太阳能热水系统的自控温水箱.pdf

本发明的太阳能热水系统的自控温水箱主要由储水箱、遮阳棚、管结构散热器及相关控制阀等组成。通过电磁阀对系统集热器的热水流向控制，将系统获取的过余热量通过管结构散热器散发到空气中，达到限制水温升高，实现夏季水箱温度控制在60℃或按需设定的目的。从而使江苏地区的热水量设计由现每百升1.43M2增加到2M2以上，突破了国标“GB 50364-2005”的取值范围，提高了冬季储水的日升温幅度，冬季能耗占比由46.6％降低到25％，相比降低46％，每吨热水多节电9.6度，特别是选用太阳能“翅片式热管”集热管(201110023016.0)组装的系统集热器，将辅助能耗进一步降低，冬季每吨热水则多节电20.6度，提高了热水系统的可靠度、经济性和节能效果。具有结构设计合理、工艺简单、安装使用方便等优点。

权利要求书一种太阳能热水系统的自控温水箱，结构包括储水箱、遮阳棚、水温水位仪探头和储水循环泵，其特征还在于包括管结构散热器、溢流阀、排水阀和两位三通电磁阀，所述两位三通电磁阀其中之一的出水接口安装在管结构散热器的进水管的接口上，所述两位三通电磁阀的另一出水接口通过系统的保温管道与储水箱上的循环加热进水管安装连接，所述两位三通电磁阀的进水接口通过系统的保温管道与储水循环泵的出水接口安装连接，所述管结构散热器的出水管接口与储水箱上的循环散热进水管接口安装连接，所述溢流阀安装在管结构散热器的出水管内，所述排水阀安装在管结构散热器的进水管上，所述遮阳棚罩装在管结构散热器上。
如权利要求1所述的太阳能热水系统的自控温水箱，其特征还在于，所述管结构散热器由等压供水管道、散热管、内管、散热翅片和出水横管构成。
如权利要求2所述的太阳能热水系统的自控温水箱，其特征还在于，所述内管插入安装在散热管内，与散热管内壁构成环形水道截面。
如权利要求2所述的太阳能热水系统的自控温水箱，其特征还在于，所述散热翅片选用铝板冲压加工、安装在散热管上。
如权利要求2所述的太阳能热水系统的自控温水箱，其特征还在于，所述管结构散热器的进水端的等压供水管道或选用与出水端的出水横管结构相同的管道结构。
如权利要求1所述的太阳能热水系统的自控温水箱，其特征还在于，所述管结构散热器上的管道选用不锈钢管或选用铝管加工、焊接组装。
如权利要求1所述的太阳能热水系统的自控温水箱，其特征还在于，所述储水箱的循环散热进水管处的储水箱内壁上焊有控流罩。
如权利要求1所述的太阳能热水系统的自控温水箱，其特征还在于，所述储水箱内壁进排气孔的上方焊有R形挡水板。
如权利要求1所述的太阳能热水系统的自控温水箱，其特征还在于，所述排水阀选用电磁阀或选用手动阀门开关。
如权利要求1所述的太阳能热水系统的自控温水箱，其特征还在于，所述遮阳棚由棚顶板、两侧遮阳板和支架构成。

说明书太阳能热水系统的自控温水箱
技术领域
本发明涉及一种太阳能热水系统的水箱，特别是一种能明显提高水箱冬季储水的日升温幅度，并限制夏季储水温度超高的水箱，属于太阳能运用领域。
背景技术
现有太阳能热水系统主要由系统集热器、各种传感器、电控制系统和水箱等组成，其水箱储水量是以国标“GB 50364‑2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范”中4.4.2的推荐值设计。因各地区太阳辐照能量相差较大，故导致热水量的取值范围也较大为1.2～2.0M2/100L(1.2～2.0平米/100升)，当地辐照能量越大则取值越小。如江苏地区每100L热水量的系统集热器面积推荐选用1.8M2(即每平米系统集热面积产55.6升热水)，其值的意义在于每百升水的集热面积取值越大，则冬季储水日升温幅度也越大，所需辅助加热能耗越少，也越节能。水箱储水可供使用人数以保证冬季人均50L热水用量计。
现太阳能热水系统的集热器绝大多数采用目前热效最高的“真空玻璃集热管”组装，根据国标“GB/T 19141”得系统的集热效率应≥38.23％，实测“真空玻璃集热管”组装的热水系统的热效为40％～45％。但因标准和实测中都包含了其管内存水所占用的能量，而这部分管内存水的能量却不能被使用，则扣除管内存留能量后的最大实际集热效率仅为35％(如100M2集热器需用φ58mm×1800mm真空玻璃集热管725根，单根管内的留存水量为2.7Kg，总量将高达1.96吨，可配备水箱容量为5～8吨。)。
由于，太阳的日平均辐照能量冬夏季间相差近倍，以南京为例，冬至前后的日辐照量接近17MJ/M2(17兆焦/平米)，按35％的实际集热效率以标准推荐值1.8M2/100L设计的水箱，其冬季储水日升温仅25.6°，自来水水温为7℃，当日水箱储水温度为32.6℃，洗浴用水则需45℃，故对于天天需洗浴用水的系统，冬季则仍依赖于辅助加热补足。而夏季太阳的日辐照量可达30MJ/M2，储水日升温45.2°，夏季自来水温度为25℃，当日水箱储水温度将高达70.2℃，因夏季洗浴用水仅需40℃，且洗浴用水量较冬季少，即使人均洗浴用水量仍以冬季的50L计，实耗水箱储存热水则降低到18.45L/人，仅占水箱储水量的三分之一，使水箱夜间补入自来水后的水温仍达61.9℃，导致水箱储水第二天即会沸腾。故江苏地区的实际取值只能大大小于1.8M2/100L。
由于，水箱上的聚氨酯发泡保温层长时间处于高温下易产生收缩，使保温性能降低，过高的水箱储水温度亦会加速系统集热器上大量使用的橡胶密封件的老化，且高于60℃的热水将加速集热管内结垢，这些均对太阳能热水器的热效率和可靠度造成严重影响，同时过高的水温在夏季洗浴调节水温时也易于造成烫伤。故在太阳能热水系统的招标中，招标方均对水箱储水最高温度提出了限定，一般为不大于60℃，导致现江苏地区的水箱储水量实际是按1.43M2/100L即每平米系统集热面积产70升热水设计，造成冬季水箱储水日升温降低到20.3°，当日储水温度仅达27.3℃，加之夜间储水的温度下降，则须连续二天的大晴天才能勉强达到冬季洗浴用水45℃的温度要求。冬季每吨45℃的热水需耗电44.14千瓦小时，对于天天需洗浴用水供应的宾馆、医院、部队、院校等，不计入阴雨天的辅助能耗，太阳能只提供了其中53.4％的能量，其余46.6％的能量则需依赖于其它辅助加热系统，增加了一次性能源消耗。到了夏季，储水日升温为35.9°，当日储水温度仍达60.9℃，人均日耗储存热水量为29.25L，达储水量的42％，水箱52％的余留储存热水在补入自来水后的水温则达50.4℃。导致只是测试当日储水温度达到招标要求，而夏季实际水箱的储水温度仍可达80℃以上。故江苏地区按1.43M2/100L左右储水量设计的太阳能集中供热系统水箱，仅能避免夏季水箱储水经常性的沸腾烧开，并不能克服其它缺陷，但却使冬季水箱储水需用的辅助加热能耗占比由按标准设计的32.6％增加到46.6％，降低了太阳能热水系统的节能效果和经济性。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述太阳能热水系统的水箱的不足之处，改善国标“GB 50364‑2005”中每100L热水量的取值范围，设计一种能大幅度提高水箱冬季储水的日升温幅度，提高储水温度，减少冬季辅助能耗，并可控制水箱温度，使水箱的夏季储水温度限制在60℃以内或按需设定，且结构合理，工艺简单，易于生产的高可靠度的太阳能热水系统的自控温水箱。
本发明的太阳能热水系统的自控温水箱，其结构主要包括储水箱、水温水位仪探头、储水循环泵、管结构散热器、溢流阀、排水阀、两位三通电磁阀和遮阳棚，所述两位三通电磁阀其中之一的出水接口安装在管结构散热器的进水管的接口上，所述两位三通电磁阀的另一出水接口通过系统的保温管道与储水箱上的循环加热进水管安装连接，所述两位三通电磁阀的进水接口通过系统的保温管道与储水循环泵的出水接口安装连接，所述管结构散热器的出水管接口与储水箱上的循环散热进水管接口安装连接，所述溢流阀安装在管结构散热器的出水管内，所述排水阀安装在管结构散热器的进水管上，所述遮阳棚罩装在管结构散热器上，所述排水阀选用电磁阀或选用手动阀门开关。
所述管结构散热器由等压供水管道、散热管、内管、散热翅片和出水横管构成、所述管结构散热器的进水端的等压供水管道或选用与出水端的出水横管结构相同的管道结构，所述内管插入安装在散热管内，与散热管内壁构成环形水道截面，即形成环形水流道，所述散热翅片选用铝板或铜板冲压加工、安装在散热管上，所述管结构散热器上的管道选用不锈钢管或选用铝管加工、焊接组装。
所述储水箱上的进排气孔和循环散热进水管设置在储水箱上部，高于储水箱内胆储水的最高水位线，所述水温水位控制仪探头穿过储水箱上的进排气孔吊挂安装在储水箱内，所述循环散热进水管处的储水箱的内壁上焊有控流罩，所述储水箱内壁进排气孔的上方焊有R形挡水板，所述在进排气孔处的储水箱外壁上设有防风罩，所述防风罩用螺丝紧固在储水箱的外壁上。
所述遮阳棚为栅栏式结构，由棚顶板、两侧遮阳板和支架构成，所述遮阳棚罩装在管结构散热器上，所述遮阳棚支架顶端横梁与储水箱外壳连接固定。
本发明的太阳能热水系统的自控温水箱，是在现有水箱基础上增加了管结构散热器和栅栏式的遮阳棚及相关控制阀门等，并利用现有热水系统拥有的电控系统控制两位三通电磁阀，实现了对系统集热器的热水流向控制。当储水箱的储水温度低于设定值时，储水循环泵抽取系统集热器的热水直接进入水箱对储水循环加热；当夏季水箱储水达到设定的限制温度时，则将抽取的热水通过结构散热器散器后再进入储水箱，使夏季系统集热器获取的过余热量经管结构散热器散发到空气中，达到限制水箱储水温度继续升高，实现控制储水温度的目的。从而在系统水箱储水量的设计中，突破了国标“GB 50364‑2005”中推荐的各地每100L热水量的系统集热器面积选用值范围，江苏地区的热水量可由现实际采用的1.43M2/100L左右提高到2M2/100L以上设计，大大提高了冬季水箱储水的日升温度数，提高了储水水温，大幅度降低了冬季辅助加热能耗，并使夏季的水箱储水温度控制在60℃或按需要设定温度，提高了系统的实用性和可靠度，满足了客户的需求，使太阳能热水系统获得更好的节能效果和经济性。
由于在稳定质量流的条件下，水在各处管径不等的管结构散热器内的流速随流道截面积的减小而增大，水压则随流道截面积的减小而减小。通过在出水管内安装的溢流阀，管结构散热器内获得了稳定的质量流，通过等压供水管道保证了各散热管均获得相等的供水水压及流量，通过散热管与内管构成的环形水流道大大减小了散热管的流道截面积，使出水横管的流道截面积与散热管流道截面积总和形成3倍以上的倍率。在溢流阀的限流作用下，使出水横管内水压大幅度增加，使其相当于一压力储水罐，管内水压高流速低，而散热管内却水压小流速高，与出水横管间形成较大的压力差，从而消除因各散热管与出水横管的出水口不等距造成的相互管间水压不均的影响。通过稳流、等压供水、出水增压减速和散热管减压增速等技术措施，最终保证了各散热管工作时相互间管内流速、流量的均等，保证了管结构散热器工作时各散热管均处于均衡散热状态。
由于热水是通过储水循环泵泵入散热管，使热水与散热管形成强迫对流换热，保证了热交换速率。通过采用较大直径的散热管管径，大幅度增加了散热翅片的表面积，通过散热管与内管组成的环形水流道结构，可使单根φ40mm的管内截面积由11cm2减小到1.8cm2，相当于φ15mm的管内径，大幅度减小了散热管的流道截面积，使散热管内的流速大大增加，进一步提高了管内强迫对流的热传递速率，提高了散热管的散热效率。
由于在管结构散热器的最低位置上设置了排水阀，其冬季处长开状态，以排空副水箱管道内的储水，避免冬季结冰炸管，而其它季节则处于长闭状态。
通过储水箱内壁进排气孔上方设置的R形挡水板，改变了储水箱内顶面蒸汽冷凝水的流向，避免冷凝水由进排气管流出。特别是冬季因冷凝水结冰造成堵塞气孔的问题。通过在储水循环散热进水管处的储水箱内壁上设置的控流罩，控制了进入水的流向，防止了流水的飞溅。
由于夏季太阳的辐照强度大，且太阳夏季照角在日出后和日落前的一定时段内为东北向和西北向，栅栏式的遮阳棚全天均遮挡了阳光对管结构散热器的照射，又保证了其通风散热的需要，提高了系统的散热效率。
因现太阳能热水系统的水箱是按1.43M2/100L热水量设计，现系统集热器大多选用“真空玻璃管”组装，其“真空玻璃管”内存水占用能量与水箱储水占用能量比已高达22％，且占用能量比例随M2/100L取值增加而增加，实际集热效率则随占用能量比例的增加而减小，故限制了热水量的取值范围进一步加大，仍需一定的辅助能耗。但选用太阳能“翅片式热管”集热管(专利号201120018590.2)或太阳能“翅片式U形”集热管(专利号201120018551.2)组装的系统集热器，则避免了管内留存能量的影响，可进一步加大水箱热水量的2M2/100L取值，使辅助能耗降低到100％，且提高了系统集热器的集热效率。
太阳能热水系统的自控温水箱上所使用的各项技术措施都能明显提高相应的效能，产生明显的技术效果。对于天天需洗浴用水的热水系统，可使冬季晴天水箱储水需用的辅助加热能耗占比由现在的46.6％降低到25％，相比获得降低辅助能耗46％以上，每吨洗浴用水多节电9.6度，且夏季储水温度可按需要设定控制的效果。特别是选用集热效率高的太阳能“翅片式热管”集热管组装的系统集热器，可使辅助能耗降低到100％，冬季每吨热水多节约辅助电耗20.6度。相比现有系统水箱，大幅度提高了太阳能热水系统的可靠度、经济性和节能效果，具有结构设计合理、工艺简单、新增成本低、易生产、安装使用方便等优点。
附图说明
附图1是本发明的实施例中的一种结构示意图；
附图2是本发明附图1的俯视结构示意图；
附图3是本发明附图1的右视结构示意图；
附图4是本发明图附1的左视剖面结构示意图；
附图5是本发明的储水箱的储水循环加热和散热控制示意图。
附图1中：01是循环加热进水管，02是储水箱内胆，03是储水箱外壳，04是储水箱自来水进水管，05是储水箱的手动泄水阀，06是储水循环排出管，07是热水供应管，08是保温层，09是遮阳棚的支架，10是排水阀，11是两位三通电磁阀，12是管结构散热器的等压供水管道，13是遮阳棚的两侧遮阳板，14是管结构散热器的散热翅片，15是管结构散热器的散热管，16是散热管的内管，17是出水横管接口即管结构散热器的出水管接口，18是管结构散热器的出水横管，19是溢流阀，20是遮阳棚的棚顶板，21是储水箱的循环散热进水管，22是控流罩，23是储水箱的进排气孔，24是储水箱盖，25是R形挡水板，26是水温水位仪探头。
附图2中：03是储水箱外壳，12是管结构散热器的等压供水管道，13是遮阳棚的两侧遮阳板，14是管结构散热器的散热翅片，15是管结构散热器的散热管，17管结构散热器的出水横管接口，18是管结构散热器的出水横管，20是遮阳棚的棚顶板，24是储水箱盖。
附图3中：09是遮阳棚支架，10是排水阀，11是两位三通电磁阀，12是管结构散热器的等压供水管道，12A是等压供水管道的进水管即管结构散热器的进水管，13是遮阳棚的两侧遮阳板，14是管结构散热器的散热翅片，15是管结构散热器的散热管，17A是出水横管的出水口，18是管结构散热器的出水横管，20是遮阳棚的棚顶板，24是储水箱盖，27是遮阳板紧固螺丝，28是遮阳棚支架紧固螺丝。
附图4中：01是储水循环热水进入管，06是储水循环排出水管，21是储水箱的储水循环散热进水管，22是控流罩，23是储水箱进排气孔，26是水温水位仪探头，25是R形挡水板，29是进排气孔的防风罩。
附图5中：01是循环加热进水管，06是储水循环排出管，10是排水阀，11是两位三通电磁阀，12A是管结构散热器等压供水管道的进水管，12是管结构散热器的等压供水管道，15是管结构散热器的散热管，18是管结构散热器的出水横管，19是溢流阀，21是储水箱的循环散热进水管，30是太阳能系统集热器，31是储水循环泵，32是储水箱，图中虚线是系统保温管道，图中箭头指向水流方向。
具体实施方式
附图是以太阳能热水系统的自控温水箱为例，非限制性公开了本发明中的具体实施例，对于其它类型的太阳能热水系统同样适用。结合附图对本发明作进一步描述如下。
参见附图1和附图5：本发明的太阳能热水系统的自控温水箱，其结构主要包括储水箱、水温水位仪探头26、储水循环泵31、管结构散热器、溢流阀19、排水阀10、两位三通电磁阀11和遮阳棚，所述两位三通电磁阀11其中之一的出水接口安装在管结构散热器的进水管的接口12A上，所述两位三通电磁阀11的另一出水接口通过系统的保温管道与储水箱上的循环加热进水管01安装连接，所述两位三通电磁阀11的进水接口通过系统的保温管道与储水循环泵31的出水接口安装连接，所述管结构散热器的出水管17接口与储水箱上的循环散热进水管接口安装连接，所述溢流阀19安装在管结构散热器的出水管接口17内，所述排水阀10安装在管结构散热器的进水管12A上，所述遮阳棚罩装在管结构散热器上，所述排水阀10选用电磁阀或选用手动阀门开关。
附图2、3、4反映水箱主要部件在其它投影面上的结构和相互间的位置关系。
参见附图1、2、3和4：所述管结构散热器由等压供水管道12、散热管15、内管16、散热翅片14和出水横管18构成、所述内管16插入安装在散热管15内，与散热管内壁构成环形水道截面，即形成环形水流道，所述散热翅片14选用铝板或铜板冲压加工、安装在散热管15上，所述管结构散热器上的管道选用不锈钢管或选用铝管加工、焊接组装，
所述等压供水管道结构12可将水流量最均匀的分配给各撒热管15，但散热管15的数量需按4的倍率设计配置，如采用的撒热管15的数量不是4的倍数或需进一步增加撒热管15的数量或需简化进水结构，亦可将等压供水管道12更换成与出水横管18相同的管道结构，将起到与等压共供水管道12相似的效果。
所述储水箱上的进排气孔23和循环散热进水管21设置在储水箱上部，高于储水箱内胆储水的最高水位线，所述水温水位仪探头26穿过储水箱的进排气孔23吊挂安装在储水箱内，所述储水循环散热进水管21处的储水箱的内壁上焊有控流罩22，所述储水箱内壁进排气孔23的上方焊有R形挡水板25，所述进排气孔23处的储水箱外壁上设有防风罩29，所述防风罩29用螺丝紧固在储水箱的外壁上。
所述遮阳棚为栅栏式结构，由两侧遮阳板13、棚顶板20和支架09构成，通过遮阳板紧固螺丝27和遮阳棚支架紧固螺丝28组装固定，所述遮阳棚罩装在管结构散热器上，所述遮阳棚支架09顶端横梁与储水箱外壳03连接固定，所述支架09可选用不锈钢管焊接加工，所述两侧遮阳板13和棚顶板20可选用玻璃钢制造。
现有太阳能热水系统自身拥有一套传感和电控制系统，通过水温显示水位控制仪探头及光线、温度、压力等传感器，实现系统对多个电磁阀和储水循环泵及高压提升泵的自动控制，以及阴雨天和冬季辅助电加热的自动加温。本发明的太阳能热水系统的自控温水箱的水循环工作控制是利用现有热水系统的传感器和电控制系统，控制新增的电磁阀实现对储水循环流向的控制。参见附图5：两位三通电磁阀11的两出水口中的一个处于打开状态时另一个则处于关闭状态，当两位三通电磁阀11与循环加热进水管道01连接的出水口打开时，储水箱内的储水流过系统的太阳能集热器30时被加热，加热后的热水由储水循环泵31抽取经两位三通电磁阀11及保温管道直接泵回水箱32中，实现对储水箱储水的循环加热；当储水箱内的水温达到某一设定值如60℃时，两位三通电磁阀11与储水箱的循环加热进水管道01连接的出水口被关闭，该阀11原被关闭的另一个出水口，即两位三通电磁阀11与管结构散热器的进水管12A连接的出水口随之同时被打开，循环泵31抽取的热水经两位三通电磁阀11、管结构散热器的等压进水管道12进入散热管15，在水流通过散热管15时，水中的热量经散热管15上安装的散热翅片14在空气中散发，经冷却的水流通过出水横管18和内中的溢流阀19及循环散热进水管21再泵回到储水箱32中。
排水阀10可选用电控或人工控制，在春、夏、秋三季或环境温度高于一定温度时处于长闭状态，在冬季或环境温度低于一定温度时两位三通电磁阀11与进水管12A连接的出水口处于长闭状态，排水阀则10处于长开状态，排空了散热器各管道内的存水，避免了冬季结冰炸管，保证了结构的可行性。
本发明的太阳能热水系统的自控温水箱具有足够的散热面积，附图是6吨储水量的水箱，储水箱内胆的外表面积约为18M2，其管结构散热器所占圆周夹角为110°，散热管管径为φ40mm，在散热翅片间距为10mm时，散热面积高达50M2，并随储水箱储水量的增加而成近似比例增加，从而满足了降低水温的速率需要。且具有成倍扩大散热面积的空间条件，可进一步提高散热速率。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。故这里也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。