CN102141304A - 一种高效气水复合型太阳能集热装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于节能领域，具体涉及一种高效气水复合型太阳能集热装置及其应用。它采用传统的平板型太阳能热水器形式，全铜集热板由管板式集热条拼接而成，集热条背部子管分别与上下两根母管相连，正面则喷涂了具有高吸收率，低发射率的选择性涂层。同时，增加了集热板与玻璃盖板之间的空间作为空气的流道，并均匀设置4块玻璃挡板，以增加空气在集热装置内的驻留时间和加强腔内的空气扰动。将此装置应用于高效气水复合型太阳能集热系统中，热水在集热板背部的铜管内流动，空气则在集热板和玻璃盖板之间的腔体内流通，互不干扰，因此可实现夏季加热生活用水，冬季加热空气采暖或干燥，春秋季同时热水和空气，提高了集热装置的全年使用率；同时解决了太阳能空气采暖系统夏季过热的问题。

Description

一种高效气水复合型太阳能集热装置及其应用

技术领域

本发明属于节能领域，具体涉及一种高效气水复合型太阳能集热装置及其应用。

背景技术

目前在太阳能热利用中，太阳能热水器已经形成产业，我国每年太阳能热水器的产量已达上千万平方米，同时又有大量的太阳能空气集热器用于干燥或采暖。但是现有技术中，无论是太阳能热水器或太阳能空气集热器大多是单独使用，即太阳能热水器只能供给热水，太阳能空气集热器只能供给热空气。

在冬季，太阳能空气集热器供暖系统可以很好地满足建筑采暖需求，但在建筑无需供暖的时期特别是夏季，此系统不但没有必要，而且会导致建筑过热，造成系统全年使用率低，影响了系统的经济性。对于此类问题，通常采用的做法是在集热器中向室外开设风口，排掉热量，但是由于玻璃盖板的温室作用，也只能在一定程度上缓解问题，仍不能解决建筑过热问题。

太阳能热水系统结构简单、技术成熟且成本较低，从出现开始就成为太阳能热利用技术中在世界范围内发展最快和应用最为普遍的技术。但是它也有很大的局限性：太阳能热水系统在冬季寒冷地区应用时，水温过低甚至系统结冻而造成系统无法有效使用；传统安装方式将系统安装于建筑屋顶，安装不美观影响建筑美观甚至城市整体形象，而且高层建筑屋顶面积无法满足需求等。

目前太阳能空气-水双效集热器有两种形式，一种是真空管型，在原有全玻璃真空管太阳能热水器的基础上增加了空气循环管路，但是它无法实现同时加热空气和水，要想加热空气就必须将水排干，要想加热水则要把循环介质由空气转换为水，操作比较复杂。另一种是平板型，它的原理和Trombe墙相似，将集热器挂在南墙上，并在背部上下位置开两个口与室内相通，采用被动式运行方式。它的缺点是设备只能给南向房间采暖，但在冬季阳光可透过南向窗户直接进入房间，因此南向房间温度比其他房间要高，并不是最需要采暖的房间，另外被动式运行方式不可靠，空气流量小，集热效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效气水复合型太阳能集热装置，以克服单一功能太阳能热水器或空气集热器，以及现有的两种双效集热器的上述缺点。

本发明提出的高效气水复合型太阳能集热装置，包括外框1、隔热层2、集热板3、玻璃挡板7、玻璃盖板8、进水集管10和出水集管4，外框1前部盖有玻璃盖板8，外框1四周及背部填充有隔热层2，外框1背部设有集热板3，集热板3覆盖于隔热层2上，集热板3背部固定有子管6，子管6的两端分别与进水集管10和出水集管4连接；进水集管10位于外框1下端，出水集管4位于外框1上端；4块玻璃挡板7自上而下交错排列将位于集热板3和玻璃盖板8之间的空气腔分割成五个腔体；外框1的左下角处开有进风口9，右上角处开有出风口5，右下角处开有进水集管10的进水口，左上角处开有出水集管4的出水口；空气从进风口9进入装置，在空气腔内沿蛇形路线被加热后从出风口5流出装置；冷水从进水集管10进入，沿集热板3背部子管6中被加热后，由于密度差的作用进入出水集管4，再流出装置，空气和水的流道分开，互不干扰。

本发明中，所述集热板3由数根（如5－8根）管板式集热条拼接而成，集热条表面涂有选择性涂层，集热条背部的子管6上下两端分别与进水集管10、出水集管4胀接。

本发明中，所述外框1和隔热层2之间用整张双层塑料布包裹，设备缝隙处都涂有玻璃胶，具有很好的密封效果。

本发明所述高效气水复合型太阳能集热装置在高效气水复合型太阳能集热系统中的应用，该系统由高效气水复合型太阳能集热装置11、热水环路和热气环路组成，其中：热水环路由排气阀13、浮球阀15、蓄热水箱16、循环水泵20和阀门组成，热气环路由空气进风管22、空气出风管23、轴流风机12和采暖空间组成。高效气水复合型太阳能集热装置11的进水集管10依次通过水泵前单向阀21、循环水泵20、循环给水管道上的阀门19和管道连接蓄热水箱16，蓄热水箱16底部设有泄污阀18，蓄热水箱16内设有浮球阀15，蓄热水箱16上部一侧设有热水给水管道上的阀门17，另一侧设有循环回水管道上阀门14，循环回水管道上阀门14通过管道和集热板11的出水集管4连接；高效气水复合型太阳能集热装置11的进风口9连接空气进风管22，右上部出风口5连接出风管23，出风管23上装有轴流风机12将室外新风或室内回风由设置在左下方的进风口9引入装置，新风或回风沿蛇形路径进入空气腔被加热后，从空气出风管23流出，进入采暖空间。

本发明所述的高效气水复合型太阳能集热系统具有三种运行模式，分别为：单独加热空气模式、单独加热水模式和同时加热空气和水模式；

（1）单独加热空气模式

关闭循环水泵20，循环回水管道阀门14，循环供水管道阀门19，打开进风口9，出风口5，开启轴流风机12将空气从进风管22抽进高效气水复合型太阳能集热装置11，空气被加热后从出风管23流出装置，进入需要采暖或干燥的空间；

（2）单独加热水模式

关闭轴流风机12，进风口9，出风口5，打开循环水泵20，循环回水管道阀门14，循环供水管道阀门19，蓄热水箱16底部低温水进入高效气水复合型太阳能集热装置11后，逐渐被加热，温度升高后高温水又进入蓄热水箱16；水泵的启动采用温差控制，温度探头T₂ 和T₁分别设置在水箱底部和高效气水复合型太阳能集热装置11热水出口处；补水量由水箱中的浮球阀15控制，浮球阀接用户自来水处，用户取热水量则根据需要由阀门17控制；

（3）同时加热空气和水模式

同时打开轴流风机12，进风口9，出风口5，以及循环水泵20，循环回水管道阀门14，循环供水管道阀门19；轴流风机12将空气从进风管22抽进集热装置，空气被加热后从出风管23流出集热装置，进入需要采暖或干燥的空间；当高效气水复合型太阳能集热装置11出口温度T₁和水箱底部温度T₂间的温差达到设定上限值时，循环水泵启动，将蓄热水箱16中的低温水送入高效气水复合型太阳能集热装置11，进而逐渐被加热，温度升高后高温水又进入蓄热水箱16；当高效气水复合型太阳能集热装置11出口温度T₁和水箱底部温度T₂间的温差达到设定下限值时，循环水泵20关闭；系统补水量由浮球阀15自动控制。

本发明把现有的平板型太阳能热水器和空气集热器原理相结合，在平板型太阳能热水器的基础上增加了空气循环通路。当需要采暖或干燥时，可开启空气循环模式，将室外新风或室内回风引进集热装置11，加热后送到需要采暖或干燥的空间，达到采暖或干燥的目的。夏季没有采暖需求时，可开启热水循环模式，使蓄热水箱中的水维持在适合的温度，满足生活用热水需求。春、秋季节的采暖需求不大时，可同时开启热水、热空气两种模式，在满足建筑采暖需求的同时提供部分生活用热水。当夏季蓄热水箱16内水温过高时，集热装置的工作温度太高，会对装置本身产生危害，降低装置寿命，此时，可将出风管23朝室外开启，打开进风口9，然后开启轴流风机12，将装置内的高温空气排出，降低装置的工作温度，对装置进行保护。

本发明高效气水复合型太阳能集热装置克服了传统太阳能热水器和太阳能空气集热器功能单一的缺点，不仅可同时加热空气和水，而且空气和水流道分开，互不影响，其优点在于：

（1）该集热装置在集热板和玻璃盖板之间增设了玻璃挡板，可加强空气扰动，增加空气在集热器内的驻留时间，提高了加热空气时的换热效率，同时加厚的空气间层可形成温室效应，解决了真空管热水器冬季系统结冻问题。

（2）该集热装置在平板型太阳能集热器的基础上，并未增加多少成本，却能实现双效运作，提高设备全年使用率和投资回报速度，并且解决了太阳能空气采暖系统夏季过热和闲置问题。

（3）当夏季集热装置的工作温度太高，会对装置本身产生危害，降低装置寿命，此时，可利用轴流风机12，将装置内的高温空气排到室外，降低装置的工作温度，对装置进行保护。

（4）该集热装置采用太阳能热水器部件，生产工艺成熟，易市场化，同时，平板型集热器容易和建筑结合，有利于高层住宅这种屋顶面积少的场合使用。

（5）用户可根据需要将多台设备进行串、并联组合，各台集热器之间连接非常方便。

附图说明

图1为高效气水复合型太阳能集热装置的结构图。其中：(a)为主视图，(b)为左视图。

图2为高效气水复合型太阳能集热装置的运行原理图。

图中标号： 1为外框，2为隔热层，3为集热板，4为出水集管，5为出风口，6为集热板背部子管，7为玻璃挡板，8为玻璃盖板，9为进风口，10为进水集管，11为高效气水复合型太阳能集热装置，12为轴流风机，13为排气阀，14为循环回水管道上阀门，15为水箱内浮球阀，16为蓄热水箱，17热水给水管道上的阀门，18为泄污阀，19为循环给水管道上的阀门，20为循环水泵，21为水泵前单向阀，22为空气进风管，23为空气出风管。

具体实施方式

下面通过实例结合附图进一步描述本发明。

如图1所示，该发明所述高效气水复合型太阳能集热装置外框1尺寸为2.1m×1.1m×0.15m。四周及底部填充4mm聚苯乙烯板作为隔热层2用来保温，然后在上面覆盖管板式集热板3。此集热板3由铜-铬合金制成，表面涂层为黑铬，其吸收率高达97%（±2%），而其发射率却仅有10%（±2%）。集热板3由7根长2m宽0.14m集热条拼接而成，集热条背部采用超声波焊接法焊有直径为0.12m的紫铜管作为子管6，每根子管6分别与上下两根直径为0.2m的进水集管10和出水集管4相连。外框1和隔热层2之间用整张双层塑料布包裹，设备缝隙处都涂有玻璃胶，具有很好的密封效果。集热板3与玻璃盖板8之间的空气腔尺寸为2 m×1 m×0.1 m，内部设4块玻璃挡板7作为挡流板，长度为0.7 m，自下往上交错排列，分割出5个集热腔。玻璃盖板8采用单层钢化玻璃，具有透短波，阻红外长波的特性。在装置的上、下对角处分别开有直径为75 mm的出风口5和进风口9。

如图2所示，将本发明用于高效气水复合型太阳能集热系统，该高效气水复合型太阳能集热系统由热水环路和热空气环路构成。装置的进水集管10通过水泵前单向阀21、循环水泵20、循环给水管道上的阀门19连接蓄热水箱16，蓄热水箱16底部设有泄污阀18，蓄热水箱16内设有浮球阀15，蓄热水箱16上部一侧设有热水给水管道上的阀门17，另一侧设有循环回水管道上阀门14，循环回水管道上阀门14通过管道和装置11的出水集管4连接。装置的进风口9连接空气进风管22，右上部出风口5连接出风管23，出风管23上装有轴流风机12将室外新风或室内回风由设置在左下方的进风口9引入本装置，空气沿蛇形路径进入装置被加热后从空气出风管23流出。其中：

热水环路包括新型高效气水复合型太阳能集热装置11、排气阀13、浮球阀15、蓄热水箱16、循环水泵20、以及各管路上的阀门14、阀门17、阀门19和阀门21。当装置出口处热水温度T₁和水箱底部水温T₂间温差达到设定上限时，水泵启动，蓄热水箱底部低温水经循环给水管被送往装置11下集管，低温水被加热后进入装置11上集管，热水经循环给水管进入蓄热水箱。当装置11出口处热水温度T₁和水箱底部水温T₂间温差达到设定下限时，水泵关闭。水箱内热水经热水给水管送往用户处，取水量由阀门17控制，当水箱内水位下降时，浮球阀15开启，自来水经补水管进入蓄热水箱中。

热空气环路包括新型高效气水复合型太阳能集热装置11、空气进风管22、空气出风管23和轴流风机12。当室内温度低于设定值时，风机启动，将室内空气或者室外空气经进风管22抽进集热装置，空气沿蛇形路线流动到出口时，温度升高，高温空气经送风管23进入室内，达到采暖或干燥目的。

该高效气水复合型太阳能集热系统共有三种运行模式，分别为：单独加热空气模式，单独加热水模式，同时加热空气和水模式。

（1）单独加热空气模式

关闭循环水泵20，循环回水管道阀门14，循环供水管道阀门19，打开装置进风口9，出风口5，开启轴流风机12将空气从进风管22抽进装置11，空气被加热后从出风管23流出装置，进入需要采暖或干燥的空间。

（2）单独加热水模式

关闭轴流风机12，装置11进风口9、出风口5，打开循环水泵20，循环回水管道阀门14，循环供水管道阀门19，蓄热水箱16底部低温水进入装置11后，逐渐被加热，温度升高后高温水又进入蓄热水箱16。水泵的启动采用温差控制，温度探头T₂ 和T₁分别设置在水箱底部和热水出口处。补水量由水箱中的浮球阀15控制，浮球阀接用户自来水处，用户取热水量则根据需要由阀门17控制。

（3）同时加热空气和水模式

同时打开轴流风机12，进风口9，出风口5，以及循环水泵20，循环回水管道阀门14，循环供水管道阀门19。轴流风机12将空气从进风管22抽进集热装置，空气被加热后从出风管23流出集热装置，进入需要采暖或干燥的空间。当装置11出口温度T₁和水箱底部温度T₂间的温差达到设定上限值时，循环水泵20启动，将蓄热水箱16中的低温水送入装置11，进而逐渐被加热，温度升高后高温水又进入蓄热水箱16。当装置11出口温度T₁和水箱底部温度T₂间的温差达到设定下限值时，循环水泵20关闭。系统补水量由浮球阀15自动控制。

Claims (5)

1.一种高效气水复合型太阳能集热装置，包括外框(1)、隔热层(2)、集热板(3)、玻璃挡板(7)、玻璃盖板(8)、进水集管(10)和出水集管(4)，其特征在于外框(1)前部盖有玻璃盖板(8)，外框(1)四周及背部填充有隔热层(2)，外框(1)背部设有集热板(3)，集热板(3)覆盖于隔热层(2)上，集热板(3)背部固定有子管(6)，子管(6)的两端分别与进水集管(10)和出水集管(4)连接；进水集管(10)位于外框(1)下端，出水集管(4)位于外框(1)上端；(4)块玻璃挡板(7)自上而下交错排列将位于集热板(3)和玻璃盖板(8)之间的空气腔分割成五个腔体；外框(1)的左下角处开有进风口(9)，右上角处开有出风口(5)，右下角处开有进水集管(10)的进水口，左上角处开有出水集管(4)的出水口；空气从进风口(9)进入，在空气腔内沿蛇形路线被加热后从出风口(5)流出；冷水从进水集管(10)进入，沿集热板(3)背部子管(6)中被加热后，由于密度差的作用进入出水集管(4)。

2.根据权利要求1所述的高效气水复合型太阳能集热装置，其特征在于集热板(3)由数根管板式集热条拼接而成，集热条表面涂有选择性涂层，集热条背部的子管(6)上下两端分别与进水集管(10)、出水集管(4)胀接。

3.根据权利要求1所述的高效气水复合型太阳能集热装置，外框(1)和隔热层(2)之间用整张双层塑料布包裹，设备缝隙处均涂有玻璃胶。

4.一种如权利要求1所述的高效气水复合型太阳能集热装置在高效气水复合型太阳能集热系统中的应用，该系统由高效气水复合型太阳能集热装置(11)、热水环路和热气环路组成，其中：热水环路由排气阀(13)、浮球阀(15)、蓄热水箱(16)、循环水泵(20)和阀门组成，热气环路由空气进风管(22)、空气出风管(23)、轴流风机(12)和采暖空间组成，高效气水复合型太阳能集热装置(11)的进水集管(10)依次通过水泵前单向阀(21)、循环水泵(20)、循环给水管道上的阀门(19)和管道连接蓄热水箱(16)，蓄热水箱(16)底部设有泄污阀(18)，蓄热水箱(16)内设有浮球阀(15)，蓄热水箱(16)上部一侧设有热水给水管道上的阀门(17)，另一侧设有循环回水管道上阀门(14)，循环回水管道上阀门(14)通过管道和集热板(11)的出水集管(4)连接；高效气水复合型太阳能集热装置(11)的进风口9连接空气进风管(22)，右上部出风口5连接空气出风管(23)，出风管(23)上装有轴流风机(12)将室外新风或室内回风由设置在左下方的进风口(9)引入装置，新风或回风沿蛇形路径进入空气腔被加热后，从空气出风管(23)流出，进入采暖空间。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于所述系统共有三种运行模式，分别为：单独加热空气模式，单独加热水模式，同时加热空气和水模式；

（1）单独加热空气模式

关闭循环水泵(20)，循环回水管道阀门(14)，循环供水管道阀门(19)，打开进风口(9)，出风口(5)，开启轴流风机(12)将空气从进风管(22)抽进高效气水复合型太阳能集热装置(11)，空气被加热后从出风管(23)流出装置，进入需要采暖或干燥的空间；

（2）单独加热水模式

关闭轴流风机(12)，进风口(9)，出风口(5)，打开循环水泵(20)，循环回水管道阀门(14)，循环供水管道阀门(19)，蓄热水箱(16)底部低温水进入高效气水复合型太阳能集热装置(11)后，逐渐被加热，温度升高后高温水又进入蓄热水箱(16)；水泵的启动采用温差控制，温度探头T₂ 和T₁分别设置在水箱底部和高效气水复合型太阳能集热装置(11)热水出口处；补水量由水箱中的浮球阀(15)控制，浮球阀接用户自来水处，用户取热水量则根据需要由阀门(17)控制；

    （3）同时加热空气和水模式

    同时打开轴流风机(12)，进风口(9)，出风口(5)以及循环水泵(20)，循环回水管道阀门(14)，循环供水管道阀门(19)；轴流风机(12)将空气从进风管(22)抽进集热装置，空气被加热后从出风管(23)流出高效气水复合型太阳能集热装置(11)，进入需要采暖或干燥的空间；当高效气水复合型太阳能集热装置(11)出口温度T₁和水箱底部温度T₂间的温差达到设定上限值时，循环水泵启动，将蓄热水箱(16)中的低温水送入高效气水复合型太阳能集热装置(11)，进而逐渐被加热，温度升高后高温水又进入蓄热水箱(16)；当高效气水复合型太阳能集热装置(11)出口温度T₁和水箱底部温度T₂间的温差达到设定下限值时，循环水泵(20)关闭；系统补水量由浮球阀(15)自动控制。

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