專利名稱：一種高效氣水復合型太陽能集熱裝置及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于節(jié)能領域，具體涉及一種高效氣水復合型太陽能集熱裝置及其應用。
背景技術：
目前在太陽能熱利用中，太陽能熱水器已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)，我國每年太陽能熱水器的 產(chǎn)量已達上千萬平方米，同時又有大量的太陽能空氣集熱器用于干燥或采暖。但是現(xiàn)有技 術中，無論是太陽能熱水器或太陽能空氣集熱器大多是單獨使用，即太陽能熱水器只能供 給熱水，太陽能空氣集熱器只能供給熱空氣。在冬季，太陽能空氣集熱器供暖系統(tǒng)可以很好地滿足建筑采暖需求，但在建筑無 需供暖的時期特別是夏季，此系統(tǒng)不但沒有必要，而且會導致建筑過熱，造成系統(tǒng)全年使用 率低，影響了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。對于此類問題，通常采用的做法是在集熱器中向室外開設風 口，排掉熱量，但是由于玻璃蓋板的溫室作用，也只能在一定程度上緩解問題，仍不能解決 建筑過熱問題。太陽能熱水系統(tǒng)結構簡單、技術成熟且成本較低，從出現(xiàn)開始就成為太陽能熱利 用技術中在世界范圍內(nèi)發(fā)展最快和應用最為普遍的技術。但是它也有很大的局限性太陽 能熱水系統(tǒng)在冬季寒冷地區(qū)應用時，水溫過低甚至系統(tǒng)結凍而造成系統(tǒng)無法有效使用；傳 統(tǒng)安裝方式將系統(tǒng)安裝于建筑屋頂，安裝不美觀影響建筑美觀甚至城市整體形象，而且高 層建筑屋頂面積無法滿足需求等。目前太陽能空氣-水雙效集熱器有兩種形式，一種是真空管型，在原有全玻璃真 空管太陽能熱水器的基礎上增加了空氣循環(huán)管路，但是它無法實現(xiàn)同時加熱空氣和水，要 想加熱空氣就必須將水排干，要想加熱水則要把循環(huán)介質(zhì)由空氣轉換為水，操作比較復雜。 另一種是平板型，它的原理和Trombe墻相似，將集熱器掛在南墻上，并在背部上下位置開 兩個口與室內(nèi)相通，采用被動式運行方式。它的缺點是設備只能給南向房間采暖，但在冬季 陽光可透過南向窗戶直接進入房間，因此南向房間溫度比其他房間要高，并不是最需要采 暖的房間，另外被動式運行方式不可靠，空氣流量小，集熱效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高效氣水復合型太陽能集熱裝置，以克服單一功能太 陽能熱水器或空氣集熱器，以及現(xiàn)有的兩種雙效集熱器的上述缺點。本發(fā)明提出的高效氣水復合型太陽能集熱裝置，包括外框1、隔熱層2、集熱板3、 玻璃擋板7、玻璃蓋板8、進水集管10和出水集管4，外框1前部蓋有玻璃蓋板8，外框1四 周及背部填充有隔熱層2，外框1背部設有集熱板3，集熱板3覆蓋于隔熱層2上，集熱板3 背部固定有子管6，子管6的兩端分別與進水集管10和出水集管4連接；進水集管10位于 外框1下端，出水集管4位于外框1上端；4塊玻璃擋板7自上而下交錯排列將位于集熱板 3和玻璃蓋板8之間的空氣腔分割成五個腔體；外框1的左下角處開有進風口 9，右上角處 開有出風口 5，右下角處開有進水集管10的進水口，左上角處開有出水集管4的出水口 ；空氣從進風口 9進入裝置，在空氣腔內(nèi)沿蛇形路線被加熱后從出風口 5流出裝置；冷水從進水 集管10進入，沿集熱板3背部子管6中被加熱后，由于密度差的作用進入出水集管4，再流 出裝置，空氣和水的流道分開，互不干擾。本發(fā)明中，所述集熱板3由數(shù)根(如5 - 8根)管板式集熱條拼接而成，集熱條表面 涂有選擇性涂層，集熱條背部的子管6上下兩端分別與進水集管10、出水集管4脹接。本發(fā)明中，所述外框1和隔熱層2之間用整張雙層塑料布包裹，設備縫隙處都涂有 玻璃膠，具有很好的密封效果。本發(fā)明所述高效氣水復合型太陽能集熱裝置在高效氣水復合型太陽能集熱系統(tǒng) 中的應用，該系統(tǒng)由高效氣水復合型太陽能集熱裝置11、熱水環(huán)路和熱氣環(huán)路組成，其中 熱水環(huán)路由排氣閥13、浮球閥15、蓄熱水箱16、循環(huán)水泵20和閥門組成，熱氣環(huán)路由空氣 進風管22、空氣出風管23、軸流風機12和采暖空間組成。高效氣水復合型太陽能集熱裝置 11的進水集管10依次通過水泵前單向閥21、循環(huán)水泵20、循環(huán)給水管道上的閥門19和管 道連接蓄熱水箱16，蓄熱水箱16底部設有泄污閥18，蓄熱水箱16內(nèi)設有浮球閥15，蓄熱水 箱16上部一側設有熱水給水管道上的閥門17，另一側設有循環(huán)回水管道上閥門14，循環(huán)回 水管道上閥門14通過管道和集熱板11的出水集管4連接；高效氣水復合型太陽能集熱裝 置11的進風口 9連接空氣進風管22，右上部出風口 5連接出風管23，出風管23上裝有軸 流風機12將室外新風或室內(nèi)回風由設置在左下方的進風口 9引入裝置，新風或回風沿蛇形 路徑進入空氣腔被加熱后，從空氣出風管23流出，進入采暖空間。本發(fā)明所述的高效氣水復合型太陽能集熱系統(tǒng)具有三種運行模式，分別為單獨 加熱空氣模式、單獨加熱水模式和同時加熱空氣和水模式；
(1)單獨加熱空氣模式
關閉循環(huán)水泵20，循環(huán)回水管道閥門14，循環(huán)供水管道閥門19，打開進風口 9，出風口 5，開啟軸流風機12將空氣從進風管22抽進高效氣水復合型太陽能集熱裝置11，空氣被加 熱后從出風管23流出裝置，進入需要采暖或干燥的空間；
(2)單獨加熱水模式
關閉軸流風機12，進風口 9，出風口 5，打開循環(huán)水泵20，循環(huán)回水管道閥門14，循環(huán)供 水管道閥門19，蓄熱水箱16底部低溫水進入高效氣水復合型太陽能集熱裝置11后，逐漸被 加熱，溫度升高后高溫水又進入蓄熱水箱16 ；水泵的啟動采用溫差控制，溫度探頭T2和T1 分別設置在水箱底部和高效氣水復合型太陽能集熱裝置11熱水出口處；補水量由水箱中 的浮球閥15控制，浮球閥接用戶自來水處，用戶取熱水量則根據(jù)需要由閥門17控制；
(3)同時加熱空氣和水模式
同時打開軸流風機12，進風口 9，出風口 5，以及循環(huán)水泵20，循環(huán)回水管道閥門14，循 環(huán)供水管道閥門19 ；軸流風機12將空氣從進風管22抽進集熱裝置，空氣被加熱后從出風 管23流出集熱裝置，進入需要采暖或干燥的空間；當高效氣水復合型太陽能集熱裝置11出 口溫度T1和水箱底部溫度T2間的溫差達到設定上限值時，循環(huán)水泵啟動，將蓄熱水箱16中 的低溫水送入高效氣水復合型太陽能集熱裝置11，進而逐漸被加熱，溫度升高后高溫水又 進入蓄熱水箱16 ；當高效氣水復合型太陽能集熱裝置11出口溫度T1和水箱底部溫度T2間 的溫差達到設定下限值時，循環(huán)水泵20關閉；系統(tǒng)補水量由浮球閥15自動控制。本發(fā)明把現(xiàn)有的平板型太陽能熱水器和空氣集熱器原理相結合，在平板型太陽能熱水器的基礎上增加了空氣循環(huán)通路。當需要采暖或干燥時，可開啟空氣循環(huán)模式，將室外 新風或室內(nèi)回風引進集熱裝置11，加熱后送到需要采暖或干燥的空間，達到采暖或干燥的 目的。夏季沒有采暖需求時，可開啟熱水循環(huán)模式，使蓄熱水箱中的水維持在適合的溫度， 滿足生活用熱水需求。春、秋季節(jié)的采暖需求不大時，可同時開啟熱水、熱空氣兩種模式，在 滿足建筑采暖需求的同時提供部分生活用熱水。當夏季蓄熱水箱16內(nèi)水溫過高時，集熱裝 置的工作溫度太高，會對裝置本身產(chǎn)生危害，降低裝置壽命，此時，可將出風管23朝室外開 啟，打開進風口 9，然后開啟軸流風機12，將裝置內(nèi)的高溫空氣排出，降低裝置的工作溫度， 對裝置進行保護。本發(fā)明高效氣水復合型太陽能集熱裝置克服了傳統(tǒng)太陽能熱水器和太陽能空氣 集熱器功能單一的缺點，不僅可同時加熱空氣和水，而且空氣和水流道分開，互不影響，其 優(yōu)點在于
(1)該集熱裝置在集熱板和玻璃蓋板之間增設了玻璃擋板，可加強空氣擾動，增加空氣 在集熱器內(nèi)的駐留時間，提高了加熱空氣時的換熱效率，同時加厚的空氣間層可形成溫室 效應，解決了真空管熱水器冬季系統(tǒng)結凍問題。(2)該集熱裝置在平板型太陽能集熱器的基礎上，并未增加多少成本，卻能實現(xiàn)雙 效運作，提高設備全年使用率和投資回報速度，并且解決了太陽能空氣采暖系統(tǒng)夏季過熱 和閑置問題。(3)當夏季集熱裝置的工作溫度太高，會對裝置本身產(chǎn)生危害，降低裝置壽命，此 時，可利用軸流風機12，將裝置內(nèi)的高溫空氣排到室外，降低裝置的工作溫度，對裝置進行 保護。(4)該集熱裝置采用太陽能熱水器部件，生產(chǎn)工藝成熟，易市場化，同時，平板型集 熱器容易和建筑結合，有利于高層住宅這種屋頂面積少的場合使用。(5)用戶可根據(jù)需要將多臺設備進行串、并聯(lián)組合，各臺集熱器之間連接非常方 便。


圖1為高效氣水復合型太陽能集熱裝置的結構圖。其中(a)為主視圖，(b)為左 視圖。圖2為高效氣水復合型太陽能集熱裝置的運行原理圖。圖中標號1為外框，2為隔熱層，3為集熱板，4為出水集管，5為出風口，6為集熱 板背部子管，7為玻璃擋板，8為玻璃蓋板，9為進風口，10為進水集管，11為高效氣水復合型 太陽能集熱裝置，12為軸流風機，13為排氣閥，14為循環(huán)回水管道上閥門，15為水箱內(nèi)浮球 閥，16為蓄熱水箱，17熱水給水管道上的閥門，18為泄污閥，19為循環(huán)給水管道上的閥門， 20為循環(huán)水泵，21為水泵前單向閥，22為空氣進風管，23為空氣出風管。
具體實施例方式
下面通過實例結合附圖進一步描述本發(fā)明。 如圖1所示，該發(fā)明所述高效氣水復合型太陽能集熱裝置外框1尺寸為 2. ImXl. ImXO. 15m。四周及底部填充4mm聚苯乙烯板作為隔熱層2用來保溫，然后在上面覆蓋管板式集熱板3。此集熱板3由銅-鉻合金制成，表面涂層為黑鉻，其吸收率高達97% (士洲)，而其發(fā)射率卻僅有10% (士洲)。集熱板3由7根長an寬0. 14m集熱條拼接而成， 集熱條背部采用超聲波焊接法焊有直徑為0. 12m的紫銅管作為子管6，每根子管6分別與上 下兩根直徑為0. 2m的進水集管10和出水集管4相連。外框1和隔熱層2之間用整張雙層 塑料布包裹，設備縫隙處都涂有玻璃膠，具有很好的密封效果。集熱板3與玻璃蓋板8之間 的空氣腔尺寸為2 mXl mXO. 1 m，內(nèi)部設4塊玻璃擋板7作為擋流板，長度為0. 7 m，自下 往上交錯排列，分割出5個集熱腔。玻璃蓋板8采用單層鋼化玻璃，具有透短波，阻紅外長 波的特性。在裝置的上、下對角處分別開有直徑為75 mm的出風口 5和進風口 9。如圖2所示，將本發(fā)明用于高效氣水復合型太陽能集熱系統(tǒng)，該高效氣水復合型 太陽能集熱系統(tǒng)由熱水環(huán)路和熱空氣環(huán)路構成。裝置的進水集管10通過水泵前單向閥21、 循環(huán)水泵20、循環(huán)給水管道上的閥門19連接蓄熱水箱16，蓄熱水箱16底部設有泄污閥18， 蓄熱水箱16內(nèi)設有浮球閥15，蓄熱水箱16上部一側設有熱水給水管道上的閥門17，另一 側設有循環(huán)回水管道上閥門14，循環(huán)回水管道上閥門14通過管道和裝置11的出水集管4 連接。裝置的進風口 9連接空氣進風管22，右上部出風口 5連接出風管23，出風管23上裝 有軸流風機12將室外新風或室內(nèi)回風由設置在左下方的進風口 9引入本裝置，空氣沿蛇形 路徑進入裝置被加熱后從空氣出風管23流出。其中
熱水環(huán)路包括新型高效氣水復合型太陽能集熱裝置11、排氣閥13、浮球閥15、蓄熱水 箱16、循環(huán)水泵20、以及各管路上的閥門14、閥門17、閥門19和閥門21。當裝置出口處熱 水溫度T1和水箱底部水溫T2間溫差達到設定上限時，水泵啟動，蓄熱水箱底部低溫水經(jīng)循 環(huán)給水管被送往裝置11下集管，低溫水被加熱后進入裝置11上集管，熱水經(jīng)循環(huán)給水管進 入蓄熱水箱。當裝置11出口處熱水溫度T1和水箱底部水溫T2間溫差達到設定下限時，水 泵關閉。水箱內(nèi)熱水經(jīng)熱水給水管送往用戶處，取水量由閥門17控制，當水箱內(nèi)水位下降 時，浮球閥15開啟，自來水經(jīng)補水管進入蓄熱水箱中。熱空氣環(huán)路包括新型高效氣水復合型太陽能集熱裝置11、空氣進風管22、空氣出 風管23和軸流風機12。當室內(nèi)溫度低于設定值時，風機啟動，將室內(nèi)空氣或者室外空氣經(jīng) 進風管22抽進集熱裝置，空氣沿蛇形路線流動到出口時，溫度升高，高溫空氣經(jīng)送風管23 進入室內(nèi)，達到采暖或干燥目的。該高效氣水復合型太陽能集熱系統(tǒng)共有三種運行模式，分別為單獨加熱空氣模 式，單獨加熱水模式，同時加熱空氣和水模式。(1)單獨加熱空氣模式
關閉循環(huán)水泵20，循環(huán)回水管道閥門14，循環(huán)供水管道閥門19，打開裝置進風口 9，出 風口 5，開啟軸流風機12將空氣從進風管22抽進裝置11，空氣被加熱后從出風管23流出 裝置，進入需要采暖或干燥的空間。(2)單獨加熱水模式
關閉軸流風機12，裝置11進風口 9、出風口 5，打開循環(huán)水泵20，循環(huán)回水管道閥門14， 循環(huán)供水管道閥門19，蓄熱水箱16底部低溫水進入裝置11后，逐漸被加熱，溫度升高后高 溫水又進入蓄熱水箱16。水泵的啟動采用溫差控制，溫度探頭T2和T1分別設置在水箱底 部和熱水出口處。補水量由水箱中的浮球閥15控制，浮球閥接用戶自來水處，用戶取熱水 量則根據(jù)需要由閥門17控制。
(3)同時加熱空氣和水模式
同時打開軸流風機12，進風口 9，出風口 5，以及循環(huán)水泵20，循環(huán)回水管道閥門14，循 環(huán)供水管道閥門19。軸流風機12將空氣從進風管22抽進集熱裝置，空氣被加熱后從出風 管23流出集熱裝置，進入需要采暖或干燥的空間。當裝置11出口溫度T1和水箱底部溫度 T2間的溫差達到設定上限值時，循環(huán)水泵20啟動，將蓄熱水箱16中的低溫水送入裝置11， 進而逐漸被加熱，溫度升高后高溫水又進入蓄熱水箱16。當裝置11出口溫度T1和水箱底 部溫度T2間的溫差達到設定下限值時，循環(huán)水泵20關閉。系統(tǒng)補水量由浮球閥15自動控 制。
權利要求
1.一種高效氣水復合型太陽能集熱裝置，包括外框(1)、隔熱層O)、集熱板(3)、玻璃 擋板(7)、玻璃蓋板(8)、進水集管(10)和出水集管G)，其特征在于外框(1)前部蓋有玻 璃蓋板(8)，外框⑴四周及背部填充有隔熱層O)，外框⑴背部設有集熱板(3)，集熱板 (3)覆蓋于隔熱層( 上，集熱板C3)背部固定有子管(6)，子管(6)的兩端分別與進水集 管(10)和出水集管(4)連接；進水集管(10)位于外框(1)下端，出水集管(4)位于外框 (1)上端；(4)塊玻璃擋板(7)自上而下交錯排列將位于集熱板( 和玻璃蓋板(8)之間的 空氣腔分割成五個腔體；外框(1)的左下角處開有進風口(9)，右上角處開有出風口(5)，右 下角處開有進水集管(10)的進水口，左上角處開有出水集管的出水口 ；空氣從進風口 (9)進入，在空氣腔內(nèi)沿蛇形路線被加熱后從出風口( 流出；冷水從進水集管(10)進入， 沿集熱板C3)背部子管(6)中被加熱后，由于密度差的作用進入出水集管G)。
2.根據(jù)權利要求1所述的高效氣水復合型太陽能集熱裝置，其特征在于集熱板(3)由 數(shù)根管板式集熱條拼接而成，集熱條表面涂有選擇性涂層，集熱條背部的子管(6)上下兩 端分別與進水集管(10)、出水集管(4)脹接。
3.根據(jù)權利要求1所述的高效氣水復合型太陽能集熱裝置，外框⑴和隔熱層⑵之 間用整張雙層塑料布包裹，設備縫隙處均涂有玻璃膠。
4.一種如權利要求1所述的高效氣水復合型太陽能集熱裝置在高效氣水復合型太陽 能集熱系統(tǒng)中的應用，該系統(tǒng)由高效氣水復合型太陽能集熱裝置(11)、熱水環(huán)路和熱氣環(huán) 路組成，其中熱水環(huán)路由排氣閥(13)、浮球閥(15)、蓄熱水箱(16)、循環(huán)水泵00)和閥門 組成，熱氣環(huán)路由空氣進風管(22)、空氣出風管(23)、軸流風機(12)和采暖空間組成，高效 氣水復合型太陽能集熱裝置(11)的進水集管(10)依次通過水泵前單向閥(21)、循環(huán)水泵 (20)、循環(huán)給水管道上的閥門(19)和管道連接蓄熱水箱(16)，蓄熱水箱(16)底部設有泄污 閥(18)，蓄熱水箱(16)內(nèi)設有浮球閥(15)，蓄熱水箱(16)上部一側設有熱水給水管道上 的閥門(17)，另一側設有循環(huán)回水管道上閥門(14)，循環(huán)回水管道上閥門(14)通過管道和 集熱板(11)的出水集管(4)連接；高效氣水復合型太陽能集熱裝置(11)的進風口 9連接 空氣進風管(22)，右上部出風口 5連接空氣出風管(23)，出風管上裝有軸流風機(12) 將室外新風或室內(nèi)回風由設置在左下方的進風口(9)引入裝置，新風或回風沿蛇形路徑進 入空氣腔被加熱后，從空氣出風管03)流出，進入采暖空間。
5.根據(jù)權利要求4所述的應用，其特征在于所述系統(tǒng)共有三種運行模式，分別為單獨 加熱空氣模式，單獨加熱水模式，同時加熱空氣和水模式；(1)單獨加熱空氣模式關閉循環(huán)水泵(20)，循環(huán)回水管道閥門(14)，循環(huán)供水管道閥門(19)，打開進風口 (9)，出風口(5)，開啟軸流風機(1 將空氣從進風管0 抽進高效氣水復合型太陽能集熱 裝置(11)，空氣被加熱后從出風管03)流出裝置，進入需要采暖或干燥的空間；(2)單獨加熱水模式關閉軸流風機(12)，進風口(9)，出風口(5)，打開循環(huán)水泵(20)，循環(huán)回水管道閥門 (14)，循環(huán)供水管道閥門(19)，蓄熱水箱(16)底部低溫水進入高效氣水復合型太陽能集熱 裝置(11)后，逐漸被加熱，溫度升高后高溫水又進入蓄熱水箱(16)；水泵的啟動采用溫差 控制，溫度探頭T2和T1分別設置在水箱底部和高效氣水復合型太陽能集熱裝置(11)熱水 出口處；補水量由水箱中的浮球閥(1 控制，浮球閥接用戶自來水處，用戶取熱水量則根據(jù)需要由閥門(17)控制；(3)同時加熱空氣和水模式同時打開軸流風機(12)，進風口(9)，出風口(5)以及循環(huán)水泵(20)，循環(huán)回水管道閥 門(14)，循環(huán)供水管道閥門(19)；軸流風機(1 將空氣從進風管0 抽進集熱裝置，空氣 被加熱后從出風管流出高效氣水復合型太陽能集熱裝置(11)，進入需要采暖或干燥 的空間；當高效氣水復合型太陽能集熱裝置(11)出口溫度T1和水箱底部溫度T2間的溫差 達到設定上限值時，循環(huán)水泵啟動，將蓄熱水箱(16)中的低溫水送入高效氣水復合型太陽 能集熱裝置(11)，進而逐漸被加熱，溫度升高后高溫水又進入蓄熱水箱(16)；當高效氣水 復合型太陽能集熱裝置(11)出口溫度T1和水箱底部溫度T2間的溫差達到設定下限值時， 循環(huán)水泵00)關閉；系統(tǒng)補水量由浮球閥(1 自動控制。
全文摘要
本發(fā)明屬于節(jié)能領域，具體涉及一種高效氣水復合型太陽能集熱裝置及其應用。它采用傳統(tǒng)的平板型太陽能熱水器形式，全銅集熱板由管板式集熱條拼接而成，集熱條背部子管分別與上下兩根母管相連，正面則噴涂了具有高吸收率，低發(fā)射率的選擇性涂層。同時，增加了集熱板與玻璃蓋板之間的空間作為空氣的流道，并均勻設置4塊玻璃擋板，以增加空氣在集熱裝置內(nèi)的駐留時間和加強腔內(nèi)的空氣擾動。將此裝置應用于高效氣水復合型太陽能集熱系統(tǒng)中，熱水在集熱板背部的銅管內(nèi)流動，空氣則在集熱板和玻璃蓋板之間的腔體內(nèi)流通，互不干擾，因此可實現(xiàn)夏季加熱生活用水，冬季加熱空氣采暖或干燥，春秋季同時熱水和空氣，提高了集熱裝置的全年使用率；同時解決了太陽能空氣采暖系統(tǒng)夏季過熱的問題。
文檔編號F24D15/02GK102141304SQ201110056598
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權日2011年3月10日
發(fā)明者朱洪光, 石惠嫻, 裴曉梅, 黃超 申請人:同濟大學