CN203036757U - 太阳能空气集热采暖系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种太阳能空气集热采暖系统，该系统包括热管和真空玻璃管，所述真空玻璃管为具有真空夹层的玻璃管，所述真空玻璃管位于室外，所述热管的蒸发段位于真空玻璃管的腔内，热管的冷凝段位于室内，所述热管的蒸发段直接或间接吸收太阳能热后再由冷凝段通过散热器与室内空气换热。该系统可以大幅提高太阳能的吸收效率以及热量的传递效率，能够使室内恒定采暖并且舒适性强，还具有安全可靠，成本低廉的优点。

Description

太阳能空气集热采暖系统

技术领域

本实用新型涉及一种采暖技术，特别是一种高效低成本的利用太阳能对室内采暖的系统。

背景技术

目前高效太阳能采暖一般是一种主动采暖技术，需要以下过程才能实现：1）太阳能的光热转换过程，一般采用高效选择性吸热涂层或吸热膜，且反射率低；2）热能的吸收与储存，一般需要热媒介与蓄热容器，且需要与外界高效隔热；3）热能向室内的输运，一般需要循环泵及换热器并通过热媒介实现热传输；4）热能在室内的扩散，一般通过自然对流或者风扇强制换热的方式实现采暖功能。

但高效主动太阳能采暖一般会成本较高，很难在太阳能采暖需求极大的广大农村采用。因此，相对低成本的被动太阳能房技术成为农村采暖的主要方式。目前被动太阳能房主要有以下类型：1）直接受益式太阳房：太阳光穿过透明材料后直接进入室内采暖的方式；2）集热蓄热墙式太阳房：集热蓄热墙可为具有上下风口的实体墙、水墙或具有门、窗的实体墙的外部装上如玻璃板之类的透明材料作为罩盖的方式。集热蓄热墙和罩盖之间有夹层。太阳光穿过透明材料后，投射在集热蓄热墙的吸热面上，加热玻璃板和墙体之间形成的夹层中的空气与墙体，再通过空气的对流和墙体的传导、辐射向室内传递热量采暖；3）附加阳光间式太阳房：在房屋的向阳面附加一个玻璃温室的方式，当然如果玻璃温室与房屋交界处为具有门窗的实体墙则可归为前面的集热蓄热墙式太阳房；4）由上述两种或更多种基本类型组合而成的组合式太阳房。

其中，直接受益式太阳房是最简单也是最常用的一种，它是利用南窗直接接受太阳能辐射。通常将房屋朝南的窗户扩大，或者做成落地式大玻璃窗。在冬季，太阳光通过大玻璃窗直接照射到室内的地面、墙壁和家具上，大部分太阳辐射能被其吸收并转换成热量，从而使它们的温度升高；少部分太阳辐射能被反射到室内的其他表面，再次进行太阳辐射能的吸收、反射过程。温度升高后的地面、墙壁和家具，一部分热量以对流和辐射的方式加热室内的空气，以达到采暖的目的；另一部分热量则储存在地板和墙体内，到夜间再逐渐释放出来，使室内继续保持一定的温度。但直接受益式太阳房有其固有缺点：首先，大窗户必然造成其散热损失增大，尤其在晚上或没有太阳能时造成额外的热损失；其次，窗户围护结构的其他部分的保温性能一定要有相应的提高，否则,就会引起室温日波动大,舒适性差,辅助能耗增多等一系列问题；此外，由于窗户开口面积大,光照强烈,容易引起眩光,并且在夏季时必须做遮阳处理。

集热蓄热墙式太阳房是间接式太阳能采暖系统，阳光首先照射到玻璃外罩内的深色储热墙体上，然后向室内供热。具有集热蓄热墙的附加阳光间是集热蓄热墙式太阳房的一种发展，将玻璃与墙体之间的空气夹层加宽，形成一个可以使用的空间——附加阳光间，从某种意义上说，附加阳光间被动式太阳房是直接受益式（南向的温室）和集热蓄热墙式（后面带集热蓄热墙的房间）的组合形式。该集热蓄热墙将附加阳光间与房屋主体隔开，墙上一般开设有门、窗或通风口。组合式太阳房是不同采暖方式的结合使用，可以形成互为补充、更加有效的被动式太阳房。这几种被动太阳能房由于其固有的太阳能低吸收率、高发射率以及隔热效果低（散热损失高）等缺点，虽然能部分利用太阳能，但单位面积的太阳能平均利用效率极低（不高于10%），必须依赖建筑整体南墙大面积优势，因此成本较高。

实用新型内容

本实用新型针对现有的主动采暖技术实现过程复杂且成本高而被动太阳能房技术存在效率低的问题，提供一种太阳能空气集热采暖系统，能够利用太阳能高效低成本地实现对建筑物供暖。

本实用新型的技术方案如下：

一种太阳能空气集热采暖系统，其特征在于，包括热管和真空玻璃管，所述真空玻璃管为具有真空夹层的玻璃管，所述真空玻璃管位于室外，所述热管的蒸发段位于真空玻璃管的腔内，所述热管的冷凝段位于室内，所述热管的蒸发段直接或间接吸收太阳能热后再由冷凝段通过散热器与室内空气换热。

当所述热管的蒸发段间接吸收太阳能热时，所述真空玻璃管具有选择性吸热涂层，所述热管的蒸发段设置有导热翅片，所述导热翅片接触真空玻璃管的内壁以传导真空玻璃管吸收的太阳能热。

当所述热管的蒸发段直接吸收太阳能热时，所述真空玻璃管为透光的真空玻璃管，位于真空玻璃管的腔内的热管蒸发段直接吸收太阳能热。

所述热管为金属材料经焊接或挤压或冲压成型的具有两个及以上并排排列的通孔阵列的平板结构，所述通孔的等效直径为1mm-5mm，所述通孔内灌装有液体工质并且热管两端密封封装。

所述真空玻璃管沿一定倾角设置在室外墙体外侧或屋顶上。

所述真空玻璃管的倾角设置在当地纬度加减10度之间。

所述真空玻璃管沿竖直方向壁挂在室外墙体外侧。

所述热管的冷凝段及散热器直接暴露在室内，通过空气自然对流散热；所述散热器的表面积介于S2与S1之间，所述S1为散热器的最大表面积，所述S2为散热器的最小表面积，

所述

所述

所述热管的冷凝段及散热器位于与室内相通的风道内；和/或所述散热器为散热肋片。

包括两组或两组以上的真空玻璃管，各组真空玻璃管均对应有热管和散热器；和/或所述真空玻璃管上设置有可拆卸的遮阳装置，所述遮阳装置在非采暖季节防止向室内传热及过热。

本实用新型的技术效果如下：

本实用新型涉及的太阳能空气集热采暖系统，包括位于室外的真空玻璃管，还包括热管，热管的蒸发段位于真空玻璃管的腔内，冷凝段设置于室内，热管的冷凝段设置有散热器，本实用新型通过在真空玻璃管中设置热管，在热管的蒸发段直接或间接吸收太阳能热后利用真空玻璃管的高隔热保温特性以及热管自身的高效的换热及热输运的特点，使得在热管吸热后，其蒸发段的液体迅速蒸发，并在热管的另一端，即在位于室内的热管的冷凝段冷却凝结放热，可以大幅提高太阳能的吸收效率并提高热量的传递效率，在散热器的作用下将吸收的太阳能释放到室内，达到室内采暖的效果。本实用新型的采暖系统无需扩大玻璃窗或增设额外的保温墙等去改变房间的建筑结构，因无需集热与蓄热用液体介质，具有全干式，简单、高效、防冻，安全可靠，成本低廉的优点。

采用具有选择性吸热涂层的真空玻璃管，利用真空玻璃管的选择性吸热涂层的高吸收、低发射率及高隔热保温特性，并将其将充分吸收的太阳能热通过导热翅片传输至热管的蒸发段，实现热管的蒸发段的间接吸收太阳能热，再配合热管的高效换热效率，最终更快达到室内采暖的效果。

采用透光的真空玻璃管，使得该结构无需在真空玻璃管的腔内与热管之间设置导热翅片，位于透光的真空玻璃管的腔内的热管蒸发段直接吸收太阳能热，结构简单，提高了太阳能吸热效率和热量的传递效率。

热管可以是金属部件经焊接或挤压或冲压而成的通孔阵列平板结构，通孔中灌装液体工质形成微热管，自然形成热管效应，整体构成平板热管，该结构的平板热管制作工艺简单，具有热管传热效率高的优点，同时蒸发段具有比较大的太阳能吸热面，能够进一步提高吸收太阳能的效率和传热效率。设置通孔的等效直径为1mm-5mm，即设置了单根微热管的等效直径的范围。单根微热管的等效直径不得低于1mm，使得单根微热管的热传输能力不得低于1W，从而使每个真空玻璃管内的微热管阵列的总体热输运极限要高于吸收太阳能的能力。同时，单根微热管的等效直径不得高于5mm，使得单根微热管的内部承压能力要高于20大气压。

将真空玻璃管沿一定倾角斜靠在室外墙体外侧，优选沿当地纬度方向加减10度之间设置，该设置可以使太阳光直射入真空玻璃管及热管，热管的吸热也达到最佳状态，此外，热管中的液体工质也能够在重力的作用下从冷凝段回流到蒸发段，促进了液体工质的流动，也有助于增强传热能力。

附图说明

图1为本实用新型太阳能空气集热采暖系统的第一种优选结构示意图。

图2为本实用新型太阳能空气集热采暖系统的第二种优选结构示意图。

图3为本实用新型太阳能空气集热采暖系统的第三种优选结构示意图。

图4为本实用新型太阳能空气集热采暖系统的第四种优选结构示意图。

图5为本实用新型太阳能空气集热采暖系统的第五种优选结构示意图。

图6为本实用新型太阳能空气集热采暖系统的第六种优选结构示意图。

图7为本实用新型太阳能空气集热采暖系统的第七种优选结构示意图。

图中各标号列示如下：

1－真空玻璃管；2－热管；3－散热肋片；4－风道；5－墙体；6－导热翅片；7－保温材料；8－蒸发段；9－冷凝段；10－微热管阵列截面结构；11－风机。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行说明。

本实用新型涉及一种太阳能空气集热采暖系统，包括热管和真空玻璃管，该真空玻璃管为具有真空夹层的玻璃管，所述真空玻璃管位于室外，所述热管的蒸发段位于真空玻璃管的中间管腔内，所述热管的冷凝段设置于室内，并且在热管的冷凝段设置有散热器，热管的蒸发段直接或间接吸收太阳能热后再由冷凝段通过散热器与室内空气换热。

图1为太阳能空气集热采暖系统的第一种优选结构示意图，真空玻璃管1位于室外，热管2的蒸发段位于真空玻璃管1的中间管腔内，故该蒸发段位于室外（如图所示墙体5的左侧为室外），冷凝段设置于室内（如图所示墙体5的右侧为室内），热管2的冷凝段上设置有散热肋片3。该实施例中的真空玻璃管1为透光的真空玻璃管（或者称为透光管），位于真空玻璃管1的腔内的热管2的蒸发段直接吸收太阳能热。这种将热管2连接于室内外的方式可定义为一体式太阳能空气集热采暖系统。真空玻璃管1可优选为一端密封，另一端开口，热管2的蒸发段从真空玻璃管1的开口端伸入真空玻璃管1的中间管腔内，真空玻璃管1的开口端与热管2之间的缝隙可以通过保温材料填充。

热管2优选为平板热管，具体可以是金属材料经焊接或者挤压或者冲压成型的具有两个及以上并排排列的通孔阵列的平板结构，并设置通孔的等效直径为1mm-5mm，通孔内灌装有液体工质并且平板热管两端密封封装以形成为热管，自然形成热管效应。热管2内部可以是整个热管，也可以是各通孔密封后形成的多跟微热管阵列，单根微热管的等效直径不得低于1mm，使得单根微热管的热传输能力不得低于1W,从而使每个真空玻璃管内的热管2（微热管阵列）的总体热输运极限要高于吸收太阳能的能力。同时，单根微热管的等效直径不得高于5mm，使得单根微热管的内部承压能力要高于20大气压。最佳优选的单根微热管等效直径为1.5-3mm，即通孔的等效直径优选为1.5-3mm。平板热管的通孔内还可以设置起强化传热作用的若干微翅片或者微槽，充分利用了热管高效换热的特性，设置微翅片或者微槽能够进一步增强管内液体工质的换热能力，并且微翅片与孔内壁之间具有毛细力，微翅片与微翅片之间如果距离合适也会产生毛细力，毛细力的形成促进了工质的流动，也有助于增强传热能力。

为使得热管的冷凝段设置的散热器更好散热，同时又要保证加热空气时温升不能过低，设置该散热器的表面积S不能过大，也不能过小，设S的最大值为S₁，最小值为S2，则S应介于S2与S1之间。S₁的表达式为：

例如，假设太阳能最大照射强度为1000，散热器相对于环境空气的温升为60°C（散热器温度80°C，空气温度20°C），自然对流换热系数约为7，则散热器的最大表面积（平米）S₁=1000x真空玻璃管长度（米）x真空玻璃管内径（米）/（60x7）。

S₂的表达式为：

例如，最大容许温升为80°C。

该实施例1中的透光的真空玻璃管1沿一定倾角斜靠在室外墙体外侧，即热管2（或者说是该实施例所示的平板热管2）的蒸发段也随真空玻璃管1一起沿一定倾角斜靠在室外墙体外侧，该倾角优选在当地纬度加减10度之间的范围内选择，此时太阳光能够近乎直射照射真空玻璃管1及平板热管2蒸发段的吸热面，平板热管2的吸热面吸收太阳能热量后，热量进入到平板热管2的蒸发段的液体工质中，蒸发段中的液体工质吸热后蒸发气化，自然流动至上端的冷凝段，平板热管2的冷凝段穿入墙体伸入至室内，冷凝段经散热肋片3换热，同时液化，并依靠重力以及自身毛细力作用流回蒸发段，自动完成回路循环，在散热肋片3的作用下不断地将吸收的太阳能热量散发到室内，达到室内采暖的效果。

图2为本实用新型太阳能空气集热采暖系统的第二种优选结构示意图。该实施例中的真空玻璃管1是沿竖直方向壁挂在室外墙体外侧，此时热管2的蒸发段同样也是沿竖直方向壁挂在室外墙体外侧，热管2上端作为冷凝段穿入墙体伸入至室内，此时热管2内的工质在冷凝放热液化后依靠重力流回蒸发段，此时的重力达到最大，故这种设置方式提高了热管2的传热效率。

图3为本实用新型太阳能空气集热采暖系统的第三种优选结构示意图。该实施例中，热管2为具有微热管结构的平板热管，其微热管阵列截面结构如标示10所示，热管2的蒸发段8位于真空玻璃管1的中间管腔内，热管2的冷凝段9上设置有散热肋片3，冷凝段9及其散热肋片3位于到与室内相通的风道4内，图中的风道4只显示了部分结构，热管2的蒸发段8吸收太阳能热后再由冷凝段9通过散热肋片3散热，在风道4中设置有风机11作为动力驱动，通过风机11给散热肋片3送风，驱动散热肋片3尽快将太阳能热量通过风道4散发至室内，达到采暖的效果。

图4为本实用新型太阳能空气集热采暖系统的第四种优选结构示意图。该实施例是将真空玻璃管1设置于屋顶上，此时热管2的蒸发段位于真空玻璃管1的中间管腔内，冷凝段位于到与室内相通的风道4内，热管2的蒸发段设置在屋顶能够更多角度地吸收太阳光能量，该蒸发段蒸发吸热后至冷凝段进行冷凝放热，由于冷凝段和散热肋片3位于风道4内，故太阳能热量能够通过风道4进入室内，达到采暖的效果。

图1至4所述的太阳能空气集热采暖系统均是采用的透光的真空玻璃管，通过设置真空玻璃管的腔内的热管蒸发段直接吸收太阳能热。当然，本实用新型的太阳能空气集热采暖系统也可以采用热管蒸发段间接吸收太阳能热的方式，比如通过真空玻璃管吸热，然后通过设置导热翅片的方式导热至热管蒸发段。具体如图5所示的太阳能空气集热采暖系统的第五种优选结构示意图，真空玻璃管1具有选择性吸热涂层能够吸收太阳能热，在位于真空玻璃管1的腔内的热管2的蒸发段外表面设置导热翅片6，并使得该导热翅片6接触真空玻璃管1的内壁，这样，热管2的蒸发段能够通过导热翅片6接触真空玻璃管1的内壁以传导真空玻璃管1吸收的太阳能热，热管2蒸发段内的工质蒸发至室内的冷凝段后，在散热肋片3的作用下不断地将太阳能热量散发到室内，达到室内采暖的目的。优选地，在室外的真空玻璃管与墙体交界处可以包裹保温材料7防止太阳能热流失。

图6为本实用新型太阳能空气集热采暖系统的第六种优选结构示意图。该实施例是一种分体式太阳能空气集热采暖系统，将热管2的冷凝段及散热肋片3设置在与室内相通的风道4内，在风道4中通常有可控制风速的风机等动力驱动，驱动散热肋片3将太阳能热散发至室内，最终达到主动通风采暖的目的。

图7为本实用新型太阳能空气集热采暖系统的第七种优选结构示意图。该实施例中包括多组真空玻璃管，各组真空玻璃管均有对应的热管和散热部件，或者理解为真空玻璃管1和热管2的蒸发段构成了室外的真空管式太阳能集热器，该实施例是设置了多个真空管式太阳能集热器，当然每个真空管式太阳能集热器均对应设置有放热部分，该放热部分为各热管2的冷凝段及与各冷凝段对应设置的各散热肋片3，多个真空管式太阳能集热器同时供室内采暖，使得室内迅速升温。此外，为进一步提高太阳能吸收效率，可在各热管2的蒸发段外表面设置有高效选择性吸热涂层，进一步提高太阳能吸收效率。当然，多个真空管式太阳能集热器也可以在屋顶设置，各热管的蒸发段从多角度地吸收太阳光能量，各热管的冷凝段及散热肋片均设置在与室内相通的风道内，在风道中通常有可控制风速的风机等动力驱动，驱动散热肋片尽快将太阳能热量通过风道散发至室内，达到采暖的效果。其中，各真空管式太阳能集热器和风道可以通过角钢支架和支座等部件支撑。

本实用新型的真空玻璃管上优选设置有可拆卸的遮阳装置，在夏天等非采暖季节该遮阳装置可以防止向室内传热及过热，而在如冬天等需要采暖的时候可拆除该遮阳装置。此外，该太阳能空气集热采暖系统采用的散热部件除散热肋片外，还可以是其它散热部件，如风扇，风扇将平板热管冷凝段冷凝放出的热量吹入室内。

在如图7所示的太阳能空气集热采暖系统中，真空玻璃管的太阳能吸收率可达到97%，发射率可低于5%，真空玻璃管的透光率可达到92%以上，导热损失接近为0，因此，单位面积太阳能的利用效率可达到约84%。

太阳能空气集热采暖系统的负荷设计：

每只真空玻璃管以及平板热管为集热单元的真空管式太阳能集热器（以2m长70mm外径为例）的集热面积为0.15m²，则20个集热单元的组成每间房用的采暖系统的集热面积为3平方米。

以北方某地域为例，太阳年总辐射量约6000MJ／m²（日平均约16.43MJ／平方米）,年日照2600～3200小时（日约8小时日照）。以日平均16.43MJ/m²的太阳能照射量计算，每平米的太阳能集热面积的采暖系统的日平均功率（8小时）为：

P=0.84x16.43x10⁶/8/3600=479.2（W）

以每间房3平方米的集热面积计算，则每间房的采暖加热功率为：

P1=3xP=1437.6（W）

相当于按70W/m²计算的20平米建筑的采暖热负荷。

以每个农户3间房需要采暖计算，每个农户的太阳能空气集热采暖总功率为：

P3=3xP1=4312.9（W）

每天相当于节省标煤量：

M1=P3x8x3600/7000/4180=4.245公斤标煤

以每年7个月的采暖期计，则每年节约标煤量为：

M7=M1x7x30.5=906.32公斤标煤=0.906吨标煤

根据上述大致概算，本实用新型的太阳能空气集热采暖系统为一种新型高效低成本的全干式太阳能直接采暖系统，该系统安全可靠，成本低廉，节约能源，尤其适合工厂、校舍、农村住房等冬季采暖。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种太阳能空气集热采暖系统，其特征在于，包括热管和真空玻璃管，所述真空玻璃管为具有真空夹层的玻璃管，所述真空玻璃管位于室外，所述热管的蒸发段位于真空玻璃管的腔内，所述热管的冷凝段位于室内，所述热管的蒸发段直接或间接吸收太阳能热后再由冷凝段通过散热器与室内空气换热。

2.根据权利要求1所述的太阳能空气集热采暖系统，其特征在于，当所述热管的蒸发段间接吸收太阳能热时，所述真空玻璃管具有选择性吸热涂层，所述热管的蒸发段设置有导热翅片，所述导热翅片接触真空玻璃管的内壁以传导真空玻璃管吸收的太阳能热。

3.根据权利要求1所述的太阳能空气集热采暖系统，其特征在于，当所述热管的蒸发段直接吸收太阳能热时，所述真空玻璃管为透光的真空玻璃管，位于真空玻璃管的腔内的热管蒸发段直接吸收太阳能热。

4.根据权利要求1至3之一所述的太阳能空气集热采暖系统，其特征在于，所述热管为金属材料经焊接或挤压或冲压成型的具有两个及以上并排排列的通孔阵列的平板结构，所述通孔的等效直径为1mm-5mm，所述通孔内灌装有液体工质并且热管两端密封封装。

5.根据权利要求1至3之一所述的太阳能空气集热采暖系统，其特征在于，所述真空玻璃管沿一定倾角设置在室外墙体外侧或屋顶上。

6.根据权利要求5所述的太阳能空气集热采暖系统，其特征在于，所述真空玻璃管的倾角设置在当地纬度加减10度之间。

7.根据权利要求1至3之一所述的太阳能空气集热采暖系统，其特征在于，所述真空玻璃管沿竖直方向壁挂在室外墙体外侧。

8.根据权利要求1至3之一所述的太阳能空气集热采暖系统，其特征在于，所述热管的冷凝段及散热器直接暴露在室内，通过空气自然对流散热；所述散热器的表面积介于S2与S1之间，所述S1为散热器的最大表面积，所述S2为散热器的最小表面积，所述

所述

9.根据权利要求1至3之一所述的太阳能空气集热采暖系统，其特征在于，所述热管的冷凝段及散热器位于与室内相通的风道内；和/或所述散热器为散热肋片。

10.根据权利要求1至3之一所述的太阳能空气集热采暖系统，其特征在于，包括两组或两组以上的真空玻璃管，各组真空玻璃管均对应有热管和散热器；和/或所述真空玻璃管上设置有可拆卸的遮阳装置，所述遮阳装置在非采暖季节防止向室内传热及过热。

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