一种热管式太阳能热水系统的热传输方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种热管式太阳能热水系统的热传输方法及其系统，涉及一种太阳能热水系统，特别涉及一种分体式太阳能热水系统。该热能传输方法包括由热管式的集热单元将太阳能转换成热能过程，以及通过热能传输系统传导输至水箱，对水箱内的低温水进行加热的热能传输过程，其中，热能传输过程是通过集热器内换热工质在完全密封循环系统内进行连续的液-汽-液相变，实现高效的将由所述集热单元采集并转换的热能转输至水箱。本发明专利技术能够在热管式太阳能集热单元的冷凝端与分体式水箱间高效传递热量减少热量损失，实现生活热水水箱与太阳能集热器不需外部辅助能量实现远距离热能传输，适应现代高层建筑的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种太阳能热水系统，特别涉及一种分体式太阳能热水系统。
技术介绍
太阳能是一种取之不尽的绿色能源，太阳能热水系统作为太阳能的直接且有效的利用在全世界的范围内被广泛地使用。随着太阳能热水技术发展，作为城市建筑太阳能系统的一种解决方案，阳台式太阳能热水器的市场空间逐渐呈上升趋势，得到越来越多的太阳能厂家的高度关注，并推出一系列的阳台式太阳能热水产品。作为太阳能与建筑一体化的先锋产品，阳台壁挂太阳能热水器成功的与建筑一体化完美结合，更得到了广大消费者的一致认可，从而实现了在高层建筑上对太阳能热水技术的应用。由于高层建筑结构以及高层建筑采光等条件的限制，大多数的应用于高层建筑上的太阳能热水系统通常采用将收集太阳能的集热单元与生活水箱的分体设计。集热单元设置于阳台或者建筑物的采光面，水箱则设置于室内，并通过自然循环或强制循环的方式将热能从集热单元导向水箱。现有的阳台太阳能热水系统，依据收集太阳能的集热单元的结构主要分为两大技术体系，一种采用平板式太阳能集热单元，另一种则采用真空管式太阳能集热单元。平板太阳能热水器是继第一代焖烧式太阳能热水器之后的第二代太阳能热水器。平板型太阳能热水器是目前太阳能集热器中的一种主要类型。由吸热板芯、壳体、透明盖板、保温材料及有关零部件组成。阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上，在吸热体上面排列的流体通道。其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收转变为热能后，传向流体通道中的工质。这样，从集热单元底部入口的冷工质，在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后的热工质，带着有用的热能从集热器的上端出口，蓄入水箱中待用，即为有用能量收益。由于平板式热水器可以将从太阳能吸收的热能通过流体通道直接传输至水箱，其热传输方法及结构直接简单，适用于壁挂式阳台太阳能热水器。但是，由于吸热体温度升高将损失一部分热量，通过透明盖板和外壳又向环境散失一部分热量，这些都构成平板太阳集热单元的各种热损失，则其传导给流体通道内工质再由工质传输至水箱的热能被大大地减弱了。在比较寒冷的地区(低于-10°C北方地区)需要大量电能作为辅助能源。全玻璃真空管型太阳能热水器是真空管型热水器的一种，因其结构简单，投资成本低，生产工艺成熟等，在太阳能市场场中占有相当份额。其主要结构由内、外两层玻璃管组成，内、外玻璃管之间进行真空处理，并且内管真空侧镀有选择性吸收涂层。工作时，内管内充满水，并通过涂层将太阳能转换为热能并传送给水。常见为直接插入水箱内提供热水。但其也存在明显的缺陷可靠性差，维护难，一根管破损则整个系统将无法运行；内管易结水垢且难以清除；不能承压运行；热容大，热损大；存在冻裂隐患。此种种，都影响了其使用寿命及在大型热水工程中的应用。U型管真空管主要分为两种。一种为玻璃吸热体结构，另外一种为金属吸热体结构。其主要的工作原理都是利用吸热体将太阳能转换为热能，并传送给U型管，再加热流通于U型管内的导热介质，从而制造热水。U型管热水器解决了全玻璃真空管太阳能热水器不能承压运行的为题，但其存在维护难，集热板安装困难，易局部过热等问题，并且需要循环泵等辅助设备，且所需功率较大，热性能不理想，所以应用较少。假热管式真空管热水器也是真空管热水器的一种。此种真空管是在全玻璃真空管的基础上，将一根热管放入玻璃内管内，并连接一个金属筒作为固定和二次导热。金属筒与内管管壁紧密接触。工作时，内管的选择性吸收涂层将太阳能转换为热能，并通过管壁传递给金属筒，再传递给热管。此种真空管解决了全玻璃真空管存在的内管易结水垢的问题，并且不会出现冻裂的危险。维护相对更容易，且个别管子的破损不影响整体体统的运行。但因其经过多次的传导才将热能传递给热管，且玻璃内管内是非真空的，因此其热损很大，热效率低。热管真空管式太阳能热水器是继闷晒型、平板型、全玻璃真空管之后的第四代太阳能热水器，是真空管型热水器的一种，从根本上解决了其它类型太阳能集热器在热效率、承压能力、防冻性能、安装维护方面的存在的问题，且价格适中，，适用范围极其广泛。由于热管式太阳能热水
内的大部分知识产权为中国所拥有，中国企业的热管式太阳能热水器占领90%以上的国际市场。其原理是由热管原理构成每一个独立的集热单元，通过工质在热管的冷凝端冷凝换热的方式，将热能传导至水箱。使用较为广泛的是将热管的冷凝端直接插设于水箱内，直接与水箱内的水进行的热交换，从而将热能传导给水箱。但是，这种简单的结构仅适用于平层建筑或高层建筑的顶层，在城市建筑，特别是高层建筑上的使用受到了极大的限制。其问题在于热管式热水器中，集热单元内工质只能在完全封闭的热管内循环，不能通过热管内的工质的流动将热能直接传输给与热管的换热端分体设置的水箱。目前解决这个问题的方式是将在集热单元的冷凝端与水箱间建立一个热传输系统。在这个热传输系统中，集热单元的换热端(热管的冷凝端)插设于集热器，与集热器内的水进行热交换，加热后的热水通过流体通道传输至水箱。热管中的工质不能直接进入热水系统中进行循环，只能先加热循环系统中的水，再由系统中的工质加热生活水箱中的热水。此种方式通常采用强制循环的方式实现热传输系统内工质的循环，需要耗费一定的电力，若停电则系统无法运行，并且循环泵、膨胀罐、水箱相互独立，利用管路连接，热量散失较大。因此目前此种方式主要应用于建筑特别高层建筑的集中式热水系统。采用自然循环的太阳能热水系统是利用热虹吸原理，依靠太阳能集热器的热传输系统中集热器与生活热水水箱的温差与压强差而形成的热虹吸压头使作为热能传输工质的水流动，进而循环，不需任何外部动力。但是，由于上述热传输系统内的压强差较小，为保证正常运行和防止夜间无辐射时热水倒循环，水箱底部必须高于太阳能集热器，在与建筑结合设计中，特别是在壁挂式阳台太阳能热水器的使用受到局限。为实现热管式太阳能热水器的自然循环，一种方法是采用二级热管的热水系统。是用二级热管连接太阳能集热器与生活热水水箱，通过二极热管将太阳能集热器收集到的热能传递给生活热水水箱，可以在低温状态下工作。但是生活热水水箱的位置受到二级热管长度的限制，生活热水水箱与太阳能集热器不能离开较远距离，不适应现代住宅的要求。有鉴于自然循环的热管式太阳能热水器在建筑，特别是高层建筑特上的应用的局限性，近些年国外提出了一种改进型的平板式太阳能集热单元。即在集热单元通道内产生蒸汽，而不是液态热工质，再由外部连接管路直接将蒸汽传输到设置于水箱内，对低温水进行加热。或者通过与外部管路连接并设置于水箱内的换热器，将热能传输给水箱中的水。蒸汽冷却为液体，再回到平板型太阳能集热器中循环加热。经测试了水，丙酮及R134a分别作为液态传热工质的性能，其性能分别为50%左右。但是这种方法依然存在着不可克服的技术缺陷，首先，平板型太阳能集热单元通道为串联或并联连接，液体工质需要利用吸热体收集到的太阳能被加热而形成的蒸汽，需要在连续的多弯头回转的管路内产生，这样蒸汽产生不容易同时蒸汽的压力不高，蒸汽也就不容易进入循环进而推动整个循环系统的工作。其次，由于工质既要分布于多个吸热体内吸收太阳能，又要进入到循环系统中加热水箱中的水，这就需要较多的液态工质并且难以明确液体工质的灌注量。这种方法还存在另一个不可克服的技术缺陷，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热管式太阳能热水系统的热能传输方法，包括由热管式的集热单元收集太阳能、并将太阳能转换成热能过程，以及将由所述集热单元转换的热能通过热能传输系统传导输至水箱，对水箱内的低温水进行加热的热能传输过程；其特征在于，所述热能传输过程：所述集热单元的换热端与热传输系统中集热器内的换热工质进行沸腾换热，在集热器内呈液态的换热工质在换热过程中蒸发后呈高温热蒸汽；所述高温热蒸汽通过与集热器的蒸汽出口导通的密封蒸汽通道进入二次换热器，由二次换热器与水箱内的低温水进行热交换，将水箱内的低温水加热，完成一次热能传输过程；进入二次换热器内的高温热蒸汽在换热过程中被冷凝后再次呈液态的换热工质通过密封的换热工质回流通道返回集热器内，进入下一个热传输过程的循环；上述热传输过程中，换热工质由低沸点工质构成，换热工质的蒸发?冷凝循环过程在完全密封循环系统内进行；在所述集热单元与集热器的热交换的全部过程中，上述热能传输过程连续循环，将由所述集热单元采集并转换的热能转输至水箱。

【技术特征摘要】
1.一种热管式太阳能热水系统的热能传输方法，包括由热管式的集热单元收集太阳能、并将太阳能转换成热能过程，以及将由所述集热单元转换的热能通过热能传输系统传导输至水箱，对水箱内的低温水进行加热的热能传输过程；其特征在于，所述热能传输过程: 所述集热单元的换热端与热传输系统中集热器内的换热工质进行沸腾换热，在集热器内呈液态的换热工质在换热过程中蒸发后呈高温热蒸汽； 所述高温热蒸汽通过与集热器的蒸汽出口导通的密封蒸汽通道进入二次换热器，由二次换热器与水箱内的低温水进行热交换，将水箱内的低温水加热，完成一次热能传输过程；进入二次换热器内的高温热蒸汽在换热过程中被冷凝后再次呈液态的换热工质通过密封的换热工质回流通道返回集热器内，进入下一个热传输过程的循环；上述热传输过程中，换热工质由低沸点工质构成，换热工质的蒸发-冷凝循环过程在完全密封循环系统内进行； 在所述集热单元与集热器的热交换的全部过程中，上述热能传输过程连续循环，将由所述集热单元采集并转换的热能转输至水箱。2.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述换热工质为沸点低于100°C的液态工质。3.如权利要求2所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述低沸点液态工质为甲醇、乙醇、丙酮、四氟乙烷或氢氟烃类化合物。4.如权利要求2所述热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述的换热工质由两种或两种以上的工质混合组成混合工质，所述混合工质中至少包含一种低沸点工质，所述混合工质的沸点低于100°C。5.如权利要求4所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述的混合工质由水和丙酮混合组成,其中丙酮的体积含量为10% -90%。6.如权利要求5所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于，丙酮的体积含量为20% -40%。7.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述集热器内的换热工质液面低于集热器的蒸汽出口，集热器内在换热工质最高水平液面的上方形成一可容置高温热蒸汽的空间，同时通过对集热器内换热工质的最高水平液面的高度的控制实现系统内换热工质准确的灌液量。8.如权利要求1或7所述热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述集热器内的换热工质的水平液面高于所述集热单元的最高换热端，所述集热单元的换热端完全被换热工质包容。9.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述与集热器的蒸汽出口导通的蒸汽通道的内腔口径小于集热器的内腔口径，集热器内的高温热蒸汽挤入蒸汽通道后被加压而形成高压高温热蒸汽。10.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述二次换热器的出口端高于集热器内液态换热工质的最高水平液面。11.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述的热管式集热单元由玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管构成，所述换热端为该玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管的冷凝端。12.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述导通于集热器和二次换热器间的蒸汽通道和工质回流通道进行保温处理。13.如权利要求1所述的热管式太阳能热水系统的热能传输方法，其特征在于所述的所述热能传输过程中换热工质在密封真空状态下循环。14.一种采用如权利要求1热能传输方法的热管式太阳能热水系统，包括: 集热单元，由热管式太阳能集热管构成，用于采集太阳能并转换成热能，并通过所述热管式太阳能集热管的换热端进行热能的转换； 水箱，设有补水入口和热水出口 ； 热能传输系统，将集热单元的热能传输至水箱，对水箱内的低温水进行加热；其特征在于: 与集热单元的换热端进行热交换的集热器，该集热器内容置有低沸点的换热工质，在换热过程中呈液态的换热工质在换热过程中蒸发呈高温热蒸汽； 集热器的蒸汽出口端导通于密封蒸汽通道，蒸汽通...

【专利技术属性】
技术研发人员：江希年，马杰，马旭明，杨彪，殷红娟，
申请(专利权)人：大厂菲斯曼太阳能集热器有限公司，
类型：发明
国别省市：