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一种家庭用微通道平行流太阳能热水器 Download PDF

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一种家庭用微通道平行流太阳能热水器，由微通道平行流太阳能集热装置、蓄热水箱和/或间接连接换热器组成，属于平板式太阳能热水器领域，采用全新的微通道平行流太阳能集热元件结构代替传统的管板式等平板式集热元件，利用微通道平行流技术提高换热效率，可最大程度的高效吸收透过盖板的太阳能，提高太阳能热效率，如结合真空盖板结构可有效提高冬季日平均效率。进而通过换热器加热蓄热水箱内热水，也可在集热装置与水箱内水体形成直接循环以降低成本，从而形成多种结构的热水器整机产品，具有有效产水率高，可承压、抗冻结、卫生条件好、结构紧凑、成本低、耐候性好，安装维护方便，在太阳能热水器领域实现了产品创新性发展。

Description

一种家庭用微通道平行流太阳能热水器
技术领域
本实用新型涉及一种家庭用微通道平行流太阳能热水器，属于太阳能热利用技术领域。
背景技术
太阳能作为主要的可再生能源之一因其无限性、清洁性等而具有日益巨大的应用价值。其中太阳能热利用技术已经广泛应用于制生活热水，目前也已经推广到采暖乃至空调领域，其集热形式主要有平板式集热器、真空管集热器、闷晒式热水器等，其中真空管集热器还可复合为热管真空管、U型管等形式。其中真空管集热器比平板式冬季效率更高，且可更方便的采取各种防冻措施，但是真空管内部水容积属无效容积，即实际上这部分水无法取出利用，且吸热管之间存在的间隙使其实际太阳能有效利用面积减少约25～30％，管内易结垢、系统漏水点多且影响范围大；而平板集热器全部太阳能辐照面积可利用，且管内水容积小得多，因而夏季日平均效率更高，且更易于实现建筑一体化，但是其冬季由于对流换热作用加剧而大幅降低日平均效率，而且防冻较困难，因而传统上被认为冬季热工性能不如真空管集热器。
从实用需求和技术发展方面均要求进一步提高冬季热工性能，以实现冬季有效太阳能制热水(而非仅仅是依靠辅助电加热)。而目前太阳能集热器均由于冬季热效率低而需要设计更大面积的集热器，这将直接导致太阳能集热系统的成本增加，或者往往耗费大量电能制热水。
另外，目前实际应用的大多数家庭用太阳能热水器采用开式水箱，即水箱内部有一溢水孔通过细管与空气连通，空气中的杂菌很容易进入箱内水体，而其水温通常在45～50℃以下，很适合包括大肠杆菌等致病微生物在内的微生物生长，因此太阳能热水器的热水通常两三天使水质严重变差，长期使用这样的水质会对人体健康造成潜在严重威胁。
为此，有必要寻求创新性的技术手段有效提高冬季太阳能集热效率。目前微通道平行流换热技术已经获得重大发展并逐步走向实用化，利用该技术及其微通道扁管结构的具体热工和工艺特点，制作全新的太阳能集热元件，将有可能实现冬季高效太阳能热利用和低成本、低运行费，将是一种全新的太阳能集热形式。
发明内容
本实用新型的目的和任务是，针对目前真空管或平板式太阳能集热器的缺点，采用全新的微通道平行流太阳能集热元件结构代替传统的管板式等平板式集热元件，开发一种新型家庭用微通道平行流太阳能热水器，可大幅提高太阳能热效率，特别是结合真空盖板结构可有效提高冬季日平均效率，以满足冬季太阳能高效制热水的需要，并有利于控制产品成本、改善热水水质。
为此，本实用新型由微通道平行流太阳能集热装置、蓄热水箱和/或间接连接换热器组成，其特征在于微通道平行流太阳能集热装置(1)包括保温底座(2)和侧板(7)，其上部为透光盖板(5)，保温底座(2)的保温层之上设置有微通道平行流太阳能集热元件(3)，该微通道平行流太阳能集热元件(3)的表面复合有一层选择性太阳能吸收膜(9)，微通道平行流太阳能集热装置(1)的上部设置有蓄热水箱(201、301或401)。
蓄热水箱的结构形式采用带有外置式换热器(202)的外置式水箱(201)、带有内置式换热器(302)的内置式水箱(301)或不带换热器的空壳式水箱(401)。当采用外置式水箱(201)时，管路中设置太阳能循环泵(203)，微通道平行流太阳能集热装置(1)的工质进口、出口分别与外置式换热器(202)的工质出口、进口相连。当采用内置式水箱(301)时，管路中设置或者不设置太阳能循环泵(303)，微通道平行流太阳能集热装置(1)的工质进口、出口分别与内置式换热器(302)的工质出口、进口相连。当采用空壳式水箱(401)时，微通道平行流太阳能集热装置(1)的冷水进口、热水出口分别与空壳式水箱(401)的冷水口、热水口相连，空壳式水箱(401)的冷水口(B)与自来水相连，热水口(A)与用户用水末端相连，并且空壳式水箱(401)的热水口(A)处设置有阀门，当使用热水时可暂时将集热装置的出水口暂时关闭。
微通道平行流太阳能集热元件(3)包含一个或若干个挤压成型的铝制微通道扁管结构，所有微通道扁管的两端分别与铝制分集流器(4)焊接连接，扁管内部分为若干微细孔道，外壁上部和/或侧部复合有一层选择性太阳能吸收膜。
透光盖板(5)包含一层选择性高透过率玻璃，或者包含双层选择性高透过率玻璃，双层中间为空气间层、惰性气体间层或真空间层。
蓄热水箱采用外置式换热器(201)时换热管材采用为铝制扁管、铜管或高效导热塑料管绕制，外置式换热器(201)与微通道平行流太阳能集热元件(3)之间的连接管采用铝管、铜管或塑料管，采用内置式换热器(301)时换热管材采用为铜管、不锈钢管、复合防腐层的碳钢管或高效导热塑料管，内置式换热器(301)与微通道平行流太阳能集热元件(3)之间的连接管采用铜管、不锈钢管、镀锌钢管或塑料管，采用空壳式水箱(401)时其与微通道平行流太阳能集热元件(3)之间的连接管采用铜管、不锈钢管、镀锌钢管或塑料管。
集热器管内工质即可采用水形成直接或间接连接加热水，也可采用乙二醇防冻液等防冻工质，或采用水、酒精、甲醇或无氯氟利昂等热管介质形成热管系统，并与热水系统采用间接连接。
实际安装时，可将扁管竖向、横向或呈一定水平坡度设置，通常横向设置时需有水泵提供循环动力，而采用空壳式水箱时更适合于扁管竖向设置。
本实用新型利用微通道平行流技术提高换热效率，可实现对透过盖板的太阳能实现最大程度的高效吸收，大幅降低吸热膜表面温度及其与管内工质的温差，降低热工过程不可逆损失，大幅提高太阳能热效率。提高太阳能热效率，如结合真空盖板结构可有效提高冬季日平均效率，进而通过换热器加热蓄热水箱内热水，也可在集热装置与水箱内水体形成直接循环以降低成本，从而形成多种结构的热水器整机产品。夏季日平均效率最高可超过原有真空管或平板集热器的15～25％以上，冬季带双层真空玻璃盖板的机型的日平均效率可比原有平板集热器高20％以上，比真空管集热器高5～15％以上。
该实用新型有效产水率高，可承压、抗冻结、卫生条件好、结构紧凑、成本低、耐候性好，安装维护方便，在太阳能热水器领域实现了产品创新性发展。本实用新型特别是为太阳能采暖的应用提供了更为强大而经济实用的技术基础。
附图说明
图1是本实用新型采用外置式水箱的立面结构示意图，图2是C-C剖面结构示意图，图3是采用内置式水箱的立面结构示意图，图4是采用空壳式水箱的立面结构示意图。
图1、2、3、4中各部件编号与名称如下：微通道平行流太阳能集热装置1、保温底座2、微通道平行流太阳能集热元件3、分集流器4、透光盖板5、集热空腔6、侧板7、外置式水箱201、外置式换热器202、太阳能循环泵203、内置式水箱301、内置式换热器302、太阳能循环泵303、空壳式水箱401、热水出口A、冷水进口B。
具体实施方式
图1是本实用新型采用外置式水箱的立面结构示意图，图2是C-C剖面结构示意图，图3是采用内置式水箱的立面结构示意图，图4是采用空壳式水箱的立面结构示意图。
本实用新型的家庭用微通道平行流太阳能热水器可采用多种具体实施方式。举例如下。
1、方式之一：高端微通道太阳能热水器，采用外置式水箱，冬季防冻结，如图1所不。
整个装置由微通道平行流太阳能集热装置、蓄热水箱和/或间接连接换热器组成，微通道平行流太阳能集热装置(1)包括保温底座(2)和侧板(7)，其上部为透光盖板(5)，保温底座(2)的保温层之上设置有微通道平行流太阳能集热元件(3)，该微通道平行流太阳能集热元件(3)的表面复合有一层选择性太阳能吸收膜(9)，微通道平行流太阳能集热装置(1)的上部设置有蓄热水箱(201)。
蓄热水箱的结构形式采用带有外置式换热器(202)的外置式水箱(201)，管路中设置太阳能循环泵(203)，微通道平行流太阳能集热装置(1)的工质进口、出口分别与外置式换热器(202)的工质出口、进口相连。
微通道平行流太阳能集热元件(3)包含多个挤压成型的铝制微通道扁管结构，所有微通道扁管的两端分别与铝制分集流器(4)焊接连接，扁管内部分为若干微细孔道，外壁上部和侧部复合有一层选择性太阳能吸收膜。
外置式换热器(201)的换热管材采用为铝制扁管绕制，其与微通道平行流太阳能集热元件(3)之间的连接管采用铝管。
透光盖板(5)包含双层选择性高透过率玻璃，双层中间为真空间层。集热器管内工质采用乙二醇防冻液。
2、方式之二：高端微通道太阳能热水器，采用内置式水箱，冬季防冻结，如图3所不。
该装置集热部分与上述方式一相同，但蓄热水箱的结构形式采用带有内置式换热器(202)的内置式水箱(301)，管路中不设置太阳能循环泵(303)，微通道平行流太阳能集热装置(1)的工质进口、出口分别与内置式换热器(302)的工质出口、进口相连。内置式换热器(301)的换热管材采用高效导热塑料管，其与微通道平行流太阳能集热元件(3)之间的连接管采用塑料管。
3、方式之三：低端微通道太阳能热水器，采用内置式水箱，无冬季防冻结功能，如图4所示。
蓄热水箱的结构形式采用空壳式水箱(401)，微通道平行流太阳能集热装置(1)的冷水进口、热水出口分别与空壳式水箱(401)的冷水口、热水口相连，空壳式水箱(401)的冷水口(B)与自来水相连，热水口(A)与用户用水末端相连，并且空壳式水箱(401)的热水口(A)处设置有阀门，当使用热水时可暂时将集热装置的出水口暂时关闭。此时，透光盖板(5)包含单层选择性高透过率玻璃，集热器管内工质是待加热的蓄热水箱内的生活热水，冬季气温低于0℃时需有防冻措施，或只使用电加热。空壳式水箱(401)与微通道平行流太阳能集热元件(3)之间的连接管采用塑料管。该方式实际上与目前常用的平板式太阳能热水器结构相同，只是采用新型微通道平行流太阳能集热元件代替了常规的管板式集热元件等结构，提高了其日平均效率。
需要说明的是，这里所描述的3种具体实施方式仅仅是本实用新型可采取的众多实施方式中的一部分，本实用新型由于具有很强的技术基础性，可根据太阳能集热系统的具体需要而方便地进行有关结构工艺等的改型及功能利用，这都将落入本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种家庭用微通道平行流太阳能热水器，由微通道平行流太阳能集热装置、蓄热水箱和/或间接连接换热器组成，其特征在于微通道平行流太阳能集热装置(1)包括保温底座(2)和侧板(7)，其上部为透光盖板(5)，保温底座(2)的保温层之上设置有微通道平行流太阳能集热元件(3)，该微通道平行流太阳能集热元件(3)的表面复合有一层选择性太阳能吸收膜(9)，微通道平行流太阳能集热装置(1)的上部设置有蓄热水箱(201、301或401)。
2.如权利要求1所述的家庭用微通道平行流太阳能热水器，其特征在于所述的蓄热水箱的结构形式采用带有外置式换热器(202)的外置式水箱(201)、带有内置式换热器(302)的内置式水箱(301)或不带换热器的空壳式水箱(401)。
3.如权利要求1所述的家庭用微通道平行流太阳能热水器，其特征在于所述的蓄热水箱采用外置式水箱(201)时，管路中设置太阳能循环泵(203)，微通道平行流太阳能集热装置(1)的工质进口、出口分别与外置式换热器(202)的工质出口、进口相连。
4.如权利要求1所述的家庭用微通道平行流太阳能热水器，其特征在于所述的蓄热水箱采用内置式水箱(301)时，管路中设置或者不设置太阳能循环泵(303)，微通道平行流太阳能集热装置(1)的工质进口、出口分别与内置式换热器(302)的工质出口、进口相连。
5.如权利要求1所述的家庭用微通道平行流太阳能热水器，其特征在于所述的蓄热水箱采用空壳式水箱(401)时，微通道平行流太阳能集热装置(1)的冷水进口、热水出口分别与空壳式水箱(401)的冷水口、热水口相连，空壳式水箱(401)的冷水口(B)与自来水相连，热水口(A)与用户用水末端相连。
6.如权利要求1所述的家庭用微通道平行流太阳能热水器，其特征在于所述的微通道平行流太阳能集热元件(3)包含一个或若干个挤压成型的铝制微通道扁管结构，所有微通道扁管的两端分别与铝制分集流器(4)焊接连接，扁管内部分为若干微细孔道，外壁上部和/或侧部复合有一层选择性太阳能吸收膜。
7.如权利要求1所述的家庭用微通道平行流太阳能热水器，其特征在于所述的透光盖板(5)包含一层选择性高透过率玻璃，或者包含双层选择性高透过率玻璃，双层中间为空气间层、惰性气体间层或真空间层。
8.如权利要求1所述的家庭用微通道平行流太阳能热水器，其特征在于所述的蓄热水箱采用外置式换热器(201)时换热管材采用为铝制扁管、铜管或高效导热塑料管绕制，外置式换热器(201)与微通道平行流太阳能集热元件(3)之间的连接管采用铝管、铜管或塑料管，采用内置式换热器(301)时换热管材采用为铜管、不锈钢管、复合防腐层的碳钢管或高效导热塑料管，内置式换热器(301)与微通道平行流太阳能集热元件(3)之间的连接管采用铜管、不锈钢管、镀锌钢管或塑料管，采用空壳式水箱(401)时其与微通道平行流太阳能集热元件(3)之间的连接管采用铜管、不锈钢管、镀锌钢管或塑料管。
9.如权利要求1所述的家庭用微通道平行流太阳能热水器，其特征在于所述的微通道平行流太阳能集热元件(3)的管道内工质采用水、乙二醇防冻液、酒精、甲醇或无氯氟利昂。
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