技术领域 本发明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。 背景技术 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 -io°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� �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技术领域内的大部分知 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， 尽管改进型平板式太阳能热器做出了 上述重要的改进，但是平板型太阳能热水器的 热量散失大的缺陷并没有通过上述的改进 而得到有效的克服。大量的使用实践证明，平 板式太阳能集热单元在冬天及日照较低时， 并不能有效地将液态导热工质加热为蒸汽， 为维持正常的热水供应， 仍需要大量辅助电 能。 而由于平板式太阳能热水器的在集热单元与外 部管道中在同一个导通循环通道内， 因此只能采用同一种导热工质， 不能兼顾在集热单元内的工质转换效率以及在 水箱内的 热转换效率两个方面， 因此仍存在热转换效率低的缺陷。

发明内容 本发明的发明目的是提供一种在热管式太阳能 集热单元的冷凝端与分体式水箱间 可以高效传递热量减少热量损失的热传输方法 ，使得以热管式太阳能集热器的热水系统 高效地应用于高层建筑或阳台上的分体式热水 系统中， 实现热管式太阳能热水系统建筑 完美的一体化结合。

本发明的另一个发明目的是提供一种在热管式 太阳能集热单元的冷凝端与分体式 水箱间可以不需要辅助外部能量就可自然循环 的热传输方法，使得以热管式太阳能集热 器的热水系统可以更广泛的应用于高层建筑中 ，实现生活热水水箱与太阳能集热器不需 外部辅助能量就可以离开较远距离， 适应现代住宅的要求。

本发明的另一个发明目的是提供一种可以兼顾 热量在集热单元内的转换效率以及 在水箱内的转换效率两个方面的热传输方法， 使得热水系统兼具了热管式太阳能集热单 元可以高效的将太阳能转换为热能， 同时热量又可以高效的传递给生活水箱， 更适合现 代高层建筑的使用。

本发明的另一个目的是提供一种仅需少量换热 工质，就可以实现在热管式太阳能集 热单元的冷凝端与分体式水箱间可以传递热量 的热传输方法，使得在热传输系统中只需 注入少量的换热工质就可以推动整个热传输系 统工作，在保证高效的热传输的基础上同 时又兼具了经济性， 更适合在现在建筑中的推广和应用。

本发明的另一个目的是提供在可以高效传递热 量，无需辅助电能可自然循环兼具了 高效的集热效果和高效的热传输效果同时只需 少量换热介质即可推动的分体式热管太 阳能热水系统。

为实现上述发明目的， 本发明提出了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； 其中， 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， 换热工质的蒸发一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 。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输 方法， 其中， 所述换热工质可为沸点 低于 100°C的液态工质。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输 方法， 其中， 所述低沸点液态工质由 甲醇、 乙醇、 丙酮、 四氟乙烷或氢氟烃类化合物。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输 方法， 其中， 所述的换热工质可由两 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。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输 方法， 其中， 所述的混合工质由水和 丙酮混合组成， 其中丙酮的含量为 10%-90% (体积） 。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输 方法， 其中， 丙酮的含量为 20%-40% (体积） 。

如上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， 同时通过控制集热器内换热工质的最高水平液 面的高度控制系 统内换热工质的灌液量。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输 方法， 其中， 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。

如上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。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输 方法， 其中， 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 。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输 方法， 其中， 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� �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� �或全玻璃真空管热管太阳集热管的冷凝 W o

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输 方法， 其中， 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。

如上所述的热管式太阳能热水系统的热能传输 方法， 其中， 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。

本发明同时提出了一种采用上述热能传输方法 的热管式太阳能热水系统， 包括： 集热单元， 由热管式集热管构成， 用于采集太阳能并转换成热能,并通过所述热� � 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；其中： 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， 蒸汽通道的另一端导通于二次换热器； 二次换热器贯穿于水箱； 二次换热器的出口端导通于密封的冷凝后工质 回流通道， 工质 回流通道的另一端导通于集热器， 构成密封循环热能传输系统；

所述换热工质在密封循环热能传输系统的集热 器内被蒸发呈高温热蒸汽，进入二次 换热器与水箱内的低温水进行加热； 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工质回 流通道返回集热器内，进行热传输过程的 再循环。 如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述低沸点换热工质为沸点低于 ioo°c 的液态工质。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述低沸点工质为甲醇、 乙醇、 丙酮、 四氟乙烷或氢氟烃类化合物。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 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。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述的混合工质由水和丙酮混合构成， 其中丙酮的含量为 10%-90% (体积） 。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 丙酮的含量为 20%-40% (体积） 。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其特征在 于所述的集热器内的换热工质液面低 于集热器的蒸汽出口，在集热器内换热工质最 高水平液面的上方形成一可容置高温热蒸 汽的空间。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述的集热器内的换热工质的水平液面 高于集热单元的最高换热端， 集热单元的换热端完全被换热工质包容。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述与集热器的蒸汽出口导通的蒸汽通 道的内径小于集热器的内腔口径，集热器产生 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。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述贯穿于水箱的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。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述的导通于二次换热器的出口端的工 质回流通道的坡度大于 1%。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述密封循环热能传输系统上设有抽真 空装置， 该抽真空装置设置于蒸汽通道或工质回流通道 上。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述密封循环热能传输系统上设有注液 装置， 该注液装置由设置于蒸汽通道或工质回流通道 上的注液管构成。

如上所述的热管式太阳能热水系统，其特征在 于抽真空装置和注液装置由一个抽真 空注液管构成。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述的热管式太阳能集热管采用玻璃- 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，所述换热端为该太阳 能集热管的冷凝端。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 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外设有保温层。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述二次换热器呈盘管状， 贯穿于水箱 内， 以增大二次换热器的换热面积。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述的二次换热器与水箱呈内外环套结 构。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述的二次换热器为一环形套筒， 环设 于水箱外层或贯穿于水箱内。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述的导于集热器和二次换热器间的蒸 汽通道和工质回流通道由金属管构成。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述的热管式太阳能集热管呈水平排设 置， 所述热管式太阳能集热管的冷凝端与呈竖直设 置的集热器连接。

如上所述的热管式太阳能热水系统， 其中， 所述的热管式太阳能集热管竖直排列设 置， 所述热管式太阳能集热管的冷凝端与水平设置 的集热器连接。

与现有技术相比， 本发明具有以下明显的优势：

1、 本发明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， 使得以热管式太阳能集热器的热水系统可以更 广泛的应用于高层建筑中， 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。

2、 本发明不需辅助电能就可以使热水系统的自然 循环实现高效的热量传输， 使得 以热管式太阳能集热器的热水系统可以更广泛 的应用于高层建筑中，实现生活热水水箱 与太阳能集热器不需外部辅助能量就可以离开 较远距离， 适应现代住宅的要求。

3、 本发明从根本上解决了分体式热管式太阳能热 水系统的热能传输的问题， 在充 分利用热管式集热单元的热能转换效率高的特 点的同时，最大限度地提高了分体式太阳 能热水系统的热能传输系统内的热能传输效率 ，使得将通过热管式太阳能集单元高效收 集的太阳能并转换成的热能， 又高效的传递给生活水箱， 扩展了热管式太阳能热水系统 在现代高层建筑中的应用。

4、 本发明所需少量液态工质推动整个热传输系统 的运转， 在保证高效的热传输的 基础上同时又兼具了经济性。 并且， 本发明通过对集热器内工质液面的控制实现热 水系 统的工质灌液量的控制， 操作以及维修更为简单， 适合推广和应用。 附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不以任何 方式来限制本发明公开的范围。另外， 图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性 的， 用于帮助对本发明的理解， 并不是具 体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。 本领域的技术人员在本发明的教导下， 可以根 据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来 实施本发明。

图 1为本发明实施例一的太阳能热水系统；

图 1-1为本发明实施例一中集热器蒸汽出口处的局 部放大图；

图 2为本发明实施例二的太阳能热水系统；

图 2-1为本发明中的一种立式套筒结构的二次换热 器的局部放大图；

图 2-2为本发明中的一种卧式套筒结构的二次换热 器的局部放大图；

图 3为本发明实施例三的太阳能热水系统；

图 4为本发明实施例四的太阳能热水系统；

图 5为本发明实施例五的太阳能热水系统；

图 6为本发明实施例六的太阳能热水系统；

图 7为本发明实施例七的太阳能热系统；

图 8为本发明实施例八的太阳能热水系统；

图 9为本发明实施例九的太阳能热水系统；

图 9-1为本发明中的一种盘管结构的二次换热器的 局部放大图；

图 10为本发明实施例十的太阳能热水系统。

附图标记说明：

10-集热单元； 11-换热端； 12-热管式太阳能集热管； 20-集热器； 21-空间； 22-蒸 汽出口； 30-换热工质； 31-液面； 32-热蒸汽； 40-水箱； 41-补水口； 42-热水出口； 50- 二次换热器， 51-出口端； 52-蒸汽进口； 60-蒸汽通道； 70-工质回流通道； 80-抽真空 注液管； 90-保温层； h-高度差。 具体实施方式 结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够 更加清楚地了解本发明的细节。但是， 在此描述的本发明的具体实施方式， 仅用于解释本发明的目的， 而不能以任何方式理解 成是对本发明的限制。在本发明的教导下， 技术人员可以构想基于本发明的任意可能的 变形， 这些都应被视为属于本发明的范围。

实施例一

结合图 1详细说明本发明的热管式太阳能热水系统的� �能传输方法。本发明热能传 输方法具体包括两个过程：

过程一， 由热管式的集热单元 10收集太阳能、 并将太阳能转换成热能过程； 这个 过程是一个集热过程， 主要通过热管式太阳能集热单元 10收集太阳能， 并将其转换为 热能。 通过热管式太阳能集热单元 10 的集热效率极高的特性， 收集太阳能并在热管内 部完成热能转换。 该热能通过热管式集热单元 10的换热端 11传导给热能传输过程。

过程二， 将由所述集热单元 10转换的热能通过热能传输系统传导输至水箱 40， 对 水箱 40内的低温水进行加热的热能传输过程； 这个过程是从热管式集热单元 10的换热 端 11采集热能， 再将该热能传输至水箱 40内， 并且与水箱 40内低温水进行热交换， 对水箱 40内的低温水进行加热。 本发明所述热能传输的具体过程为：

集热单元 10的换热端 11与热传输系统中集热器 20内的换热工质 30进行沸腾换热， 在集热器 20内呈液态的换热工质 30在换热过程中蒸发后呈高温热蒸汽 32;

高温热蒸汽 32通过与集热器 20的蒸汽出口 22导通的密封蒸汽通道 60进入二次换 热器 50， 由二次换热器 50与水箱 40内的低温水进行热交换， 将水箱 40内的低温水加 热， 完成一次热能传输过程； 进入二次换热器 50内的高温热蒸汽 32在换热过程中被冷 凝后再次呈液态的换热工质 30通过密封的工质回流通道 70返回集热器内，进入下一个 热传输过程的循环； 在本实施例中的热能传输全部过程， 换热工质 30 由低沸点工质构 成， 换热工质 30的蒸发一冷凝循环过程在完全密封循环系统� ��进行；

在所述集热单元 10与集热器 20进行热交换的全部过程中 （即有日照的时间内） ， 上述热能传输过程连续循环， 将由所述集热单元 10采集并转换的热能转输至水箱 40。

本发明的热传输过程及其工作原理是通过换热 工质 30的循环过程的液 -气-液三种 状态的转换实现的， 将从集热单元 10的换热端 11采集的热能以高温热蒸汽 32状态传 输给水箱 40，在水箱 40内将热量释放出来与低温水进行热交换，对� ��箱 40内的低温水 进行加热， 从而实现热能的传输。 在热交换过程中， 高温热蒸汽 32再次被冷凝为液态， 并利用重力返回集热器 20 内进入下一个热传输的循环过程。 大量的试验证明， 相对于 现有的热管式太阳能系统利用热水进行热传输 的方法， 本发明具有非常显著的效率高、 热损小的热能传输特点。

在本发明中， 由于采用了低沸点的换热工质 30， 因此在集热器 20内的换热工质 30 在较低温度下即很快蒸发为高温热蒸汽 32。 相对于热水而言， 并利用高温热蒸汽 32极 好的流动性将热能传输至水箱 40。因此，本发明完全可以实现采用热管式太� ��能集热管 的分体式太阳能热水系统的自然循环过程， 而不再利用如水泵等任何的辅助动力实现热 能传输的强制循环过程。

本发明中， 在热能传输过程中所使用的换热工质 30可为沸点低于 100°C的液态工 质。 本发明人经大量实验证明， 目前使用范围较广的沸点低于 100°C的液态工质， 如甲 醇、 乙醇、 丙酮、 四氟乙烷或氢氟烃类化合物均可应用于本发明 中。

本发明在具体实施过程中， 可以依据使用地区的气温特点选择沸点不同的 工质， 以 达到工质在不同情况下确保换热工质 30能很快地进行液 -汽转换并在集热器 20内形成 高温热蒸汽 32。 例如， 在气温较低的地区可以选择沸点范围在 20-60°C的低沸点换热工 质，如丙酮。而在气温较高有南方地区可以选 择沸点范围在 50°C以上的低沸点换热工质， 如甲醇或乙醇。 上述低沸换热工质所具有的共同特点是在尚未 达到 100°C时， 特别是冬 天或者日照不足时都能保证在集热器 20内的工质高效蒸发。

本发明所述的低沸点换热工质 30可则两种或两种以上的工质混合构成混合工� ��， 所述混合式工质中至少包含有一种低沸点工质 。具体在本实施例中所采用的混合工质由 非低沸点工质的水和低沸点工质丙酮混合而成 ，其中，混合工质中丙酮的含量为 10%-90% (体积） 。 经过大量实验， 当丙酮的含量优选为 20%_40% (体积） 时， 热能传输的效率 高， 并且可以适合我国大部分地区使用。

由于本发明采用了热管式太阳能集热管集热效 率高， 适用的地区广的特点， 例如适 用于最低温度在约零下 20°C北方地区直至温度高于 30°C的南方地区， 特别是本发明在 低于零下 10°C北方地区完全可以在无需任何辅助电能的� ��况下提供充足的热水，而这一 点是目前平板式太阳能热水系统不能实现的。 所以在本发明中， 为达到从集热单元 10 所采集的热能高效、 低损的传输至分体设置的水箱 40， 低沸点换热工质 30的选择范围 也设定的比较宽泛， 使之与热管式太阳能热水系统的使用范围相区 配。

请参考图 1-1为本发明实施例一中集热器蒸汽出口处的局 部放大图；如图 1-1所示， 在本发明中，集热器 20内的换热工质 30的液面 31低于集热器 20的蒸汽出口 22，在集 热器 20内换热工质 30最高水平液面 31的上方形成一个容置高温热蒸汽 32的空间 21。 这样， 就保证了在集热器 20中的换热工质 30可以有充分的空间沸腾， 有利于换热工质 30由液态转变为高温热蒸汽 32， 同时也更有利于高温热蒸汽 32的聚集， 从而产生一定 的蒸汽压力， 高温热蒸汽 32也就更容易进入循环进而推动整个循环系统� ��工作。

本发明中， 与集热器 20的蒸汽出口 22相导通的蒸汽通道 60的内腔口径小于集热 器 20的内腔口径， 这样换热工质 30的高温热蒸汽 32在集热器 20上方聚集后， 挤入空 间更小蒸汽通道 60中， 此时， 高温热蒸汽 32的体积急剧减少的情况下压力增加而进一 步形成高压高温热蒸汽， 该高压高温热蒸汽在二次换热器 50 内的冷凝的换热效率要远 高于普通的高温热蒸汽，同时因为具有更高的 压力，其对整个系统的推动作用也要更好。

在本发明中，集热器 20内换热工质 30的水平液面 31高于集热单元 10的最高的换 热端 11， 这样集热单元 10的所有换热端 11都被液态的换热工质 30所包容， 进而所有 的集热单元 10都可对液态的换热工质 30进行加热，确保集热单元 10与集热器 20间的 换热效率。 这样在本发明中， 换热工质的水平液面高度 31控制在集热单元 10的最高的 换热端 11与集热器 20的蒸汽出口 22间的高度差 h的范围内即可。

本发明中， 通过控制集热器 20内的换热工质 30的液面 31高度， 可以控制整个密 封循环热传输系统中的换热工质 30 的灌液量。 使得对于整个系统的操作和维修更简单 更标准， 也更利于本发明的推广和应用。

综上所述， 通过对集热器 20内的换热工质 30的液面 31水平高度的控制， 使得换 热工质 30产生的高温热蒸汽 32很容易集聚在集热器 20上方的一个小空间 21内，相对 于平板式太阳能在串联或并联的管道内呈分散 状态的蒸汽而言， 集聚在一个小空间 21 内的高温热蒸汽 32不仅流动性更好可以加快循环之外， 而且有利于热能的保持， 因此 本发明可以最大限度地减少热能的流失， 具有热能损失小的优势。

另外， 本发明通过对蒸汽通道 60内腔口径小于集热器 20内腔口径的方法， 使得作 为热能传输的高温热蒸汽 32进一步产生加压的效果， 更有利于热能的高效传输。

用以实现本发明的方法的太阳能热水系统请参 见图 1。

热能传输方法的热管式太阳能热水系统， 包括：

集热单元 10由热管式太阳能集热管 12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 12的换热端 11进行热能的转换； 具体在本实施例中， 集热 单元 10中的热管式太阳能集热管 12可采用玻璃-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以及其它采用热管 原理的所有热管。 集热单元 10 的换热端 11则为热管式太阳能集热管 12的冷凝端。通常情况下，热管式太阳能集热� �� 12为多个 规则排列后组成一个集热单元 10。

水箱 40， 设有补水口 41， 以保持水箱 40内的安全水位。 水箱 40是本系统中重要 的换热并产生热水的装置， 并将热水暂时保存于其中， 并通过热水出口 42导通于用户 的使用端， 提供生活用水。

热能传输系统，用于将集热单元 10的热能传输至水箱 40，对水箱 40内的低温水进 行加热； 其中：

与集热单元 10的换热端 11进行热交换的集热器 20， 集热器 20内容置有低沸点的 换热工质 30， 在换热过程中呈液态的换热工质 30在换热过程中蒸发呈高温热蒸汽 32; 具体在本实施例中， 集热器 20与集热单元 10的换热端 11的联接采用目前太阳能热水 系统是常规使用的插接方式。集热单元 10通过其换热端 11将热能通过辐射的方式与集 热器 20内的换热工质 30进行沸腾换热， 使得低沸点的换热工质 30很快蒸发呈高温热 蒸汽 32， 并集聚在集热器 20的上方。

集热器 20的蒸汽出口 22端导通于密封蒸汽通道 60， 蒸汽通道 60的另一端导通于 二次换热器 50; 二次换热器 50贯穿于水箱 40; 二次换热器 50的出口端 51导通于密封 的冷凝后工质回流通道 70， 工质回流通道 70的另一端导通于集热器 20， 从而将冷凝后 呈液态的换热工质 30返回集热器 20内。 在本发明中， 上述的热能传输系统成密封循环 系统；

综上所述，所述换热工质 30在密封循环热能传输系统的集热器 20内被蒸发呈高温 热蒸汽 32， 进入二次换热器 50与水箱 40内的低温水进行加热， 完成热能的传输过程； 进入二次换热器 50内的高温热蒸汽 32在换热过程中被冷凝后再次呈液态的换热工� �� 30 通过密封的工质回流通道 70返回集热器 20内， 进行热能传输过程的再循环。 本发明太 阳能热水系统的工作原理及其效果如前所述， 在此不再赘述。

为使本发明的热太阳能热水系统达到更佳的热 能传输效果，本实施例中给出如下具 体实施方式。

具体在本实施例中， 换热工质 30为水和丙酮组成的混合工质， 其中， 丙酮的含量 为 30% (体积） 。 此时可以保证较高热能传输的效率。 丙酮的沸点低于 60°C， 可以很快 的进行液-气转换， 形成高温蒸汽 32， 进而推动整个系统运转， 而水的沸点高不易沸腾 可以停留于集热器 20内保证液面 31的高度始终处于低于蒸汽出口 22而高于集热单元 10的最高的换热端 11的范围内，保证最佳的热传输效果。同时，� ��酮的含量大约为 30% (体积） 时， 即可以保证系统中丙酮的热蒸汽压力足够高进 而推动整个系统的运行， 又 将热蒸汽压力的最高值控制在合理的范围内， 降低了因蒸汽压力过高而使系统过载的风 险。 这样利于整个系统的安全运行， 同时因为系统内的蒸汽压力可控又减低了制造 系统 时各个所需设备的强度要求， 更经济。

在本实施例中， 二次换热器 50采用盘管状换热器， 通过加长二次换热器 50的长度 的结构达到增大的换热面积的目的， 实现换热充分的效果。 在换热过程中， 进入二次换 热器 50内的高温热蒸汽 32被冷凝后再次呈液态。

为提供较好的系统密封性， 本发明中， 导于集热器 20和二次换热器 50间的蒸汽通 道 60和工质回流通道 70由金属管构成， 并通过焊接或其它联接方式进行密封联接， 有 利于密封和保温处理。在具体实施过程中可以 先将对系统进行组装， 并测定整个系统的 密封性能， 整个系统的密封性能达到要求后， 再通过设置于蒸汽通道 60或工质回流通 道 70上的注液装置将换热工质 30注入系统,最后将注液装置密封， 注液装置可以选则 注液管等多种形式。

在本发明中，二次换热器 50的出口端 51高于集热器 20内液态换热工质 30的最高水平 液面 31。 由于虹吸效应， 出口端 51也就高于在工质回流通道 70中液态的换热工质 30的液 面 31， 这样， 冷凝后的换热工质 30也就更容易在重力的作用下由回流到工质回� ��通道 70 内， 从而形成自然循环， 而无需任何其它设备。

另外在本发明中，集热器 20内换热工质 30的水平液面 31高于集热单元 10的最高 的换热端 11， 这样集热单元 10的所有换热端 11都被液态的换热工质 30所包容， 进而 所有的集热单元 10都可对液态的换热工质 30进行加热， 确保集热单元 10与集热器 20 间的换热效率。

同时本发明中， 在热水系统的静态状态（即在无日照的情况下 集热单元 10不进行工 作的情况）液态的换热工质 30基本上集中在集热器 20中， 这样只需要少量的换热工质 30 就可以推动整个系统的运转，更具经济性，并 且对于换热工质 30的测量和控制更加容易， 适合在现在建筑中推广和应用。

本发明在具体实施过程中， 可以根据使用地区的气温情况， 对导通于集热器 20和 二次换热器 50间的蒸汽通道 60和工质回流通道 70进行保温处理， 设置保温层 90。 这 样， 热能在传输过程中的热量损失会更小。

本实施中， 热管式太阳能集热管采用适合于阳台的横向排 列的方式， 集热器 20相 对于热管式太阳能集热管 12垂直方向设置，热管式太阳能集热管 12的冷凝端采用比较 常用的插入式联接方式插入集热器 20内。 二次换热器 50采用盘管式结构， 该盘管贯穿 水箱 40， 并全部浸入水箱 40 内。 通过盘管增大管道的长度， 使得处于二次换热器 50 的盘管内的高温热蒸汽 32与水箱 40内的低温水进行充分换热。 实施例二

本实施例的太阳能热水系统如图 2所示，本实施例的热能传输工作原理及其效� �与 实施例一基本相同。

具体在实施例中， 所述密封循环热能传输系统采用真空系统， 其内的气压低于大气 压， 这样在其中的换热工质 30更易沸腾， 即使在冬季气温低的北方地区， 或者高海拔 地区也可以正常使用。在具体实施过程中， 可以在蒸汽通道 60或工质回流通道 70上设 置抽真空装置， 在检测好整个系统的密封性后， 先进行抽真空的操作， 之后封闭抽真空 装置， 再由注液装置将换热工质 30注入， 最后密封注液装置； 也可以采用抽真空装置 和注液装置有一个抽真空注液管 80构成， 先由该抽真空注液管 80抽真空， 再经其注入 换热工质 30， 最后将其密封。

在本实施例中，导通于二次换热器 50的工质回流通道 70的坡度大于 1%， 即二次换 热器 50的出口端 51与工质回流通道 70内液态的换热工质 30的最高液面 31间的高度 差与出口端 51与工质回流通道 70内液态的换热工质 30的最高液面 31的水平距离的比 例大于 1 : 100， 这样， 冷凝后的换热工质 30也就更容易在重力的作用下由出口端 51回 流到工质回流通道 70内的液面 31。

在本实施例中， 导于集热器 20和二次换热器 50间的蒸汽通道 60和工质回流通道 70由金属管构成， 并通过焊接或高密封度螺纹与集热器 20和二次换热器 50连接，换热 工质 30的热蒸汽 32在其中长时间运行的过程中， 泄露量很小。 因此， 本实施例可以使 用于较长距离的热传输的情况。

在本实施例中，二次换热器 50可采用如图 1所示的盘管式结构，也可以采用如图 2 所示的与水箱 40呈内外环套结构。其中可以选择的一种实施� ��式为二次换热器 50可为 一环形， 贯穿于水箱 40内。 还可以选择的另一种实施方式为二次换热器 50环设于水箱 40外层。 同时， 蒸汽通道 60与工质回流通道 70与二次换热器 50的连接方式也可如图 2-1或图 2-2所示的由二次换热器 50的底部接入。在本实施例中，环形套筒与蒸� ��进口 52以及工质回流通道 70间密封联接， 从而确保工质循环系统的密封真空状态。

本实施例的其他结构特征的说明请参考实施例 一。

实施例三

本实施例的太阳能热水系统如图 3所示，本实施例的热能传输工作原理及其效� �与 实施例一基本相同。

如图 3所示， 本实施例与实施例一的区别仅在于， 二次换热器 50与水箱 40为卧式 盘管结构。 这样， 由于盘管结构的存在， 二次换热器 50与水箱 40的接触面积即换热面 积增加， 在水箱 40中的热传输效率也相应提高。

在本实施例中， 如图 3所示， 集热单元 10可呈水平排设置， 集热单元 10的换热端 11与呈竖直设置的集热器 20连接。

实施例四

本实施例的太阳能热水系统如图 4所示，本实施例的热能传输工作原理及其效� �与 实施例一基本相同。

如图 4所示，本实施例与实施例一的区别在于二次� �热器 50与水箱 40为卧式环套 结构。 集热单元 10可呈水平排设置， 集热单元 10的换热端 11与呈竖直设置的集热器 20连接。

实施例五

本实施例的太阳能热水系统如图 5所示，本实施例的热能传输工作原理及其效� �与 实施例一基本相同。 如图 5所示， 本实施例中， 集热单元 10可竖直排列设置， 集热单 元 10的换热端 11与位于集热单元 10上方水平设置的集热器 20连接。 在集热器 20中 的液态的换热工质 30的液面 31高度要高于集热单元 10的换热端 11的高度， 以确保集 热单元 10的换热端 11完全被液态的换热工质 30包容。 进而保证全部的冷凝端换热端 11都可以对液态的换热工质 30进行加热， 保证集热器 20内的换热效率。

实施例六

本实施例的太阳能热水系统如图 6所示，本实施例的热能传输工作原理及其效� �与 实施例一基本相同。 如图 6所示， 集热单元 10可竖直排列设置， 集热单元 10的换热端 11与水平设置的集热器 20连接， 二次换热器 50与水箱 40为立式环套结构。 实施例七

本实施例的太阳能热水系统如图 7所示，本实施例的热能传输工作原理及其效� �与 实施例一基本相同。 如图 7所示， 集热单元 10可竖直排列设置， 集热单元 10的换热端 11与水平设置的集热器 20连接。 二次换热器 50与水箱 40为卧式盘管结构。

实施例八

本实施例的太阳能热水系统如图 8所示，本实施例的热能传输工作原理及其效� �与 实施例一基本相同。 如图 8所示， 集热单元 10可竖直排列设置， 集热单元 10的换热端 11与水平设置的集热器 20连接。 二次换热器 50与水箱 40为卧式环套结构。

实施例九

本实施例的太阳能热水系统如图 9所示，本实施例的热能传输工作原理及其效� �与 实施例一基本相同。 如图 9所示， 集热单元 10可呈水平排列设置， 集热单元 10的换热 端 11与呈竖直设置的集热器 20连接。 二次换热器 50与水箱 40为盘管结构， 并且二次 换热器 50环绕设置于水箱 40外部。 二次换热器 50与水箱 40的盘管结构也可如图 9-1 所示。

实施例十

本实施例的太阳能热水系统如图 10所示， 本实施例的热能传输工作原理及其效果 与实施例一基本相同。 如图 10所示， 集热单元 10可呈竖直排列设置， 集热单元 10的 换热端 11与呈水平设置的集热器 20连接。 二次换热器 50与水箱 40为盘管结构， 并且 二次换热器 50环绕设置于水箱 40外部。

由于本发明中集热单元 10的排列方式及其与集热器 20的连接方式有多种选择， 同 时二次换热器 50与水箱 40的连接结构也有多种方式进行选择，本发明� ��实际的应用中 可以根据建筑的不同特点及客户的不同需求进 行多种灵活的组合和变形， 更加适于在现 在建筑尤其是现在高层建筑上的推广和应用。

针对上述各实施方式的详细解释， 其目的仅在于对本发明进行解释， 以便于能够更 好地理解本发明， 但是， 这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的 限制， 特别是， 在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相 互任意组合， 从而组成其他实施方式， 除 了有明确相反的描述， 这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施 方式中， 而并不仅 局限于所描述的实施方式。