CN105659035A - 整体式可再生能源系统 - Google Patents

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Abstract

一种特别设计的整体式可再生能源系统，其可被操作以更有效和更廉价地为在住宅设施中加热的受调节空间供给空气和家用热水提供加热能量，此住宅设施在此前会利用燃料燃烧炉或电炉以及燃料燃烧或电加热贮水式热水器来分别产生空间加热空气和家用热水。该系统利用太阳能结合至少主要是常规的、现成的空气和水加热元件，从而以简单的方式明显降低空气和水的加热成本。

Description

整体式可再生能源系统
发明背景
传统的空间加热和家用水加热系统(例如那些在住宅设施中提供的系统)典型地利用燃烧燃料炉或电炉以提供加热空气至该住宅的受调节空间以及利用燃烧燃料热水器或电热水器以提供加热的饮用水至各种利用热水的卫浴器具(如水槽，花洒，洗碗机等)。随着商业上提供的化石燃料和电力的成本不断攀升，存在通过增加可再生能源的使用来减少住宅设施和商业设施这二者中空气和水的加热成本的日益增长的需求。本发明主要针对这一需求。
附图的简要说明
图1是整体式可再生能源系统的示意性透视管道系统图。
图1A是图1示意性透视管道系统图的太阳能加热部分的替代实施例的示意图。
图2是该系统的一部分的示意性管道和控制系统图。
图3是表示该系统的空气加热部分和水加热部分的控制顺序的逻辑流程图。
具体实施方式
在本发明的一个代表性示出的实施例中，本发明提供一种整体式可再生能源系统，用于更有效和更廉价地为受调节空间供给空气和家用热水提供加热能量，所述受调节空间供给空气和家用热水在例如此前会利用燃料燃烧炉或电炉以及燃料燃烧或电加热贮水式热水器来分别产生空间加热空气和家用热水的这种类型的住宅设施中加热。
图1示意性描绘一个体现本发明原理的整体式可再生能源系统10的代表性实施例，利用该系统以为受调节空间提供加热空气并为各种利用热水的卫浴器具(如水槽、花洒、洗碗机等)提供按需的加热饮用水。代表性地示出的该系统10的实施例具有作为主要部件的：(1)空气处理单元12；(2)燃烧燃料的即热式热水器14；(3)混合阀15，(4)至少一个热水贮水箱16(在数量上例示了2个)；(5)至少一个太阳能收集板18(在数量上例示了4个)；(6)至少一个丙二醇泵20(在数量上例示了2个)；和(7)至少一个光伏电池22(在数量上例示了2个)。
该空气处理单元12具有壳体部24、液体循环加热式盘管28、其中的电动力常规供风机25和操作地连接至壳体部24的顶端的蒸发器盘管箱26。盘管箱26内具有常规的直接膨胀制冷剂盘管27，制冷剂盘管27通过制冷剂管路32连接至室外冷凝单元30。在空气处理单元风机25的运行期间，通过空气处理单元12供送的从受调节空间返回的返回空气被引入到壳体部24中并向上流动通过盘管箱26，然后流至所述受调节空间。当存在来自受调节空间的热量需求时，热水流过加热盘管28，如本文后面所述，从而离开盘管箱26的供给空气是被加热了的空气34。空气处理单元12具有水循环泵35，所述水循环泵基于空气处理单元12的热量需求而被供能，并促使加热了的水流动通过液体循环加热式盘管28。水循环泵35操作地设置在壳体部24内，但是为了清楚说明在图1中示意性地被显示在壳体部24的外面。
即热式热水器14代表性地为高容量燃气即热式热水器，但可以选择性地用其他类型的燃料燃烧，或可以包含电热水装置。热水器14具有水入口36和水出口38。混合阀15具有热水入口15a、冷水入口15b和混合温度水出口15c。
每个热水贮水箱16都良好地绝缘，并在其上端上具有水入口接头40和水出口接头42，并且具有相关的换热器结构44，用于选择性地加热水箱16中的水。换热器44可布置水箱16的内部，或合适地布置在水箱外面并能与水箱进行导热热传递。在随后的描述方式中，每个泵20被用于使加热的丙二醇(或其他合适类型的流体加热介质)从太阳能收集器18中的相关的那些太阳能收集器流过其中一个换热器44，从而将丙二醇热量传递给相关的热水贮水箱16中的水，然后使丙二醇返回至太阳能收集器18以用于再加热。
该光伏电池22被利用为捕获来自太阳的能量并通过示意性绘出的导线45将产生的操作电能传递到例如建筑物的电气面板(未示出)(用于从此加热空气和饮用水)或传递到适当的备用电池系统(未示出)。作为将光伏产生的电能直接传递到建筑的电气面板或传递到备用电池系统的替代方式，如图1虚线所示，这种光伏产生的电能可以被传递到电网G。如本文所使用的，术语“电网”指的是电气设备或电路，其被操作以接收来自从一个或多个供应源的电能并将接收的电能输送至消费者。
继续参考图1，如上所述的系统10的流体接收部件12、14、15、16、18和20通过总体上由附图标记46标记的液体管道装置在操作上相互连接。管道装置46具有两个液体加热部分48，每个液体加热部分均以这样的方式将其中一个泵20和其中一个贮水箱换热器44及其关联的太阳能收集器18对在操作上相联，所述方式使得当泵20正在运行时该泵使来自太阳能收集器对的热丙二醇(或其他合适的加热液体)流过换热器44从而通过加热了的丙二醇间接地加热该贮水箱16中的水然后使丙二醇(或其他合适的加热液体)返回至该对太阳能集热器18。
图1A描述了一种直接式太阳能水箱水加热方法来替代刚刚描述的间接式太阳能水箱水加热方法。在这种直接式加热的替代方法中，每个热水贮水箱16的内部(图1A仅示出一个)通过水管段48a直接联接至太阳能集热器18，水泵20a操作地安装在该水管段48a中。当泵20a被供能时，该泵20a迫使水箱水通过该水管段48a通过该太阳能收集器18，以将太阳能热量传递给水，然后使水返回到相关的水箱16中。
现在回到图1中，管道装置46的冷水补充部分50将来自其水源(如城市水供应源)的加压的饮用冷水送到贮水箱入口40并送到混合阀15的冷水入口15b。管道装置46的热水供应部分52将加热的水从该贮水箱出口42输送至即热式热水器14的入口36，然后输送至混合阀15的热水入口15a和空气处理单元12的液体循环加热式盘管28的入口。安装在水管段52中的三通分流阀53能够以随后描述的方式操作以选择性地使水(1)流过即热式热水器14(从而使得即热式热水器点火并加热流过即热式热水器的水)或(2)绕过即热式热水器14并流入如图1所示的水管段52。最后，管道装置46的加热水返回段54使加热的水从风机盘管单元液体循环加热式盘管28的出口通过回流防止器56返回到贮水箱16的入口40。
现在转到图2的示意性的管路与控制图，其说明了先前所描述的由管段50、52和54相互连接的各个系统部件，设置在每个热水贮水箱16(图2仅示出其中一个)中的水温传感器58输出感应的温度信号60至控制阀62，当该温度信号60指示感应的水温处于或小于一预定值(举一个非限制性示例：130°F)时，所述控制阀62继而输出控制信号64至分流阀53。分流阀53收到该信号64打开其出口53a并关闭其出口53b，从而使得热水通过管段52a和加热器入口36流过该即热式热水器14(从而使其点火点火)，以为随后提供给空气处理器12和具有其入口15a和出口15b、15c的家用水混合阀15的热水补充热量。在没有控制阀信号64时，分流阀53的出口53a关闭并且其出口53b打开，从而使提供给该分流阀53的加热的水经由指示的管段52b绕过即热式热水器14。
如图2所示，整体式可再生能源系统10包括温控器66，所述温控器适当地设置在由空气处理器12服务的受调节空间内并可操作以在该受调节空间内的温控器感应温度低于一设定值时发射一信号68至该空气处理器12。该温控器66示例性地具有系统控制器部70，所述系统控制器部70内包含预编程微处理器72，所述预编程微处理器72整体控制整体式可再生能源系统10。例如，如图1所示，除了响应于感应的受调节空间空气温度输出信号68，系统控制器部70接收指示该热水贮水箱16中的水温和丙二醇管段48内的丙二醇温度的适当信号，并在丙二醇温度高于水温至少一预定值(举一非限制性示例：20°F)时响应性地启动丙二醇泵20，并且在至少不存在此温度差时终止该泵20的运行。
现在参照图3的逻辑流程图示意性地描绘由温控器66的系统控制器部70提供的整体式可再生能源系统10和其即热式热水器部14的控制。响应于步骤72加热受调节空间的需求或步骤74加热家用水的需求，转到步骤76询问即热式热水器14入口的可获得的热水温度(在贮水箱16中测量)是否高于一预定温度(说明性地为130°F)。如果这个询问的答案是“否”，转到步骤78将分流阀53设定为使水流过即热式热水器14从而致使其在步骤80点火并给水增加热量。
响应于空间加热的需求(如步骤82所示)，在步骤84液体循环加热式空气处理器12启动并继续运行直到在步骤86温控器66测量到在该点产生温控满意信号88的一预定温度。如果步骤80之后并且在步骤90出现家用热水使用的需求，在步骤92感应到这种使用的停止，产生一家用热水使用终止信号94。响应于信号88和94两者的产生，该系统10在步骤96关闭。
如果在前面的步骤76确定即热式热水器14入口的可获得的热水温度(在贮水箱16中测量)高于所述预定温度(说明性地为130°F)，从步骤76转到步骤98，在步骤98中，分流阀53被设定为使水接近即热式热水器14以绕过它。响应于空间加热的需求(在步骤100示出)，在步骤102液体加热循环式空气处理器12启动并继续运行直到在步骤104温控器66测量到在该点产生温控满意信号106的一预定温度。如果步骤98之后并且在步骤108出现家用热水使用的需求，在步骤110感应到这种使用的停止，产生家用热水使用终止信号112。响应于信号106和112两者的产生，该系统10在步骤96关闭。
如从前述可以看出的，在本发明的一个代表性地图示的实施例中，本发明提供了一种整体式可再生能源系统和相关的方法，其经济地利用太阳能结合至少主要是常规的、现成的空气和水加热元件，从而以简单的方式明显降低空气和水的加热成本。对于加热领域技术人员容易理解的是，当存储的和可用的太阳能足以充分满足空气和水的加热需求时，即热式热水器14不需要点火。当存储的和可用的太阳能仅能满足一部分这种空气和水的加热需求时，即热式热水器14自动起到补充这种再生能源的不足的作用。此外，在体现本发明原理的一种整体式可再生能源系统10的说明性实施例中，即热式热水器的尺寸优选被设计成在基于太阳能的能量不可用的情况下其本身能处理最大预期的空气和水组合的加热需求负荷。
前面的详细描述应当清楚地理解为仅作为说明和示例给出，本发明的精神和范围由所附的权利要求限定。

Claims (22)

1.一种利用可再生能源的方法，该方法利用可再生能源来加热空气以便将空气输送至受调节空间以及加热饮用水以便将水输送至利用热水的器具，该方法包括以下步骤：
将被太阳能加热的水存储在水箱中；
提供被太阳能加热的水从所述水箱至(1)空气处理单元的加热盘管、(2)家用热水供应混合阀和(3)即热式热水器的按需输送，其中所述空气处理单元能被操作以将被加热的空气输送到受调节空间；以及
当被输送的水的温度低于一预定温度时利用即热式热水器给被输送的水增加热量，所述利用的步骤通过以下步骤执行：
仅在被输送的水的温度处于或低于一选定温度的情况下使得被输送的水流过即热式热水器；和
如果被输送的水的温度高于该选定温度则使被输送的水绕过即热式热水器。
2.根据权利要求1的方法，其中：
将被太阳能加热的水存储在水箱中的步骤包括使用至少一个太阳能设备经由从所述至少一个太阳能设备接收热量的加热液体间接地加热水箱水的步骤。
3.根据权利要求1的方法，其中：
将被太阳能加热的水存储在水箱中的步骤包括使用至少一个太阳能设备直接地加热水箱水的步骤。
4.根据权利要求1的方法，其中：
所述利用的步骤包括仅响应于通过即热式热水器的水的流动对该即热式热水器赋能的步骤。
5.一种利用可再生能源的方法，该方法利用可再生能源来加热空气以便将空气输送至受调节空间以及加热饮用水以便将水输送至利用热水的器具，该方法包括以下步骤：
提供空气处理单元、具有入口和出口的即热式热水器、具有冷水入口、热水入口和调温水出口的家用热水供应混合阀以及具有入口和出口的热水贮水箱，所述空气处理单元具有空气供给风机和加热盘管，所述加热盘管用于加热通过所述空气供给风机供应到受调节空间的空气，预定温度的被加热的饮用水通过所述调温水出口可被输送至所述器具；
(1)将饮用冷水源与所述混合阀的冷水入口以及热水贮水箱的入口相连，以及(2)将热水贮水箱的出口与即热式热水器的入口以及所述混合阀的热水入口以及加热盘管的入口相连；
将太阳能设备与热水贮水箱相联，所述太阳能设备能选择性地被操作以加热热水贮水箱中的水以便将水从该热水贮水箱输送至即热式热水器的入口、输送至所述混合阀的热水入口以及输送至加热盘管的入口；
当热水贮水箱中的水温低于一预定水箱水温时，利用太阳能设备加热热水贮水箱中的水；以及
当被输送的水的温度低于一预定最小温度时，利用即热式热水器为正从热水贮水箱输送到该家用热水供应混合阀以及输送到加热盘管的水增加补充热量，利用即热式热水器的步骤包括：
仅在被加热的水的温度处于或低于一选定温度时使被加热的水从热水贮水箱流过即热式热水器；和
如果被加热的水的温度高于该选定温度则使被加热的水从热水贮水箱绕过即热式热水器。
6.根据权利要求5的方法，其中：
利用太阳能设备加热热水贮水箱中的水的步骤包括使用该太阳能设备经由从太阳能设备接收热量的加热液体间接地加热水箱水的步骤。
7.根据权利要求6的方法，其中：
太阳能设备包括：太阳能收集板；换热器，所述换热器与热水贮水箱相联并且可操作以接收加热液体并将热量从加热液体传递至热水贮水箱中的水；与太阳能收集板及换热器互连的管道；以及泵，所述泵连接在管道中并且可操作以使加热液体从太阳能收集板流过换热器并返回到太阳能收集板。
8.根据权利要求5的方法，其中：
利用太阳能设备加热热水贮水箱中的水的步骤包括使用太阳能设备直接地加热水箱水的步骤。
9.根据权利要求5的方法，其中：
即热式热水器是燃烧燃料的即热式热水器。
10.根据权利要求5的方法，其中：
即热式热水器是燃气的即热式热水器。
11.根据权利要求5的方法，还包括步骤：
产生光伏电能以用于加热空气和/或饮用水。
12.权利要求11的方法，还包括步骤：
将产生的光伏电能传递至电网。
13.根据权利要求5的方法，其中：
该利用步骤包括仅响应于通过即热式热水器的水的流动为即热式热水器赋能的步骤。
14.一种整体式可再生能源系统，所述整体式可再生能源系统用于加热空气以便将空气输送至受调节空间以及用于加热饮用水以便将饮用水输送至利用热水的器具，该整体式可再生能源系统包括：
(a)加热部件，所述加热部件包括：
空气处理单元，其用于将空气输送至受调节空间并具有用于加热被输送的空气的加热盘管，所述加热盘管具有入口和出口，
即热式热水器，其用于加热流过该即热式热水器的水，该即热式热水器具有入口和出口，
混合阀，其具有冷水入口、热水入口和调温水出口，预定温度的被加热的水通过所述调温水出口可被输送至所述器具，
热水贮水箱，其具有入口、出口和换热器，加热液体可流过该换热器以加热设置在热水贮水箱中的水；
太阳能收集器，和
泵；
(b)液体管道装置，所述液体管道装置在操作上与加热部件相互连接并包括：
加热液体段，所述加热液体段与换热器以及太阳能收集器相互连接，所述泵连接在加热液体段中并可选择性地操作以使加热液体从太阳能收集器流过换热器然后返回至太阳能收集器，
冷水补充段，所述冷水补充段用于将来自饮用冷水源的饮用冷水输送到该热水贮水箱的入口以及输送到混合阀的冷水入口，
被加热水供给段，所述被加热水供给段用于将被加热的水从热水贮水箱出口输送到即热式热水器的入口、混合阀的热水入口以及加热盘管的入口，以及
被加热水返回段，所述被加热水返回段用于使被加热的水从加热盘管的出口返回至该热水贮水箱的入口；
(c)控制系统，所述控制系统可被操作以：
在热水贮水箱内的水温处于或低于一预定水箱水温并且加热液体的温度至少为预定加热液体温度的时段期间为所述泵赋能，和
在被加热水供应段中的水温低于一预定被加热水供应温度的时段期间为即热式热水器赋能；以及
(d)阀，所述阀连接在被加热水供应段中并且可被操作以仅在被输送的被加热的水的温度处于或低于一选定温度的情况下使从热水贮水箱被输送的被加热的水流过即热式热水器，如果被输送的被加热的水的温度高于所述选定温度则使被输送的被加热的水绕过即热式热水器。
15.根据权利要求14的整体式可再生能源系统，其中：
即热式热水器是燃烧燃料的即热式热水器。
16.根据权利要求14的整体式可再生能源系统，其中：
即热式热水器是燃气的即热式热水器。
17.根据权利要求14的整体式可再生能源系统，其中：
太阳能收集器是太阳能收集板。
18.根据权利要求14的整体式可再生能源系统，其中：
即热式热水器仅响应于通过该即热式热水器的水的流动被赋能。
19.一种整体式可再生能源系统，所述整体式可再生能源系统用于加热空气以便将空气输送至受调节空间以及用于加热饮用水以便将饮用水输送至利用热水的器具，该系统包括：
(a)加热部件，所述加热部件包括：
空气处理单元，其用于将空气输送至受调节空间并具有用于加热被输送的空气的加热盘管，所述加热盘管具有入口和出口，
即热式热水器，其用于加热流过该即热式热水器的水，该即热式热水器具有入口和出口，
混合阀，其具有冷水入口、热水入口和调温水出口，预定温度的被加热的水通过所述调温水出口可被传输至所述利用热水的器具，
热水贮水箱，其具有入口和出口；
太阳能收集器，和
泵；
(b)液体管道装置，所述液体管道装置在操作上与加热部件相互连接并包括：
水管段，所述水管段使热水贮水箱的入口及出口与太阳能收集器相互连接，所述泵连接在该水管段中并选择性地可操作以使水从热水贮水箱内流动通过太阳能收集器然后返回到热水贮水箱中，
冷水补充段，所述冷水补充段用于将来自饮用冷水源的饮用冷水输送到该热水贮水箱的入口以及输送到混合阀的冷水入口，
被加热水供给段，所述被加热水供给段用于将被加热的水从贮水箱出口输送到即热式热水器的入口、混合阀的热水入口以及加热盘管的入口，以及
被加热水返回段，所述被加热水返回段用于使被加热的水从加热盘管的出口返回至该热水贮水箱的入口；
(c)控制系统，所述控制系统可被操作以：
在贮水箱内的水需要加热的时段期间为所述泵赋能，和
在被加热水供应段中的水温低于一预定被加热水供应温度的时段期间仅响应于流过即热式热水器的水为即热式热水器赋能；以及
(d)阀，所述阀连接在被加热水供应段中并且可被操作以在被输送的被加热的水的温度低于一选定温度的情况下使从热水贮水箱被输送的被加热的水流过即热式热水器，如果被输送的被加热的水的温度至少为所述选定温度则使被输送的被加热的水绕过即热式热水器。
20.根据权利要求19的整体式可再生能源系统，其中：
即热式热水器是燃烧燃料的即热式热水器。
21.根据权利要求19的整体式可再生能源系统，其中：
即热式热水器是燃气的即热式热水器。
22.根据权利要求19的整体式可再生能源系统，其中：
太阳能收集器是太阳能收集板。
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