一种一体化太阳能集热器的制作方法

1.本发明属于太阳能集热技术领域，尤其涉及一种一体化太阳能集热器。


背景技术：

2.现有的太阳能集热器主要分为焖晒式集热器、平板型集热器和真空管集热器。焖晒式太阳能热水器的优点是结构简单、造价低廉，缺点是热效率低、保温效果差、所获得的热水只能在当天晚上使用，所以现有的焖晒式太阳能集热器已经被平板型太阳能集热器和真空管太阳能集热器所代替。平板型集热器和真空管集热器虽然得到了大规模的推广应用，但也存在许多不足之处，主要表现在：1、安装不方便，需要单独安装和专用的安装位置，有时会发生脱落现象；2、集热器面积小，一般只有几平米，冬季热水不够用；3、功能单一，只能生产热水，冬季不够用，春夏秋季用不了；4、夏季存在过热现象，既浪费水资源，又缩减集热器的使用寿命；5、抗冻性能差，冬季需要排空、或管道加伴热带；6、使用寿命短，一般只有10-20年，使用过程中真空管时常会发生爆管现象；7、水箱离使用场所距离远，使用时需要放出大量的冷水，既浪费时间又浪费水；8、每平米的单价高，大面积推广受到限制；9、集热器的承压能力低，热水与冷水的压力不匹配，水温稳定性差。因此，最近几年来太阳能热水器的使用呈下降趋势，许多太阳能热水器生产企业面临利润下降、发生亏损甚至濒临破产的窘境。
3.综上所述，研制开发一种价格低廉、安装和使用方便、集热面积大、防冻、防空晒、防过热、功能多、故障率低、使用寿命长的光热建筑一体化的太阳能集热器对于促进太阳能的综合利用、建筑物的节能降耗、人民生活水平的提高具有重要的意义。


技术实现要素：

4.为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种结构简单、成本低、制作和安装一体化、光热光伏一体化、太阳能与建筑物一体化的多功能的一体化太阳能集热器。所述技术方案如下：
5.一体化太阳能集热器包括盖板、龙骨和集热管，所述盖板安装在龙骨上，所述盖板、龙骨和集热管三者之间形成单腔、双腔或多腔的密封腔或贯通腔；
6.所述集热管埋设在墙体中或屋面内，或集热管架设在墙体或屋顶的表面上，或集热管通过龙骨架设在墙体或屋顶的表面上。
7.在一个实施例中，所述盖板优选为透光、隔热的板材，如现有平板太阳能集热器所用的玻璃板、塑料板、玻璃钢板、蜂巢板等，还可以是光伏板。所述玻璃板，或者是单层玻璃，或者是单玻膜中空玻璃、悬膜中空玻璃、中空玻璃、真空玻璃、夹层玻璃、光伏玻璃、覆膜玻璃以及具有贯通腔的中通玻璃等玻璃制品，玻璃制品具有更好的隔热保温性能；所述盖板为玻璃及玻璃制品时，优选为钢化玻璃或半钢化玻璃；所述盖板为玻璃及玻璃制品时，优选为低铁高透玻璃或超白玻璃或低反射超透玻璃；所述盖板为玻璃及玻璃制品时，优选为low-e 玻璃，或为自清洁玻璃，或为具有增透膜、防爆膜或防反射膜的玻璃，或为布纹玻璃
等。
8.在一个实施例中，所述集热管为现有的水管或气管，如塑料管、金属管或复合管等，优选为聚乙烯管、聚丙烯管、铝塑复合管、钢塑复合管、不锈钢管、不锈钢波纹管、pex管、ppr管，优选黑色管，黑色管具有更好的吸热性能。
9.在一个实施例中，所述集热管可以埋设在墙体中或屋面内，与墙体或屋面一起成为集热体，外面涂抹吸热层或吸热涂料更有利于吸收太阳能，所述吸热层或吸热涂料是深色的水泥砂浆或涂料，如掺有炭黑或石墨粉的水泥砂浆或涂料，所述吸热层或吸热涂料优选具有防水功能；所述集热管与墙体或屋面一体化，有利于保护集热管和提高吸热效率，也有利于蓄热和太阳能供暖，还有利于安装和维护以及防冻，特别适合于新建建筑以及严寒和寒冷地区。所述集热管可以架设在墙体或屋顶的表面上，为了增加集热和蓄热，可以先在墙体或屋顶的表面上涂抹吸热层或吸热涂料、或安装吸热膜后再架设集热管，特别适合于既有建筑以及寒冷和夏热冬冷地区。所述集热管可以通过龙骨架设在墙体或屋顶的表面上，为了增加集热，可以在集热管的后面或前面或两面增加吸热膜，所述集热管与墙体或屋顶的表面之间有贯通腔，在气温高时、通过“烟囱效应”可以使贯通腔内的空气自动与外界空气交换，防止墙体或屋顶的温度升高，特别适合于夏热冬暖地区。所述集热管内的介质可以是水、空气或防冻液等，一般为水或空气，具有成本低、操作简单、安全可靠等优点。
10.在一个实施例中，所述集热管的进水端可以直接与自来水管相连接、出水端直接与水龙头连接，由于所述集热管在房屋的外表面上大面积安装，所以其长度可以很长，如100平米的房子所述集热管的长度可以达到500-1000米，若采用20/25(内径/外径)的水管，所述集热管可储存150-300升的水，所以足够一个家庭的使用；所述规格的常用塑料水管的价格不足2元/米，所以所述集热管的投资在 1000-2000元、投资相对很小。所述集热管的出水端可以与储热水箱或电热水器连接，虽然增加了投资，但是可以储存更多的热水，还可以将储热水箱安装在用热水端、如厕所或厨房内，使用热水更方便些。所述集热管的出水端可以与地暖管、暖气片或其它墙体内的埋管连接，将热能储存在这些采暖终端，以备夜间或阴天时取暖用。所述集热管的出水端可以与地下水池、沼气池、地下土壤中的盘管相连接，可以存储热能于地下、可以跨季节储能，还可以与地能进行交换。
11.在一个实施例中，所述龙骨可以是木条、木塑条、塑料条、金属条或复合材料条等，优选价格便宜、强度高、隔热性能好、使用寿命长的型材，如玻璃钢方管、不锈钢方管、铝合金型材等。所述龙骨可以直接安装在所述既有建筑的外墙(包括屋面)上，如果所述既有建筑不能承载新增加的所述集热管、盖板的重量，可以在所述既有建筑的外墙处增加立柱，龙骨(或通过横梁)安装在立柱上，利用立柱来承担所述盖板的重量。
12.通过设置立柱，在建筑高度允许的情况下可以在所述既有建筑的上方再加盖阳光房，阳光房可以建成斜屋顶，斜屋顶更有利于做成太阳能集热器或安装光伏玻璃，阳光房可用于建设屋顶花园、写字间、商务办公室等，阳光房出售的费用可用于所述太阳能集热器的安装。所述盖板、龙骨和集热管三者之间形成密封腔或贯通腔，所述密封腔一般用于一年四季大量需要热能的场合，如酒店、洗浴中心、游泳馆等以及烘干设备等；或者集热器具有两个及以上的空腔时，其中一部分为密封腔。所述贯通腔一般用于民用建筑或公共建筑，在取暖季，阳光弱、环境冷，所述贯通腔关闭成为密封腔，利用“温室效应”可以大量吸收和积聚太阳能；在非取暖季，阳光强、气温高，所述贯通腔打开，利用“烟囱效应”将贯通腔内积聚的
热量排除，通过贯通腔开放的程度可以调节集热管的温度，从而使集热管中的热水既可以用于生活用水又不会过热。
13.在一个实施例中，所述两腔或多腔的密封腔或贯通腔其中间隔层可以用薄的材料来代替，如塑料膜、金属箔等，优选吸热膜；所述吸热膜优选彩色膜，既能吸收太阳能、又能美化房屋的外观。所述贯通腔根据面积的大小可分为许多个小的贯通腔通过串联、并联而组合在一起，依据设计需要小的贯通腔可分为直通型、弯通型、三通型、四通型等。所述贯通腔有单腔、两腔和多腔，所述贯通腔一个单腔的厚度一般为3mm-100mm，优选为12mm-60mm，以尽量在减小厚度的同时还具有较好的隔热保温性能以及介质流通性；所述双腔或多腔的贯通腔的厚度为等厚或不等厚，根据应用场所和性能进行选择。所述贯通腔内可以安装灯光、影像等装置，也可以安装水管、气管、泡沫发生器等，所述贯通腔内的温度太高时、可以利用水管喷淋冷水降温。所述贯通腔其整体或分组的开口处可以安装阀门，阀门关闭后即为密封腔。所述贯通腔的开口处可以安装连接件，通过连接件在高度方向上将两个或多个贯通腔连成一体；所述贯通腔可以整体或分组相互串联在一起，相邻贯通腔通过密封圈、密封条、密封胶或连接件进行连接固定；优选一层楼房在高度方向上采用一个贯通腔，两层楼房之间、即两个贯通腔之间采用连接件连接。所述贯通腔能够整体或分组依靠其内外或上下温差与外部环境自动交换贯通腔内的介质、或依靠机械力与外界交换贯通腔内的介质；通过控制介质交换，调整和改变所述贯通腔的温度，从而解决所述集热管的防冻和过热问题。
14.在一个实施例中，所述墙体可以利用与所述贯通腔介质能量的交换，来调节和控制房屋室内的温度。所述介质为气体、液体或泡沫等，一般为空气、水和水泡沫等。所述介质的能量(包括热能或冷能)来自于自然环境，如太阳能、空气能、水能和地能等自然能；所述介质的能量(包括热能或冷能)还来自于介质的相变能，如水的蒸发吸收的热、水蒸气的凝结放出的热。
15.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
16.(1)本发明的一体化太阳能集热器，省去了工厂内的制造过程、直接在现场安装而成，制造安装一体化，大大节省了管理成本和运输成本。
17.(2)本发明的一体化太阳能集热器，集热管与墙体或屋面融为一体，墙体或屋面可以充当集热体、密封腔或贯通腔可以充当保温层、盖板可以充当外墙板，集热与建筑一体化，仅保温层每平米就能节省 100元左右，所以大大节省了材料成本和制造成本，其成本大大低于现有的同样材质的保温外墙。
18.(3)本发明的一体化太阳能集热器，集热管与墙体或屋面融为一体，不仅安装简单、成本低，而且具有防冻功能和不需维护、使用寿命长的优点，可以与建筑物同寿命。
19.(4)本发明的一体化太阳能集热器，由于可以安装在建筑物的整个外表面上，所以使建筑物变成阳光房，利用温室效应能够吸收足够多的太阳能用于冬季取暖，因而不仅可以用来获取热水或热气，而且可用于冬季取暖。
20.(5)本发明的一体化太阳能集热器，由于贯通腔可以形成烟囱效应、能够给建筑物吹风降温，所以在非采暖季、尤其是在夏季，不但可以防止集热管过热、管内压力过高带来的安全隐患，而且可以能够阻止墙体升温，使建筑物墙体的温度(30℃左右)大幅度低于裸露在外的墙体(50-60℃)，因而可以降低建筑物室内的温度，从而节省制冷降温的耗能。
21.(6)本发明的一体化太阳能集热器，其贯通腔内可以通入各种类型的介质，如气体、液体、泡沫等，利用介质的改变来调整墙体或屋面的传热系数，使传热系数由静态不可调变成动态可调，改变现有节能建筑及既有建筑的节能改造只是一味增加墙体厚度来减小传热系数、被动节能的做法；所用介质如空气、水等可以直接来自于周围环境，因而不但能够利用太阳能，而且能够利用空气能、水能和地能等清洁能源。
22.(7)本发明的一体化太阳能集热器，其贯通腔内可以通入不同温度的介质，通过改变温度的高低来调整热量传递的方向或阻断热量的传递，类似于热量传导开关，而不同温度的介质、介质温度的改变均可直接取自于自然界，不需要二次能源来改变介质的温度，从而将被动节能变为自动节能。
23.(8)本发明的一体化太阳能集热器，其集热管不仅可以与热水终端连接、提供热水，而且可以与地下的管路(类似于现有的地暖管路)连接，通过水的循环，非采暖季不但可以降低墙体的温度，而且可以将热能存储于地下、供采暖季使用，达到跨季节储能；采暖季在夜间或阴天时可以将地下储存的热能提取出来加热墙体、从而为室内采暖，同时将冷能存储于地下、供夏季使用；通过利用太阳能和地下储能，就可以实现建筑物的冬暖夏凉，不但居住的舒适度高，而且可以节能大量的供暖和制冷的耗能。
24.(9)本发明的一体化太阳能集热器，由于盖板面积大，所以部分或全部盖板可以采用光伏玻璃，实现光伏光热一体化，集热管可以吸收光伏玻璃产生的热能，从而有效解决光伏玻璃过热的问题，所以能够更好地利用太阳能，冬季利用“温室效应”为房屋增温、夏季可以利用“烟囱效应”为建筑物降温，达到冬暖夏凉的效果，节省大量的冬季取暖、夏季制冷所需的能源，而且光伏玻璃产生的多余电能还能为用户带来经济效益，使建筑物不但节能而且产能。
25.(10)本发明的一体化太阳能集热器，其集热管遇火后会变软、内压升高而破裂，所以火灾发生时可以自动喷水降温、参与灭火，可以使建筑物的防火性能大大提高。
26.(11)本发明的一体化太阳能集热器，既适合于新建建筑、又适合于既有建筑的改造，不但解决了现有太阳能集热器所有的缺点，而且使其冬天成为阳光房、夏天成为空调房和水调房，不需要外加能源就能使建筑物具有冬暖夏凉的效果。
27.(12)本发明的一体化太阳能集热器，由于结构简单、造价低、面积大、没有或极少的运行费用、故障率低、使用寿命长，所以可以彻底解决建筑物在冬季需要供暖又不能集中供暖的问题；而在夏季，利用贯通腔内形成的“烟囱效应”又能防止墙体温度升高。因此，本发明特别适用于广大的农村地区和南方地区冬冷夏热城镇的新建建筑和既有建筑的节能改造，一次性解决热水热气供应、冬季取暖、夏季降温等问题。
28.当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
29.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
30.图1是本发明实施例提供的一体化太阳能集热器的结构示意图
31.图2是本发明实施例提供的另一种一体化太阳能集热器的结构示意图。
32.图3是本发明实施例提供的一体化太阳能集热器局部的结构示意图。
33.图4是本发明实施例提供的一体化太阳能集热器局部的另一种结构示意图。
34.图5是本发明实施例提供的一体化太阳能集热器局部的另一种结构示意图。
35.图中：1、集热管；2、盖板；3、贯通腔；4、龙骨；5、薄膜；6、压条；7、螺钉。
具体实施方式
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
37.实施例1：参考图1，图中箭头表示贯通腔3内介质的流动方向；一种一体化太阳能集热器，包括集热管1、盖板2、贯通腔3和龙骨 4，集热管1是塑料管(如pe、pex、pp、ppr管等)、金属管(如不锈钢管等)或复合管(如铝塑复合管等)等现有的管道，盖板2可采用现有集热器的盖板，如玻璃板、塑料板、复合板、玻璃钢板等；集热管1埋设在外墙中，外墙的表面是吸热层或吸热涂料，吸热层或吸热涂料优选具有防水功能，以便可以洒水降温；盖板2通过龙骨4安装在集热管1的外面、墙体的外表面上，并使集热管1和盖板2之间形成贯通腔3。太阳能集热器可以只设置在南面的墙体上，也可以设置在东面、南面和西面的墙体上，还可以设置在东西南北四面墙体上，既可以充分利用太阳能、在冬季时通过管道内水的循环使四面墙体都能蓄热，又可以起到很好的保温隔热作用，还能使房屋的外观一致；根据房屋的外观设计方案，每个竖列的贯通腔3整体或分组(每层或几层楼房为一组)相互串联在一起，上下相邻的两个贯通腔3通过密封圈、密封条、密封胶或专用连接件进行连接固定。贯通腔3的上下出入口可以安装阀门，阀门可以人工开关、电动开关或自动开关；冬季时关闭，利用“温室效应”和墙体的巨大体量不仅集热能力大效果好、而且可以为房屋供暖、还可以防冻；夏季时打开，利用“烟囱效应”不仅防止集热管1过热、而且可以为房屋降温(相对于裸露的墙体，从裸露墙体的60℃左右降至40℃左右，还能保证热水供应)；春秋季时半开半闭、自动调节集热管1和贯通腔3内的温度，从而调节热水温度和室内温度。因此，本发明的太阳能集热器不仅具有现有集热器的功能、克服了现有集热器的缺点，而且还能利用太阳能、空气能、地能等自然能源使建筑物达到冬暖夏凉的效果，从而解决广大北方农村地区冬季取暖的问题以及南方地区冬季取暖、夏季制冷的问题。
38.现有的建筑墙体即使保温性能再好、保温层再厚，在冬季也会发生热量从室内流向室外、只是多少而已。本发明的一体化太阳能集热器，在冬季阳光的照射下，不但使集热管1的温度升高、产生热水，而且使建筑物的墙体可以升温至35-45℃，所以室内的热量不但不会流出、反而是室外的热量会大量流向室内，而且利用墙体极大的体量和强大的蓄热能力、在太阳落山后墙体还会继续向室内释放热量，因而开辟了一种利用太阳能通过墙体蓄热采暖的新模式，适合于寒冷地区使用。
39.实施例2：参考图2，图中箭头表示贯通腔3内介质的流动方向；一种一体化太阳能集热器，包括集热管1、盖板2、贯通腔3和龙骨4，基本上同实施例1，不同之处在于外墙和屋顶上都安装有太阳能集热器，不仅集热面积大、集热效率高、吸收太阳能多，而且屋顶集热器的贯通腔3与墙体集热器的贯通腔3串联在一起，这样无论是夏季的“烟囱效应”还是冬季
的“温室效应”其效力更强、效果更好。集热管1还可以与设置在建筑物下方或周围的地下水池或土壤中的集热管1或集冷管连接，将能源储存在地下或提取地下的能源，能够更好地调节和使用太阳能、地能等能源。集热管1可以提供热水和热气，充当加温或烘干用的热源。因此，一体化太阳能集热器不仅可以用于新旧建筑，而且可用于种植大棚、养殖大棚等，还可以用于工农业的烘干厂房等。
40.实施例3：参考图3，图中箭头表示贯通腔3内介质的流动方向；一种一体化太阳能集热器，包括集热管1、盖板2、贯通腔3、龙骨4 和薄膜5；与实施例1或2基本相同，不同之处在于增加了薄膜5，龙骨4有两层，第一层龙骨4安装在墙体或屋面上、薄膜5安装在第一层龙骨4上，第二层龙骨4安装在第一层龙骨4上、盖板2安装在第二层龙骨4上。薄膜5可以是塑料膜(如pet、pc、pp膜等)，优选彩色膜，不但成本低、吸热效果好，而且能够改变外墙的颜色、使建筑物的外观更具特色化；薄膜5不仅增加太阳能的吸热效率，而且通过增加一个空腔、能够增加集热器以及墙体的隔热保温性能，还能使夏季的“烟囱效应”、冬季的“温室效应”其效力更强、效果更好，适合于严寒地区使用。
41.实施例4：参考图4，图中箭头表示贯通腔3内介质的流动方向；一种一体化太阳能集热器，包括集热管1、盖板2、贯通腔3和龙骨 4，基本上同实施例1和2，不同之处在于集热管1安装在外墙或屋顶的外表面上，盖板2通过横竖两层龙骨4安装在集热管1的外侧面并形成贯通腔3，其优点是集热管1的安装和维护相对方便，在非采暖季建筑物的外表面吸热相对较少。
42.实施例5：参考图5，图中箭头表示贯通腔3内介质的流动方向；一种一体化太阳能集热器，包括集热管1、盖板2、贯通腔3、龙骨4 和薄膜5，基本上同实施例1-3，不同之处在于龙骨4有横竖两层，第一层竖龙骨4安装在墙体或屋面上、集热管1和薄膜5安装在第一层竖龙骨4上，薄膜5与建筑物的外表面之间形成贯通腔3，第二层横龙骨4安装在第一层竖龙骨4上、盖板2安装在第二层横龙骨4上；为了防止盖板2脱落、保证安全性，盖板2粘贴在横龙骨4上后，在相邻的两块盖板2之间再用压条6通过螺钉7固定在横龙骨4上。薄膜5可以采用不透光的塑料膜或金属膜，可以防止太阳能照射到建筑物的外表面上，再结合“烟囱效应”就能更有效地降低夏季建筑物表面的温度(使墙体温度由裸露时的60℃左右降至空气的温度30℃左右，)，适合于夏季较长的南方地区使用。
43.实施例6：参考实施例1-5，一种光伏光热一体化太阳能集热器，其结构与实施例1-5基本相同、可根据不同的地区采用不同的实施方式；不同之处在于盖板2全部或部分是光伏玻璃，光伏玻璃可以按竖列或横排来安装，优选采用网格状安装，既能增加光伏玻璃的安装量又能丰富建筑物的外观；光伏玻璃在发电的同时会产生大量的热量，这些热量会导致光伏电池升温，温度太高不仅会降低发电效率，而且会提高建筑物的温度。光伏光热一体化太阳能集热器，不仅可以利用集热管1吸收热能，使贯通腔3内的温度保持在40-60℃，既能提供热水、又能防止光伏玻璃过热，而且在夏季如果温度超过预定值还可以利用贯通腔3产生的“烟囱效应”使贯通腔3内的空气介质迅速与环境中的空气进行交换，贯通腔3内的温度越高、空气介质置换的速度就越快，所以可以使光伏玻璃的温度保持在一个适宜的范围内；在冬季，阳光强度低、光伏电池产生的热量小，所以可以将贯通腔3的贯通口关闭、形成“温室效应”，使光伏电池产生的热量向集热管1 和室内传递，从而达到利用太阳能生产热水和取暖的目的；光伏光热建筑一体化，不但能够发电、生产热水，而且能够用于冬季取暖、夏季
降温，所发的电能大于自用，所以还能用于上网卖钱。
44.实施例7：参考实施例1-5，一种盖板2为单玻膜中空玻璃、悬膜中空玻璃的一体化太阳能集热器，其结构与实施例1-5基本相同，不同之处在于盖板2采用单玻膜中空玻璃或悬膜中空玻璃，单玻膜中空玻璃或悬膜中空玻璃不但抗热变形能力强、隔热保温性能好，而且相对于同样配置的中空玻璃成本更低、重量更轻，所以适合于严寒地区使用。
45.以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。