含热交换液体的腔室，所述外壳包括基座、侧壁和盖；

热交换器，所述热交换器包括从所述热交换器的第一端到所述热交换器的第二端延伸的多个平行盘管，所述多个平行盘管包括内盘管和外盘管，其中，所述热交换器限定：

在所述内盘管和所述外盘管之间的间隙；和

中央空隙；

连接到所述热交换器的第一端的冷水入口，所述冷水入口从第一直径过渡到多个平行盘管，每个平行盘管具有比所述冷水入口小的直径，所述多个平行盘管重组在连接到所述热交换器的第二端的热水出口处，其中，所述热交换器位于所述腔室的中线上方，其中，所述中线大致位于所述盖和所述基座之间的中间；

连接到第一电源的电主加热元件，所述电主加热元件用于加热所述热交换液体，所述电主加热元件位于所述腔室的下部中，所述电主加热元件从所述盖或穿过所述盖悬挂在所述热交换液体中；

连接到第二电源的第二电加热元件，其中：

所述第二电加热元件与所述第二电源之间的连接穿过所述盖；并且

所述第二电加热元件朝向所述腔室的顶部并在所述热交换器的中央空隙内部定位，

其中，所述热水箱还包括：

主控制器，所述主控制器包括：

连接至第一恒温器的第一温度传感器，所述第一温度传感器位于所述腔室的下部，远离所述电主加热元件；

第一开关，所述第一开关配置为：

响应于第一温度传感器检测的所述热交换液体的温度低于预定温度，被激活以接通所述电主加热元件；并且

响应于第一温度传感器检测的所述热交换液体的温度高于所述预定温度，被激活以关断所述电主加热元件；

第二开关，所述第二开关配置为在所述电主加热元件关断时，使来自第一电源的电能传递到逆变器，所述逆变器电连接到干线电源电网；

次级控制器，所述次级控制器包括：

计时器；以及

连接到第二恒温器的第二温度传感器，所述第二温度传感器位于所述腔室的顶部三分之一中的热交换器内；

其中：

所述次级控制器配置为当第二温度传感器指示热交换液体的温度低于预定阈值并且所述计时器指示需要热水的时间时，激活第二电加热元件；并且

所述次级控制器配置为当第二温度传感器指示热交换液体的温度达到另一预定阈值或者所述计时器指示非必要时段时，切断所述第二电加热元件。

2.根据权利要求1所述的热水箱，其中：

所述侧壁是波纹状的；

所述外壳被包裹在隔热材料中，所述隔热材料预形成为容纳圆柱形轮廓以包围所述外壳；并且

所述侧壁的波纹在所述隔热材料和所述侧壁之间提供部分正弦波状的气隙。

3.根据权利要求1所述的热水箱，其中，所述电主加热元件是DC元件，并且所述第一电源是光伏板阵列。

4.根据权利要求1所述的热水箱，其中，所述电主加热元件是AC元件。

5.根据权利要求1所述的热水箱，其中，所述冷水入口、所述热水出口和所述电主加热元件穿过所述盖。

6.根据权利要求1所述的热水箱，其中，所述电主加热元件被容纳在壳体中。

7.根据权利要求1所述的热水箱，其中，所述热交换器位于所述腔室的上半部中，并且所述电主加热元件位于所述腔室的下三分之一中。

8.根据权利要求1所述的热水箱，其中，所述电主加热元件位于所述基座附近。

9.根据权利要求1所述的热水箱，其中，所述电主加热元件大致沿着垂直穿过所述箱的中心线定位。

10.根据前述权利要求中任一项所述的热水箱，其中，所述冷水入口通过所述盖连接到浸入所述热交换液体中的所述热交换器的第一端的第一分流器，以及所述热水出口通过所述盖连接到所述热交换器的第二端的第二分流器；并且

所述热水箱包括穿过所述盖并朝向所述基座的元件壳体，所述元件壳体适于将DC电主加热元件定位在所述基座附近以加热所述热交换液体，所述DC电主加热元件连接至光伏阵列。

11.根据权利要求1所述的热水箱，其中，所述第二电加热元件是通过所述盖连接到干线电源的AC元件。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的热水箱，其中，所述热交换液体是用单宁处理过的水。

13.根据权利要求1至9中任一项所述的热水箱，还包括填充管，所述填充管穿过所述盖，以使得能够将所述热交换液体添加到所述外壳中或从所述外壳移除。

14.根据权利要求1至9中任一项所述的热水箱，其中，所述外壳是塑料的。

15.根据权利要求2所述的热水箱，其中，所述隔热材料被包裹在反射性铝外皮中。

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