一种太阳能热水系统套管式相变储能水箱装置及方法技术领域
本发明属于建筑节能与可再生能源利用领域，具体涉及一种太阳能热水系统套管
式相变储能水箱装置及方法。
背景技术
随着人民生活水平的不断提高及建筑节能的需求日益增加，太阳能的热利用成为
新能源和可再生能源中商业化程度最高、应用最普遍的技术之一。太阳能的热利用的一种
重要形式是太阳能热水系统。按太阳能热水系统有无热交换器，可分为直接式系统和间接
式系统两种类型。直接式系统是指在集热系统中加热过后的水直接提供给用户；间接式系
统是指在集热系统与供热系统之间设有热交换装置，集热系统的工质经过加热后，通过热
交换装置将热量传递给储热水箱。间接式太阳能热水系统的太阳能集热器与储热水箱通常
是分离的，即太阳能集热器中的载热循环工质在水泵的动力作用下通过循环管在储热水箱
中直接对水进行加热。
在住宅建筑中放置普通太阳能储热水箱会占用较多空间。由于城市人口密集、房
价高企，储热量大而体积又较小的太阳能储热水箱一直是市场期待的。相变材料的储热特
性为这一期待提供了解决途径。可用于太阳能储热水箱的相变材料潜热达到170kJ/kg左
右，水储存同等热量将需要180倍于相变材料的质量。其基本原理是在白天，太阳能充分时，
太阳能集热器收集的热一方面加热水箱内的水一方面加热水箱里的相变材料，在夜晚，在
水箱的热水使用后不断补充自来水，水温不断降低，此时相变材料释放熔解热，加热水。
相变材料的储热特性为这一期待提供了解决途径。一般有以下三种方法。一是将
相变材料制作成为板状，内贴于水箱的内表面；二是将相变材料封装为球状，置于水箱内；
三是在水箱内布置管道，将相变材料封装在管道内。这些做法是相变材料占用了水箱容积，
减少了有效存水量，同时换热面积也较小，造成储除热量小，储热放热速度慢，效果不好。
专利文献CN201903201U公开了一种相变储能水箱。该水箱结构采用多个封装有相
变材料的单体进行蓄热放热，每个单体设有管路，热水与冷水都经过该管路。单体内的相变
材料通过该管道与热水交换进行蓄热，也只能通过该管道与冷水交换进行放热，因此蓄热
与放热不能同时进行，在进行蓄热时不能使用热水。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种太阳能热水系统套管式
相变储能水箱装置，其目的在于在储水箱内运用相变材料储存太阳能，实现充分利用相变
材料进行太阳热能的蓄存、缩小水箱的体积、有效提高水箱的热水供应量，同时维持热水温
度稳定持续供应。
为实现上述目的，本发明提供一种太阳能热水系统套管式相变储能水箱装置，该
装置包括：
圆柱形水箱，用于储存水；
太阳能集热器，用于吸收太阳能，其通过循环管与所述水箱实现封闭连通，所述循
环管中有载热循环工质，其在所述循环管中循环流动，用于将所述太阳能的热量传递给水
箱；以及
套管，其安置于所述水箱内，包括内管和外管，内管与所述循环管连通，所述内管
和外管同轴套设，其间填充有相变材料，用于吸收所述太阳能的热量并逐渐熔化，随着水箱
中的水温降低，相变材料逐渐凝固并放热对水箱内的水进行加热。
优选地，所述套管呈蛇形布置。
优选地，所述相变材料为石蜡。
进一步地，所述载热循环工质为水或乙二醇水溶液。
进一步地，该装置还包括水泵，用于为所述载热循环工质在循环管中移动提供动
力。
作为本发明的另一个方面，提供一种应用所述的太阳能热水系统套管式相变储能
水箱装置的套管式相变储能方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：太阳集热器吸收太阳能后，太阳能由载热循环工质通过循环管传递入水箱，在
水箱内，所述载热循环工质所携带的热量被套管内的相变材料吸收，当相变材料温度达到
相变温度时，所述相变材料熔化为液态，并使其自身温度保持在相变温度；
S2：水箱中的水与所述外管接触，水被加热，一定时间后，水被加热到所述相变材
料的相变温度并保持此温度，当相变材料熔化后继续被载热循环工质加热，同时也将热传
递给水箱中的水，水箱里的水温进一步升高；
S3：没有太阳照射时，太阳能集热器停止工作，水箱中的热水可供用户使用，同时
自来水也进入水箱，水温降低，当水温低于相变材料的温度后，相变材料继续放热用于对水
加热，当相变材料的温度达到相变温度时，相变材料凝固放热对水进行加热，并向用户提供
热水，直至供水温度不满足要求，热水系统停止供水，此时相变材料已经凝固，以备第二天
蓄热；
S4：循环步骤S1、S2和S3，实现水箱的相变储能。
优选地，所述相变材料为石蜡。
优选地，所述载热循环工质为水或乙二醇水溶液。
进一步地，所述供水温度低于30～40℃时，热水系统停止供水。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有
益效果：
(1)本发明的技术方案中，太阳能集热器吸收太阳热能，载热循环工质将热传送给
相变材料，相变材料一边蓄热，一边将热传递与水箱内的水，在此过程中，相变材料实现熔
解蓄热相变，晚上，水箱向用户供应热水，相变材料的热释放给水箱内的水，在此过程中，相
变材料实现凝固放热相变，至此相变材料完成热量搬运，并准备第二天的蓄热放热，本发明
的装置可以充分利用太阳能、节省热水储水箱体积、并有效提高水箱的热水供应量。
(2)本发明提供的可供太阳能热水系统进行套管式相变储能的方法，可充分利用
相变材料具有较大的相变潜热进行蓄热与放热，可充分利用太阳能，并实现维持热水持续
稳定的供应目的，实现节能减排，可广泛应用在建筑中。
附图说明
图1为本发明实施例的一种太阳能热水系统套管式相变储能水箱装置示意图；
图2为本发明实施例的一种太阳能热水系统套管式相变储能水箱装置涉及的套管
剖面图。
图1中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-水箱、2-套管、3-载
热循环工质、4-载热循环工质循环管、5-太阳能集热器、10-水泵、21-相变材料、22-内管、
23-外管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不
用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼
此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例的一种太阳能热水系统套管式相变储能水箱装置示意图，图2
为本发明实施例的一种太阳能热水系统套管式相变储能水箱装置涉及的套管剖面图。如图
1和图2所示，该装置包括：水箱1、水箱1内的套管2、相变材料21、内管22、外管23、载热循环
工质3、载热循环工质循环管4、太阳能集热器5。
套管2安置在水箱1内，呈蛇形布置，相变材料21填充在套管外管23与套管内管22
之间，套管内管22内有载热循环工质3；太阳能集热器5通过出口6与载热循环工质循环管4
相连，并通过入口7与套管内管22相连；套管内管22通过出口9与载热循环工质循环管4相连
并与太阳能集热器5通过入口8相连；载热循环工质循环管4上设有水泵10提供循环动力。
工作时，太阳能集热器5吸收太阳能后，太阳能由载热循环工质3在水泵10的作用
下通过循环管4传递入水箱1。在水箱1内，载热循环工质3所携带的热量通过套管内管22被
套管外管23内的相变材料21吸收，同时将部分热量传递与水箱1中的水。当相变材料21温度
达到相变温度时，开始其熔解相变过程，积蓄热量，开始熔化，并使其自身温度保持在相变
温度，相变完毕后，液态的相变材料21可进一步与载热循环工质3换热并提高相变材料温
度。水箱1的水与套管外管23接触，水被加热，在蓄热过程中，用户可以通过热水出口12使用
热水，自来水通过入口11对水箱1进行补水，水箱1内始终充满水。
在晚上，没有太阳光，水泵10停止工作。用户较多使用水箱1内的热水，放出热水的
过程中冷水不断补充进水箱1，水箱1内的水温不断下降，只要水温低于相变材料21的温度，
就有热不断地从相变材料21通过套管外管23传热水中对水进行加热，相变材料21温度减
低。当相变材料21的温度降至相变温度时，就进行相变凝固，不断地释放出热以加热水箱1
中的水。随着水箱1中的水不断使用，不断的加入自来水，温度不断减低，相变材料21也不断
向水箱1中的水放热直至相变凝固过程完毕。相变材料21还可进一步的释放显热，但放热量
很有限。当水箱1内的水温低于使用要求时，水箱1停止供水。此时，相变材料21已完全凝固，
以备第二天蓄热使用。如此循环往复，实现水箱的相变储能。
在本发明的优选实施例中，相变材料为石蜡RT80，其相变温度为79℃。
在本发明的优选实施例中，所述供水温度低于30～40℃时，热水系统停止供水。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以
限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。