CN112523548A - 一种太阳能取暖别墅及对应取暖方法及所含部件 - Google Patents

Abstract

一种太阳能取暖别墅及对应取暖方法及所含部件。所述属节能减排和建房和家具领域，可结合水箱做消防。可助力郊区就业和幸福指数，疏散城市拥挤。附图别墅表面是2层，实则是4层且各具特色，并能发挥特色；所述别墅方案中，包括多功能移动灶台与多功能移动墙柜，功能丰富，灵活便利，结构简明。所述【太阳能取暖】：用黑色百叶窗或黑色带或黑遮阳网把楼下阳光转化为热能，累加到楼上，作为白天采暖；用直式抛物太阳灶(此处创新包括：抛物拆分，双管双焦，保温光罩，轨道跟踪)加热2吨水，作为夜间取暖和热水发电储能。结合上述可衍生产品，如集群阵列工程，智能家居系统，等。取暖能耗巨大，用【太阳能取暖】渐代【煤和电取暖】是必然趋势。

Description

一种太阳能取暖别墅及对应取暖方法及所含部件

技术领域：

所述属于【太阳能取暖+热发电+郊区别墅】项目，属节能减排和建筑领域，并结合水箱滴灌做消防等智能家居系统。适用于民居或学校工厂和边疆哨所等。

能源领域中，油气挖煤深掘和水电拦截，会加剧地下河，导致北方局部河枯水降与沙化等，所述项目若被普及，将渐替挖煤取暖煤电等，或能缓解河枯水降，助力能源转型，助力郊区就业与幸福，进而疏散拥挤，遏制炒房误导。

背景技术：

百度别墅图片，百度统建新村，传统4合院等，有太阳能取暖，但很罕见；

现有直式抛物太阳灶，没有保温光罩和轨道跟踪技术；

至于煤电锅炉等取暖，无需描述。热发电专利检索与本方案不同。

现有太阳能取暖创意，至今均未普及：有视频在建筑采光面贴满集热板加热30吨左右水。北京平谷等地有在房顶铺集热板的，为防冰雹集热板采用高成本加厚钢化玻璃。赤峰松山区东山湾有农户用16组太阳能集热管加热1吨水取暖。

上述三者均为1层脊式房。10年前，我访问了后两种方案实施例，功率并不能满足取暖，还是要追加锅炉，且春夏秋存在热水闲置和设备干烧弊端，上述两种方案实施，国家都给用户补贴了一半费用：说明国家对太阳能取暖的重视。

所述设计，用黑色百叶窗原理加热空气，通过楼板孔道(或空心砖，或砖缝)，将楼下阳光热能累加到楼上，用作白天取暖；

用升级后的抛物太阳灶，加热2吨水用作夜间取暖和发电；

用多功能移动灶台替代锅炉房(用于阴天取暖)；其他细节优化，见发明内容介绍。

结合附图说明，介绍发明内容：

所述属于中低端技术，但性价比才是择优关键。申请发明专利，定性理由有5：

1：图1所述【太阳能取暖方案，别墅方案】，对应全新的生活理念，如：所述别墅，表面是 2层，实为4层并各具特色，且能充分发挥特色。详见后续。

2：所述太阳灶做了【抛物拆分，双管双焦，保温光罩，轨道跟踪】，加热2吨热水，用作夜间取暖和发电。详见后续。

3：所述黑色百叶窗原理：外侧是玻璃或阳光板等，夹心是黑百叶或多层黑色遮阳网或多层黑色带，内侧是多层保温帘或保温板。当光线照射到夹心向内反射，实现多次光热转换后的能量，累加到楼上，用作白天取暖或局部取暖。见图2。

黑百叶高效，黑色带和黑遮阳网便宜(现今遮阳网市价，约1元人民币/m²)。

即，所述节能要素：1，一楼二楼朝阳面全面积采光。2，所述黑色百叶窗原理。

3，所述太阳灶加热两吨热水。4，保温墙。5，地下室储冰制冷。6，发电潜力。

上述节能要素中，二楼全面积采光，此处可结合落地窗护栏与窗台构成矮柜。窗台上下可养花种菜，当花盆等做美学设计，无需频繁清洁，矮柜可选玻璃门。

冬季阳光斜照黑百叶，会因向内侧黑幕反射，使透过的光热转换接近99％，见图2。

光热转换后，热气上升并继续被加热，经二楼可局部封堵的楼板孔道(或空心砖，或砖缝)，形成地暖或暖气，即将一楼能量累加到二楼局部，作为白天取暖：

黑色百叶，可以一面灰白，一面黑色。参考多层传送带，可用【滚轮+柔性黑色带+鱼线】替代黑色百叶，完成层层百叶的收放。也可用黑遮阳网。见图2。

所述黑色百叶窗局部供暖说明：用升降板条机构堵住或开通局部楼板孔道，使热气流到达指定区域，此处可结合手动设置做自动控制：用戊烷等混合液驱动柱塞，热气上升后戊烷气化顶开板条，低于10-30℃戊烷液化，见图3，图3装置命名为【感温驱动塞】，可用于感温自动控制，(所述项目发电有备用戊烷，可在地下冷库拆装感温驱动塞)。春夏秋百叶收起。

4：据实估算：家庭用电每年约1000度，而2kw加热器供1个房间取暖，按24小时工作100 天，需4800度电。即，取暖能耗超过家庭用电的5倍。光此一项，所述就势在必行了。

5，因【太阳能取暖方案】与【别墅方案】侧重【结合后】发挥效能，当然也可拆分做集群供热，如：为小学或乡镇政府与派出所或大厅办公等白天供暖，可用黑百叶窗原理结合围墙或立柱做阵列工程，用风机输送热气进教室。或用所述太阳灶或太阳能集热管等做阵列工程，为整栋楼做集群供暖。

所述别墅【表面为2层，实为4层且各具特色，并发挥特色，可拓建】说明：

1，地下室，墙壁保温，北方可用来储冰，或浇筑冰池(防冰胀，如：加微型水泵，用温控定时喷泉，或秋冬排水制冰块)，或用塑料水瓶或水桶，或专用储冰的薄塑桶(立面呈曲折支撑筋，可搬走，最上留有结冰膨胀气孔)，可多层垒放在地下室货架上。冬季地下室通风，可完成自动制冰。此时地下室可以设计成冷库及夏季制冷源，冷库可以是冰箱容量的上百倍。西北等干旱地区，可收集雨水过滤入地下室。地下室可拓建加大储冰量，位置由用户自行决定。

相对【一楼二楼尽量减少立柱，有利于空间使用的灵活性】，地下室无此顾虑，即便使用承重梁或用组合立柱(立柱上部撑锥架：扩展承重面)，成本也不高。

2，一楼，冬季一楼阳光通过黑色百叶窗转热能累加到二楼。可无围墙，或利用院墙，用作车库仓储，可做夏卧，可做底商，可做工作间，甚至鱼池泳池等。

3，二楼起居，利用可移动墙柜，随二胎人数变更，房间变更灵活。可用移动灶台及墙柜变橱柜，冬季在南侧做饭/夏季在北侧；冬卧夏卧衣柜和床上用品各归各室；二楼可随时变更打乒乓等。一楼二楼北墙可设垃圾通道，并做垃圾分类(可燃垃圾可在冬季阴天烧掉)。

4，楼顶，当太阳灶安装在楼顶时，可借助加强防风护栏，做更多生活设计，如：晾晒休闲，养狗，儿童娱乐场，可用作阳光房立体滴灌养花种菜，可用多功能移动灶台为阳光房补充CO2。因百叶窗是局部对流，无需所有楼板浇筑孔道，加强局部楼板承重设计，把土装入适当大小的缸盆或装饰台内，可种葡萄(或利用阳台加强承重墙等，将葡萄种在二楼窗内承重区，延伸到楼顶葡萄架上，冬季收回室内)。同时结合室内水箱和楼顶滴灌等，做消防设计。

若统一排污，所述建筑排污设计简化；否则，可结合沼气池和阳光房细化设计。

上述4层细节，用户可根据四层特色，自己灵活设计，实现方法都很常见。

所述【太阳能取暖中的直式抛物太阳灶】说明，见图4：

图中前后固定角钢1和4，与楼顶受力点紧固。电机减速器8是双输出，连驱动轴2，收放钢丝绳，牵引镜面沿轨道支架7旋转。镜面定形方式见抛物定形筋6。多云转晴出太阳或朝阳升起，系统启动跟踪太阳，同时启动水箱中水泵供水，经水管3加热返回，水管3略倾斜，停止供水后管中水自动流回水箱，防冻管。

传统太阳灶，优缺点说明：淘宝【太阳灶】【太阳能电池板】，调查1m²左右价格等，可直观感受太阳灶性价比的优秀：若低于500瓦，很难快速烧开一壶水。但传统太阳灶仍有缺陷：

缺陷1：壶底或锅底反光，聚焦后，无法实现二次甚至多次光热转换。

缺陷2：无保温。缺陷3：无自动跟踪，中途无人操作时，光路会偏移泄露。

抛物太阳灶与太阳能集热管存在【互换性】：若集热管更好用，本方案会放弃。但太阳灶回收性更好。若引发优胜劣汰，希望【集热管企业】客观面对性价比，价格战_未必能突围。

所述太阳灶，力争最大程度弥补传统太阳灶的缺陷，

先进性体现在：抛物拆分，双管双焦，保温光罩，轨道跟踪：

抛物拆分：上下抛物线，焦距略有不同(也可以相同)，焦柱位置可调，如垫高下侧镜面仰角。

保温原理：把保温杯倒扣在蜡烛上方，杯中热量流失缓慢。

双焦的作用：一个焦点是死的，两个焦点是活的，后者容易做出光路控制。

保温罩作用：阻止热逃逸，并与光罩合二为一，固定在轨道支架上。

光罩的作用：焦柱入射照在两根黑管的侧面和光罩内，并使黑管反光和光罩反光向光罩内反射，再次被光罩反射后，再次照在黑管上，即阻止光能逃逸。

双管的作用：加大换热面积，增加换热功率。双管通过180度弯头连接，双管略倾斜，当水泵停止供水，确保管中存水回流到水箱中，防冻管堵塞。

管材，首选【外表面发黑的铝管】，若有更优选择，必然替换。

此处【黑管换热功能】，或将光能转热能并存储于水中，或转热能直接发电。

轨道跟踪说明：

现有单焦点直式抛物太阳灶，多以抛物原点附近做轴线跟踪，聚焦光柱随动。风力作用下，对应受力特征与成本未必最优。我选择钢丝绳牵引轨道跟踪。

图4中，轨道支架7的轨道由上下两根圆弧构成，下侧圆弧承受镜面压力，上侧圆弧起辅助稳定作用，轨道截面未做防雨防冰冻处理，初步想在铸造定型时，将上侧辅助轨道加宽或加罩，导引水流使水流避开轨道与滑轮。但这仍难确保防冰冻，暂定雨雪晴后人工观察清理。

室外电线电缆也需做防护处理，否则易老化破裂。

若放弃轨道跟踪方式，将保温光罩固定，用螺杆带动镜面沿旋转轴旋转，令上下镜分别跟踪，根据焦截面变形后光路，调整保温光罩与辅镜设计，此时，因焦截面光路变形太大，实现可能性太小，未来若研发团队空闲，或会探索，此处对应光路设计升级空间，即产品成长空间。

光路设计，方法说明：

1，【设备仰角】，【设备广角+跟踪广角】，术语定义：

设备仰角：夏季太阳仰角高，对应设备仰角高。

设备广角：聚焦状态，两条抛物线最外端点的反射光线，构成的角度。

跟踪广角：夏季太阳仰角最大，对应跟踪范围角最大，即跟踪广角最大，因为夏季不需取暖，所以当时的轨道支架设计，是按照冬季仰角范围做参考的，跟踪广角过大，本方案会出现过多的轨道支架裸露并造成光线遮挡。

2，焦截面，阳光锥角说明：曾经的初中物理，常设定太阳光为平行光，实则是锥形光，导致难以理解光线波动性和粒子性和棱镜分色。即，设计保温光罩时需提前测量阳光锥角，确认焦距处的焦柱直径，而焦柱的横截面，即焦截面。之后保温光罩的光路设计才会符合实际。

3，当单焦柱随太阳跟踪旋转，设备广角+跟踪广角≥180°时，不可能实现焦柱被保温光罩全部吞入。而抛物拆分后两根焦柱广角变小，且两根焦柱位置可调，结合辅镜，易实现焦柱被保温光罩高效吞入后光热转换，这是现有抛物聚焦所不具备的。最初的实验，上抛物镜焦柱通过保温光罩外的辅镜将上焦柱反射进保温光罩，性价比不如【把辅镜置于保温光罩正下侧，见图6】。

4，抛物镜跟踪太阳时的旋转轴线，即设备旋转轴，与两个焦柱之一，可以重合，可以不重合。

两条抛物线各自跟踪角度极限范围不同，分别绘出两条抛物线的极限边界反射光锥线路；或分别指定跟踪仰角如20°/40°/60°，可以直观感受焦柱附近的光路特征，以此作为光路控制设计，使能量进入保温光罩。见图7。

图8中的【跟踪定位传感器】固定在上下两抛物镜4之间，随着设备跟踪旋转。

图中1是镜面支架，2与3分别是上光敏电阻和下光敏电阻，两个光敏电阻封装在光栅罩内。当确认有太阳时，若2与3均无强光照射，说明需要加高设备仰角，即令镜面向下运动。当 2与3均被强光照射，说明需要降低设备仰角，即令镜面向上运动。当2与3光照强度差异较大时，设备停止不动。缩小2与3上下间距，可提高跟踪精度。

图8.1东侧漏光，可垫高镜面右下角调整。当光罩外没有光斑，光罩内越刺眼效果越差。农村实验和加工条件差，导致多出12米管回路散热(见图5)，所购发黑液效果极差，当用铝管发黑，将远超曾经实验光热转换效率，再用规范磨具等先进工艺，缩短散热管路(将水箱直接安置在设备下方如楼上楼下，太阳灶在地面上时水箱就在设备下)，性价比必然更高。

【直式抛物太阳灶控制系统】说明：

1，用两个防雨限位开关，做上下限位，限定镜面旋转行程。

2，感光设计：用1个防雨雪的光敏传感器，检测太阳，确认跟踪与不跟踪两种状态：将光敏电阻置于开有玻璃窗并防雨雪和结露或带有测风传感器的金属盒内，经运放放大比较，做I/O 或A/D处理，用来确认昼夜阴晴，决定跟踪状态。进入跟踪工作状态时，启动水泵供水。

3，跟踪定位传感器设计，不仅需要防雨雪，还要防尘，见图8。

4，防风，一年四季总有几次狂风，对设备构成威胁，所以要追加防风护栏。

设备防风，迎风面积需最小化，对应设备仰角最大，即，令设备触碰到轨道支架下面的限位开关。但下雪时镜面需接近直立，不能被雪覆盖，即，需要令设备触碰到轨道支架上面的限位开关。此处优先防风，风过后的下雪状态，再让设备直立。但【下雪检测】很难找到方法。所以在没有风没有太阳时，可令设备回到直立状态，即，无阳光时令设备触碰轨道支架上限位，起风时触碰下限位。有阳光风大时不跟踪(或只跟踪中午时段)。

风力传感器，可参照旋转码盘原理，如：用1x10x50mm的圆角矩形板条拧成螺旋桨，中心打孔，用螺栓依次穿过并固定螺旋桨小轴承和磁环，用霍尔元件检测磁环旋转频率，并固定在室外设备附近季风风口区域。小轴承所对应轴承座再加竖直旋转轴及电位器，做风向测定。

5，设备自检，声光报警，人机界面，手动控制，相关功能都是常见的电子技术，

所述【直式抛物太阳灶控制系统】，功能简单，易疏漏处，上述都做了说明。

衍生产品设计说明：

1，水箱与水路设计思路，如：做饭洗澡洗衣服，可直接用热水箱内被加热过的干净热水。冬浴废水，冷却后再排水。淘米等用【发电系统冷却器】所在冷水箱中温水，即，冷水自动由水箱底部补充。利用热升冷降原理，水箱内可做分层处理，在底部补充冷水，太阳灶水路输入，也是来自水箱底部。因水箱设计，要结合热水发电验证，此时尚难以定型。

废水无需苛求过滤，可用来浇灌拖地洗污或供给马桶。追加的水箱和水龙头成本，比对节水成本，对于干旱区或能被选择，并被政策鼓励。

2，多功能移动灶台：见图9和图9.1，结合型材和四框标准件系列，做长方体和板材承重筋，整体比门略窄，四侧面可打开并完成水平支撑，展开后总长可达2米以上，可作餐桌，可烧烤，可火锅，可加装篷布做生意，或嵌入电磁炉，或嵌入壁炉加热2吨热水箱并连通空心立柱烟道(烟道除尘，可为阳光房补充CO2)，细节都是常见设计，属简单创意的多功能组合。

3，多功能移动墙柜，本质是货架功能延伸。门把手可用带螺孔磁铁。通过内藏型材档位，随意调整柜内空间。可灵活调整房间布局，背板拆下(拆下后可拉帘遮挡)变床，变乒乓桌案 (乒乓桌1525x2740，当购买多个墙柜，只需两块板接近乒乓弹力标准，乒乓桌板用作柜板时柜内为蓝面，外侧装潢表贴颜色用户自定)。可将局部柜门打开变书桌。可内置电源插头，柜内可布线，可外装电源或开关，此处变化丰富，创意简明，都很容易实现。

4，结合所述水箱及所述项目中热发电输出的5V/12V/24V或电网做智能家居系统，如：滴灌，消防，监控，门禁，洗浴，温控，电压表，变频变压输出，数据采集继电器输出预留接口等。

5，结合4中智能家居系统，结合地下室储冰的冰库设计和空调制冷系统：

所述地下室储冰特色功能利用，要提出多种样板，供用户参考设计或选择，原理特色统一：地下室储冰，如：多个货架储冰，多个冰池储冰。制冰方法，如：冬季冰池自动制冰(防冰胀，见3页上)，或结合冬季室外制冰。结合储冰货架或冰池，冷冻与保鲜设计变得简单易行。酷夏时制冷系统设计(如：A房间设定20℃，B房间设定26℃，手动或遥控设定)说明：或【采集各房间制冷管道限流阀电阻和，确认地下室中调速风机转速】，或【人为设定各房间中调速风机转速】(风机调速，可利用智能家居系统中的变频变压接口。管道可利用中空立柱)。

6，立柱与承重梁设计：如：上下两根立柱通过梯形四棱锥架连接，承重梁与四棱锥架连接；或用工字钢与承重梁连接件组装；或用水泥杆或木柱等；承重梁与立柱，均可作中空(或半中空加封盖，如：工字钢两侧加封盖)设计，用作水管和布线及保温空调管道或烟道或换气。

7，所述集群供暖的工程设计，包括【所述太阳灶阵列工程设计】及【所述黑色百叶窗原理的阵列工程设计】，及【所述别墅设计基础上的统建新村设计】。

8，图1，实施中必然会根据用户院门和街向等，做镜像延伸或截取局部等建筑设计变更，楼顶阳光房样式也会根据实际情况和用户要求，做出灵活设计。或使一楼因黑百叶产生的部分热气流升至楼顶，并将【楼顶采光侧防护栏】也化作黑百叶窗，结合【太阳能取暖+热发电+ 郊区别墅】项目所含【热气发电换热器】，将热能存储到二楼水中，此思路，夜间管内无存水，是为了预备均衡冬季黄昏时，起居室温差起伏大，热能浪费。

具体实施方式：

1，【阳光板】的【透光率】【抗老化】【耐温性】，值得相关厂家研发重视。

2，在浇筑或安装楼板时，要预埋螺栓，螺栓位置要结合建筑承重梁等受力点。预埋螺栓成两条平行线，分别固定整根角钢，角钢表面防腐，而轨道支架，通过预埋螺栓，固定在角钢上。

3，在浇筑或安装楼板时，在四周也要预埋螺栓，并通过带钢互联构成联合受力，用来结合建筑立柱等，对防风护栏的基础加固，确保狂风作用下的安全性。

4，所述太阳灶，当安装在地面上时，水箱就在设备所在地下，并做保温处理。

5，所述黑色百叶窗原理，可以安装在墙体上。

6，百叶窗制造工艺，建筑工艺，保温墙工艺，太阳灶制造工艺，等，都很常见。

附图说明：

图1：太阳能取暖别墅方案示意图，图中数字标识描述如下：

1：黑色百叶窗。2：太阳灶。3：保温墙。4：防风护栏。5：水箱。6：多功能移动墙柜。 7：多功能移动灶台。8：葡萄架，或阳光房。9：地下室保温墙。10：楼板孔道。

图2：百叶窗原理【光线向内反射】示意图，

图3：感温驱动塞(驱动工质：戊烷或丁烷等混合)，图中数字标识描述如下：

1，伸缩杆。2，气缸。3，伸缩杆密封圈。4，活塞密封圈。5，活塞。6，密封垫。7，螺帽。

图4：直式抛物太阳灶示意图，图中数字标识描述如下：

1，前固定角钢。2，驱动轴。3，水管。4，后固定角钢。5，保温光罩。

6，抛物定形筋。7，轨道支架。8，电机减速器。

图5：是实验照片，只做了两组，左侧为一组，右侧为一组。参照照片，更易解读图4。

图6：图中数字标识描述如下：

1，反光辅镜。辅镜要随跟踪旋转。2，保温层。3，保温光罩及水管的固定支架。

图7，光路设计方法示意图。

图8，【跟踪定位传感器】的设计说明(实物照片见图8.1)：图中数字标识描述如下：

1，镜面支架。2，上光敏电阻。3，下光敏电阻。4，抛物镜。

图8.1，是为了说明图8的实物照片。

图9：多功能移动灶台示意图，图中数字标识描述如下：

1，可固定脚轮。2，移动灶台立方骨架。3，可折藏桌腿。4，前侧面板。5，左侧面板。

6，后侧面板。7，顶侧面板。8，方盖(可有可无)。9，圆盖(可有可无)。

10，斜撑(两个旋转轴，经过水平档位可继续向上，以便于存取内部物品)。

11，右侧面板。12，内部箱板。

图9.1，四框标准件系列示意图。

Claims (9)

1.通过黑色百叶窗原理，及太阳灶原理升级，用于太阳能取暖和热发电，并衍生新的生活 理念及衍生产品设计，如：思考太阳灶及黑色百叶窗安装时，要对建筑提出要求，于是有了 别墅设计，别墅一层会略加高，夏卧短时采光或间接采光/冬卧可拉帘，并充分利用地下室 一楼二楼楼顶的各自特色，做生活功能设计。为了冬季阴天取暖，进一步思考可移动多功能 灶台，进而产生对移动厨房与橱柜衣柜暗柜替代墙等新的生活方案思考，及水箱用水等思 考。

所述别墅【表面是2层，实则是4层且各具特色，并能发挥特色，可拓建】。

2.所述【黑色百叶窗原理，感温驱动塞，把楼下光热转换能量累加到楼上】。

3.所述【直式抛物太阳灶加热热水完成夜间取暖和发电】。

4.所述直式抛物太阳灶中的【抛物拆分，双管双焦，保温光罩，轨道跟踪】。

5.所述【多功能移动灶台】。

6.所述【四框标准件系列】。所述四框可灵活组装箱体家具等，创意简单却尚未被批量产销。

7.所述【多功能移动墙柜】。

8.所述【结合地下室储冰的冰库设计和空调制冷系统】。

现有民居，房间多是固定的，很难充分发挥所述移动灶台和移动墙柜的功能。

9.所述太阳能取暖与别墅设计成长空间及衍生产品设计及生产磨具与包装安装等工艺，

具体包括：

【所述别墅的装配式建筑中所涉：零部件设计，磨具生产及安装与包装等工艺，成本控制】，

【所述水箱冷热分层防裂保温及净水加热及废水循环利用等设计】，【所述四框标准件工艺】，

【所述别墅特征的建筑及建筑美学设计】，【所述集群供暖的工程设计，统建新村设计】，

【所述黑色百叶窗相关工艺及收放相关的各种设计和成本控制】，【所述立柱与承重梁设计】，

【所述太阳灶磨具，抛物定形筋与轨道升级，镜面选材，安装与包装工艺，成本控制】，

【所述太阳灶感光及跟踪定位传感器及风力传感器设计和电控系统】，【所述光路升级空间】，

【结合所述水箱和所述项目中热发电输出的5V/12V/24V电源或电网做出的智能家居系统如：滴灌，消防，监控，门禁，洗浴，温控，电压表，变频变压数据采集继电器输出预留接口】。

Images