CN102563913A - 一种太阳能非承压储水集热器和集热运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明是太阳能集热领域各种类型太阳能热水器、太阳能热水系统和太阳能集热工程上应用的一种太阳能非承压储水集热器和集热运行方法。针对现有太阳能集热器、热水器和热水系统存在的问题，本发明解决方案一是改变太阳能集热器结构，使集热器具有储水集热功能；二是将现有太阳能集热器顶水循环集热方法改为先排水后补水的温差控制循环集热方法，循环集热时集热器不承压；本发明储水集热器每只长度为1～12米，集热面积单箱2～24平方米，联箱4～48平方米，可串联并联；储水集热器配终端系统，可成为平板型、墙壁阳台挂装型、平面落地型、斜面落地型和立柱型单箱联箱太阳能热水器、热水系统和太阳能多用房，本发明产品与现有产品对比，优势倍增。

Description

一种太阳能非承压储水集热器和集热运行方法

技术领域

本发明是太阳能集热领域各种类型太阳能热水器、太阳能热水系统和太阳能集热工程上应用的一种太阳能非承压储水集热器和集热运行方法。

背景技术

太阳能集热器是太阳能热水器、热水系统、太阳能集热工程中最重要、最关键部分，现有太阳能热水器和热水系统存在的许多严重问题都是由集热器结构和集热运行方法引起的，集热器设计理念决定了集热器结构、形状和集热运行方法，集热器结构和集热运行方法决定了用于制造集热器的材料，决定了结水垢程度和水垢对集热效率持久性影响程度，决定了热水器和热水系统保温防冻害方法，决定了集热器连接、维修、施工方法，决定了单只集热器最大长度和集热面积，决定了集热系统运行时耗电量和噪声，决定了太阳能热水器和热水系统综合成本和使用寿命。如果在现有太阳能集热器基础上，按常规设计理念改进创新，无法系统解决太阳能热水器和热水系统中存在的一系列问题，只有以颠覆性设计理念对集热器结构和集热运行方法全面、彻底改进，才有可能全面、系统地解决现有太阳能热水器、热水系统存在的一系列问题，把太阳能集热应用技术和产品提升到新的水平。

目前，公知的太阳能热水器和热水系统使用的集热器，主要有两种类型，一是自然循环集热型家用太阳能热水器，二是强制顶水循环集热的平板型集热器、插入式热管真空管集热器和直流真空管集热器，存在的主要问题介绍如下：

一、家用太阳能热水器

家用太阳能热水器上集热器种类有全玻真空管、热管真空管、热管平板型等，其共同结构特征是：保温水箱与集热器连成一体，保温水箱在上，集热器在水箱下部一侧位置，存在的主要问题是：

1.集热器与保温水箱连为一体，且在室外高处，风大、水箱内热水与外部温差大，有阳光时集热，无阳光时水箱内热水可通过集热管板、接口和水箱外壳散热，由于无阳光时间远大于有阳光时间，热量易流失，热能利用率较低。2011年2月13日，央视《每周质量报告》曝光的浙江海宁产太阳能热水器的质量问题也从一个侧面反映了家用太阳能热水器热量易流失与一体化结构有关，导致长时间保温难。

2.热水器水箱壁薄，易腐蚀、易结水垢，使用寿命较短。

3.水箱为封闭型，无法清洗，影响使用寿命和水质。

4.防冻性能差，北方冬季通常难以使用，南方遇极冷天气也容易冻坏。

5.热水器高、大、重，在建筑物上安装受风面大、对建筑物压力大、安装固定难度大，且影响建筑物形象，因而对多层楼房来讲，虽然楼顶有很大集热面积，但考虑到水箱加满水的重量房顶结构难以承受，而无法充分利用，强制循环型热水器除自身存在很多问题外，无法实现分户独立使用，这是家用太阳能热水器在多层楼房应用中面临的现实而需要解决的问题。

6.家用太阳能热水器受光照不确定和季节因素影响，水温时高时低，无法满足用户正常使用要求，为此，许多太阳能热水器在水箱内增加电加热功能，这对于单层楼房来讲可行，但对多层住宅楼来讲，因距离用户供电供水点远，从安装、维修、用电安全等角度分析都不宜采用，因而很难满足多层楼房用户使用要求。

7.受集热器与保温水箱一体化限制，集热面积小，水箱容积小，难以满足用户使用要求。

8.受水箱在上的结构特征制约，无法低成本增设出水温度自动控制和采暖功能，用途单一，利用率低，用户实际使用性价比低，制约了用户购买欲望，制约了进一步发展空间。

还有一种依靠防冻液强制循环集热的平板型家用太阳能热水器，除外观形象较好、防冻外，存在问题多，成本很高，集热面积很小，不具备成为主流产品的条件，不详述。

二、平板型太阳能集热器、插入式热管真空管集热器、直流真空管集热器

太阳能集热器种类主要有平板型集热器、插入式热管真空管集热器、直流真空管集热器三种，采用强制顶水循环集热方法，存在主要问题是：

1.水垢对集热器集热效率影响大。水垢位于吸热板与循环吸热水流之间，循环集热管内壁易结水垢，由于水垢热导率低，影响吸热板向水中传热，影响集热效率；通常采用硅磷晶类化工品对水进行处理，这种方法只能延缓结垢，难以从根本上解决问题，且硅磷晶类物质对水质有影响；

插入式热管真空管集热器上的热管冷凝端外表与导热套间有接触热阻，在水箱内的导热套管外表易结垢，且联集管内部凹凸不平、无法清洗，对热效率有影响。

2.维修难。每只平板型集热器构成一个整体，难以在现场局部维修，通常有问题要整体更换，费用高(插入式热管真空管集热器除外)。

3.强制顶水循环集热方法不但使集热器承受的水压大，集热器密封难，且集热系统任何一处出现问题，都必须停机、放水才能维修，影响系统正常运行。

4.强制顶水循环集热所需循环泵功率大，且需要连续运行才能集热，耗电量大、运行噪声大。由于集热器内循环管径小，无储水储热能力，要集热必须使循环泵连续运转，又因为集热器管径小、管路长、水阻大，多组集热器串联后水阻更大，循环泵需很大压力才能克服阻力，达到顶水循环集热的目的。

5.集热器中集热循环管、联集管壁薄、管径小，管道中水垢易腐蚀管壁，影响使用寿命。

6.集热器循环集热管中始终存有少量水，遇光照强且循环泵停转时，循环集热管水温高，高温下极易结水垢，当室外环境低时又极易受冻。

7.透光板保温性能差。当环境温度较低时，集热性能较差，环境温度低或要求出水温度高时，热效率较低(插入式热管真空管集热器除外)。

8.平板型集热器热效率和使用寿命受生产工艺、材料影响非常大。

9.单只集热器集热面积小，通常只有1～2平方米，大面积集热系统使用集热器数量多、接口多，回水管长，故障因素多。

10.集热器使用寿命较短。正规产品集热器预期寿命通常为15年，一般厂家产品达不到15年，这是因为集热器受材料和结构制约，受循环集热管管径小、管路长、管壁薄、内部凹凸不平，易结水垢、易腐蚀、无法清洗、集热板连为一体无法维修等一系列因素影响大，使用数年后即使可用，热效率也降低很多。

11.综合成本高。这是因为每组集热器面积小，且都有箱体、四周透光保温层和管线、接口，工序多，单位集热面积成本高，又因为故障因素多，耗电量较大，使用寿命较短，导致运行费用高。

直流真空管集热器属于一种最新产品，目前用量极少，产品有同轴型和U型两种类型，同轴型工作原理是：直流套管内的介质将热能汇集，并通过循环管路输入系统储热装置内蓄存，连续不断的吸收太阳辐射能为热水系统或采暖系统提供热能；U型工作原理是：热能通过紧贴内壁的金属翼片传至U型管内，能量通过金属流道管路输入系统储热装置内蓄存。

直流真空管集热器是在玻璃真空管的基础上插入金属循环管构成的，这种改进不但没有解决集热器原有问题，而且引发了更多问题，这些问题主要有：

1.金属流道集热器造价较昂贵；

2.安装运输较复杂，维修难，有问题只能整体更换；

3.金属流道内易堵塞、冻结，故不宜用于直接系统；

4.加热快，能流密度大，循环受阻时介质易汽化；

5.集热循环能耗高；

6.单只集热器集热面积很小。

基于上述缺陷，直流真空管集热器综合热效率比热管真空管集热器要低，故障可能性更大，经不起长时间考验。一旦出现问题，难以维修，使用寿命更短，无市场竞争优势，不具备成为主流产品的条件。

平板型集热器和直流真空管集热器最大优势在于可水平或垂直安装，但水平、垂直安装与太阳能接收的基本倾斜角要求不符。为了获得太阳最大辐射能，固定安装的太阳能倾斜角要求等于当地纬度，我国内陆纬度最低是广州23度，最高是哈尔滨45度，全国太阳能集热器倾斜角为23～45度，因此水平、垂直这一优势因与太阳能辐射角度要求不符，不宜大面积使用，除非为了追求视觉效果和特殊场合安装的方便性，而降低对集热效率要求。

基于上述各种太阳能集热器存在的问题，导致现有太阳能集热产品理论计算效益很高，但用户感受不明显，特别是采用平板型太阳能集热器和直插式热管真空管集热器的热水系统和集热工程，太阳能持久热效率问题往往被电辅助加热和空气源热泵机辅助加热系统掩盖，用户感受到的往往不是效益和方便性，而是巨大投资与收益的差别，甚至有得不偿失之感，这是导致大面积太阳能集热系统几十年内都未实现较大范围推广应用的重要原因。到目前为止，各太阳能企业生产的产品大同小异，未发现可系统解决上述问题的方法、方案，更未见有新意的产品。

要使太阳能集热理论效益与实际效益基本相符，必须从根本上解决太阳能集热器长期运行中遇到的各类问题，切实保证集热器持久热效率、高可靠性、低运行费和长寿命。

本发明的主要目的：

1.最大限度保持集热器持久热效率不受其它因素影响；

2.尽可能减少储热过程中的热量流失，提高实际利用率；

3.大幅度优化、简化集热系统结构和管线，提高系统灵活性、通用性和可靠性；

4.大幅降低循环集热过程中的能耗；

5.解决太阳能热水器防冻问题；

6.提高产品安装、使用、维修的方便性；

7.提高与建筑物相融性，减少对建筑物外观和结构的影响；

8.大幅度提高产品使用寿命；

9.扩大太阳能集热产品应用范围；

10.大幅度降低太阳能热水器、热水系统综合成本和后期运行费用；

11.为太阳能集热产品智能化、高档化、多功能化创造条件；

发明内容

针对家用型太阳能热水器、平板型集热器、插入式热管真空管集热器、直流真空管集热器和热水系统存在的上述问题，本发明解决问题的总体方案是：

1.将家用型太阳能热水器上集热器与水箱分离，包括家用型太阳能热水器在内的各种类型太阳能热水器、热水系统全都由储水集热器和终端系统两大部分组成。

2.全面放弃现有各类平板型集热器、插入式热管真空管集热器、直流真空管集热器结构、生产工艺，淘汰顶水循环集热方法。

3.用全新设计的太阳能储水集热器、终端系统和非承压温差控制循环集热方法取代现有各种类型的太阳能热水器和热水系统。

本发明实现的方法是：各种类型太阳能热水器、热水系统全部由储水集热器、终端系统和先放水后补水的温差控制循环集热运行方法组成，在储水集热器上设有集热箱，采用热管真空管吸收太阳能，对集热箱中水加热，在终端系统内设有保温水箱，通过电控阀、水管、水泵使集热箱与保温水箱连通，在温差集热控制系统的控制下，通过电控阀和水泵，实现集热箱内高温水与保温水箱内低温水循环交换，把集热箱中吸收的太阳能热量转移到保温水箱内储存。

为了较清楚地描述本发明，以下依据附图1～图8，先将本发明储水集热器、终端系统、集热运行方法分三部分分别描述，再依据图9～图30分别介绍。

附图说明

一、附图名称：

图1.热管软塞密封型单箱储水集热器局部剖视图；

图2.热管导热套管型单箱储水集热器局部剖视图；

图3.双水管型终端系统部件连接图；

图4.单水管型终端系统部件连接图；

图5.热管软塞密封型联箱储水集热器局部剖视图；

图6.热管导热套管型联箱储水集热器局部剖视图；

图7.太阳能储水集热器与终端机双水管连接图；

图8.太阳能储水集热器与终端机单水管连接图；

图9.温差控制循环集热原理与信号流程方块图；

图10.圆箱平板型储水集热器，图中1.集热器主视图，2.集热器侧视图；

图11.长方箱平板型储水集热器，图中1.集热器主视图，2.集热器侧视图；

图12.长方箱墙壁阳台挂装型储水集热器，图中1.集热器主视图，2.集热器侧视图；

图13.圆箱墙壁阳台挂装型储水集热器，图中1.集热器主视图，2.集热器侧视图；

图14.平面落地型储水集热器，图中1.集热器主视图，2.集热器侧视图，3.集热器支架；

图15.斜面落地型单箱储水集热器，图中1.集热器主视图，2.集热器侧视图，3.集热器支架；

图16.斜面落地型联箱储水集热器，图中1.集热器主视图，2.集热器侧视图，3.集热器支架；

图17.立柱型单箱储水集热器，图中1.集热器主视图，2.集热器侧视图，3.集热器支架；

图18.立柱型联箱储水集热器，图中1.集热器主视图，2.集热器侧视图，3.集热器支架；

图19.圆箱平板型太阳能热水器；

图20.长方箱平板型太阳能热水器；

图21.长方箱墙壁阳台挂装型太阳能热水器；

图22.圆箱墙壁阳台挂装型太阳能热水器；

图23.平面落地型太阳能热水器；

图24.斜面落地型单箱太阳能热水器；

图25.斜面落地型联箱太阳能热水器；

图26.立柱型单箱太阳能热水器；

图27.立柱型联箱太阳能热水器；

图28.立柱型联箱太阳能多用房；

图29.太阳能1200平方米单箱集热系统实施例；

图30.太阳能1200平方米联箱集热系统实施例。

二、附图编号：

图1～图8中各部件、部位采用统一编号，分别介绍如下：

图1、图2储水集热器各部分编号名称是：1.集热管，2.密封软塞，3.热管，4.集热箱，5.保温防护层，6.端盖，7.端盖，8.水温水位传感器，9.排气溢流管，10.电控阀，11.水管接口，12.水管接口，13.电控接口，14.集热器接口，15.导热套管。

图1与图2区别在于：图1为热管软塞型，双水管输出，图2为导热套管插入型，单水管输出。

图3、图4终端系统各部分编号名称是：16.终端机体，17.保温水箱，18.排气溢流管，19.水位传感器，20.温度传感器，21.高温区，22.透水隔板，23.低温区，24.控制保护显示系统，25.环流器，26.水泵，27.上水阀，28.电控接口，29.电源输入接口，30.水管接口，31.水管接口，32.自来水输入接口。

图7、图8中集热器与终端系统连接水管编号：33.集热箱进水管，34.集热箱出水管，35.集热箱进出水共用水管。

三、储水集热器基本结构、用途、制造方法与特征：

图1、图2中储水集热器上集热管(1)中热管(3)通过密封软塞(2)或者导热套管(15)与集热箱(4)单面或双面连接，水温水位传感器(8)和排气溢流管(9)装在集热箱(4)适当位置，热管(3)冷凝端位于集热箱(4)内与箱中水进行热交换，把集热管吸收的太阳能热量储存在集热箱(4)中。

保温防护层(5)包裹在集热箱(4)外，端盖(6)和端盖(7)接集热器两端接口(14)，电控阀(10)接于集热箱(4)与水管接口(11)之间，水管接口(12)为集热箱(4)上水接口。

储水集热器上集热管(1)采用已获国家和国际标准认证的太阳能真空集热管，储水集热器热效率由所选用的集热管决定，质量有保证。集热管(1)种类和选择范围包括现有和未来开发的各种太阳能热管真空管、全玻真空管、非重力型集热管和热管型集热板等。

密封软塞(2)用于热管与集热箱之间防水密封，导热套管(15)用于将热管冷凝端与水箱中水隔离，热管冷凝端可直接插入导热套管，与集热箱(4)中水对流换热，密封软塞(2)与导热套管(15)作用相同，只是实现方法不同；

储水集热器特点和集热箱(4)的特征是：

1.集热箱(4)截面有圆形、圆弧形、方形、长方形等各种形状，截面积形状可根据不同应用场合和安装要求选择。

2.集热箱(4)截面积范围0.005平方米～0.05平方米，相当于圆形管内径80～250毫米，1米长度集热箱(4)可储水5～50升，各种不同类型、不同应用场合的集热器，可根据需要选择集热箱内径。

3.单只集热器长度为1～12米范围内任意值，如果选用2米长集热管，集热面积单箱为2～24平方米，联箱为4～48平方米；根据先放后补的非承压温差控制循环集热方法，适于系统运行的集热箱长度最长可达百米以上，可承载集热面积数百平方米；考虑到生产、运输方便性和型材最大长度，实际工厂生产的集热器长度为1～6米，特制型为12米，主要用于大规模集热工程；通常各类金属型和耐热塑料管标准长度为6米，玻璃钢管长度有6米、12米品种，因而6米以内集热器很容易制造，12米长集热器可由2根6米长管对接或焊接而成，生产难度不大，可采用长运输车运输，集热器支架可模块化生产，大面积集热工程只要将集热箱、支架、集热管运到现场组装即可，连接终端系统即可正常运行，简单方便快捷，施工效率比现有产品高2～6倍。

4.储水集热器两端接口(14)内径等于集热箱(4)内径，储水集热器之间可通过两端接口(14)串联、并联，集热面积可任意组合，储水集热器串联、并联后其集热箱内径相同，可连接成集热面积数百平方米的集热器、工作状态与单只集热器完全相同大型集热器，多只大型集热器并联可组成集热面积数万平方米以内的太阳能集热系统。

5.储水集热器进出水可以同在一处，无回水管，使太阳能集热系统得到进一步简化，在各种大中小型太阳能热水器、热水系统和集热工程上应用优势非常明显。

6.制造集热箱(4)的材料有金属型和非金属型两大类，可特制，也可采用标准型材制造。相关材料种类多，简单介绍如下：

a.金属型主要包括特制和标准圆形、矩形不锈钢管、镀锌钢管、铝管、铝塑管等，这类材料种类多，管壁厚度和管径选择范围大，结构强度较高，耐腐朽，易加工且成本较低，密封软塞型只要在管上打好孔、装好支架、端盖、接口、测量控制组件、保温层，接上集热管(1)即可成为完整的储水集热器，导热套管型要在集热箱上焊好导热套管，多一道工序，并在安装集热管时应在热管冷凝端涂导热硅脂，否则热管与导热套管间接触热阻影响热效率，在大多数场合，密封软塞型比导热套管型优势更明显。

b.非金属型包括玻璃钢管、耐高温塑料管。玻璃钢管具有结构强度较高、质轻、阻燃、耐高温水、抗冻、不结水垢、不生锈、热导率低、使用寿命长等太阳能集热器最需要的特性，是制造太阳能储水器上的集热箱(4)最理想材料之一。

耐高温塑料管种类很多，凡结构强度较高、可在90度以上水温长期工作不变形不影响使用寿命的各种类型塑料管、橡塑管、夹筋塑料管都可做集热箱(4)。

7.在集热箱上装有水温水位传感器(8)，用于测定集热箱(4)水温和水位，实施自动控制，水温水位传感器可装在集热箱任何适当位置，也可内置在集热箱内。

8.集热箱(4)上的排气溢流管(9)用于集热箱(4)排气和进气，使集热箱(4)始终与大气相通，可消除集热器内部压力，成为非承压储水集热器。

保温防护层(5)用于保温、防晒和防紫外线照射，保温和紫外线屏蔽方法有多种，根据制造集热箱(4)材料采用不同的保温防护方法。由于储水集热器不承担集热箱(4)中热水晚间保温任务，对保温性能要求相对降低，用金属类制成的集热箱(4)必须设置较好的保温层，玻璃钢和塑料类非金属材料制成的集热箱(4)本身热导率低，对保温层要求相对降低，但阳光和紫外线对玻璃钢管和塑料管寿命影响非常大，必须进行屏蔽，屏蔽方法有多种，通常是在集热箱(4)保温层外再套薄壁金属管，可彻底屏蔽紫外线，也可在集热箱保温层外，刷沥青油等其它保温防晒防紫外线照射方法。

端盖(6)和端盖(7)用于封闭集热箱(4)，清洗时端盖可打开，端盖可以是活动式，也可以是永久封闭式；

电控阀(10)接于集热箱(4)与水管接口(11)之间，利用高度差将集热箱(4)中热水放入保温水箱(17)。

水管接口(12)直接接集热箱(4)上端，用于集热箱(4)上水。

电控接口(13)用于接通集热器与终端系统电源和信号。

集热器接口(14)一是用于集热器之间串联、并联，二是与端盖(6)(7)连接。

四、终端系统组成、用途、特点、要求和特征：

以图3为例，终端系统内设有保温水箱(17)，排气溢流管(18)、水位传感器(19)、温度传感器(20)和透水隔板(22)装在保温水箱(17)适当位置；低温区水(23)经水泵(26)与水管接口(31)连通，水管接口(30)接保温水箱(17)高温区(21)，自来水输入接口(32)经上水阀(27)接保温水箱低温区(23)。

保温水箱(17)的主要作用：一是储水蓄热，二是与集热箱(4)水循环热交换，将集热箱(4)水中吸收的太阳能转移到保温水箱(17)中储存，三是为用户提供热水。

排气溢流管(18)用于保温水箱(17)气体进出和溢流，消除水箱内部压力。

水位传感器(19)用于测定保温水箱(17)水位，控制上水阀(27)，实现水箱自动上水。

水温传感器用于测定保温水箱(17)高温区水温，通过与集热箱(4)中水温比对，实现温差控制。

透水隔板(22)是根据热往高处走的原理设置的，设置在保温水箱(17)位于水箱高度四分之一左右位置，其作用一是保证隔板上下水流通，二是避免集热箱(4)高温水进入时与下部低温水快速混合，有利于提高循环集热效率。

控制保护显示系统(24)用于控制全系统按程序自动运行。

水泵(26)用于向集热箱(4)注水。

上水阀(27)用于保温水箱(17)自动上水，如果将上水阀(27)，改为水泵，无自来水用户可正常使用。

图4与图3区别仅在于终端系统与储水集热器之间水管连接，图3为双水管连接，图4为单水管连接，为避免集热箱(4)高温水直接进入保温水箱(17)低温区(23)，影响换热效率，图4中增设了环流器(25)，集热箱(4)放水时环流器(25)依靠放水压力自动封闭水泵端口，打开通往水箱高温区端口，使高温水经环流器(25)进入水箱高温区(21)，集热箱(4)上水时，在水泵(26)水压作用下，封闭通往水箱高温区端口，水箱低温区(23)经水泵(26)和环流器(25)进入集热箱(4)。

本发明终端系统有如下特点和要求：

1.终端系统结构根据所负载的集热面积有一体机和分体机两种，通常集热面积50平方米以内的家用、商用型太阳能热水器和热水系统，其终端系统为一体机，集热面积大于50平方米为分体式终端系统。

2.终端系统内保温水箱(17)容积比集热箱(4)容积大3倍以上。

3.多套独立运行的储水集热器和终端系统可共用保温水箱(17)。

4.制造保温水箱(17)的材料通常为金属、玻璃钢、耐高温塑料，大型集热系统也可采用钢筋水泥和保温防水材料建在地面上或地下。

5.保温水箱(17)水分高低温区的方法有多种，透水隔板(22)分区方法仅是其中之一。

6.在终端系统上，利用其本身已具备的水、电、泵、控制电路和机体等条件稍加改进，就可以很低的成本加设水温调节功能和采暖功能，使家用太阳能热水器全面升级为智能型多用途供热采暖系统。

7.储水集热器与终端系统的水管连接方法有双水管和单水管两种，单水管方式在终端系统中装有环流器(25)，两种方法除水管数量外，无其它影响。

8.终端机可就近放置在储水集热器附近，也可远离储水集热器，放在室内，不受日晒雨淋风吹和低温环境影响，机体材料不易老化，热能不易流失，可就近供电供水和使用热水。

五、集热运行方法、特征与相关问题说明：

本发明集热运行方法的特征是：温差控制循环集热，先放水后补水，先将集热箱(4)内高温水排入保温水箱(17)高温区(21)，然后用保温水箱(17)低温区(23)中水注满集热箱(4)，等待太阳能将集热箱(4)中水加热至规定温差值，重复集热箱(4)排水与补水循环集热过程。

以图7双水管连接方法为例，温差控制循环集热方法和运行过程如下：

1.连接方法：按图7接好水管(33、34)和自来水管，将电控接口(13)与(28)相接，接通电源，开机后，保温水箱(17)和集热箱(4)自动注满水，集热箱(4)进入等待太阳能加热状态，其水温随阳光强度和照射时间上升。

2.当集热箱(4)水温高于保温水箱(17)设定的温差值时，控制系统自动打开储水集热器上电控阀(10)，利用高度差，将集热箱(4)高温水经外接水管(34)放入保温水箱(17)高温区(21)，放水结束后关闭电控阀(10)，开启水泵(26)，将保温水箱(17)低温区(23)中水经外接水管(33)注入集热箱(4)，注满后自动关闭水泵(26)，等待集热箱(4)中水加热至规定的温差值，再次重复集热箱(4)排水与补水循环集热过程。

集热箱(4)放水温度等于保温水箱(17)高温区(21)水温加设定的温差值，保温水箱(17)中高温区(21)水的温度随每次集热箱(4)放入高温水而提高，当设定的温差值一定时，集热箱(4)每次放水温度值随保温水箱(17)水温提高而提高，从而达到将集热箱(4)中热能转移到保温水箱(17)内储存的目的。

图8与图7的差别仅在于终端系统增加了环流器(25)，集热器与终端系统之间进出水共用一根水管(35)，这种单水管连接方法在家用热水器和集热面积小于50平方米的集热系统上应用有较大优势，因此终端机与集热器之间采用单水管连接还是双水管连接，可根据不同产品、应用场合和集热规模确定。

储水集热器温差控制循环集热的温差值设定范围：5～30度，通常厂方可根据集热箱(4)截面积设定默认温差值，用户可在一定范围内修改。

温差控制循环集热方法另一优势是水泵运行时间极短，每年平均运行时间200小时以内，不但节电效率高，而且水泵使用寿命很长。

储水集热器防冻通常采用自动放水方法，放水防冻有时钟控制和环境温度控制两种控制方法。时钟控制方法通常是在寒冷季节，时钟控制电路每天下午6点(可设置)自动打开电控阀，将集热箱水放入保温水箱中，每天早上7点(可设置)自动发出集热箱(4)上水信号，但集热箱(4)上水受时间和温度双重控制，只有当集热箱内温度高于设定值时(例如20度)，才自动上水进入循环集热运行状态。环境温度控制有多种，因与本发明特征无关，不详述。

储水集热器与终端系统水循环，其电控阀与水泵配置、安装方法有两种，介绍如下：

1.利用集热箱(4)与保温水箱(17)相对高度差，通过电控阀(10)完成一个方向放水或补水，另一个方向放水或补水由水泵(26)完成。因而电控阀(10)与水泵(26)的安装位置是：当集热箱(4)安装高度高于保温水箱(17)时，储水集热器上装电控阀(10)，终端系统装水泵(26)；当集热箱(4)安装高度低于保温水箱(17)时，储水集热器上装水泵(26)，终端系统装电控阀(10)；

2.集热器和终端系统都装水泵，即将电控阀(10)改成水泵，放水和补水全部通过水泵实现。安装位置不受集热箱(4)与保温水箱(17)相对高度差限制。

储水集热器利用相对高度差的基本要求是：集热箱(4)与保温水箱(17)绝对高度差大于0.3米，集热系统可适应的最大高度差由水泵扬程决定，根据家用终端机特点，水泵扬程通常在10米以内选择，10米以上小型高压水泵，适用于平房和6层以内楼房使用，解决了多层楼顶密集安装分户使用的难题。绝大多数场合安装太阳能热水器，其高度差通常小于2米，一般低压水泵都可满足使用要求。

水泵噪声问题：由于水泵功率小，噪声比洗衣机小，且运行时间很短，仅在白天阳光强时才有短时间运转，对用户无影响。

六、实现温差控制循环集热的基本原理与信号流程方块图：

图9是温差控制循环集热方法原理与信号流程方块图，是实现温差控制循环集热方法中的一种方案；图中1.集热箱，2.电控阀，3.外接水管，4.环流器，5.水泵，6.上水阀，7.保温水箱低温区，8.保温水箱高温区，9.时钟或环境温度控制信号，10.水位信号，11.综合控制器，12.集热箱温度信号，13.保温水箱温度信号，14.温差信号处理器，15.水箱水位控制器。

实现温差控制循环集热的具体电路和方法很多，其具体电路与本发明特征无关，故不详述。

七、储水集热器种类：

图1、图2和图5、图6是本发明储水集热器基本结构，在图1、图2和图5、图6储水集热器上加装不同形状、结构的支架，可成为平板型、墙壁阳台挂装型、平面落地型、斜面落地型、立柱型等各种规格的单箱、联箱储水集热器和其它形状、安装方式的储水集热器，并可按安装场地形状和建筑物上安装要求组合成各种形状的大型储水集热器。

各种类型的储水集热器工厂生产标准长度范围都为1～12米，集热面积范围单箱为2～24平方米，联箱为4～48平方米，串联、并联后的长度、面积、形状不限，适用于家用、商用、大中小型太阳能热水器、热水系统和太阳能集热工程，部分储水集热器基本种类和外形如图10～图18所示。

具体实施方式

本发明储水集热器配终端系统，可成为平板型、墙壁阳台挂装型、平面落地型、斜面落地型、立柱型单箱、联箱太阳能热水器、热水系统和太阳能多用房。

储水集热器与终端系统基本连接方法如图7、图8所示。

本发明同一方案的产品应用范围涉及太阳能集热各个领域和各种应用场合，在图19～图30实施例中的终端机，通常集热面积50平方米以内为一体机，50平方米以上为分体式终端系统；终端机与储水集热器之间安装位置可远可近，可高可低，各种类型的产品所配终端机相同，储水集热器基本结构和运行方法相同，不同的只是储水集热器支架结构和安装方法，因而不同类型的产品，适用范围由集热器安装结构决定，图19～图30实施例适用范围分别介绍如下：

图19圆箱平板型太阳能热水器，图中1.储水集热器，2.终端机；本实施例储水集热器能与建筑物很好地融合，适用于坡面、斜面金属架上安装，储水集热器可串联、并联，集热面积不限，适用于各类大中小型太阳能热水器、热水系统和集热工程，特别适用于人字房顶放置或嵌入，可与屋面全溶为一体，在农村和城市别墅有广阔市场。

图20长方箱平板型太阳能热水器，图中1.储水集热器，2.终端机；本实施例储水集热器能与建筑物很好地融合，适用于坡面、斜面金属架上安装，适用于各类大中小型太阳能热水器、热水系统和集热工程，特别适用于人字房顶放置或嵌入，可与屋面全溶为一体，在农村和城市别墅有广阔市场.

图21长方箱墙壁阳台挂装型太阳能热水器，图中1.集热器，2.终端机；本实施例储水集热器可在建筑物墙壁挂装，既不占用空间，又可获取大量的热水，有独特的应用优势，在阳台挂装和大墙面挂装等方面有较大市场。

图22圆箱墙壁阳台挂装型太阳能热水器，图中1.储水集热器，2.终端机；本实施例储水集热器可在建筑物墙壁挂装，既不占用空间，又可获取大量的热水，有独特的应用优势，在阳台挂装和大墙面挂装等方面有较大市场。

图23平面落地型太阳能热水器，图中1.储水集热器，2.终端机；本实施例储水集热器适于固定在坡面、人字屋面、金属架上，集热器可串联、并联，集热面积不限，适用于各类大中小型太阳能热水器、热水系统和集热工程。

图24斜面落地型单箱太阳能热水器，图中1.储水集热器，2.终端机；本实施例储水集热器适用于放置或固定在平地、平面屋顶、人字形屋顶、坡面、金属架上，是取代现有家用型太阳能热水器、热水系统的主要品种之一，储水集热器可串联、并联，集热面积不限，适用于各类大中小型太阳能热水器、热水系统和集热工程。

图25斜面落地型联箱太阳能热水器，图中1.储水集热器，2.终端机；本实施例储水集热器适用于平地、平顶房、金属架上安装，储水集热器可串联、并联，集热面积不限，适用于各种家用、商业太阳能热水器和大中小型太阳能热水系统、集热工程。

图26立柱型单箱太阳能热水器，图中1.储水集热器，2.终端机；本实施例储水集热器占地面积小，对安装场地无严格要求，房前、屋后、坡地、平地都可安装，使用方便，适用于餐饮、洗理等需要较多热水服务行业和其它各种适于安装的场合，储水集热器可串联、并联，集热面积不限，适用于各类大中小型太阳能热水器、热水系统和集热工程。

图27立柱型联箱太阳能热水器，图中1.储水集热器，2.终端机；本实施例储水集热器可串联、并联，长度和集热面积不限，在集热的同时，适用于兼做别墅凉亭，旅游场所遮荫走廊等，储水集热器下空间可充分利用，安装场地可高可低，无严格要求，安装后再异地安装都很方便，储水集热器可串联、并联，集热面积不限，适用于各类大中小型太阳能热水器、热水系统和集热工程。

图28立柱型联箱太阳能多用房，图中1.储水集热器，2.终端机，3.联排房；本实施例终端系统放在房内房外均可，储水集热器和房屋融为一体，单只集热器构成的独幢房最大集热面积48平方米，房内宽3.2米左右，最长12米，最高处3米以上，房内最大面积为32平方米左右，房内可内置卫浴间，温度可自动调节，整个系统设计成模块式，可拆装和异地安装，对安装场地要求不高，房屋周边和房顶可选用防雨耐老化透光或不透光材料，如需透光可采用钢化玻璃，成为阳光暖房，用于种养业，也可用于岗亭哨所，餐饮旅游业，公共卫生间兼收费洗浴房，可居住，应用范围极广。各单组房可串联、并联，集热面积和室内面积无上限，可取代塑料大棚用于蔬菜瓜果花卉种植，鱼、蛙、禽、鸟饲养；如果不需大面积采光，周边和房顶采用不透光材料，配透光换气窗，太阳能集热面积根据用房要求确定，只是多装或少装集热管问题，不受房屋面积和集热房组合数量限制。

图29太阳能1200平方米单箱集热系统实施例，图中1.单箱储水集热器，2.控制柜，3.保温水箱或水池，4.增压泵与热辅系统，5.用户端，6.空气源热泵机；本实施例平板型、平面落地型、斜面落地型、立柱型单箱储水集热器都适用，平面、坡面、房顶和金属架上都可安装，具体根据安装环境和用户要求选用。实现1200平方米集热面积仅需50只集热器串联或并联，集热系统无小口径水管接口，无回水管，预期使用寿命比现有产品长一倍左右，综合成本可大幅度下降，优势十分明显。本方案适用于集热面积100平方米～数万平米集热工程，集热面积小于和大于1200平方米，可按比例缩小和放大。图中空气源热泵机(6)属于辅助加热节能装置，可装可不装，视用户需要定。

图30太阳能1200平方米联箱集热系统实施例，图中1.联箱储水集热器，2.控制柜，3.保温水箱或水池，4.增压泵与热辅系统，5.用户端，6.空气源热泵机；本实施例平板型、平面落地型、斜面落地型、立柱型单箱储水集热器都适用，平面、坡面、房顶和金属架上都可安装，具体根据安装环境和用户要求选用。实现1200平方米集热面积仅需25只集热器串联或并联，集热系统无小口径水管接口，无回水管，预期使用寿命比现有产品长一倍左右，综合成本可大幅度下降，优势十分明显。本方案适于集热面积100平方米～数万平米集热工程，集热面积小于和大于1200平方米，可按比例缩小和放大。图中空气源热泵机(6)属于辅助加热节能装置，可装可不装，视用户需要定。

图29与图30的差别仅在于图29采用单箱储水集热器，图30采用联箱储水集热器，性能无差异，只是安装方法和安装场地要求略有不同，可根据用户实际情况选择。

本发明特点和优势

一、与家用型太阳能热水器对比

本发明家用型太阳能热水器由储水集热器和一体化终端机组成，集热器与终端机之间可单水管连接，也可以双水管连接，非常简单，与现有家用太阳能热水器相比，具有如下特点：

1.截断了热水器中热水通过集热器大面积散热的途经，降低水垢对集热效率的影响，大幅度降低了保温水箱内外温差，热量不易流失，可最大限度发挥热水器集热保温功能，可确保集热系统长期使用热效率不下降或降幅很小。综合热效率和热能实际可利用率比现有产品高20％以上。

2.保温水箱和储水集热器都可随时打开清洗，集热管可随时拆装，清洗水箱和拆装集热管都非常简单，用户可随时清洗、维护，确保水质和持久热效率。

3.储水集热器与保温水箱分离，彻底切断了水箱中高温水通过集热器散热的途径，热能不易流失，利用效率高。

4.冬季夜间自动放水、防冻，不存在冻坏问题，无论是南方北方，一年四季可用。

5.储水集热箱可采用金属和非金属材料制造，质量轻、不生锈、不结水垢，使用寿命长。

6.终端机可放在室内任何地方，不受日晒雨淋风吹，水箱中热量不易流失，就近用热水更方便。

7.储水集热器可放在楼顶，终端机放在各用户家中，可就近供电供水用水，适用于6层以内楼房共用楼顶采光面积，各户独立使用太阳能热水器。

8.全自动上水，如果将电控阀(27)改为水泵，无自来水用户可正常使用，用电无安全隐患。

9.储水集热器上无沉重的大水箱，对建筑屋面压力比现有同规模产品小1～3倍，适于房顶密集排列和屋面嵌入。

10.太阳能集热面积、水箱容积都可成倍增加，用户可根据季节增减集热管数量，可最大限度满足用户使用要求。

11.耗电量极低。集热面积4平方米的家用太阳能热水器，控制与循环集热系统平均每天24小时电费不足4分钱，其消耗的电费与带来的效益相比微不足道，可忽略不计。

12.储水集热器可选材料种类多，生产简单方便，采用玻璃钢、耐高温塑料制造集热箱，在一定长度范围内可一次成型。

13.综合成本较低，且随集热面积增加，单位成本大幅度降低。

14.预期使用寿命可提高一倍左右。

终上所述，采用本发明取代现有家用太阳能热水器将是难以阻挡的发展趋势。

二、与现有顶水循环集热的集热器对比

本发明各种类型储水集热器，与现有强制顶水循环集热的平板型集热器、插入式热管真空管集热器和直流真空管集热器相比，优势更明显，应用范围更广，许多现有集热器不适用的地方都可使用。本发明与现有产品相比，都具有以下特点：

1.集热箱截面积大，储水多，热管可在水中充分进行热交换。

2.集热效率高。这是因为除热管冷凝端结水垢对热效率有一定影响外，集热器没有其它可影响热效率的因素。由于集热器上无外加水压，易拆装，热管冷凝端水垢用户可随时清洗，每年清洗一次到二次，热水器长期使用热效率有保证。

3.单组集热器集热面积大，多组集热器可串联并联，同规模集热面积使用集热器数量极少，无众多接口。

4.集热器无外部水压，密封简单，几乎不存在漏水问题，可靠性高。

5.集热器高低温水进出都在集热箱内完成，无回水管，外部连接极为简便。

6.采用热管真空管，不存在现有平板型热水器所具有的环境温度较低时集热性能较差，环境温度低或要求出水温度高时热效率较低等弊端。

7.集热箱两端可打开冲洗，热管可随时取下除垢，采用玻璃钢、耐热塑料制作的集热箱，不腐蚀、不生锈、不结水垢，长期持久热效率有保证。

8.维修简单方便。维修不停机、不放水，不影响系统正常运行。

9.温差控制循环集热，先放水后补水，放水过程中热水不稀释，换热效率高。

10.耗电量极少，节电效率极高，且运行噪声小。节电表现在3个方面：

一是水泵运行阻力很小，所需水泵功率小，由于集热箱(4)截面积大，且通过排气溢流管与大气相通；集热箱(4)无水阻力，水泵的作用是将水提升0.3米以上，只需小功率的低压水泵即可满足使用要求，同规模集热系统所用水泵功率仅为顶水循环集热所需循环泵功率的25％左右。

二是储水累积集热，水泵运行时间极短，绝大部分时间处于关闭状态。根据集热器集热功率与储水量和温差的关系，可计算出温差运行时间间隔，通常设计温差集热循环周期按最强光照时20分钟左右循环一次。

三是利用高度差放水或补水，水泵只承担向集热器单向放水或补水任务，水泵运行时间减少一半；因而系统运行时用电量可比现有同规模太阳能集热系统节电80％以上。

11.不受冻害，南方北方四季可用。本发明防冻表现在三个方面，一是集热箱材料本身具有抗冻裂能力，例如玻璃钢管在零下20度以下，管内结冰后不会发生冻裂；二是自动放水，每天下午太阳落山前自动将集热器中水收回到保温水箱，第二天早上只有满足时间和温度两个方面要求才会向集热箱注水，因而晚间和温度低时集热箱内无水，不受冻；三是集热管截面积大，加保温层后本身具有很好的保温性能。

12.使用寿命极长。由于排除现有集热器管径小、管路长、管壁薄、内部凹凸不平、易结水垢、易腐蚀、集热板连为一体无法维修等影响寿命的各种因素，并采用符合集热器运行特性的金属、玻璃钢、塑料等长寿命材料做集热箱(4)，个别零部件损坏很容易更换，因而本发明产品预期使用寿命可比现有产品提高一倍左右。

13.模块化设计，现场快速组装，安装、使用都很方便。

14.综合成本和运行费用低。

15.能与建筑物更好融合。

本发明与现有同类同规模产品对比

表1～表3是本发明与现有产品对比，可直观反映现有产品与本发明产品的巨大差异。

表1：本发明家用型与现有家用太阳能热水器对比

表2：本发明与现有顶水循环集热的平板型、插入式热管真空管、直流真空管集热器对比：

表3：1200平方米集热系统实施例主要参数对比：(请参照图29图30)

注：表3中“现有技术产品”是以某太阳能企业2011年向市场推出太阳能集热面积440平方米的40吨热水方案为依据，该方案采用集热面积2平方米的插入式热管真空管集热器，在现有产品中属最新技术，有代表性。

从表1～表3对比中可以看出，本发明使太阳能集热变得简单、可靠、高效、长寿命、低成本、大面积集热更容易，各种场合不论规模大小都适用，用户使用可得到实实在在、看得见算得出的效益，有利于推动太阳能集热向更大的范围、更多的领域、更高的水平发展。

2011年我国太阳能热利用产业生产太阳能真空管和平板热水器共计5760万平方米，比2010年增长了17.6％，2011年太阳能热利用产业总产值为935亿元，未来市场将更加广阔。

分析2011年国内太阳能产值排名靠前的20多家企业的现有热水器、热水系统和集热工程用产品，都没有充分考虑产品在长期运行中存在的问题，产品种类和结构大同小异，无实质差异，只是材料、工艺略有不同，技术含量较低，进入门槛低，同类产品低水平竞争激烈，因而有理由相信本发明独特的技术特征，实用、可靠、耐用等成倍增加的技术优势，将在激烈的市场竞争中占优势地位。

Claims (6)

1.一种太阳能非承压储水集热器和集热运行方法，由储水集热器、终端系统和集热运行方法组成，在储水集热器上设有集热箱(4)，采用集热管(1)吸收太阳能，对集热箱(4)中水加热，在终端系统内设有保温水箱(17)，通过电控阀、水管、水泵使集热箱(4)与保温水箱(17)连通，在温差集热控制系统的控制下，通过电控阀和水泵，实现集热箱(4)内高温水与保温水箱(17)内低温水循环交换，把集热箱(4)中吸收的太阳能热量转移到保温水箱(17)内储存；储水集热器的特征是：储水集热器上集热管(1)中热管(3)通过密封软塞(2)或者导热套管(15)与集热箱(4)单面或双面连接，水温水位传感器(8)和排气溢流管(9)装在集热箱(4)适当位置，集热箱(4)截面有圆形、圆弧形、方形、长方形等各种形状，集热箱(4)截面积范围0.005平方米～0.05平方米，单只储水集热器长度为1～12米、集热面积2～48平方米，储水集热器两端接口(14)内径等于集热箱(4)内径，储水集热器之间可通过两端接口(14)串联、并联；终端系统的特征是：终端系统有一体机和分体机两种，终端系统内设有保温水箱(17)，排气溢流管(18)、水位传感器(19)、温度传感器(20)和透水隔板(22)装在保温水箱(17)适当位置；集热运行方法的特征是：温差控制循环集热，先放水后补水，先将集热箱(4)内高温水排入保温水箱(17)高温区(21)，然后用保温水箱(17)低温区(23)中水注满集热箱(4)，等待太阳能将集热箱(4)中水加热至规定温差值，重复集热箱(4)排水与补水循环集热过程。

2.根据权利要求1所述储水集热器上的集热管(1)，其特征是：集热管(1)种类和选择范围包括现有和未来开发的各种太阳能热管真空管、全玻真空管、非重力型集热管和热管型集热板等。

3.根据权利要求1所述的集热箱(4)，其特征是：制造集热箱(4)的材料有金属型和非金属型两大类，可特制，也可采用标准型材制造。

4.根据权利要求1所述的储水集热器，其特征是：储水集热器上加装不同形状、结构的支架，可成为平板型、墙壁阳台挂装型、平面落地型、斜面落地型、立柱型等各种规格的单箱、联箱储水集热器和其它形状、安装方式的储水集热器，并可按安装场地形状和建筑物上安装要求组合成各种形状的大型储水集热器。

5.根据权利要求1所述储水集热器与终端系统，其特征是：储水集热器配终端系统，可成为平板型、墙壁阳台挂装型、平面落地型、斜面落地型、立柱型单箱、联箱太阳能热水器、热水系统和太阳能多用房。

6.根据权利要求1所述储水集热器与终端系统的水管连接方法，其特征是：储水集热器与终端系统的水管连接方法有单水管和双水管两种。

Images