太阳能热水系统和操作太阳能热水系统的方法

专利名称：太阳能热水系统和操作太阳能热水系统的方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能热水系统、一种操作太阳能热水系统的方法和用于在太阳
能热水系统中使用的阀。 本发明主要为了用于防止家用太阳能热水系统中的太阳能面板损坏而开发并且 下文将参照该应用进行描述。然而，本发明不局限于该具体用途，并且还可应用于通常使用 大量太阳能面板的商业设施。
背景技术：
与太阳能热水系统相关的问题是，如果环境温度下降到约6t:以下，则太阳能面板
中的液体会膨胀并因此损坏面板。 为了防止该现象发生，一种已知装置涉及使用在其内部具有附加储罐的加热水储
罐，该内储罐容纳水、乙二醇或另一种液体防冻剂。内储罐与加热水储罐成热交换关系。使 用泵来将液体驱动到一个或多个太阳能面板中，液体在其中被加热，并且然后回到内储罐
以加热储水罐中的水。如果环境温度下降到约6t:，则太阳能面板中的流体排放到内储罐
中。这称为"回排"方法并且具有几个缺点。首先，这是制造和安装复杂而且昂贵的装置， 尤其是需要在储水罐内的独立内罐。此外，当使用非饮用水的液体或(比较昂贵的)食品 级防冻剂时，则内罐必须具有双壁结构。这增加了复杂性和成本。其次，从流体到水的传热 经由罐壁，这效率较低。第三，内罐必须大于对于正常操作所需，以能够储存清空的太阳能 面板的容积，这增加了储水罐的尺寸，并因此增加了系统的整体尺寸。第四，所需的泵比较 昂贵，因为它必须能够克服压头提升流体以重新充填太阳能面板。 另一种已知装置涉及将乙二醇或另一种液体防冻剂从一个或多个太阳能面板循
环到热交换器的一侧。热交换器的另一侧与从热水储罐循环的水相连。当温度下降到约
6t:以下时乙二醇防止面板损坏。虽然此装置避免了回排方法所需的复杂的双罐装置，但它
也是不无缺点的。首先，其制造和安装也比较复杂和昂贵。例如，整个系统必须被排出任何 空气、加压并且然后在操作前密封。其次，乙二醇与水循环之间经热交换器进行的传热效率 较低。 第三种已知装置，称为再循环系统，使用串接的太阳能面板和加热水储罐。在此装
置中，当温度下降到约6t:时，泵被激活以经面板从加热水储罐再循环加热水，从而将面板
保持在将出现损坏的温度以上。此装置的一个缺点是当使用该加热水来使面板升温时一部 分从太阳传递到水的能量被损耗，这降低了能量效率。此装置还可利用当环境温度达到约
6t:时打开以从太阳能面板回排水的温度敏感型防冻阀。排放的水也使阀升温，阀然后关 闭。此装置的缺点首先是阀的额外成本和增加的安装复杂性。其次，阀还倾向于堵塞和其 他故障，并具有在突然冰冻期间不可能防止损坏的缓慢反应时间。第三，成功的操作依赖于 太阳能面板和相关的管道系统中的未受阻的流动。

发明内容
本发明的目的是基本上克服或至少改进上述缺点中的一者或多者。
相应地，在第一方面，本发明提供一种太阳能热水系统，包括
环境温度传感器；
控制器；
阀； 储水罐，其具有进口和出口 ；以及 至少第一太阳能面板，其具有与储水罐出口流体连通的进口和与储水罐进口流体 连通的出口， 其中，当温度传感器指示控制器环境温度在预定水平以上时，控制器控制阀以将 流动从储水罐出口引导到太阳能面板进口并从太阳能面板出口引导到储水罐进口 ，并且
当温度传感器指示控制器环境温度低于预定水平时，控制器控制阀以将流动从太 阳能面板进口引导到阀并从而引导到大气。 该系统优选地包括适于在罐与太阳能面板之间循环流体的泵，最优选具有与储 水罐出口流体连通的进口和与阀流体连通的出口的泵。 该阀优选地低于太阳能面板进口并且从太阳能面板进口到阀并因此到大气的流 动优选地处于重力的影响之下。 该系统优选地包括第二太阳能面板，其具有与第一太阳能面板出口流体连通的进 口和与储水罐进口流体连通的出口 。 该阀优选地包括第一端口、第二端口和第三端口并且能够控制成将流动从第一端 口分流到第二端口或将流动从第二端口分流到第三端口 。 当温度传感器指示控制器环境温度在预定水平以上时，控制器控制阀以将流动从 阀第一端口引导到阀第二端口 ，从而引导水从储水罐出口流动到太阳能面板进口并从太阳 能面板出口流动到储水罐进口 ，并且 当温度传感器指示控制器环境温度低于预定水平时，控制器优选地控制阀以将流 动从阀第二端口引导到阀第三端口，从而引导水从太阳能面板进口排放到阀第三端口。
在第二方面，本发明提供一种操作太阳能热水系统的方法，
该系统包括 储水罐，其具有出口和进口 ；以及 至少第一太阳能面板，其具有与储水罐出口流体连通的进口和
与储水罐进口流体连通的出口 ， 该方法包括监控环境温度，以及，当环境温度在预定水平以上时，将水从储水罐出
口引导到太阳能面板进口并从太阳能面板出口引导到储水罐进口，并且当环境温度低于预
定水平时，从太阳能面板进口排水。 该系统优选地还包括 环境温度传感器； 控制器；以及 阀，其包括第一端口 、第二端口和第三排放端口 ，该阀能够控制成将流动从第一端 口分流到第二端口或将流动从第二端口分流到第三端口，
并且该方法优选地包括 当温度传感器指示控制器环境温度在预定水平以上时，控制器控制阀以将流动从 阀第一端口引导到阀第二端口 ，从而将水从储水罐出口驱动到太阳能面板进口并从太阳能 面板出口驱动到储水罐进口 ，并且 当温度传感器指示控制器环境温度低于预定水平时，控制器控制阀以将流动从阀
第二端口弓I导到阀第三端口 ，从而允许水从太阳能面板进口排放到阀第三端口 。 在第三方面，本发明提供一种阀，包括 阀本体，其具有第一端口、第二端口和第三端口 ； 阀构件，其在本体内，并且能够控制成打开第一端口与第二端口之间的第一流体 连通通路和第二端口与第三端口之间的第二流体连通通路， 其中第一流体连通通路在第二流体连通通路打开之前关闭，并且反之亦然。
该阀构件优选地包括大致球形阀形成部。阀构件优选地在第一流体连通通路与第 二流体连通通路之间进行枢转运动，最优选90。或180°的枢转运动。 在一种形式中，第一流体连通通路优选地由阀构件中的内部通道限定，最优选由
阀构件中的轴向孔限定。第二流体连通通道优选地由阀构件上的外凹槽限定。 在另一种形式中，第一和第二流体连通通路优选地由阀构件中的内通道限定，最
优选由阀构件中的直角形内通道限定。


现在将参照附图仅以举例方式描述本发明的优选实施方式，在附图中 图1是热水系统的第一实施方式的示意图； 图2是用于图1所示的系统中的阀的一个实施方式的立体图； 图3是用于图2所示的阀中的阀构件的立体图； 图4是图2所示的阀的端视图，阀构件处于两个端位置之一中； 图5是图4所示的阀沿着线A-A的剖视图； 图6是图2所示的阀的端视图，阀构件处于两个端位置的另一者中； 图7是图6所示的阀沿着线D-B的剖视图； 图8是图2所示的阀的端视图，阀构件处于图4和图6所示的两个端位置之间的 中间位置； 图9是图8所示的阀沿着线C-C的横截面侧视图； 图10是热水系统的第二实施方式在水加热期间的局部立体图； 图11是图10所示的水加热器在排放期间的局部立体图；以及 图12是热水系统的第三实施方式的示意图。
具体实施例方式
图1示出了总体上以参考标号IO表示的太阳能热水系统的第一实施方式。系统 10包括太阳能面板12、加热水储罐14、泵16、阀18和控制器20。 太阳能面板12的内部通过空气管24连接到排气阀22。太阳能面板12还包括通 过水管26连接到罐14的第一进口 14a的出口 12a。管26中包括单向阀28。罐14还包括通过水管27a连接到泵16的进口 16a的出口 14b ;以及第二自来水供应进口 14c。泵16还 包括通过水管27b连接到阀18的第一端口 18a的出口 16b。阀18还具有第二端口 18b，第 二端口 18b通过水管30连接到太阳能面板12的进口 12b。阀18还具有第三(排放)端口 18c，第三(排放)端口 18c通过排水管32与大气相连。阀18定位在太阳能面板12的进 口 12b下方。 控制器20通过电缆36连接到第一 (环境)温度传感器34。控制器20通过电缆 40连接到与阀18相关的电机38(或其他致动器)。控制器20通过电缆43在罐出口 14b 连接到第二温度传感器41。控制器20还通过电缆45连接到泵16。 现在将参照图2至图9更详细地描述阀18。图3示出了形成阀18的一部分的不 锈钢内阀构件50。阀构件50具有大致球形端部形成部52 ;以及具有接合形成部54a的圆 柱形驱动轴54。接合形成部54a适于将阀构件50连接到电机38使得阀构件50可相对于 阀壳体56枢转。 阀形成部52具有圆柱形内通道58和外弓形凹槽60。通道58的纵向轴线与凹槽 60的纵向轴线成45。角。如图5、图7和图9中最佳地示出，第一端口 18a、第二端口 18b 和第三端口 18c都采取圆柱形套管的形式，各套管与壳体56内的大致圆形中间凹槽62连 通。 图4和图5示出了处于两个端位置中的第一位置的阀构件，其中通道58提供第一 端口 18a与第二端口 18b之间的第一流体连通通路。图6和图7示出了从图4和图5所示 的位置经9(T枢转到两个端位置中的第二位置的阀构件50。在第二位置中，凹槽60确立 第二端口 18b与第三端口 18c之间的第二流体连通通路。图8和图9示出了从分别在图4 和图5以及图6和图7中示出的各个端位置经45度枢转的阀构件50，并且显示了第一流 体连通通路在第二流体连通通路开始开启之前完全关闭并且反之亦然。此关闭防止在第一 端口 18a或第二端口 18b处的自来水压力在阀构件50在分别在图4和图5以及图6和图 7中示出的第一和第二端位置之间移动期间经第三端口 18c泄漏。 现在将参照图1描述热水系统10的操作。如果温度传感器34指示控制器20环 境温度在约6°C以上，则控制器20致动电机38以将阀构件50定位在第一端位置，从而确立 第一端口 18a与第二端口 18b之间的第一流体连通通路。如果控制器还接收到指示可获得 太阳能的信号(即，在传感器34处的温度比在传感器41处的温度高出超过4到6°C )，则 控制器20还使泵16通电。这致使水从罐14的出口 14b循环到太阳能面板12的进口 12b。 太阳能面板14中的水然后被太阳光加热。已加热的水然后被泵送到太阳能面板12的出口 12a到达罐14的第一进口 14a。此循环由箭头70指示。然后可从罐14抽吸已加热的水进 行使用。罐14中的水位由连接在第二进口 14c处的自来水供应进行补充。
如果温度传感器34指示控制器20环境温度在约6°C以上但不可获得太阳能(即， 在传感器34处的温度比在传感器41处的温度高出不足4到6°C )，则控制器20使泵16断 电并且将阀构件50定位(或留)在第一端位置(如图4和图5所示)，在第一端口 18a与 第二端口 18b之间确立第一流体连通通道。 不论是否可获得太阳能，如果温度传感器34指示控制器20环境温度已下降到约 6°C以下，则控制器20控制电机38将阀构件50驱动到第二端位置(如图6和图7所示)， 以确立第二端口 18b与第三端口 18c之间的第二流体连通通路。如果还没这么做，则控制器20还关闭泵16。由于阀18定位在太阳能面板12的进口 12b下方，所以太阳能面板12中 的水在重力的影响下经管30排放到第二端口 18b并且然后经由管32从第三端口 18c排放 到大气。排空过程仅耗费3到4分钟，在该段时间期间太阳能面板进口 12b用作出口。此 排空流动由箭头72指示。空的太阳能面板12由于它未容纳任何可膨胀的水而因此得以防 止被损坏。 如果传感器34随后指示控制器20环境温度已升高到约6°C以上，则控制器使电机 38通电以将阀构件50驱动到第一端位置(如图4和图5所示)。如果还可获得太阳能，则 控制器还致动泵16。这致使太阳能面板12从罐14充水并且然后开始以前述方式循环该 水。在此充填过程期间，(之前清空的)太阳能面板12中的空气经由自动排气阀22逸出。
系统10具有几个优点。首先，其利用减少了制造和安装的复杂性和成本的标准储 水罐。其次，其适于加装到现有(燃气或电)热水系统。第三，其在所有部件中都利用饮用 水并因此避免了 (比较昂贵和危险的)乙二醇或其他防冻剂的使用。第四，该系统由于直 接利用太阳能加热水(即，避免了热交换器等)而具有比较高的能效。
图10和图11部分示出了总体上以参考标号10'表示的太阳能热水系统的第二实 施方式。与图1至图9所示的第一实施方式中的特征相似的特征将用相似的参考标号表示。 系统10'除阀18的内阀构件50的大致球形端部形成部52中具有单个直角形内通道58外 与系统10相似。图10示出了处于两个端位置中的第一位置中的阀构件50，其中通道58提 供第一端口 18a与第二端口 18b之间的第一流体连通通路。图11示出了从图10所示的位 置经180°枢转到两个端位置中的第二位置的阀构件50。在第二位置中，通道58确立第二 端口 18b与第三端口 18c之间的第二流体连通通路。 热水系统10'的操作与第一实施方式的操作相似并且现在将对其进行描述。参照 图10，如果温度传感器34指示控制器20环境温度在约6°C以上，则控制器20致动电机38 以将阀构件50定位在第一端位置，从而确立第一端口 18a与第二端口 18b之间的第一流体 连通通路。如果控制器还接收到指示可获得太阳能的信号(即，在传感器34处的温度比在 传感器41处的温度高出超过4到6°C )，则控制器20还使泵16通电。这致使水从罐14的 出口 14b循环到太阳能面板12的进口 12b。太阳能面板14中的水然后被太阳光加热。已 加热的水然后被泵送到太阳能面板12的出口 12a而到达罐14的第一进口 14a。此循环由 箭头70指示。然后可从罐14抽吸已加热的水进行使用。罐14中的水位由连接在第二进 口 14c处的自来水供应进行补充。 如果温度传感器34指示控制器20环境温度在约6°C以上但不可获得太阳能(即， 在传感器34处的温度比在传感器41处的温度高出不足4到6°C )，则控制器20使泵16断 电并且将阀构件50定位(或留)在第一端位置(如图IO所示)，在第一端口 18a与第二端 口 18b之间确立第一流体连通通道。 不论是否可获得太阳能，如果温度传感器34指示控制器20环境温度已下降到约 6°C以下，则控制器20控制电机38将阀构件50驱动到第二端位置(如图11所示)，以确立 第二端口 18b与第三端口 18c之间的第二流体连通通路。如果还没这么做，则控制器20还 关闭泵16。由于阀18定位在太阳能面板12的进口 12b下方，所以太阳能面板12中的水在 重力的影响下经管30排放到第二端口 18b并且然后从第三端口 18c排放到大气。排空过 程仅耗费3到4分钟，在该段时间期间太阳能面板进口 12b用作出口。此排空流动由箭头72指示。空的太阳能面板12由于它未容纳任何可膨胀的水而因此得以防止被损坏。
如果传感器34随后指示控制器20环境温度已升高到约6°C以上，则控制器使电 机38通电以将阀构件50驱动到第一端位置(如图10所示)。如果还可获得太阳能，则控 制器还致动泵16。这致使太阳能面板12从罐14充水并且然后开始以前述方式循环该水。 在此充填过程期间，(之前清空的)太阳能面板12中的空气经由自动排气阀22逸出。
图12示出了总体上以参考标号IO"表示的太阳能热水系统的第三实施方式。与 图1至图9所示的第一实施方式的特征相似的特征将用相似的参考标号表示。系统IO"除 控制器20分别通过线路43'和43"连接到罐14中的附加温度传感器41'和41"外与系统 IO相似。系统10"的操作除以下条件外与参照系统10所述的操作相同如果传感器41、 41'或41"指示控制器20罐14的温度达到其最高安全温度并且面板12仍然在加热升温， 则控制器20操作阀18以(经由箭头72指示的流动通路)从面板12排水，从而防止罐14 的任何过热。 尽管已参照优选实施方式描述了本发明，但本领域的技术人员可以理解的是，本 发明可以以许多其他形式实施。例如，自来水供应可以替换性地被给送到罐出口 14b。此 外，该系统可使用一个以上的太阳能面板操作。
权利要求
一种太阳能热水系统，包括环境温度传感器；控制器；阀；储水罐，其具有进口和出口；以及至少第一太阳能面板，其具有与所述储水罐的出口流体连通的进口和与所述储水罐的进口流体连通的出口，其中，当所述温度传感器指示所述控制器环境温度在预定水平以上时，所述控制器控制所述阀以将流动从所述储水罐的出口引导到所述太阳能面板的进口并从所述太阳能面板的出口引导到所述储水罐的进口，并且当所述温度传感器指示所述控制器环境温度低于预定水平时，所述控制器控制所述阀以将流动从所述太阳能面板的进口引导到所述阀并从而引导到大气。
2. 如权利要求1所述的系统，还包括适于在所述罐与所述太阳能面板之间循环流体的泵。
3. 如权利要求2所述的系统，其中，所述泵具有与所述储水罐的出口流体连通的进口 和与所述阀流体连通的出口 。
4. 如权利要求1、2或3所述的系统，其中，所述阀低于所述太阳能面板的进口并且从所 述太阳能面板的进口到所述阀并从而到大气的流动处于重力的影响之下。
5. 如前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统还包括第二太阳能面板，所述 第二太阳能面板具有与所述第一太阳能面板的出口流体连通的进口和与所述储水罐的进 口流体连通的出口。
6. 如前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述阀包括第一端口 、第二端口和第三 端口并且能够控制成将流动从所述第一端口分流到所述第二端口或将流动从所述第二端 口分流到所述第三端口。
7. 如权利要求6所述的系统，其中，当所述温度传感器指示所述控制器环境温度在预 定水平以上时，所述控制器控制所述阀以将流动从所述阀的第一端口引导到所述阀的第二 端口，从而引导水从所述储水罐的出口流动到所述太阳能面板的进口并从所述太阳能面板 的出口流动到所述储水罐的进口 ，并且当所述温度传感器指示所述控制器环境温度低于预定水平时，所述控制器优选地控制 所述阀以将流动从所述阀的第二端口引导到所述阀的第三端口，从而引导水从所述太阳能 面板的进口排放到所述阀的第三端口。
8. —种操作太阳能热水系统的方法，所述系统包括 储水罐，其具有出口和进口 ；以及至少第一太阳能面板，其具有与所述储水罐的出口流体连通的进口和与所述储水罐的 进口流体连通的出口，所述方法包括监控环境温度，以及，当环境温度在预定水平以上时，将水从所述储水罐 的出口引导到所述太阳能面板的进口并从所述太阳能面板的出口引导到所述储水罐的进 口 ，并且当环境温度低于预定水平时，从所述太阳能面板的进口排水。
9. 如权利要求8所述的方法，其中，所述系统包括环境温度传感器； 控制器；以及阀，其包括第一端口 、第二端口和第三排放端口 ，所述阀能够控制成将流动从所述第一 端口分流到所述第二端口或将流动从所述第二端口分流到所述第三端口 ， 并且所述方法包括当所述温度传感器指示所述控制器环境温度在预定水平以上时，所述控制器控制所述 阀以将流动从所述阀的第一端口引导到所述阀的第二端口，从而将水从所述储水罐的出口 驱动到所述太阳能面板的进口并从所述太阳能面板的出口驱动到所述储水罐的进口，并且当所述温度传感器指示所述控制器环境温度低于预定水平时，所述控制器控制所述阀 以将流动从所述阀的第二端口引导到所述阀的第三端口 ，从而允许水从所述太阳能面板的 进口排放到所述阀的第三端口。
10. —种阀，包括阀本体，其具有第一端口、第二端口和第三端口 ；阀构件，其在所述本体内，并且能够控制成打开所述第一端口与所述第二端口之间的 第一流体连通通路和所述第二端口与所述第三端口之间的第二流体连通通路，其中所述第一流体连通通路在所述第二流体连通通路打开之前关闭，并且反之亦然。
11. 如权利要求10所述的阀，其中，所述阀构件包括大致球形阀形成部。
12. 如权利要求10或11所述的阀，其中，所述阀构件在所述第一流体连通通路与所述 第二流体连通通路之间进行枢转运动。
13. 如权利要求12所述的阀，其中，所述阀构件在所述第一流体连通通路与所述第二 流体连通通路之间进行90。或180°的枢转运动。
14. 如权利要求10至13中任一项所述的阀，其中，所述第一流体连通通路由所述阀构 件中的内通道限定。
15. 如权利要求14所述的阀，其中，所述内通道为圆柱形孔。
16. 如权利要求14或15所述的阀，其中，所述第二流体连通通路由所述阀构件上的外 凹槽限定。
17. 如权利要求10至13中任一项所述的阀，其中，所述第一流体连通通路和所述第二 流体连通通路由所述阀构件中的内通道限定。
18. 如权利要求17所述的阀，其中，所述内通道是直角形的。
全文摘要
一种太阳能热水系统(10)，包括环境温度传感器(34)、控制器(20)、阀(18)、具有进口和出口(14b)的储水罐(14)以及具有与储水罐出口(14b)流体连通的进口(12a)和与储水罐进口(20)流体连通的出口(12b)的至少第一太阳能面板(12)。当温度传感器(34)指示控制器(20)环境温度在预定水平以上时，控制器(20)控制阀(18)将流动从储水罐出口(14b)引导到太阳能面板进口(12a)并从太阳能面板出口(12b)引导到储水罐进口(14a)。当温度传感器(34)指示控制器(20)环境温度低于预定水平时，控制器控制阀(18)将流动从太阳能面板进口(12a)引导到阀(18)并从而引导到大气。
文档编号F16K11/076GK101743448SQ200880022264
公开日2010年6月16日 申请日期2008年10月3日 优先权日2007年10月3日
发明者帕特里克·普塞尔 申请人:达克斯制造有限公司