CN202470494U - 一种高效快热定温太阳能热水器 - Google Patents

Abstract

一种高效快热定温太阳能热水器，包括存储式保温水箱、集热器、安装在相应接口处的各种控制阀和连接各部分构成水路的管道，集热器通过串联方式连接存储式保温水箱；采用冷水置换热水的换热工作方法，能快速把水加热到指定温度并保存在存储式保温水箱中，实现非承压水箱分体式太阳能热水器的高速高效换热，告别太阳能热水器水温不可控的历史。机械结构实现非承压水箱的类承压出水，水箱中的热水利用率首次实现百分之百。分体式单循环串行连接使得整个系统的架构简单，配置灵活，安装方便，应用范围广，可靠性高。整个系统只采用水循环，没有其它任何介质，消除安全隐患。相比其它类型的分体式太阳能热水器具有极大的成本优势和性能优势。

Description

一种高效快热定温太阳能热水器

技术领域

本实用新型涉及到一种能快速加热水到预定的温度，然后通过自来水本身的能量用冷水把热水置换到存储式保温水箱进行储藏的分体式太阳能热水器。 

背景技术

随着人们对环保事业的越来越重视，太阳能热水器的普及率也越来越高，但太阳能热水器在使用过程中也逐步出现了一些不足和缺点，极大影响人们使用太阳能热水器的积极性，比如目前家庭使用的太阳能热水器，无论是一体式屋顶落水太阳能热水器，还是分体式壁挂阳台太阳能热水器，由于太阳能热水器系统中的两大部件，集热器和存储式水箱采用并行架构，即集热器有两根管与水箱内胆连接，因此只要使用不论什么季节也不论阳光的照晒时间，就首先需要把冷水加满水箱。然后通过太阳的照晒，利用自然循环来缓慢加热水箱中的水；部分的分体式太阳能热水器采用双循环，就是集热器中加入除水以外的介质，加热介质，通过水箱中的内置的热转换体换热水箱中的水，介质的热循环也是采用自然循环，由于完全依赖集热器与水箱之间连接的两根细管，自然循环加热的速度慢效率低，而且水箱中的水温是不受控的，言下之意，夏天水箱中的水温有可能达到100度，而冬天水温则可能只有二三十度。 

另外，安装在屋顶的太阳能一体式热水器，由于水箱与集热管是一种标准配置，不灵活，只要买相应容积的热水器无论是在日照长的地方还是日照短的地方配置的集热管都一样多，而且一体机安装即不美观也不方便；而采用介质循环的，介质一般都是有腐蚀性和有毒的液体，给太阳能热水器的使用带来极大的安全隐患；另外采用分体式的太阳能热水器系统中的存储式水箱基本都采用承压水箱，成本也比较高。 

另外，还有部分的太阳能热水器，为了加快制热的速度或加快热转换，而采用电水泵来实现，一则电水泵有使用寿命的问题，而且还有浪费电能，不经济。 

能否设计出一种全新架构的太阳能热水器，不用外界的能源充分依靠自来水的自身能量实现快速的制热和换热，而且在水箱中的热水的温度是可以指定的，比如夏天无论太阳照晒时间多长水箱中的水温保持在一个温度，比如70度，而到了冬天只要阳光充足能产生热水则热水温度也是70度。而且整个除电辅助加热以外，全机械结构控制，系统只用水，不采用其它任何介质，同时也解决夏天防爆冬天防冻。 

发明内容

一种高效快热定温太阳能热水器就是为了解决以上问题而发明的，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：整个系统包括存储式保温水箱、集热器、安装在相应接口处的各种控制阀和连接各部分构成水路的管道，集热器通过串联方式连接存储式保温水箱；水流的路径是，自来水通过相应的控制阀流入集热器，水在集热器中加热到预定的温度后，相应控制阀自动启动，使自来水再次流入集热器，新流入的自来水依赖本身的压力把集热器中已经加热的热水置换到存储式保温水箱中，置换完成后，相应部位的控制阀自动关闭，新进来的冷水只会在集热器中，等待下一次的置换，如此往复直到存储式保温水箱中的热水加满为止。也就是说，本实用新型的太阳能热水器的换热主要是通过冷水置换集热器中的热水来实现的，而且置换的动能来自于自来水本身的压力，而非外加的其它能量，这种置换换热的速度非常快速，远远超过水箱自然循环换热的速度。水箱中热水满了以后，这种置换过程马上停止，这以后集热器的工作状态有两种，其一，集热器中的水温保持或超过预定的温度，则温度控制阀始终打开，集热器中的高温水与水箱中的热水实现自然循环，以便保持水箱中的热水温度；其二，集热器中的水温低于预定温度，温度控制阀关闭，禁止水箱中的热水传导冷却更好使水箱中的水保温。 

其中存储式保温水箱是一种非承压水箱，由外壳、保温层、内胆构成，具有入水口、出水口、透气口、辅助电加热口，以及水位控制机构和水位水温观察窗口。存储式保温水箱是一个独立体，相对于一体式的屋顶太阳能热水器安装更加方便合理，放置在室内则保温效果比放置在室外的更加优良。而且水箱的容积、横置还是竖放的选择更加方便。 

其中集热器是一种承压集热器，可以是真空管与联箱构成的集热器，也可以是平板式集热器；集热器具有冷水入口、热水出口，具有电辅助加热的还有一个电辅助接口，具有机械排空功能的，在相应部位还有一个安装排空阀的接口。此集热器需要具有承压能力，至少能承受自来水的压力。由于集热器是安装在室外的，需要考虑集热器在寒冷的地方防冻，本发明对应集热器以及相关连接管道的防冻，对于具有联箱结构的集热器，有两种设计方案，其一是通过辅助的电加热口，安装一个具有测低温启动功能的电加热器，即采用保温防冻法；其二是通过在相应部位安装一个排控阀，在低水温时，抽空联箱及相应管道的水，即采用无水防冻法。而对于平板集热器则只能采用无水防冻法。 

其中的控制阀，根据安装在水路不同的部位，分为水位控制阀、限压温控控制阀、出水加压控制阀；水位控制阀安装在自来水入口与集热器冷水入口之间，限压温控控制阀安装在集热器热水出口与存储式保温水箱的入水口之间，出水加压控制阀安装在存储式保温水箱的出水口；具有防冻和应急用热水功能，在相应的接口处还需要安装排控控制阀和水路切换控制阀。以上这些阀都采用机械结构实现，不需要另外的电源供应。水位控制阀主要是检测水箱中的水位，水满则关闭阀门，从而停止冷水置换热水的动作；水箱中热水只要一使用，则阀门打开，可以继续进行冷水置换热水的动作；但是否真的进行置换动作决定权还在限压温控控制阀，集热器中的水温到达预定值，启动置换，否则关闭一直等到水温达到预定值。此阀还具有限压功能，主要是为了保护集热器，也就是说如果某种非确定的原因，集热器的压力加大到此阀的限压值，则此阀也会强制打开进行泄压。由于本实用新型的存储式保温水箱是非承压的水箱，而且本实用新型对于水箱的安装位置的高低没有限制，因此为了使热水的出水具有压力，在水箱的出水口需要安装一个出水加压控制阀，此阀也完全采用机械结构，利用自来水本身的压力带动水箱中的热水，使得水箱中出水压力等同于自来水的压力，由于混入自来水会降低出水的水温，但由于水箱中的热水是定温热水，混入的冷水刚好使出水水温达到洗澡的水温。其它排空控制阀是为了配合完成集热器的排空，水路切换控制阀是为了应急把冷水加入水箱，主要考虑是连续长时间没有太阳，通过电加热水箱中的水。 

本实用新型的太阳能热水器水路及管道连接顺序是，自来水通过水管连接到水位控制阀，控制阀的另一端通过水管连接到集热器的冷水入口，集热器的热水出口安装一个限压温控控制阀，限压温控控制阀的另一端通过水管连接到存储式保温水箱的入水口，水箱的出水口安装一个出水加压控制阀，出水加压控制阀的出水口连接热水管道供应热水。根据管道的长短以及安装的位置，部分管道需要加装保温层。一般在室外的管道都需要安装保温。 

在本实用新型中所指的存储式保温水箱和集热器，两者安装的相对位置可高可低，集热器安装的相对位置可以低于存储式保温水箱的位置，也可以高于存储式保温水箱的位置。从存储式保温水箱的保温效果来说建议，保温水箱安置在室内，再一个主要的考虑因素是从集热器被置换的热水应尽可能的快速流入存储式保温水箱进行保温，而不能滞留在管道中散失热量。 

本实用新型中的集热器，可以一块集热器配一个存储式保温水箱，也可以多个集热器配一个存储式保温水箱，多个集热器之间通过串行连接，即第一个集热器的冷水入口上联水位控制阀，热水出口接下一个集热器的冷水入口，如此往复直到最后一个集热器的热水出口通过限压温控控制阀接存储式保温水箱的入水口；多个集热器之间也可以并行连接，即所有集热器的冷水入口通过三通水管并联，但所有集热器的每个热水出口都必须连接限压温控控制阀以后再通过三通水管并联，然后与存储式保温水箱的入水口连接。 

本实用新型中集热器和存储式保温水箱是分开的两个独立体，两者是通过外置的水管相连通的，串行连接，逻辑上集热器与存储式保温水箱之间只有一根连接管道，通过集热器进入存储式保温水箱的水都是在集热器中加热到预定温度的热水，除应急外力干预以外，正常工作时冷水或在集热器中没有加到预定温度的水是不会进入到存储式保温水箱中。此种连接架构的太阳能热水器即可以使用在家庭也可以非常方便应用在工程太阳能热水器市场。目前市场上虽然也有分体式太阳能热水器，但集热器与水箱之间是并联结构，有两根连接管与水箱内胆相连，而且是逐步加热水箱中的水，在太阳能集热器开始工作中水箱中的水无法定温。另外一般分体式的太阳能热水器中的水箱都采用承压结构。 

其中的控制阀中的限压温控控制阀具有两个接口，连接有方向性，用温感效应材料制成，该阀自身具有根据集热器中的水的温度，来决定阀的关闭，到了预定的温度，阀自动打开，低于预定的温度，阀自动关闭，该阀还具有强制泄压功能，超过限定压力，阀会强制打开。限压温控控制阀可以安装在集热器热水出口至存储式保温水箱的入水口之间的任何位置，不需要借助任何其它的外界能源全机械结构实现，水箱中的水温度主要有此阀的预定温度决定。 

总结以上所述，本发明相对于市场上现存的太阳能热水器有几大不同点：第一、市场上的太阳能热水器，无论是一体式的还是分体式的，集热器与水箱之间的换热通道或连接管道有两个或两个以上，即集热器与水箱内胆之间是并行架构；第二、市场上的家用太阳能热水器都是先把水箱加满水，再通过集热器加热水箱中的水，除了用电控水泵循环的以外，都是采用自然循环缓慢换热；第三、市场上的家用太阳能热水器，在太阳能集热过程中，水箱中的水温是不可控的；第四、市场上的家用太阳能热水器，集热器与水箱的相对安装的高低位置是确定的；第五、市场上的家用分体太阳能热水器绝大部分采用的是承压水箱。 

本发明的有益效果是，整个太阳能热水器系统采用串行架构，全机械结构全自动化操控，采用分步快速加热水的方法和借用自来水自身的能量用冷水置换热水的办法迅速完成换热，使得系统加热快速，换热迅速，定温换热保留在存储式保温水箱中的热水既能保温又达到全利用度。系统采用非承压水箱既降低成本提高可靠性又能实现类似承压出热水，还解决一般采用非承压水箱的太阳能热水器需要定时上水的麻烦，一举多得。水箱中的辅助电加热设施可以为特殊状况下保持水箱中水的温度提供保障。配置相应的控制阀还可以实现夏天不炸管，冬天不冻管，平板集热器也可以采用水循环。整个系统结构简单、无其它介质、安全可靠、安装方便、性价比超过其它分体式太阳能热水器。 

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。 

图1 是本实用新型水箱在上集热器在下的系统结构连接示意图。 

图2 是本实用新型水箱在下集热器在上的系统结构连接示意图。 

图3 是多集热器并行连接的系统结构连接示意图。 

图4 是多集热器串行连接的系统结构连接示意图。 

图中 201.存储式保温水箱，202.集热器，203.水位控制阀，204.限压温控控制阀，205.出水加压控制阀，301.水箱入水口，302.水箱出水口，303.水箱透气口，304.辅助电加热口，305.水位控制机构，306.加压出水口，307.水箱内胆，308.水箱外壳，309.水箱保温层，310.集热器冷水入口，311.集热器热水出口，312.联箱电加热辅助口，313.真空集热管，314.自来水入口，315.联箱。 

具体实施方式

 首先说明本附图中所示的集热器都采用真空管加联箱的模式，平板式集热器连接方式与此附图的连接方式相同。由此不再一一画出说明。 

图1中，存储式保温水箱（201）的安装位置相对集热器（202）高，这种安装相对位置目前在分体阳台式太阳能热水器中有大量使用，从水路流向来描述各部分之间的连接，以及了解如何实现冷水置换热水的工作过程。首先，自来水管连接到自来水入水口（314），自来水入口（314）通过水管连接到一个水位控制阀（203）的一端，此水位控制阀（203）的水位控制通过在存储式保温水箱（201）的水位控制机构（305）来决定，存储式保温水箱（201）内的水位满则水位控制机构（305）启动控制关闭水位控制阀（203），反之则打开水位控制阀（203），水位控制阀（203）的另一端通过水管接集热器（202）的集热器冷水入口（310），自来水就流入集热器（202）的联箱（315）内，并且到达集热器热水出口（311），集热器热水出口（311）处安装一个限压温控控制阀（204），该限压温控控制阀（204）的功能是，限压温控控制阀（204）的水流入一端的水温必须达到该限压温控控制阀（204）预定的温度，阀门才打开水才能流过限压温控控制阀（204），反之阀门关闭水流截止不通。据此，刚才流入集热器（202）联箱（315）内的自来水停留在集热器（202）内。 

集热器（202）的真空集热管（313）在太阳的照晒下，不断地加热集热器（202）联箱（315）内胆的自来水，由于集热器联箱（315）内胆的水并不多，一般只有几公升，因此在很短的时间内，集热器联箱（315）内胆的水的温度马上就达到限压温控控制阀（204）预定阀门的开启温度，限压温控控制阀（204）阀门打开，自来水重新流动起来，新进来的自来水本身的压力推动集热器（202）联箱（315）内的水向集热器热水出口（311）流动，通过限压温控控制阀（204），限压温控控制阀（204）的另一端通过水管与水箱入水口（301）相连接，热水就流入到存储式保温水箱（201）内进行保存。为什么此时是热水流入水箱，而冷水不会流入水箱，关键是新进来的自来水推动水向集热器热水出口（311）流动，但前面的热水全部流出集热器后，新进来的自来水的温度低，流到限压温控控制阀（204）时，由于水温低使得限压温控控制阀（204）内的阀门关闭，自来水不再流动，热水进入存储式保温水箱（201）内进行保温储藏，而新进来的冷水则停留在集热器（202）内，等待集热器（202）的加热。前面的一个过程就是新进来的冷水置换掉集热器中的热水，如此循环往复，这个置换过程一直进行直到存储式保温水箱（201）内装满热水，水位控制机构（305）启动控制，关闭水位控制阀（203）自来水不再流入，停止这种置换动作。 

停止这种置换动作以后，集热器（202）处于两种状态，一种由于集热器（202）进行吸热，使联箱（315）内的水温一直高于限压温控控制阀（204）开启温度，则限压温控控制阀（204）阀门打开，此时集热器（202）中的水和存储式保温水箱（201）中的水联通，开始自然循环换热过程，使得存储式保温水箱（201）中的水维持定温。另一种状态，集热器（202）的水温始终低于限压温控控制阀（204）的开启温度，限压温控控制阀（204）关闭，更好维持水箱中的水温。 

通过以上置换过程，存储式保温水箱（201）的水的温度是一个确定的温度。这种置换换热的方法，产生需要的水温的速度远远超过目前大量使用的自然循环换热的速度，同时采用置换换热的方法，产生的水温是完全可以确定的温度，这样无论夏天还是冬天，无论日照时间长短只要能产生热水，热水的温度是确定的是可控的，区别是日照时间短产生的热水量少，日照时间长产生的热水量就多。而且水箱中的热水是全力用度。 

存储式保温水箱（201）中热水的使用，由于本实用新型所指的存储式保温水箱（201）是非承压水箱，水箱出水口（302）处出来的热水本身没有大的压力，为了增加热水的出水压力，在水箱出水口（302）处连接一个出水加压控制阀（205），该阀依靠自来水本身的压力来带动水箱中的热水，使得在加压出水口（306）处产生类似自来水压力的混合热水，由于该阀有一个合理的冷热水配比，加上存储式保温水箱（201）中的水温是一个定值，因此出来的加压混合水有一个合适的水温使用。当然如果一定要出来高温水，则在水箱出水口（302）处安装一个电控的加压水泵即可。 

图2中，存储式保温水箱（201）的安装位置相对于集热器（202）来说要低一些，此种安装方法目前在分体式太阳能热水器应用在屋顶、工程上比较多，就是把集热器（202）安装在屋顶，而存储式保温水箱（201）放置在室内。此连接方法和工作原理与前面描述相同，在此不再进一步描述，唯一需要注意的是，由于从集热器热水出口（311）通过限压温控控制阀（204）再通过水管到存储式保温水箱（201）的水箱入水口（301）一般的距离比较长，不要使热水长时间滞留在水管中。 

在图示中，无论是存储式保温水箱（201）还是集热器（202）中，都有一个电辅助接口，存储式保温水箱（201）的辅助电加热口（304）。该辅助电加热口（304）的主要功能有两个，阳光不足时，需要的热水超过水箱中的热水，则可以采用应急向水箱加入冷水，则需要启动电加热功能；另一个，水箱中满箱的热水由于长时间没有太阳，水温下降，则可以采用温控电加热功能对水箱中水进行加热。集热器（202）的联箱电加热辅助口（312），该辅助口的主要功能是：热水的需求量超过水箱的容积，需要连续不断地供应热水，则可以打开此功能，加快制热速度，以此提供更多的热水量；另外一个可选的功能是集热器中的水温过低，为防止冰冻现象的发生，启动此功能。 

图3和图4，是采用多集热器（202）与一个存储式保温水箱（201）的连接示意图，图3示意的是多集热器（202）之间采用并行的连接方式，每个集热器冷水入口（310）通过水管并接在一起，然后与水位控制阀（203）的一端连接；每个集热器热水出口（311）都需要安装一个限压温控控制阀（204），每个限压温控控制阀（204）的另一端通过水管并行连接至存储式保温水箱入水口（301）。此连接方法的优点是各集热器（202）相互独立工作，互不影响。图4示意的是多集热器（202）之间采用串行的连接方式，第一个集热器冷水入口（310）上联水位控制阀（203），集热器热水出口（311）接下一个集热器冷水入口（310），依此类推，直到最后一个集热器热水出口（311）安装一个限压温控控制阀（204）然后再接存储式保温水箱入水口（301）。此连接方法的优点是工程安装方便，但各集热器之间的水温相互有影响。 

综上所述，一种高效快热定温太阳能热水器，采用全机械结构实现用冷水置换热水的换热工作方法，能快速加热水到指定温度并在存储式保温水箱中保存，实现非承压水箱分体式太阳能热水器的换热速度超过一体式太阳能热水器，而且告别太阳能热水器水温不可控的历史。机械结构实现非承压水箱的类承压出水，而且水箱中的热水利用率首次实现百分之百。分体式单循环串行连接使得整个系统的架构简单，配置灵活，安装方便，应用范围广，可靠性高。整个系统全部采用水循环，没有其它任何介质，消除安全隐患。相比其它类型的分体式太阳能热水器具有极大的成本优势。 

以上阐述了本实用新型的基本原理和主要特征，本实用新型不受实施条例的限制，在不脱离本实用新型的基本原理和主要特征的前提下所作出的改进和变化，都应落入本实用新型的保护范围内。 

Claims (9)

1.一种高效快热定温太阳能热水器，其特征是：包括存储式保温水箱、集热器、安装在相应接口处的各种控制阀和连接各部分构成水路的管道，集热器通过串联方式连接存储式保温水箱；水流的路径是，自来水通过相应的控制阀流入集热器，水在集热器中加热到预定的温度后，相应控制阀自动启动，使自来水再次流入集热器，新流入的自来水依赖本身的压力把集热器中已经加热的热水置换到存储式保温水箱中，置换完成后，相应部位的控制阀自动关闭，新进来的冷水只会在集热器中，等待下一次的置换，如此往复直到存储式保温水箱中的热水加满为止。

2.根据权利要求1所述的一种高效快热定温太阳能热水器，其特征是：所述的存储式保温水箱是一种非承压水箱，由外壳、保温层、内胆构成，具有入水口、出水口、透气口、辅助电加热口，以及水位控制机构和水位水温观察窗口。

3.根据权利要求1所述的一种高效快热定温太阳能热水器，其特征是：所述的集热器是一种承压集热器，可以是真空管与联箱构成的集热器，也可以是平板式集热器；集热器具有冷水入口、热水出口，具有电辅助加热的还有一个电辅助接口，具有机械排空功能的，在相应部位还有一个安装排空阀的接口。

4.根据权利要求1所述的一种高效快热定温太阳能热水器，其特征是：所述的控制阀，根据安装在水路不同的部位，分为水位控制阀、限压温控控制阀、出水加压控制阀；水位控制阀安装在自来水入口与集热器冷水入口之间，限压温控控制阀安装在集热器热水出口与存储式保温水箱的入水口之间，出水加压控制阀安装在存储式保温水箱的出水口；具有防冻和应急用热水功能，在相应的接口处还需要安装排控控制阀和水路切换控制阀。

5.根据权利要求1所述的一种高效快热定温太阳能热水器，其特征是：所述的水路及管道连接顺序是，自来水通过水管连接到水位控制阀，水位控制阀的另一端通过水管连接到集热器的冷水入口，集热器的热水出口安装一个限压温控控制阀，限压温控控制阀的另一端通过水管连接到存储式保温水箱的入水口，水箱的出水口安装一个出水加压控制阀，出水加压控制阀的出水口连接热水管道供应热水。

6.根据权利要求1所述的一种高效快热定温太阳能热水器，其特征是：所述的存储式保温水箱和集热器，两者安装的相对位置可高可低，集热器安装的相对位置可以低于存储式保温水箱的位置，也可以高于存储式保温水箱的位置。

7. 根据权利要求1所述的一种高效快热定温太阳能热水器，其特征是，所述的集热器，可以一块集热器配一个存储式保温水箱，也可以多个集热器配一个存储式保温水箱，多个集热器之间通过串行连接，即第一个集热器的冷水入口上联水位控制阀，热水出口接下一个集热器的冷水入口，如此往复直到最后一个集热器的热水出口通过限压温控阀接存储式保温水箱的入水口；多个集热器之间也可以并行连接，即所有集热器的冷水入口通过三通水管并联，但所有集热器的每个热水出口都必须连接限压温控控制阀以后再通过三通水管并联，然后与存储式保温水箱的入水口连接。

8.根据权利要求1所述的一种高效快热定温太阳能热水器，其特征是：所述的集热器和存储式保温水箱是分开的两个独立体，两者是通过外置的水管相连通的，逻辑上集热器与存储式保温水箱之间只有一根连接管道，通过集热器进入存储式保温水箱的水都是在集热器中加热到预定温度的热水，除应急外力干预以外，正常工作时冷水或在集热器中没有加到预定温度的水是不会进入到存储式保温水箱中。

9.根据权利要求4所述的一种高效快热定温太阳能热水器，其特征是：所述的控制阀中的限压温控控制阀具有两个接口，连接有方向性，用温感效应材料制成，该阀自身具有根据集热器中的水的温度，来决定阀的关闭，到了预定的温度，阀自动打开，低于预定的温度，阀自动关闭，该阀还具有强制泄压功能，超过限定压力，阀会强制打开。

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