CN201748532U - 一种家庭贮热式太阳能炊暖炕浴四功能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及农村(城镇)一种家庭贮热式太阳能炊暖炕浴四功能系统。包括热源和负载两部分。热源部分包括聚热系统、贮热系统；负载部分包括炊事系统、居室暖气系统、火炕系统、水箱暖气系统。本实用新型通过强力聚光太阳灶提供光源，通过光电转换器即集热器将光能转化为热能并传输到贮热炉内贮存。有光照时边贮边用，无光照时用所贮能量带动负载运行。所述贮热炉既是太阳能贮热炉又是负载系统热源炉，二者同体异功。为降低负载能耗相对提高贮能量，采取两项措施：一是采用纳米超导采暖技术，比常规技术可降低能耗40-50％；二是采用分割式负载，在不同季节保不同重点，如采暖期居室暖气系统为必保系统，每天单独运行时间不少于80％。

Description

一种家庭贮热式太阳能炊暖炕浴四功能系统 

所属技术领域

本实用新型涉及一种清洁能源太阳能应用技术，尤其涉及一种家庭贮热式太阳能炊、暖、炕、浴四功能系统。 

背景技术

大量化石能源消耗，使大气中二氧化碳浓度提高，带来全球气候变暖，严重危及人类生存。2009年12月令世界嘱目的联合国哥本哈根气候大会上，温家宝总理代表中国政府率先提出，到2020年单位GDP的碳排放比2005年下降40-45％的目标。为实现这一目标，我国政府把发展低碳经济，特别是把大力发展太阳能作为重要举措。在这一大背景下，从每个家庭作起，从生活用能作起，普及太阳能应用技术具有重大意义。 

党的惠民政策使广大农民生活得以改善，吃穿用问题基本解决。但农民生活并没有得到根本提高，原因就在于生活能源滞后拖了后腿。“秸秆茅草大灶坑，烟熏火燎过一生”的传统生活方式仍未改变(尤其东北农村)。冬季用火炕取暖，靠“炕热屋子暖”，实际是无取暖。城镇的土暖气也只是半取暖，晚上一封炉子暖气便凉，夜间无取暖。 

现在可再生能源的太阳能专利及产品很多，但只限于某种单一太阳能技术产品的应用，如太阳灶、太阳能热水器等，实现不了农村必须生活能源结构的改变和对传统生活能源的否定。太阳能解决不了北方农村(城镇)烧火炕问题。冬季家庭洗浴更是奢望。 

目前一种新型超导太阳能采暖系统问世。它把太阳能热水器中的热水引入室内“保温贮水箱”中。以此为热源，驱动超导暖气片及冷暖空调运行，从而实现太阳能采暖，将太阳能采暖技术向前推进了一步。但此法实际应用比较困难，原因有二：一是成本偏高。光太阳能热水器投资在3000元左右，再加上暖气片、管线路等投资，一般家庭难以承受。二是贮能量不足。太阳能热水器输出不足100℃热水，为低温贮热，既使保温贮水箱体积足够大，保温性能足够好，也很难满足冬季短期贮能需要。 

发明内容

本实用新型采用聚光式太阳灶提供光源，通过光电转换器即集热器4将从室外所采光能转化为热能并传输到贮热炉10内贮存。有太阳时边贮边用，夜间或阴天用所贮能量带动负载运行，实现炊、暖、炕、浴各项功能。见附图： 

本实用新型包括热源及负载两部分。热源部分包括聚热系统、贮热系统；负载部分包括：炊事系统(称A系统)，居室暖气系统(称B系统)、火炕系统(称C系统)、水箱暖气系统(称D系统)。 

本实用新型所要解决的技术问题是：使热源部分摄取并贮存较多能量，使负载部分消耗较少能量，以满足24-36小时短期贮能需要，为此采取如下技术方案与措施： 

所述聚热系统，采用强力聚光太阳灶。2m²聚光面积夏季最高聚热温度可达600°以上。集热器4置于太阳灶锅架1聚焦光斑中心位置，使其获得最大转换能量。并随太阳方位角和高度角的调整(人工或自动)，始终获得采光量的最大值。 

如何提高光电转换效率，对提高聚热效果至关重要。在上液管6的炉内端设计一环形加热管12。利用触头向下深入到导热介质13和贮热介质14内，以加快冷热介质交换速度。在 回液管7上设一高温管道泵9进行强制热循环，代替自然循环，使光电转换效率提高数十倍。 

所述贮热炉，要有足够容量。因为贮热量同导热介质与贮热介质的数量成正比。要根据负载的总耗能量计算确定贮热炉容积。增加贮热介质14。本技术采用沸石。因为沸石在较高温度(200-300℃)有一叚水平吸热曲线，可大量吸热贮热。它与导热介质13共同作用，冬季可提供100-200℃的负荷能量，达到中温贮热水平；夏季可提供200℃以上的负荷能量，达到高温贮热水平。加强贮热炉的保温措施，炉外壁敷设2-3cm厚的有机硅酸盐绝热保温层11，把热量损失降至最低限度。 

工程设计时还要考虑“一低一高”的特定情况。就是高纬地区冬至前后的一个月。如北纬45°地区此时有效光照时间不足5小时，为全年幅射太阳能的最低值；相反，此时正是数九隆冬，是全年用能量的高峰期。本实用新型主要采取“增能”和“减负”两项措施。所谓增能即增设1-2套聚热系统。在室外，采用并联方法，将上液管6并接在一起输入到室内贮热炉。这样一天等于2-3天的贮热量。2-3台太阳灶可采取南低北高错落排列，这种半地下向阳布置，既利于挡风又利于采光。所谓“减负”即减掉次要负荷量。A系统耗能量最大，在“一低一高”期间可停止使用，暂用其它能源代替。D系统此间可减至每周运行一次。以减轻贮热炉负担。 

为把负载能耗降至最低水平，在采暖期确保B系统单独运行率达到80％以上，本实用新型采取以下技术措施： 

一是采用低能耗的纳米超导采暖技术。本实用新型所有散热器负载，包括居室暖气片、火炕加热器和水箱加热器全部采用纳米超导采暖技术。热源炉10内夹层18的循环热水管道通过各路负载底部导管时，当温度达到35℃以上，其暖气片及加热器内的超导介质便被激活发热，几分钟散热器温升便达到80℃，热效率高达96％。由于升温快、热效率高，能耗降低40-50％。 

二是采用分割式负载，以减少贮热炉负荷量。在采暖季节以居室暖气、火炕为重点，即BC系统为主系统，A系统为次系统，D系统为最次系统。在非采暖季节，AD系统为主系统，C系统为次系统(每周烧1-2火炕)，B系统停用。 

分割式负载得以实现并有序进行的前堤(指采暖期)：一是D系统每周只运行1-2次，每次运行时间为1-1.5小时。二是C系统每天只运行1-2次，总时间为1.5-3小时。A系统在炉口用能，可同其它系统同步进行，不影响B系统工作，故不予考虑。 

D系统每周运行1-2次。在D系统运行日：CD系统用能时间总和的最小值和最大值分别为2.5-4.5小时，占一天总时间的10％-19％。就是说，整个系统81％-90％时间为B系统单独运行，每月只有4-8天。D系统非运行日，用同样方法计算。整个系统的87.5-93.8％时间为B系统单独运行，每月为22-26天。计算证明，B系统单独运行时间绝大部分在85％以上，因此，居室采暖有可靠保障。 

附图说明

附图是炊暖炕浴四功能系统示意图。从聚光器3搜集到的光能，通过集热器4转化为热能。集热器4通过上液管6、环形加热器12和回液管7、管道泵9、逆止阀8同贮热炉10联通形成循环闭合回路。随着集热量增加，贮热炉10温升提高，夹层18内的循环水被加热，当水温达到35℃以上时，负载散热器便开始运行。正常状态是：B系统单独运行，为居室暖气片连续加热。循环水通过阀门33，流经总过渡管路39，再流经暖气片34，最后回流至炉内夹层18，完成热循环。当需要烧火炕时，过度到C系统单独运行。此时开启阀门32， 关闭阀门33，专门为火炕加热器38加热。此时循环水通过阀门32，火炕加热器38底部导管，流经火炕过渡管路40，再流经暖气片34，最后回流至炉内夹层18，完成热循环。当火炕达到要求温度时，关闭阀门32，开启阀门33，恢复到B系统单独运行的正常状态。时间为1.5小时。当需要洗浴时，过度到D系统单独运行。开启阀门24，关闭阀门25，专门为水箱加热器29加热。此时循环热水通过阀门24，暖气片27，水箱加热器底部导管，再经回水管路回流至炉内夹层18，完成热循环。当水浴达到要求温度时，关闭阀门24，开启阀门25，恢复到B系统单独运行的正常状态。时间为1-1.5小时。A系统因在灶口用能，可与其它系统同步进行互不干扰。 

当遇恶劣天气，连续无光照贮热炉能量不足时，可用其它能源补充，如带夹层的煤炉等。在总上水和总回水管路上设连接点22和23，接上此点负载便可运行。从而拓宽了本实用新型的适用范围。 

具体实施方式

1、聚热系统 

聚热系统的中心环节是聚光式太阳灶。太阳灶的设计目标是获得旋转反射器的最大聚光效果。设计额定功率不低于1000瓦。因此采光面积要足够大，一般不小于2m²。另外，太阳灶的跟踪机构和锅架的支撑机构要坚固灵活，以确保聚光器3获得最大能量。 

集热器4为铁制带保温层5的截圆锥体，锥体内上中部为空心柱状凹形体。集热器4固定在锅架1上，既便于同步调整又获得较高采光效率。集热器4的上液管6和回液管7均分为两部分。墙外部分为耐高温的柔性金属管，以利于太阳灶的调整。穿墙及进室内部分系金属管。为便于集热器4带高温检修移动到太阳灶以外地点，设带回转的起吊架2进行旋转起吊。当夜间无光照时环温下降，为防止贮热炉10内高温导热介质13向集热器4倒流，形成逆循环，造成贮热炉10热量损失，设一逆止阀8，无光照时立即关闭此阀。 

2、贮热系统 

所述贮热系统，主要通过贮热炉10完成。它既是太阳能贮热炉，又是B、C、D系统的热源炉，二者同体异动。作为热源炉其外层设1-1.5cm夹层18，夹层18内充满循环热水作为热源。通过炉上部的出水管同各负载系统连接(串联)，最后通过炉体下部回水管回流到炉内夹层18形成循环系统。 

贮热炉10为铁制圆柱体。炉内充满高比热高沸点的导热介质13及沸石贮热介质14，二者共同作用导热、贮热。为防止贮热炉热量损失炉外壁设保温层11。炉盖安设保温盖板16。保温盖板之下为灶口15，炉上角安设高温温度计17，通过观测温度测定贮能量多少，掌握导热介质13沸点温度，防止汽化。炉右上部设卸压箱20，通过调节管19连接，以卸掉随温升而增高的炉压。卸压箱20顶部有一开口21，以利卸压。 

3、炊事系统 

本系统为独立系统。无论有光照无光照，炊用均在贮热炉10进行，从而解决了冬天、雨天无法在室外使用太阳灶的弊端。炊用在灶口15，拿掉保温盖板16便可做饭、炒菜。为提高炊事效率，灶口15外表镶嵌碳化硅红外辐射板。 

4、居室暖气系统 

居室暖气系统为冬季采暖期的主系统，为必保系统，确保80％时间为该系统单独运行。家居面积100m²以下，约有暖气片4-5组同时运行。超导暖气片底部导管同热源炉出水管串联，即一端进水，另一端出水，最后一组末端为总回水，回流到热源炉夹层18内，完成热循环 。

所有暖气片均为热管超导系统，热源管温度超过35度以上，导热介质便开始激活发热，几分钟暖气片温升便达到80度。 

5、火炕系统 

火炕为北方生活用能核心，农村宁舍暖气也不舍火炕。因此火炕为采暖期必保系统。太阳能烧火炕尚无先例。本实用新型设计一金属管制成专门火炕加热器38。加热器38为独立热管系统。当热源管温度达到35℃以上时，加热器38内超导介质便被激活发热，辐射周围炕面37升温并贮热。加热器38以6-8度仰角铺设在炕面下，炕面上用大泥或蓄热材料抹平凉干。贮热时间长达十多小时，同柴草火炕一样热。 

6、水箱暖气系统 

目前北方农村及城镇冬季家庭洗浴已成奢望。本实用新型设计一专门水箱加热器39。此加热器亦为独立热管系统，底部穿越热源管路达到35℃以上时，加热器39中的超导介质被激活发热，水箱中热水很快升温。在水箱升温的同时，串联的暖气片27同时被加热，可营造一个20℃以上的洗浴温室，冬季照样洗浴。这是一般太阳能热水器所做不到的。因为室内温度很低，洗浴无从谈起。 

水箱加热器29，固定在塑料水箱底部垫层板上。 

附： 

附图编号说明： 

1、锅架                  15、灶口 

2、集热器吊架            16、保温盖板              29、水箱加热器 

3、聚光器                17、高温温度计            30、水箱 

4、集热器                18、循环水夹层            31、放水阀 

5、集热器保温层          19、调节管                32、控制阀门 

6、上液管                20、卸压箱                33、控制阀门 

7、回液管                21、卸压箱开口            34、居室暖气片 

8、逆止阀                22、总上水管联接点        35、总回水管路 

9、管道泵                23、总回水管联接点        36、水箱淋浴头 

10、贮热炉               24、控制阀门              37、火炕 

11、保温层               25、控制阀门              38、火炕加热器 

12、环形上液管           26、居室暖气片            39、总过渡管路 

13、导热介质             27、浴室暖气片            40、火炕过渡管路 

14、贮热介质             28、水箱加水口 

                上水管→                   回水管。→ 

Claims (4)

1.一种家庭贮热式太阳能炊暖炕浴四功能系统，由热源和负载两部分组成；其特征在于：热源部分包括由聚光器、集热器组成的聚热系统和由管路、贮热炉组成的贮热系统；负载部分包括炊事系统、居室暖气系统、火炕系统和水箱暖气系统，通过管路将它们同炉内循环热水连接成闭合回路，并用阀门控制其运行。

2.如权利要求1所述的家庭贮热式太阳能炊暖炕浴四功能系统，其特征在于：聚热系统采用聚光式太阳灶，集热器置于太阳灶锅架聚焦光斑中心位置。

3.如权利要求1所述的家庭贮热式太阳能炊暖炕浴四功能系统，其特征在于：贮热系统的贮热炉又是负载系统的热源炉，其外层设1-1.5cm夹层，夹层内充满循环热水作热源。

4.如权利要求1所述的家庭贮热式太阳能炊暖炕浴四功能系统，其特征在于：火炕系统采用“纳米超导加热器”作热源，以6-8度仰角铺设于炕面下，炕面上用大泥或保温材料抹平。 

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