CN104620055A - 利用太阳能板加热液体的加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加热液体的加热装置，包括：第一换热器回路(5)，设置成作用于待加热液体；以及第二换热器回路(8)，设置成也作用于所述待加热液体；其中，所述的第二换热器回路(8)连接至用作太阳能集热器且设置成加热所述第二换热器回路(8)的至少一部分的面板(4)。

Description

利用太阳能板加热液体的加热装置

技术领域

本发明涉及一种用于加热液体的加热装置，其包括第一换热器回路，设置成作用于待加热液体；以及第二换热器回路，设置成也作用于所述待加热液体。

背景技术

在液体(如建筑物用水)加热领域内已知有多种加热装置。在一所房屋内，被用作自来水的水需要加热到适合温度并存贮在箱中以供需要时使用，且通过传统方法供应此类已加热的水通常费用昂贵。

为了降低成本，可采用可再生能源，如太阳能板，但是，在比较寒冷的气候下，由于所需太阳能板的尺寸及其相关费用等，通常很难满足全年加热自来水的能源需求。然而，冬季所必须的太阳能板在明媚的夏季月份里却不需要，从而造成加热***的冗余和加热水的能源过多。因此，太阳能板中的液体会被加热到沸腾，从而导致损坏和冬季出现冷冻损坏的风险。

已知有一些***可以解决这些问题，但是，对生活在较小房屋内的消费者而言大部分这些***都太过昂贵且体积庞大。在许多房屋内，空气-空气热泵被安装用于加热室内空气，而空气-水热泵也用于加热自来水和/或散热器的水等则费用较为昂贵，因而不被采用。此外，对于加热***已安装到位的房屋而言，对加热***进行更有效的改造，其本身的费用高，因而对广大消费者不利。

此类装置的用户面临的另一个问题是，为了避免因装置零部件上形成的覆冰造成的不可接受的效率损失，需要在比较寒冷的气候里除霜。除霜通常需要很多能量并且在除霜操作期间装置不得对水加热，从而造成进一步损失。

因此，需要一种适合为房屋内的自来水加热的便捷且有成本效率的装置，其结合了可再生能源与较传统的能源的可靠性的优点，无需过度增加此类装置的安装与维修成本。

发明内容

本发明的目的旨在消除上述问题或至少使上述问题最小化。该目的可通过根据所附权利要求1的加热装置实现，该加热装置具有用作所述第二换热器回路的太阳能集热器的面板。因此，当太阳照射面板且第一换热器回路被设置成在太阳光不足以将液体加热到所需温度的情况下对所述液体加热时，待加热液体，优选自来水，可被持续加热。

在本发明的优选实施例中，所述面板被设置成驱动第二换热器回路。因此，第二换热器回路可在太阳照射时持续运行而无需通过控制单元等控制，且在需要时，仅需控制第一换热器回路，以促使其对液体加热。

其有益效果在于，所述面板安装在靠近空气入口的加热装置上，因此可被用作空气的水分捕获装置。因此，其具有防止距空气入口较远的加热装置中的零部件冷凝以及实现面板接收冷凝过程中释放的能量的双重优势。

优选地，加热装置进一步包括蒸发器，连接至第一换热器回路，该第一换热器回路设置成使所述面板的至少一部分置于蒸发器与空气入口之间。因此，可极大地防止蒸发冷凝，如上所述，且可获得让空气入口的空气流经蒸发器的益处。因而，蒸发器用来对第一换热器回路中的制冷剂进行加热。

其优点在于，加热装置包括换热器管，该换热器管在容纳所述第一换热器回路和所述第二换热器回路二者的至少一部分的同时被设置成使所述的待加热液体(例如自来水)流经所述管。因此，两个换热器回路都可作用于待加热液体且可促进每一个换热器回路和待加热液体之间的热传递。

优选地，透明外壁通过在其与面板之间形成空气入口流间隙的方式安装在加热装置上。因此，在外壁与面板之间持续存在有一些空气且这些空气可被透过透明外壁照射在面板上的太阳光加热。通过让空气变暖可对面板和蒸发器实现除霜操作，让任何结冰均融化并从面板和蒸发器上滑落。优选地，空气入口位于所述空气入口流间隙的低端具有可以让加热空气留存在空气入口流间隙内从而防止其逃逸的附加优势，事实上，加热装置外的较冷空气会出现在空气入口处且被融化的冰可在无需特别清除的情况下向下滑落，流出加热装置。

其优点在于，加热装置包括用于循环其内空气的风扇。因此，当加热装置周围的空气温度在零摄氏度以上时，可形成空气持续流经蒸发器，从而对所述第一换热器回路中的制冷剂加热且循环空气以更快除霜。

优选地，加热装置进一步包括控制单元，用于控制该装置的各个方面，尤其是，控制第一换热器回路的运行。

参照下列附图说明，本领域的技术人员将更容易理解本发明的更多优点。

附图说明

下面将结合附图对本发明作进一步说明，其中，

图1是根据本发明的装置的示意性前视图；

图2是沿图1中B-B线的剖视图；

图3是沿图1中A-A线的剖视图；

图4是从根据本发明的装置之上连接至房屋墙体的示意图；

图5是沿途4中C-C线的垂直截面图；

图6是连接有根据本发明的装置的建筑物的一部分示意图，和

图7是在加热装置剖面侧视图中的第一换热器回路和第二换热器回路与待加热液体的示意性侧视图。

具体实施方式

在图1、图2和图3中，示意性地图示了根据符合本发明优选实施例的装置100。在装置100的正面有透明外壁2且在透明外壁2内的一段距离t₁处设有面板4，优选地，面板4为金属。在该壁2与面板4之间形成有用于空气F流动的入口流间隙7。透明外壁2的顶部连接至外壳13，该外壳13具有顶壁13A、后壁13B、侧壁13C和底部13D。后壁13B距面板4一段距离t₂(比t₁大)而设置，形成下降流隔室7D和比入口流间隙7大的空间。底部13D在后壁13B与面板4之间而不在面板4与透明外壁2之间水平延伸，从而在所述透明外壁2与面板4之间形成向下开口间隙7A。面板4从底部13D向上延伸，但未达到顶壁13A处，从而在面板4的上边缘与外壳13的顶壁13A之间形成开口间隙7B。

此外，如图5所示，在外壳13的最低段的转弯段设有出口孔7C，使空气F从面板4的边缘上通过，之后向下流过面板4与外壳13的后壁13B之间，并最终从侧壁13C与底部13D之间的转弯区内的开口7C流出。在后壁13B与面板4之间的区域设有风扇10。

该装置包括第一换热器回路5和第二换热器回路8，所述第一换热器回路5和第二换热器回路8设置成用于加热液体，如自来水。第一换热器回路5是传统的有管回路，管中含有制冷剂，如：R134a(四氟乙烷，CH₂FCF₃)或R744(二氧化碳，CO₂)，所述管在加热装置100内形成闭合回路。由于C0₂具有适合的热力学性质，因此，使用C0₂作为制冷剂是非常有利的。另一种适合的制冷剂为R-600a(异丁烷，C₄H₁₀)和丙烷(C₃H₈)。由于加热装置设置在建筑物外，因此，极大地消除了因制冷剂从加热装置泄漏而导致的***或火灾的风险。

在下降流隔室7D中，第一换热器回路的低压部分5B从膨胀阀9延伸至管的吸热部分5C，其中的管以曲折状安装在面板4上，以便在面板4的温度高于所述制冷剂的温度的情况下面板4可对管内的制冷剂加热。优选地，所用制冷剂的沸点应够低，足以让其在寒冷的冬日与面板4接触时均可被加热，从而即便气温在约为-15至-20℃时也可进行加热。因此，所述面板4被设置成通过接收太阳光和对所述第二换热器回路8的至少一部分加热来驱动所述第二换热器回路8。

管从吸热部分5C延伸至蒸发器3的蒸发部分5D，该蒸发器3安装在面板4与外壁2之间的空气入口流间隙7的上端。

蒸发器3的延伸长度大体上超过空气入口流间隙7中的宽度t₁，且优选地设置在间隙7内，与透明壁2和面板4呈锐角α。此外，蒸发器3为长方形，其角倾斜，分别在蒸发器3与透明壁2和面板4之间形成较大接触面。蒸发器为凸缘式，具有通道，这些通道与蒸发器3的垂直延伸相关联进行垂直定向。由于如此定位，使结霜导致蒸发器风道堵塞的风险得以最小化且优化了流经蒸发器3的空气分配量。此外，开口间隙7B设有两个开口，为通孔7F，这些通孔7F可进一步对流入间隙7B内的空气进行分配，从而实现蒸发器3内空气的均匀分配。在低压部分5B中，制冷剂呈液态形式，但在吸热部分5C中开始加热并沸腾。

因此，蒸发器用于对蒸发部分5D内的制冷剂进一步加热。在此阶段，制冷剂已经完全从液态转化为气态。第一换热回路5从蒸发器3延伸至压缩机6，在此处，气态制冷剂被加压进一步增温，形成加压部分5A。此时，加压部分5A延伸入螺旋状排列的换热管12中，在此处，待加热液体可在管12中绕所述的加压部分5A流动以形成逆流换热器。加压部分5A通过管12后通向膨胀阀9，该膨胀阀9用于降低压力并让制冷剂冷凝进入低压部分5B以及继续上述回路。管12优选为可维持高压且如果待加热液体在加热装置内结冰时可弹性变形的PEX管(由交联聚乙烯制成)。管12可在不损坏加热装置的情况下膨胀以容纳体积较大的冰和在冰融后收缩至常规大小。其他具有这些性质的材料也适用于在管12中使用。

压缩机优选具有相对较小的功率，如在500-800W范围内。此类装置除了可获得额外的环境优势外，如生产时减少物料消耗和生产过程中能源需求较少，还可获得成本优势，这是因为此类尺寸的压缩机可以进行大规模生产，如：可用于冷冻机。

第二换热器回路8优选为采用面板4作为太阳能板对制冷剂加热的太阳能集热器。在一些实施例中，第二换热器回路8中可采用与第一换热器回路5中相同的制冷剂，但也可采用不同的制冷剂。

第二换热器回路8优选为采用面板4作为驱动器且具有吸热部分8A的热虹吸管，其中，吸热部分8A安装在面板4上，优选地，在背对间隙7的所述面板4的后侧上。如果面板4的温度高于制冷剂的沸点温度，那么第二换热回路8的管中的制冷剂因而被加热至沸腾且过渡到气体阶段。该气体在安装在第一换热器回路5的加压部分5A附近的换热管12中以螺旋形式输送到供热部分8B，从而使待加热液体能绕供热部分流动并由此形成逆流换热器。

换热管12密闭在隔离罩11、16中。管12的直径相对较大，如：在20-50mm范围内，可在不占据主要空间(例如还可提供周围空间)的情况下将回路5、8的供热部分8B和加压部分5A容纳在其中。换热管12内的周围空间打算用于为房屋内(例如热水箱15)(将结合图6做更多详细说明)的自来水加热。

图4示出了如何优选地设计装置100。因此，透明外壁2，还有面板4应当是弯曲的，优选地，半径绕同一中心，因而在透明外壁2与面板4之间形成的间隙7在任何穿过中心线的垂直剖面内都是相同的。此外，已示出外壳的侧壁13C呈向后壁13B会聚的角度设置。再者，装置100内的不同部分均进行了隔离16。如前所述，外壳具有一层隔离16。后壁13B也有一层用于将其覆盖的隔离16。此外，顶壁13A的内侧和侧壁13C的内上侧也有隔离16。最终，出现隔离分区16A，在该隔离分区16A的中心具有风扇10用的通路18。

图7是第一换热器回路和第二换热器回路5、8的流路示意图，示出了含有待加热液体的管12，其中的待加热液体通过建筑物的墙壁30被输送至加热装置100并在加热后返回建筑物。第一换热器回路包括膨胀阀9，其为安装在面板上的之字型构造，段5C安装在蒸发器3和压缩机6上；且第二换热器回路8包括具有管段的热虹吸管8，其管段安装在面板4上，且持续朝向加热液体的管12(如上所述)。

根据本发明的装置提供了一种通过非常有效的方式将太阳能集热器的优势与空气热泵的优势相结合的新型概念，其中，太阳能集热器是第二换热器回路8(热虹吸管回路)的驱动器且空气热泵是第一换热器回路5(传统换热器回路)的驱动器。根据本发明的装置的主要优点在于采用了相对便宜的吸热单元(如面板4)对两个回路5、8进行集热。优选地，面板4由金属材料制成，如：铝或铜或铝和铜组合使用，然而任何可以吸热且可将热量传递给换热器回路5、8的材料均适用于本发明。

一个示例性实施例可做如下设置，其中，根据本发明的装置可用于为房屋内的自来水加热：假设将热水箱15的最大温度设为60℃且供应至房屋的淡水的温度假设为10℃。冷水水温为10℃的小回路通过T形管从供水管20(连接至热水箱15)中分出，使供水线21中总体上变小的水流流到热管12中用作自来水。供应给热管12的冷水将与两个回路5A、8B逆向流动并吸收这些回路中的热量，其中，当热管12中已加热的水进入回水管22时，将该返回水流的温度控制在60℃。鉴于普通房屋中只是偶尔使用热水，因此，相对较小流量的热水就足以将热水箱15保持在所需温度。另一方面，如果临时需要使用大量热水，那么热水箱的现有加热***也可以与本发明相结合使用。

在炎热的夏日，第二换热器回路8足以将水箱15的水加热到适合建筑物内使用的温度，但是，在大多数情况下，也要求第一换热器回路5达到所需温度。加热装置优选为加热***的一部分并由控制单元运行，采用至少一个传感器来收集水箱15内预定水位的温度数据、加热器附近的空气温度以及其他与加热装置运行相关的数据。通过对水箱15内温度实施监控，可判定什么时候需要运行第一换热器回路5，且***用户可决定水箱15内的水适合什么样的温度。其优点在于，将待加热液体保持在低流量(如，7-10升/小时)可让第一、第二换热器回路5、8充分加热并在水箱15内形成梯度。

其优点在于允许加热装置100和水箱15的用户(例如建筑物内的居住者)选择所需的水箱15内温度。

现在将对三种不同的运行模式进行说明，以便对根据本发明的加热装置的运行进行进一步举例说明。

在第一种运行模式中，假定室外温度为-10℃。这也是流入空气入口7E和向上流经空气入口流间隙7的空气的温度。在蒸发器3中，空气将相对于回路5中的制冷剂以交叉的流向方式通过。因此，制冷剂的温度将从-20℃增加到约-15℃。之后，制冷剂将被压缩机6压缩，这意味着温度将增至约70℃。在热管12中，压缩后的制冷剂在使管12中的液体变暖后，其温度将降至30℃，然后到达膨胀阀9，从而使其温度降至约-20℃。之后，在再次进入蒸发器3之前，制冷剂将从面板4吸收一部分热量。从出口孔7C离开加热装置的空气的温度约为-12℃。

热虹吸管8将从面板4吸收太阳能向热管12供热并通过其在热管12内平行于其他回路运行的管传递温度约为70°的太阳能。需要注意的是，当太阳照射在此处时则无需运行空气热泵，例如，可以不用激活压缩机6。相反地，可以通过激活风扇10增加空气流量的方式增加从空气热泵(例如当没有阳光时)获取的热能。在优选实施例中，风扇10被可变地驱动，对空气流量进行无级控制。

其优点在于，风扇10的转速可以根据给定时间允许的风扇噪音量而变化。例如，当加热装置100四周的空气温度超过10℃时，人们可能更愿意在加热装置100附近享受好天气。此时，风扇10可以以较低转速驱动，以产生较低噪音。相反地，当空气寒冷时，风扇可以较高转速运转，从而产生较大噪音。将风扇10设置在加热装置10内靠近隔离的地方可通过隔离吸附噪音进行降噪。

将压缩机6设置在壳体2、13顶部的优点在于将其设置在了装置最热的部分，从而带来与压缩机6的运行性能和可靠性相关的优点。由于压缩机6的设置，因此，无需额外加热以防止压缩机6变得比其他部件冷。如果温度变得比其他部件更低，会出现制冷剂在压缩机内部凝结的风险，导致所述制冷剂在使用过程中与来自压缩机6的油混合，并让所述油通过第一换热器回路5扩散。然而，由于压缩机6的有益设置，这种情况可以在无需使用任何额外部件的情况下得以避免。

为了优化流经蒸发器3的流量，隔热壳体11优选地设置在装置100的下降流通道7D的中心处，高起，这是因为这样的设置可以促使靠近边缘的入口通道7的流量更高，从而通过蒸发器3提供最终流量分配。因为通常情况下可通过空气换热器3在中心区域获得较高的流通量。根据此概念的进一步优点与空气流量有关，将风扇10设置在蒸发器3的下游，这是因为吸气扇能提供比排气扇更均匀的通流。

在第二种运行模式中，室外温度为±0℃。第一换热器回路中的制冷剂在进入蒸发器3前的温度约为-10℃且在压缩前的温度约为-5°。通过出口孔7C离开加热装置100的空气温度大约为-2℃。

在第三种运行模式中，室外温度为20℃。在第一换热器回路中的制冷剂在进入蒸发器3前的温度约为+10℃且在压缩前约为+15°。通过出口孔7C离开加热装置100的空气温度大约为18℃。

流入空气入口7E的空气水分含量随着温度而变化。在空气入口流间隙7内，可能会发生冷凝让邻近空气流的全部表面覆上一层水分。在某些情况下，水分可能会冻结形成一层冰。这将在上述的第一种运行模式和第二种运行模式下出现。在大多数情况下，冰层的出现将严重降低加热装置100的性能，从而导致需要每隔一定时间进行除霜。在传统的加热装置中，通常的做法是每隔一个给定时间安排除霜操作，但是，如上所述，这需要消耗能量。

由于根据本发明的装置，除霜已被大大简化且可以在常规加热装置内用小部分费用就可执行。首先，由于第二换热器回路8的运行，当阳光照射时加热装置100中的空气循环需求有时会降低，这是因为第二回路8不需要进行空气循环。第二，由于面板4的设置，进入空气入口7E的大部分水分将附着在面板4上，该面板4作为空气遭遇的第一表面，其比空气本身更冷。因此，可以在很大程度上防止蒸发器3上结冰。第三，由于壁2与面板4之间的间隙宽度t₁，面板4上形成的冰层相对较厚，而无需扰动流经空气入口流间隙7的空气流，从而也降低了所需的除霜频率。由于本发明的这些优点，除霜需求可以从大约每小时一次(根据某些传统加热装置的需要)降至每隔几天一次。

当面板4和蒸发器3上形成冰层时，本发明提出的一些有效方法用于去除所述冰层。首先，当阳光照射时，截留在透明壁2与面板4之间的空气被加热，从而增加了空气入口流间隙7的温度。在许多情况下，这足以开始对蒸发器3和面板4融霜，融化冰并让融冰掉落或通过空气入口7E滴落。当阳光加热面板4时，最靠近所述面板4的冰层将被融化，从而导致整个冰层脱落。

第二，如果周围空气的温度在零度以上，无论是否有太阳，简单开启风扇10并让空气通过加热装置循环就可融冰。

第三，通过开启第二阀9A，第一换热器回路5就可被用于融霜操作，该第二阀9A平行于膨胀阀9设置，可在无需将第一换热器回路5中的制冷剂膨胀至较低压力的情况下让第一换热器回路5中的制冷剂循环。因此，如上述与第一种运行模式相关中所述，制冷剂的温度将在30℃左右，且这个温度本身就将足以加热面板4和蒸发器3并让冰融化和脱落。

因此，可以用简单和方便的方式除冰，并且几乎无需如传统加热装置一样经常操作。这就是本发明的显著优势所在。

在本发明的另一实施例中，可以安装多个面板4和透明壁2在房屋的墙壁上形成一个半圆，从而可以从多个角度捕捉太阳光并让面板4更有效地变暖。在一些实施例中，出于该目的而使用多个第二换热器回路8可能是有利的。

也可以在距建筑物墙壁一定距离处安装加热装置的独立单元，例如，在邻近建筑物的花园内。本实施例中的水箱15可通过管道连接在地下或设置在如上所述的独立单元内。在这种情况下，自来水被输送至建筑物。

由于本发明，即使在第一、第二换热器回路5、8中的一个被冻住的情况下，也可通过仅单独运行所述回路5、8中的另一个回路继续对来自箱15的液体加热。即使是回路5、8两者都被冻住，水箱也可通过标准加热装置继续对液体加热。

本发明不应视作受上述优选实施例的限制，而是可在权利要求书的范围变化，这对本领域的技术人员而言是显而易见的。例如，回路的加热段可在加热装置内的不同位置分开作用于待加热液体，而非在管内同时作用于待加热液体。此外，可采用另一个换热器(如箱)代替PEX管，使第一、第二换热器回路作用于待加热液体。箱15的构造也是可变的且也可选择性地整合在建筑物外的加热装置内。除上述的凸缘式外，蒸发器也可采用其他类型。

Claims (12)

1.用于加热液体的加热装置，包括第一换热器回路(5)，用于从周围空气接收热量，所述第一换热器回路被设置成作用于待加热液体；以及第二换热器回路(8)，设置成也作用于所述的待加热液体，所述第二换热器回路(8)连接至面板(4)，所述面板(4)用作太阳能集热器且设置成加热所述第二换热器回路(8)的至少一部分，其特征在于，所述面板(4)设置成通过加热所述第二换热器回路(8)的至少一部分来驱动所述第二换热器回路(8)。

2.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述面板(4)设置在空气入口(7E)附近用作空气的水分捕获装置。

3.根据权利要求1或2所述的加热装置，其中，所述面板(4)还连接至所述第一换热器回路(5)并设置成加热所述第一换热器回路(5)。

4.根据权利要求2所述的加热装置，进一步包括蒸发器(3)，所述蒸发器(3)连接至所述第一换热器回路(5)，所述蒸发器(3)设置成使所述面板(4)的至少一部分置于所述蒸发器(3)与所述空气入口(7E)之间。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的加热装置，进一步包括换热器管(12)，所述换热器管(12)设置成使所述待加热液体能流经所述换热器管(12)，其中，所述换热器管(12)进一步容纳至少所述第一换热器回路(5)和所述第二换热器回路(8)的一部分。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的加热装置，进一步包括透明外壁(2)，所述透明外壁(2)设置成在所述透明外壁(2)与所述面板(4)之间形成空气入口流间隙(7)。

7.根据权利要求6所述的加热装置，其中，所述空气入口(7E)位于所述空气入口流间隙(7)的下端。

8.根据权利要求7所述的加热装置，其中，所述空气入口流间隙(7)通过截留一定量空气让照射在所述面板(4)上的太阳光加热而被进一步设置成用作除霜器。

9.根据上述任一项权利要求所述的加热装置，其中，所述面板(4)通过接收太阳光融化所述面板(4)表面上的全部结冰而被进一步设置成用作除霜器。

10.根据上述任一项权利要求所述的加热装置，进一步包括风扇(10)，所述风扇(10)用于循环所述加热装置中的空气。

11.根据上述任一项权利要求所述的加热装置，进一步包括控制单元。

12.加热***，包括箱(15)，所述箱(15)用于待加热液体；以及控制单元，所述控制单元用于控制所述液体的加热操作，其特征在于，所述加热***进一步包括根据权利要求1至12中任一项的加热装置(100)；所述加热装置(100)设置成受所述控制单元控制对所述液体加热。