一种蓄热水箱及其调节有效容积的控制方法

1.本发明涉及蓄热水箱领域，具体涉及一种有效容积可变的蓄热水箱，还涉及一种调节蓄热水箱有效容积的控制方法。


背景技术：

2.随着热水机技术的发展，对蓄热水箱的要求有着更高的要求。传统蓄热水箱是竖向放置的圆柱形水箱，其主体结构包括壳体、与太阳能集热器相连的入水口、流至集热器的出水口，从水箱顶部至底部分别划分为换热区、循环区和静止区。由于热浮力的作用，一般情况下，水箱顶部的温度将始终保持最高。为增大换热盘管的换热效率，将换热盘管安装在了水箱的顶部区域中，因此，我们将换热盘管所在的水箱顶部区域称为换热区。通过换热区中的换热盘管，水箱中的热量可有效的传递至供暖末端。因此，换热区内的温度分布对系统供暖的表现有重要影响。
3.水箱入水口与太阳能集热器直接相连，由入水口进入的流体水温受天气条件影响较大。在太阳辐射较弱时，入水口水温可能低于换热区温度，导致换热区内部的不同温度流体的掺混，引起能量品位的下降，影响系统的供暖性能。
4.为了避免以上问题，传统水箱入水口设计在了换热区的底部。因此，只有从入水口进入的高温流体才能往上流进换热区，换热区内部温度则不断的上升。水箱的入水口与水箱当前采用的出水口间的区域被称为循环区。循环区内的流体在水泵的作用下，不断的在水箱与集热器间循环流动。而出水口以下的水箱区域则被称为静止区。该区域内的流体基本处于静止状态，其不参与水箱与集热器间的循环流动，水箱中的热量也难以传递至该区域。因此，该区域内的水箱容积不能作为水箱的有效容积。集热器吸收的太阳能通过流体的循环从集热器中传递到了水箱。由于热浮力的作用以及水箱内部的温度分层，水箱中除了小部分热量通过热传导分散到了静止区，绝大部分的热量均存储在换热区以及循环区。因此，仅换热区与循环区内被认为是水箱的有效容积区域。传统水箱为了尽量增大水箱的有效容积，会尽量缩小静止区。然而，对于本发明中的有效容积可变的蓄热水箱而言，静止区的存在是有效容积产生变化的关键。


技术实现要素：

5.针对传统蓄热水箱的入水口水温可能低于换热区温度而影响系统供暖性能和有效容积小的问题，
6.本发明的一个目的在于提出了一种蓄热水箱；
7.本发明的另一个目的在于提出了一种调节蓄热水箱有效容积的控制方法；
8.本发明的又一个目的在于提出了一种蓄热水箱，是将传统蓄热水箱改造为有效容积可变的蓄热水箱；并提出了该蓄热水箱的有效容积的控制方法。
9.本发明的目的采用以下技术方案实现：
10.第一方面，本发明提供一种蓄热水箱，
11.包括壳体a，所述壳体a上设置有入水口a与出水口a；所述入水口a设置于壳体的一侧，所述出水口a位于入水口a的下方；所述入水口a以上的区域为换热区，所述入水口a与所述出水口a之间的区域为循环区，所述出水口a以下的水箱区域为静止区；由于热浮力的作用以及水箱内部的温度分层，水箱中除了小部分热量通过热传导分散到了静止区，绝大部分的热量均存储在换热区以及循环区，因此，换热区与循环区内被认为是水箱的有效容积区域。本发明所述的蓄热水箱通过切换位于不同高度处的出水口来改变静止区以及循环区的容积，当采用的出水口不同，蓄热水箱静止区和循环区的容积不同，进而蓄热水箱的有效容积发生改变。
12.进一步地，所述蓄热水箱还包括电动多通阀，所述出水口a与所述电动多通阀的输入端连接，所述电动多通阀的出口端与集热器的输入端连接，所述入水口a与集热器的输出端连接；所述蓄热水箱内顶部设置有用于探测水温的温度传感器a；壳体外部设置有数据采集模块a和信号输出模块a，所述温度传感器a与数据采集模块a连接，所述数据采集模块a与信号输出模块a连接，所述信号输出模块a与所述电动多通阀连接。
13.优选地，蓄热水箱上设置有两个以上出水口，相邻出水口等间距设置。
14.第二方面，本发明提供一种调节蓄热水箱有效容积的控制方法，用于上述的蓄热水箱，该控制方法包括，
15.蓄热水箱的入水口设置在换热区的底部，因此只有从入水口进入的高温流体才能往上流进换热区，换热区内部温度则不断的上升；在集热刚开始的时候，水箱的出水口为位于最高位置的出水口，此时，静止区占据了水箱一半以上的容积，表明水箱的有效容积不到实际容积的一半。较小的有效容积会使水箱表现出小水箱的特点。在水温上升至目标温度t1后，水箱出水口将由最高出水口切换至第二高度出水口；在水温继续上升至目标温度t2后，最终切换至低于第二高度出水口的出水口。随着水箱出水口的切换，出水口的高度也在不断下降。这使得循环区容积不断增大，而静止区容积不断减小。此时，更大的有效容积将使水箱表现出大水箱的特点。由此可见，通过切换水箱出水口，上述水箱可动态分配循环区与静止区的容积，进而改变水箱的有效容积。
16.在上述技术方案中，优选地，当所述温度传感器a探测到水温到达设定值后，所述数据采集模块a收集温度信息，并通过所述信号输出模块a控制所述电动多通阀调节实际采用的出水口。
17.第三方面，本发明还提供一种基于传统定容式蓄热水箱所改造的蓄热水箱，是将传统蓄热水箱改造为有效容积可变的蓄热水箱，包括：
18.传统定容积蓄热水箱的壳体b，所述壳体上设置有一个入水口b和一个出水口b，所述入水口b位于壳体b的侧面，出水口b位于入水口b的下方；集成水箱盖，所述集成水箱盖位于所述壳体的顶部，所述集成水箱盖由牵引电机、防雨通风外壳与牵引线组成；水箱内部设置有保温软管，所述保温软管具有吸水口，所述保温软管通过水箱原出水口b并代替原出水口b接至集热器输入端，所述牵引线与所述保温软管的吸水口端相连接，通过所述牵引线带动所述保温软管的上下移动，进而调整所述保温软管吸水口在水箱中的垂直位置，设置所述蓄热水箱的所述入水口b以上的区域为换热区，所述入水口b与所述吸水口之间的区域为循环区，吸水口以下的水箱区域为静止区；所述换热区与所述循环区为水箱的有效容积区域。
19.进一步地，上述基于传统定容式蓄热水箱所改造的蓄热水箱，还包括：水箱内顶部设置的温度传感器b，所述温度传感器b与数据采集模块b连接，所述数据采集模块b与信号输出模块b连接，所述信号输出模块b与所述牵引电机连接。
20.最后，本发明还提供一种调节蓄热水箱有效容积的控制方法，用于上述基于传统定容式蓄热水箱所改造的蓄热水箱，该控制方法包括，
21.在集热刚开始的时候，所述保温软管的吸水口位于水箱高度一半以上的位置，此时，所述静止区占据了水箱一半以上的容积，表明所述蓄热水箱的所述有效容积不到实际容积的一半；在水温上升至目标温度t1后，通过所述牵引电机向下调节所述吸水口位置；当水温继续上升至目标温度t2后，通过所述牵引电机继续向下调节所述吸水口位置。随着所述保温软管吸水口的位置高度不断下降，所述循环区容积不断增大，而所述静止区容积不断减小。此时，更大的有效容积将使水箱表现出大水箱的特点。由此可见，通过调节吸水口的位置高度，上述水箱可动态分配循环区与静止区的容积，进而改变水箱的有效容积。
22.在上述技术方案中，优选地，当所述温度传感器b探测到温度到达设定值后，所述数据采集模块b收集温度信息，并通过所述信号输出模块b控制所述牵引电机调节所述吸水口位置。
23.本发明的有益效果为：
24.(1)跟传统水箱相比，新型水箱作为一种变有效容积水箱可有效缩短供暖系统的响应时间，减少辅助热源的使用时间，进而降低系统能耗。新型水箱使供暖系统的运行变得更为灵活，更有利于适应不断变化的室外环境条件以及不同的供暖需求。
25.(2)与多水箱系统相比，新型水箱仅由单个水箱以及单个换热盘管组成，且其进出水端口以及水温传感器的装设数量也较多水箱系统更少。这不仅有效的降低了建设与维护成本，还有利于简化供暖系统的运行控制策略。
26.(3)对于传统水箱系统改造成为变有效容积系统的项目而言，多水箱系统需要用多个水箱来替换掉原有水箱。而采用新型水箱的设计，仅需在原有水箱的基础上进行可控出口的改造，即可成为具有变有效容积功能的新型水箱。该方法可大幅降低水箱的改造费用，有利于推动传统系统升级。
附图说明
27.图1为固定出入水口传统定容式蓄热水箱的示意图；
28.图2为具有不同高度出水口的有效容积可变的蓄热水箱处于刚开始集热的状态示意图；
29.图3为具有不同高度出水口的有效容积可变的蓄热水箱处于温度上升至目标温度的状态示意图；
30.图4为出水口连接电动多通阀的有效容积可变的蓄热水箱示意图；
31.图5为出水口连接电动三通阀的有效容积可变的蓄热水箱示意图；
32.图6为基于传统定容式蓄热水箱所改造的有效容积可变的蓄热水箱示意图。
33.主要元件及符号说明：
34.1、壳体a；2、入水口a；3、出水口a；31、第一出水口；32、第二出水口；33、第三出水口；4、温度传感器a；5、数据采集模块a；6、信号输出模块a；7、电动多通阀；8、第一电动三通
阀；9、第二电动三通阀；
35.10、壳体b；11、入水口b；12、出水口b；13、集成水箱盖；131、牵引电机；132、防雨通风外壳；133、牵引线；14、保温软管；15、吸水口；16、温度传感器b；17、数据采集模块b；18、信号输出模块b。
具体实施方式
36.为了更清楚的说明本发明，对本发明的技术特征、目的和有益效果进行更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
37.实施例1
38.一种有效容积可变的蓄热水箱，如图2和图3所示，
39.包括壳体a 1，所述壳体上设置有一个入水口a 2、第一出水口31、第二出水口32和第三出水口33；其中，所述入水口a 2位于壳体的侧面，所述第一出水口31位于入水口a 2的下方，第二出水口32位于第一出水口31的下方，第三出水口33位于第二出水口32的下方；设置蓄热水箱的入水口a 2以上的区域为换热区，入水口a 2与采用的出水口之间的区域为循环区，出水口以下的水箱区域为静止区；不同出水口等间距设置。
40.在集热刚开始的时候，水箱的出水口为位于最高位置的出水口a 3，此时，静止区占据了水箱一半以上的容积。在水温上升至目标温度t1后，水箱出水口将由第一出水口31切换至第二出水口32；在水温继续上升至目标温度t2后，最终切换至第三出水口33。随着水箱出水口的切换，出水口的高度也在不断下降。这使得循环区容积不断增大，而静止区容积不断减小。此时，更大的有效容积将使水箱表现出大水箱的特点。
41.在上述实施例中，如图4所示，优选地，所述蓄热水箱还包括电动多通阀7，3个出水口与所述电动多通阀7的输入端连接，所述电动多通阀7的出口端与集热器的输入端连接，所述入水口与集热器的输出端连接；蓄热水箱内顶部设置有用于探测水温的温度传感器a 4；壳体a 1外部设置有数据采集模块a 5和信号输出模块a 6，所述温度传感器a 4与数据采集模块a 5连接，所述数据采集模块a 5与信号输出模块a 6连接，所述信号输出模块a 6与电动多通阀7连接。当温度传感器a 4探测到水温到达设定值后，数据采集模块a 5收集温度信息，并通过信号输出模块a 6控制电动多通阀7调节实际出水口。
42.实施例2
43.上述实施例1所述的有效容积可变的蓄热水箱，如图5所示，优选地，所述蓄热水箱还包括第一电动三通阀8和第二电动三通阀9，第一出水口31与所述第一电动三通阀8的输入端连接，所述第一电动三通阀8的出口端与集热器的输入端连接，所述入水口a 2与集热器的输出端连接；蓄热水箱内顶部设置有用于探测水温的温度传感器a 4；壳体a 1外部设置有数据采集模块a 5和信号输出模块a6，所述温度传感器a 4与数据采集模块连接a 5，所述数据采集模块a 5与信号输出模块a 6连接，所述信号输出模块a 6与两个电动三通阀连接。当温度传感器a 4探测到水温到达设定值后，数据采集模块a 5收集温度信息，并通过信号输出模块a 6控制两个电动三通阀的动作组合策略，进而调节实际出水端口。
44.实施例3
45.一种基于传统定容式蓄热水箱所改造的蓄热水箱，是将传统蓄热水箱改造为有效
容积可变的蓄热水箱，如图6所示，包括：
46.传统定容积蓄热水箱的壳体b10，所述壳体b10上设置有一个入水口b11和一个出水口b12，所述入水口b11位于壳体的侧面，出水口b12位于入水口b11的下方；集成水箱盖13，所述集成水箱盖由牵引电机131、防雨通风外壳132与牵引线133组成；水箱内部设置有保温软管14，所述保温软管14具有吸水口15，所述保温软管14通过水箱原出水口3并代替原出水口3接至集热器输入端，所述牵引线133与所述保温软管14的吸水口端相连接，通过牵引线133带动保温软管14的上下移动，进而调整保温软管吸水口15在水箱中的垂直位置。
47.在集热刚开始的时候，保温软管的吸水口15位于水箱高度一半以上的位置，此时，静止区占据了水箱一半以上的容积，表明水箱的有效容积不到实际容积的一半；在水温上升至目标温度t1后，通过牵引电机131向下调节吸水口15位置；当水温继续上升至目标温度t2后，通过牵引电机131继续向下调节吸水口15位置。随着保温软管吸水口15的位置高度不断下降，循环区容积不断增大，而静止区容积不断减小。此时，更大的有效容积将使水箱表现出大水箱的特点。由此可见，通过调节吸水口15的位置高度，上述水箱可动态分配循环区与静止区的容积，进而改变水箱的有效容积。
48.在上述实施例中，优选地，所述基于传统定容式蓄热水箱所改造的蓄热水箱还包括水箱内顶部设置的温度传感器b16，所述温度传感器b16与数据采集模块b17连接，所述数据采集模块b17与信号输出模块b18连接，所述信号输出模块b18与所述牵引电机131连接。当探测到温度到达设定值后通过信号输出控制牵引电机131调节吸水口15位置。
49.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种蓄热水箱，其特征在于，包括壳体a(1)，所述壳体a(1)上设置有入水口a(2)与出水口a(3)；所述入水口a(2)设置于壳体的一侧，所述出水口a(3)位于入水口a(2)的下方；所述入水口a(2)以上的区域为换热区，所述入水口a(2)与所述出水口a(3)之间的区域为循环区，所述出水口a(3)以下的水箱区域为静止区；所述换热区与所述循环区为水箱的有效容积区域。2.根据权利要求1所述的蓄热水箱，其特征在于，还包括电动多通阀(7)，所述出水口a(3)与所述电动多通阀(7)的第一端连接，所述电动多通阀(7)的第二端与集热器的输入端连接，所述入水口a(2)与集热器的输出端连接；所述蓄热水箱内顶部设置有用于探测水温的温度传感器a(4)；壳体a(1)外部设置有数据采集模块a(4)和信号输出模块a(6)，所述温度传感器a(4)与数据采集模块a(4)连接，所述数据采集模块a(4)与信号输出模块a(6)连接，所述信号输出模块a(6)与所述电动多通阀(7)连接。3.根据权利要求1或2所述的蓄热水箱，其特征在于，所述蓄热水箱上设置有两个以上出水口，相邻所述出水口等间距设置。4.一种调节蓄热水箱有效容积的控制方法，用于如权利要求3所述的蓄热水箱，其特征在于，所述控制方法包括：所述蓄热水箱的所述入水口a(2)设置在所述换热区的底部，从所述入水口a(2)进入的高温流体往上流进所述换热区，所述换热区内部温度不断上升；在集热刚开始的时候，所述出水口a(3)为位于最高位置的出水口，此时，所述静止区占据了所述蓄热水箱一半以上的容积；在水温上升至目标温度t1后，所述出水口a(3)将由最高出水口切换至第二高度出水口；在水温继续上升至目标温度t2后，最终切换至低于第二高度出水口的出水口。5.根据权利要求4所述的调节蓄热水箱有效容积的控制方法，其特征在于，当所述温度传感器a(4)探测到水温到达设定值后，所述数据采集模块a(4)收集温度信息，并通过所述信号输出模块a(6)控制所述电动多通阀(7)调节实际采用的出水口。6.一种蓄热水箱，其特征在于，包括壳体b(10)，所述壳体b(10)上设置有入水口b(11)和出水口b(12)，所述入水口b(11)位于壳体b(10)的侧面，出水口b(12)位于入水口b(11)的下方，所述入水口b(11)与集热器的输出端连接；集成水箱盖(13)，所述集成水箱盖(13)位于所述壳体的顶部，所述集成水箱盖(13)由牵引电机(131)、防雨通风外壳(132)与牵引线(133)组成；水箱内部设置有保温软管(14)，所述保温软管(14)具有吸水口(15)，所述保温软管(14)通过水箱原出水口b(12)并代替原出水口b(12)接至集热器输入端，所述牵引线(133)与所述保温软管(14)的吸水口(15)端相连接，通过所述牵引线(133)带动所述保温软管(14)的上下移动，进而调整所述保温软管(14)吸水口(15)在水箱中的垂直位置；设置所述蓄热水箱的所述入水口b(11)以上的区域为换热区，所述入水口b(11)与所述吸水口(15)之间的区域为循环区，吸水口(15)以下的水箱区域为静止区；所述换热区与所述循环区为水箱的有效容积区域。7.根据权利要求6所述的蓄热水箱，其特征在于，还包括：所述蓄热水箱内顶部设置的温度传感器b(16)，所述温度传感器b(16)与数据采集模块b(17)连接，所述数据采集模块b(17)与信号输出模块b(18)连接，所述信号输出模块b(18)与所述牵引电机(131)连接。8.一种调节蓄热水箱有效容积的控制方法，用于权利要求6或7所述的蓄热水箱，其特征在于，该控制方法包括：在集热刚开始的时候，所述保温软管(14)的所述吸水口(15)位于
水箱高度一半以上的位置，此时，所述静止区占据了水箱一半以上的容积，水箱的有效容积不到实际容积的一半；在水温上升至目标温度t1后，通过所述牵引电机(131)向下调节所述吸水口(15)位置；当水温继续上升至目标温度t2后，通过所述牵引电机(131)继续向下调节所述吸水口(15)位置。9.根据权利要求8所述的调节蓄热水箱有效容积的控制方法，其特征在于，当所述温度传感器b(16)探测到温度到达设定值后，所述数据采集模块b(17)收集温度信息，并通过所述信号输出模块b(18)控制所述牵引电机(131)调节所述吸水口(15)位置。

技术总结
本发明提供了一种蓄热水箱及调节蓄热水箱有效容积的控制方法。其中，一种蓄热水箱，其特征在于，包括壳体，所述壳体上设置有入水口、出水口；其中，所述入水口设置于壳体的一侧，所述出水口位于入水口的下方，且出水口的位置高度可以调节；通过切换出水口的高度来改变静止区以及循环区的容积，进而蓄热水箱的有效容积发生改变。通过本发明的技术方案，可有效缩短供暖系统的响应时间，简化供暖系统的运行控制策略，降低系统能耗，方便传统蓄热水箱的升级改造。改造。改造。


技术研发人员：黎家荣 丁力行 钟天明 谢宇
受保护的技术使用者：仲恺农业工程学院
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/7/25