CN105102897A

CN105102897A - 内嵌加热太阳能热储热集热器

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Publication number: CN105102897A
Application number: CN201480018698.8A
Authority: CN
Inventors: 西蒙·可利尔; 麦可·爱黛儿
Original assignee: TIGI Ltd
Current assignee: TIGI Ltd
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2034-04-02
Also published as: AU2014246775B2; US20160047556A1; KR102209215B1; EP2981766A1; WO2014162274A1; JP6544534B2; RU2668861C2; CN105102897B; KR20160003677A; EP2981766B1; US10253991B2; AU2014246775A1; RU2015147057A3; JP2016520786A; RU2015147057A

Abstract

本发明公开一种用在太阳能辅助加热水的系统，以一较低花费、较高能源效率、及具有比现有系统的一较快反应时间、减少能源流失及促进使用者便利的方式，来提供热水予一使用者。所述基本架构包含四个主要部件：一太阳能集热器、一热交换器、一内嵌加热器及一控制系统。当一第一流量产生器G1对于一主回路是处于激活时，则测量在所述主回路中的一第一温度的一瞬态热分布。对于在一副回路中的水提供太阳能辅助加热是基于：在所述副回路中的一水流；一目前第一温度；及所述第一温度的瞬态热分布，并且是通过激活：在所述主回路中的第一流量产生器及在所述副回路中的一内嵌水加热器来进行的。

Description

内嵌加热太阳能热储热集热器

相关申请案交互参照

本申请要求通过本发明者们于2013年4月2日申请的临时申请案申请第61/807,329号的优先权，并且在此引入全文作为参考。

技术领域

本发明是一般地有关于一种太阳能加热，且特别地，它有关于促进太阳能辅助加热水。

背景技术

现有多个家庭热水储存系统通常结合太阳能加热及备用加热(backupheating)。一种常见太阳能加热水系统构造被称为热虹吸系统(thermosyphonsystem)，如图1所示，一现有热虹吸系统的一图示。所述热虹吸系统，虽然具有成本效应及能用在温带及温暖的气候，由于结垢和腐蚀而容易遭受堵塞之苦。由于需要将所述室外水槽加热到所述需求家庭热水(domestichotwater；DHW)的温度(在许多情况下是摄氏65度，为了避免退伍军人症Legionnaire’sdisease的威胁)及，此系统在寒冷的气候中能源上是低效的，且由于例如在晚上较寒冷的期间的反向热虹吸，热能会损失。

参照图2，一现有组合式系统的一图示，所述热虹吸系统的一替代品且更常见于较冷的气候。所述组合式系统把所述水槽200与所述集热器(collector)202分隔开以允许所述水槽放置在(一住宅)里面。此构造某种程度上减少在寒冷器候中的热损失，但仍需要如上述热虹吸系统中加热所述整个水槽。由于所述外部集电极回路204暴露于潜在的冷冻温度(potentiallyfreezingtemperatures)，此回路一般填充有乙二醇(glycol)。在此情况下，在许多欧洲国家法规要求额外的热交换器台(未绘示)来避免饮用水污染的风险。这一规定进一步降低能源效率。

参照图3，一替代现有组合式系统的一图示。此替代现有组合式系统是(图2的)上述组合式系统的一改进。此改进系统利用槽设在一水槽中(tank-in-a-tank)的架构来克服所述法规的要求，但大致上增加成本。

当所述顾客打开热水龙头，大部分的上述现有系统，所述热水也遭受较慢反应时间及温度波动之苦，除非额外的流量产生器及流量回路被包含在所述热水系统中，进一步增加系统成本。对于多个太阳能加热水系统的另一个风险因素是管线及集热器的冷冻。对此问题的一常见解决方式是在所述太阳能热传回路中使用乙二醇或其他抗冷冻剂。此常见解决方式是耗费成本地、需要周期的替换所述乙二醇、一排水回收系统及一避免过热装置来防范如上述指明的所述乙二醇及监管系统的合并症的损害。

故，有需要用在太阳能辅助加热水的一改进系统，比多个现有解决方式具有较低成本，较高能源效率及较快反应时间。

发明内容

根据本发明实施例的教示，提供一种用在太阳能辅助加热水的系统，包含：

一主回路；

一第一温度感测器，在运作上连接到所述主回路且配置用来测量一第一温度；

一第一流量产生器，配置用以在所述主回路中产生一流动；

一第一流量感测器，在运作上连接到所述主回路且配置用来测量一热传流体的一流动；

一热交换器，在运作上连接到所述主回路及一副回路；

一内嵌(in-line)水加热器，具有一输入端及一输出端且在运作上连接所述副回路；

一系统控制器，配置用以：

当所述第一流量产生器是处于激活时，测量在所述主回路中的第一温度的一瞬态热分布；

对于在所述副回路中的水提供太阳能辅助加热，是基于：

在所述副回路中的一水流；

一目前第一温度；及

所述第一温度的瞬态热分布；

并且是通过激活：

在所述主回路中的第一流量产生器；及

在所述副回路中的一内嵌水加热器；

来进行的。

在一选择实施例中，

所述主回路更包含一太阳能集热器，其包含一输入端及一输出端；

所述内嵌加热器的输出端在运作上连接一热水输出端；

所述热交换器包含：

一主回路输出端；

一主回路输入端，在运作上连接到所述太阳能集热器的输出端；

一副回路输入端，在运作上连接到一冷水供应器；及

一副回路输出端，在运作上连接到所述内嵌加热器的输入端；

因而定义从所述冷水供应器到所述热交换器副回路的输入端处以及从所述热交换器副回路的输出端通过所述内嵌加热器到所述热水输出端处的所述副回路；

所述第一温度感测器连接至所述太阳能集热器的输出端；

所述第一流量产生器：

包含一输入端，在运作上连接到所述热交换器主回路的输出端；

包含一输出端，在运作上连接到所述太阳能集热器的输入端；及

配置用以使当被激活时产生在所述主回路中的一热传流体的一流动，

从所述太阳能集热器的输出端流到所述热交换器主回路输入端以及

从所述热交换器主回路输出端通过所述第一流量产生器流到所述太阳能集热器的输入端；及

一第二流量感测器，在运作上连接到所述副回路且配置用来测量在所述副回路中的一水流；

其中在一指定时间周期中所述第一流量产生器是处于激活的持续一指定时间。

在另一选择实施例中，所述太阳能集热器是一整合太阳能储热集热器(integratedsolarthermalstoragecollector；ISC)。在另一选择实施例中，所述整合太阳能储热集热器是透明隔热的(transparentlyinsulated)。在另一选择实施例中，在所述主回路中的热传流体是水。在另一选择实施例中，所述副回路提供家庭饮用热水。在另一选择实施例中，所述第一流量产生器是一变流产生器。在另一选择实施例中，所述系统控制器是一比例积分微分(proportionalintegralderivative；PID)控制器。

根据本发明实施例的教示，提供一种用在太阳能辅助加热水的方法，包含下列步骤：

当一第一流量产生器对一主回路是处于激活时，测量在所述主回路中的一第一温度的一瞬态热分布；及

对于在一副回路中的水提供太阳能辅助加热，是基于：

在所述副回路中的一水流；

一目前第一温度；及

所述第一温度的所述瞬态热分布；

并且是通过激活：

在所述主回路中的第一流量产生器；及

在所述副回路中的一内嵌水加热器；

来进行的。

另一选择实施例更包含下列步骤：

测量在一系统中的第一温度，所述系统包含：

一太阳能集热器，包含一输入端及一输出端；

所述内嵌加热器，具有一输入端及一输出端；

所述输出端在运作上连接至一热水输出端；

一热交换器，包含：

一主回路输出端；

一副回路输入端，在运作上连接到一冷水供应器；及

一第一温度感测器，在运作上连接所述太阳能集热器的输出端；

所述第一流量产生器：

配置用以使当被激活时产生在所述主回路中的一热传流体的一流动，从所述太阳能集热器的输出端流到所述热交换器主回路输入端以及从所述热交换器主回路输出端通过所述第一流量产生器流到所述太阳能集热器的输入端；

一第一流量感测器，在运作上连接到所述主回路且配置用来测量

所述热传流体的一流动；及

其中所述第一温度通过所述第一温度感测器测量；

在一指定时间周期中，激活所述第一流量产生器持续一指定时间；

当所述第一流量产生器是处于激活时，通过所述第一温度感测器来测量所述第一温度的瞬态热分布；及

对于在所述副回路中的水提供太阳能辅助加热到所述热水输出端，是基于：

在副回路中的所述水流；

一目前第一温度；及

所述第一温度的瞬态热分布；

并且是通过激活：

所述第一流量产生器；及

所述内嵌水加热器；

来进行的。

在另一选择实施例中，所述激活是在一指定时间进行，所述指定时间选自于由下列所组成的族群：

一周期性时间；

每60分钟；

一预定义时间；

基于多个系统测量值的评估；

基于应用到所述瞬态热响应分布曲线(transientthermalresponseprofiles)来改善所述响应分布曲线预测的多个机器学习演算法；

基于在所述副回路中的水流的一分布曲线；及基于对应于通过系统使用者的热水使用的热水输出估计。

在另一选择实施例中，所述系统更包含：一第五温度感测器，在运作上连接到所述热水输出端且配置用来测量一第五温度；及所述提供的步骤是更基于所述第五温度来进行的，以使所述热水输出端是处于一预定义输出温度。

在另一选择实施例中，所述系统更包含：一第二流量产生器：

包含一输入端，在运作上连接到所述热水输出端；

包含一输出端，在运作上连接到所述冷水供应器；及

配置用以使当被激活时产生在所述副回路中的一水流；及

所述活化的步骤更包含：在一指定时间周期中，激活所述第二流量产生器持续一指定时间。

在另一选择实施例中，所述系统还包含一第四温度感测器，在运作上连接到所述热交换器副回圈的输出端且配置用来测量一第四温度；及所述提供的步骤是更基于所述第四温度的一瞬态热响应分布曲线。

在另一选择实施例中，所述第二流量感测器还测量一流量缺乏，更包含下列步骤：激活所述第一流量产生器及所述第二流量产生器，直到所述第五温度感测器测量到所述预定义输出温度。

在另一选择实施例中，所述所述第二流量感测器还测量一流量缺乏，更包含下列步骤：激活所述第一流量产生器及所述第二流量产生器，直到所述第一温度感测器测量到一预定义水槽使用温度。

另一选择实施例更包含下列步骤：激活所述第一流量产生器及/或所述第二流量产生器，直到多个预指定系统参数已被收集。

在另一选择实施例中，所述系统更包含一环境温度感测器，配置用来测量一环境温度，且更包含一步骤：基于所述环境温度激活所述第一流量产生器、第二流量产生器及所述内嵌加热器，因而把热从所述副回路传至所述主回路，以增加所述热传流体的一温度。

另一选择实施例更包含一步骤：基于所述第一温度激活所述第一流量产生器，因而把热从所述主回路传至所述副回路，以减少所述热传流体的一温度及避免所述太阳能集热器的过热。

另一选择实施例更包含一步骤：基于所述第一温度激活所述第一流量产生器及所述第二流量产生器，因而把热从所述主回路传到副回路，以减少所述热传流体的一温度及避免所述太阳能集热器的过热。

根据本发明实施例的教示，提供一种系统控制器配置用来实现如所述目前描述的任何特征。

根据本发明实施例的教示，提供一种计算机可读取储存媒体，具有嵌入于其上的电脑可读取编码用于太阳能辅助加热水，所述电脑可读取编码包含程式编码用于：

当一第一流量产生器对一主回路是处于激活时，测量在所述主回路中的一

第一温度的一瞬态热分布；及

对于在一副回路中的水提供太阳能辅助加热，是基于：

在所述副回路的一水流；

一目前第一温度；及

所述第一温度的所述瞬态热分布；

并且是通过激活：

在所述主回路中的第一流量产生器；及

在所述副回路中的一内嵌水加热器；

来进行的。

根据本发明实施例的教示，提供一种计算机程序，其能装载在一伺服器上并通过一网络连接到一客户计算机，以使运行所述计算机程序的所述伺服器构成如所述目前描述的任何特征的一系统中的一系统控制器。

根据本发明实施例的教示，提供一种计算机程序，其能装载在一计算机上并通过一网络连接到一伺服器，以使运行所述计算机程序的所述计算机构成如所述目前描述的任何特征的一系统中的一系统控制器。

附图说明

在本文描述的所述实施例，仅是通过举例的方式，并参考伴随的图式，其中：

图1是一现有热虹吸系统的图示。

图2是一现有组合式系统的图示。

图3是另一现有组合式系统的图示。

图4是一种用在太阳能辅助加热水的系统的一示范图。

图5是图4的另一示范实施例。

图6A是描述所述另一实施例的所述多个输入值及多个输出值的一表单。

图6B是描述具有多个示范功能、类型及范围的多个另一实施例系统参数值的一表单。

具体实施方式

根据本实施例的所述系统的原理及操作可以参照图式及所附描述来较好的理解。本发明是一种用在太阳能辅助加热水的系统。与现有多个系统相比，所述系统以一较低花费、较高能源效率、及具有比现有系统的一较快反应时间、减少能源流失及促进使用者便利的方式，以促成提供热水予一使用者。

所述创新的基本架构包含四个主要部件：

一太阳能集热器；

一热交换器；

一内嵌加热器；及

一控制系统。

这四个主要部件均采用单独和各种传统的解决方案，然而，所述目前实施例是一创新组合来提供在太阳能辅助加热水的领域中的长期需求的多个解决方案。相对于多个现有解决方案，所述目前实施例的特征包含：

通过分开的主回路及副回路避免退伍军人症(Legionella)的风险。

由于防冻排序(freezepreventionsequence)的实施而不会结冻。

由于一整合储存集热器的体积热容(volumeheatcapacity)而不会过热。

在主回路或副回路中不需要乙二醇。

由于封闭主回路而不会结垢或腐蚀。

由于预测控制回路而具有快速温度响应时间。

减少泵浦能源消耗。

低的初始成本。

减少的地下室空间。

家庭热水舒适度及在波动流量中的稳定性。

虽然任何太阳能集热器可以用在所述目前实施例中，(例如一「常规」/平板集热器)所述系统将使用一优选实施例，其中太阳能集热器是一整合太阳能储热集热器。整合太阳能热储存集热器在本领域是公知的。本领域的技术人员将了解其他实现是可能的，例如在所述主回路或副回路的另一位置中的一热储存模块。在另一优选实施例中，所述整合太阳能热储存集热器包含利用透明隔热(transparentinsulation)以减少辐射、对流及传导热损失到大气中。一透明隔热太阳能热储存集热器的一例子显示在全文被包含作为参考的美国专利申请号US2010000143201中。虽然此实施例可以用来加热用在各种应用的流体，使用家庭热水是在所述目前描述中的一优选实现。为了在所述目前描述的简洁性，水将被当作在位于所述整合太阳能储热集热器及热交换器之间的所述主回路中的所述热传流体。

现参照所述附图，图4是一种用于太阳能辅助加热水的系统400的一示范图。较粗的线表示水及/或热传流体的流动，而较细的线表示多个资料输入/输出流量连接。把家庭冷水(Domesticcoldwater；DCW)输入到所述系统400的一副回路。家庭冷水的输入流量是通过一输入流量感测器F2测量且输入家庭冷水的温度是通过家庭冷水输入温度感测器T3测量。一热交换器(heatexchanger；HEX)408在位于副回路402及主回路401中导入的家庭热水之间转移热量。热交换器在本领域是公知的且可从商业来源获得。基于所述目前的描述，在本领域中的技术人员将可以选择一适当的热交换器来达成具体实现。从所述热交换器到所述副回路402的水的输出温度通过第四温度感测器T4测量。一内嵌加热器404可以用来加热来自所述热交换器的水以达成家庭热水。一家庭热水温度感测器T5测量来自所述内嵌加热器404的欲提供为家庭热水的水温。提供的家庭热水的实际温度指定为输出温度T_out。通常地，所欲及/或所需的家庭热水温度(T_hot_water)是预设定的，例如55℃。在所述主回路401中，一热传流体(在此示范描述中是水)的流量是通过主回路流量感测器F1测量。一第二温度感测器测量在所述主回路401中从所述热交换器进入所述整合太阳能储热集热器的水的温度。一第一温度感测器T1测量在主回路401中离开所述整合太阳能储热集热器流入所述热交换器的水的温度，通常对应在所述整合太阳能储热集热器中的水温。所述整合太阳能储热集热器的所述环境的所述周围温度是通过温度感测器T_周围测量。主回路流量产生器G1可在流量感测器F1及第二温度感测器T2之间实行。G1的激活引起所述水流入所述主回路401中，因而引起热量流入所述主回路401中。相似地，副回路流量产生器G2可以从(A)：T5及家庭热水DHW之间到(B)：F2及T3之间实行。G2的激活引起水流入所述副回路402中，因而引起热量流入所述副回路402中。优选地，所述流量产生器是变流产生器(variableflowgenerators)。

一系统控制器406优选地连接所有温度感测器(T1、T2、T3、T4、T5、T_周围)、流量产生器(G1、G2)、及内嵌加热器(404)。多个系统参数包含，但不限于来自一系统部件的任何信息，例如多个温度(T1、T2、T3、T4、T5、T_周 _围)、多个流量速率(F1、F2)、多个预定义值(pre-definedvalues)、在操作周期变化的多个值、使用信息及使用者输入。多个系统参数也可以包含多个导出参数(derivedparameters)，例如根据时间(t)测量的多个分布值，例如瞬态热分布。通过一流量感测器测量一流量缺乏指出，对于流量感测器，所述各自回路是不激活的，换言之热传流体或水不流动且没有在所述回路的所述多个管路中流通。

基于所述目前描述，本领域的技术人员将能够设计且部署一个实现以符合特定应用的需求，包含但不限于：添加多个额外感测器、使用较少感测器、改变流量产生器的位置，添加或使用较少的流量产生器、及添加或使用较少的控制连接。

注意在所述目前描述中，相同的符号用在一感测器及通过此感测器量测的所述参数值。例如，家庭冷水输入温度感测器T3测量输入家庭冷水的所述温度，在本叙述中简称作输入温度T3。用在一装置或所述装置测量的所述参数的所述符号的使用，从所述符号的使用的上下文将是明显的。

被测量的多个值的分布是大致上根据时间(t)，且使用所述型式T3(t)的常见符号，其中T3(t)是通过家庭冷水输入温度感测器T3测量的温度T3随时间变化的值。

在所述目前实施例中，所述系统控制器406主要地基于关联系统400的多个部件的功率的数量。对于系统400的一功率需求P_req可通过家庭冷水输入温度T3及输入流量速率F2的测量来瞬间计算。给予所述家庭热水的一已知温度(例如T_out＝65℃)，所述功率需求P_req可通过下式来判断：

P_req＝C_vF₂(T_out–T₃)，

其中C_v是水的体积热容。此功率需求将通过所述主回路401主要地来自所述整合太阳能储热集热器，且根据需求通过所述内嵌加热器404来补充，使得P_req是P₂(在副回路402中的功率)；及P_h(所述内嵌加热器404功率)的总和，亦即：

P_req＝P₂+P_h

当所述家庭热水水龙头开启，输入流量F2通过输入流量感测器F2侦测，且因此系统控制器406。从系统控制器406送出一信息到主回路流量产生器G1。在所述副回路402的功率P₂通过下式判断：

P₂＝C_vF₂(T₄–T₃)。

如果所述第一温度T1及第二温度T2被随意地测量接近所述热交换器HEX，则在所述副回路中产生的所述功率P₂被假设为相同于在所述主回路401中的所述功率P₁，亦即：

P₁＝P₂。

因此，通过所述内嵌加热器404需要的所述功率P_h。可通过下述方程式判断：

P_{h} = \{\begin{matrix} 0 & P_{1} &GreaterEqual; P_{r e q} \\ C_{v} F_{2} (T_{o u t} - T_{4}) & P_{1} < P_{r e q} \end{matrix}

在稳定状态中，所述系统的上述操作使所述内嵌加热器功率P_h能被判断。在一第一情况下，例如，当所述整合太阳能储热集热器水温够高，所需主回路流量F1能通过等同在所述二个回路中的功率(在主回路400中的P1及在副回路402中的P2)来判断：

F_{1} = \frac{F_{2} (T_{o u t} - T_{3})}{(T_{1} - T_{2})}

预测控制回路：

多个典型内嵌加热器控制系统依赖来自使用标准功率积分微分控制器逻辑的多个家庭热水温度感测器的回馈。然而，在来自一家庭热水感测器的一讯号及一响应之间具有不可避免的时间延迟，由于水在多个管道及热交换器中的所述有限体积及温度的不确定性，及未知温度，例如储存在所述太阳能集热器的热容。因此，需要预测控制来促进习知太阳能辅助加热水的系统的效能。

实际上，虽然T_out设为常数且温度T3在经过一天或一季只缓慢地变换，温度T1及T2根据目前储存在所述太阳能集热器/热储存模块中的能量的数量可以迅速地变换。实现用在太阳能辅助加热水的预测控制的一系统的一实施例以周期的激活所述主回路401为特征。周期地，例如每60分钟，所述主回路流量产生器G1可以通过在引起热量流入所述热交换器持续一短暂周期的一预测控制事件中的所述系统控制器406来激活。所述短暂周期可以被预定义，或为了基于多个系统参数的每一周期的G1的激活来计算。所述周期的激活可允许在所述系统控制器406中测量或更新二个参数：1)在所述储存集热器中的所述水温(对应T1，如上所述)，及在当所述主回路流量F1被开启(亦即主回路流量产生器G1被激活)时，随时间改变的T1温度的所述速率。当所述家庭热水水龙头被开启且在输入流量感测器F2中侦测到流量，这二个参数可以用来控制从P_h(t)及在所述主回路401的所述主回路流量F₁(t)的所述内嵌加热器瞬态热分布。在所述周期地产生的多个流量事件之间的时期(周期的激活所述主回路401)，此事件也可以使所述瞬态热分布P_h(t)更新。

在一替代实施例中，预测控制可以应用在所述副回路402中。在此情况下，周期地，例如每60分钟，流量产生器G1及G2都被激活，以允许在所述系统控制器406中的所有系统参数被测量且更新。所述更新包含更新在所述主回路401中的所述稳定态水温(亦即，温度T1)，在所述副回路402中的所述稳定态水温(亦即，温度T4)，及当所述流量被开启，温度T4随时间上升的所述速率，被称为所述瞬态热响应分布T4(t)。当所述家庭热水水龙头被开启且在输入流量感测器F2中的流量被侦测，所述多个更新参数可以通过系统控制器406控制从P_h(t)及/或F₁(t)的瞬态热分布来使用。此替代实施例的一可能改进是利用例如遗传或神经网络演算法(geneticorneuralnetworkalgorithms)的机器学习演算法(machinelearningalgorithms)监视随时间变化的瞬态热响应曲线，及促进所述响应分布预测。这使所述内嵌加热器功率P_h能够不用等待来自家庭热水温度感测器T5的一响应进行设定，且只有当温度T5稳定在T_out时，P_h可以还原到通过感测器T5激活的系统控制器406的控制

预热功能：

为了最小化在所述家庭热水水龙头被开启的时间及当所述使用者获得热水的时间之间的所述等待时间，所述目前实施例可更包含一预热功能。此预热功能通过操作主回路流量产生器G1启用，且之后经过一短暂时间后(所述短暂时间基于所述预测瞬态热响应分布T4(t))操作副回路流量产生器G2以产生在副回路402中的流量。或者，同时与主回路流量产生器G1的操作来操作副回路流量产生器G2。所述预热功能也可以基于T5或T1二者之一进行恒温，以使在预设时间时，当所述温度低于一设定点所述预热功能运作。或者，所述预热功能可以通过一外部信号激活，例如在一浴室中的一光线开关等。

防冻功能：

所述目前实施例可以添加地或替换地包含一防冻功能，以避免在所述主(外部)回路401或副回路402中的所述整合太阳能储热集热器或所述管路的冷冻。在此情况下，监控多个温度，包含所述周围温度T_周围，或交替地温度T1。当所述监控温度之一降至一指定设定点，所述系统400反向运作。通过操作所述内嵌加热器404、在所述主回路401的流量产生器G1及在所述副回路402中的流量产生器G2，使系统400能够反向运作，以产生在副回路402中的流量。热交换器HEX反向操作，推动通过所述内嵌加热器404加热的温水进入所述整合太阳能储热集热器以及避免在所述主回路401中的水(热交换流体)的冷冻。一种替代指示器以激活所述防冻功能(操作模式)可以是在所述整合太阳能储热集热器中的所述温度(通过所述预测控制器事件判断)下降达一预定设定点。此防冻功能可以使水的使用，特别是仅仅是水，而不是在所述主回路401中的水/乙二醇，从而使所述主回路的操作能够不用防冻流体。

通常，一种用在太阳能辅助加热水的系统的所述目前实施例的一实现包含一主回路及一副回路。所述主回路包含：

一第一温度感测器运作上连接到所述主回路且配置来测量一第一温度；

一第一流量产生器配置来产生在所述主回路的一流量；及

一第一流量感测器运作上连接到所述主回路且配置来测量一热传流体的一流量。

一热交换器运作上连接到所述主回路及所述副回路。

所述副回路包含一内嵌水加热器，具有一输入端及一输出端。一系统控制器配置以：

当所述第一流量产生器对一主回路是处于激活时，测量在所述主回路中的所述第一温度的一瞬态热分布；

对于在一副回路中的水提供太阳能辅助加热，是基于：

在所述副回路的一水流；一目前第一温度；及所述第一温度的所述瞬态热分布；

并且是通过激活：

在所述主回路中的第一流量产生器；及在所述副回路中的一内嵌水加热器；

来进行的。

替代及示范实施例：

现参照图5，图4的上述实施例的一替代及示范实施例。除了所述基本系统的所述四个主要部件外，所述目前实施例501以三个主要次系统为特征：

一太阳能集热器，优选地是透明绝缘的为基础。所述集热器包含一示范例～具有4.6平方公尺集热区域的300升非加压储存水槽。此集热器不包含任何温度感测器或加热元件以允许缺乏感测器及/或激活元件的一集热器的使用。在所述储存水槽的水是在使用自来水或水/乙二醇混合物的淡水模块(freshwatermodule；FWM)的封闭循环中。

一淡水模块包含一热交换器508、一内嵌电子加热器504、一主循环泵浦G3(优选地是高效率、速度控制)、一副循环泵浦G4、一可变流量感测器(variableflowsensor；VFS)单元、位在所有感测器位置的感测器用干井(drywellsforsensors)、一扩展槽525、一减压器522、及混合模块部件(图未示)、多个关闭阀(图未示)、多个安全阀(包含减压器522、524)、泄气器520(也用于过热保护)、及排水阀526。

一控制系统506。

只要有可能，所述目前实施例利用所述累积太阳能(从所述集热器单元)，并且通过所述内嵌电子加热器504补充所述额外需要的热量，以为了达到最佳的使用者舒适度。所述控制系统506被设计来维持最佳使用者舒适度及有效能源利用，且提供所述整个系统的信赖度及安全性。另外，所述系统将显示用户友好的数据，并且将允许远端控制及访问。为清楚起见，从系统控制器506连接到多个感测器及其他部件未绘示在所述目前的图中。

所述目前图的大多数元件是可比前面描述的多个元件，包含：

集热器500-整合太阳能储热集热器

主回路501(也被称为「集热器回圈」)-主回路401

副回路502(也被称为「家庭热水回圈」)-副回路402

内嵌加热器404-电子加热器EH504

控制器506-系统控制器406

热交换器HEX408-热交换器HEX508

S_周围-T_周围

S1–T1

S2–T2

S4–T4

可变流量感测器(温度)VFS(T)–T5

第三流量产生器G3-第一流量产生器G1

第四流量产生器G4-第二流量产生器G2

图五额外包含：

一可变流量感测器(流量)VFS(F)，相似于第一流量感测器F1及第二流量感测器F2的功能但运行来侦测家庭热水的流量。

温度感测器S9，运行来测量返回次循环(returningsecondarycirculation)的一温度。

温度感测器S8，运行来测量家庭冷水(进入热交换器)的一温度。

上述淡水模块及多个关联部件。

参照图6A，描述所述目前实施例的所述输入值及输出值的一表单，及图6B，描述具有多个示范功能、类型及范围的多个另一实施例系统参数值的一表单。

作为通过控制器506执行的所述目前实施例可以支持各种功能，包含：

1.正常使用：

a.支持电子加热

b.不支持(只有太阳能加热)

c.只有电子加热(没有太阳能加热)

2.朝向预期使用的循环

3.资料收集

4.水槽预热

5.防冻

6.防过热(Over-Heatingprevention；OHP):

a.OHP1循环-只有主回路501

b.OHP2极端-从主回路501汲取水且通过副回路502冷却

现在描述多个示范的实现

功能1：「正常使用」：

在所述目前功能中，热水通过所述使用者开启一水龙头(家庭热水)消耗。当水被水龙头开启，来自所述集热器的热水被累积用以提供一需求温度的自来水。需要时可以加上电子加热。所述触发、多个输入值、多个参数值及多个输出值可简述如下列表单：

所述主泵浦(第三流量产生器G3)及所述电子加热(电子加热器EH504)以最高功率被激活以允许提供家庭热水的最大化使用者舒适度。当VFS(T)温度到达T_hot_water，所述电子加热器504被关闭。当S4温度到达T_hot_water加上2度时，调整所述泵浦(G3)速度以维持温度S4(以避免所述电子加热器的波动)。必要时，所述电子加热器可以变回来。如果在例如30秒的一预定稳定时间(XS)后，来自所述集热器500的热水的所述温度S1比家庭冷水(S8)还冷，所述主泵浦G3将被关闭，且必要时，只有通过电子加热器504的电子加热会被激活(通过PID控制器506)。

功能2：「朝向预期使用的循环」：

在所述目前的功能中，所述系统通过朝向预期接通水(watertapping)的循环实现预热(使用家庭热水)。在二个回路中(主回路501及副回路502)的所述水是加热以用在预期的(预料的)接通水。当激活一外部触发时(例入开启浴室灯)，开始在所述多个回路中的水的加热或朝向一预设时间的接通水，以达成促进使用者舒适度及响应时间。

所述触发、多个输入值、多个参数值及多个输出值可简述如下列表单：

泵浦(G3及G4)皆被激活(主及副循环)以达成循环热水及加热所述系统。所述循环持续一预定量的时间(X_C秒)。

功能3：「资料收集」：

在所述目前功能中，资料是收集来自通过在所述主回路501及/或所述副回路502中的循环水的多个感测器。此功能可以用来达成准备用于预期使用的所述系统，且验证防冻或防过热的系统保护。在一些及/或所有感测器中测量的所述多个温度，适当的回报予所述控制器且为了资料分析之目的进行储存。

在二个回路中(主回路501及副回路502)的水循环使在所有感测器中的温度测量能进行(除了家庭冷水–S8)。二个泵浦都被激活，优选地在相同速度，持续一预定义期间的时间(X_meas_length)以达成稳定性。从一定义的「资料收集时间」(Data_collect_time)开始及在随后的时间，例如每2小时之后(意谓全天候每2小时)，所述测量值被读入且储存在控制器。

基于此信息，其他功能也可能被激活，例如防冻、防过热及水槽预热。

功能4：「水槽预热」：

在所述目前的功能中，在所述集热器的水槽中的所述水的反向加热是对预期使用的实现。在所述集热器的水槽中的所述水的反向加热可以是必要的以达成能够在接通水期间到达所需温度。

所述控制器可以决定激活反向加热，基于例如在一预设时间中通过多个使用者的淋浴的请求数量及所述系统的状态的信息。在此情况下，所述电子加热及二个泵浦将被激活，以使在所述集热器中的所述水将通过来自所述电子加热器的所述水，通过所述热交换器来加热。所述加热开始时间及长度将被决定，基于最后储存的所述资料，及在最后测量值及所述预期淋浴时间之间的一时间间隔，连同在所述主回路中的所述热传流体加热到一预定义水槽使用温度(Tank_use_temp)。

功能5：「防冻」：

在所述目前功能中，水被循环以达成避免水在所述管路中冷冻，特别是在所述主回路501中。为了避免水在所述管路中冷冻及阻挡所述水循环，所述水必须保持在一最小温度(Water_min_temp)之上。当需要时，基于资料收集，所述水应该累积在二个回路中以达成加热所述水及避免冷冻。

基于在资料收集或接通水的期间的测量的所述多个温度，水的冷冻可以通过在二个回路中的水循环来避免。二个泵浦(G3、G4)将被激活直到在所有温度感测器中达成所述最小需求水温(Water_min_temp)。如果周围温度非常低，资料收集测量值之间的所述时间间隔可以暂时地减少(Critical_amb_temp)。

功能6：「防过热」：

在所述目前功能中，水被循环以达成避免水在所述集热器中过热。为了避免所述集热器的过热，在水槽中的所述水必须保持在一最大预定义温度(Water_max_temp)之下。当需要时，基于资料收集，所述水应该在所述主回路中循环以达成转移能量到位在所述副回路中的所述水及减少位在所述集热器中的所述水的所述热量。在更严重的情况下，当需要时此循环无法减少所述温度(不能充分降低所述温度)，所述第二回路也进行循环的同时，把冷水(家庭冷水)加入所述循环中。在所述主回路中的所述水之后通过所述热交换器冷却。

基于在资料收集或接通水期间测量的所述多个温度，通过在所述主回路或需要时在二个回路中循环所述水可以避免所述集热器的过热。首先，所述主泵浦G3被激活且开始在所述主回路中的水循环。如果这样的动作仍不足(不够)，在所述副回路中的所述水也会进行循环，同时添加冷水。所述泵浦被激活直到测量来自所述集热器(S1)之外的所述水的温度感测器之中达到所述最大允许水温(Water_max_temp)。

要注意的是，根据所述应用，用在多个模块及工艺的多个实现是可行的。上述多个模块功能能以较少模块或分割成多个副功能及以更多数量的模块进行合及实现。基于上述描述，本领域技术人员将能设计用于一具体应用的一实现。

要注意的是上述的例子，使用的数量及示范的计算是用来辅助此实施例的所述描述。非故意的印刷错误、数学的错误及/或使用简化计算的不脱离本发明的实用性及多个基本优点。

对于已经撰写且没有多重附属项的所述附加权利要求的范围，这只是为了符合司法管辖区不允许此多重附属项的需求。要注意的是，通过转写所述权利要求多重依附来暗示所有特征的可能结合是明显被预期的且被作为是本发明的一部分。

应当理解的是，上述描述仅用以作为实施例，并且在如所附的权利要求中定义的本发明的范围内，许多其他实施例也是可能的。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用在太阳能辅助加热水的系统，其特征在于：所述系统包含：

(a)一主回路包含一太阳能集热器，所述太阳能集热器包含一输入端及一输出端；

(b)一第一温度感测器，在运作上连接到所述主回路且配置用来测量一第一温度；

(c)一第一流量产生器，配置用以在所述主回路中产生一流动；

(d)一第一流量感测器，在运作上连接到所述主回路且配置用来测量一热传流体的一流动；

(e)一热交换器包含：

(i)一主回路输出端；

(ii)一主回路输入端，在运作上连接到所述太阳能集热器的输出端；

(iii)一副回路输入端，在运作上连接到一冷水供应器；及

(iv)一副回路输出端，在运作上连接到所述内嵌加热器的输入端；

(f)一内嵌水加热器，具有一输入端及一输出端且在运作上连接所述副回路；

(g)一系统控制器，配置用以：

(i)当所述第一流量产生器是处于激活时，测量在所述主回路中的第一温度的一瞬态热分布；

(ii)对于在所述副回路中的水提供太阳能辅助加热，是基于：

(A)在所述副回路中的一水流；

(B)一目前第一温度；及

(C)所述第一温度的瞬态热分布；

并且是通过激活：

(i)在所述主回路中的第一流量产生器；及

(ii)在所述副回路中的一内嵌水加热器；

来进行的。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述内嵌加热器的输出端在运作上连接一热水输出端；

所述第一流量产生器：

(i)包含一输入端，在运作上连接到所述热交换器主回路的输出端；

(ii)包含一输出端，在运作上连接到所述太阳能集热器的输入端；及

(iii)配置用以使当被激活时产生在所述主回路中的一热传流体的一流动，从所述太阳能集热器的输出端流到所述热交换器主回路输入端以及从所述热交换器主回路输出端通过所述第一流量产生器流到所述太阳能集热器的输入端；及

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述太阳能集热器是一整合太阳能储热集热器。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述整合太阳能储热集热器是透明隔热的。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：在所述主回路中的热传流体是水。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述副回路提供家庭饮用热水。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述第一流量产生器是一变流产生器。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统控制器是一比例积分微分控制器。

9.一种用在太阳能辅助加热水的方法，其特征在于：所述方法包含下述步骤：

(a)当一第一流量产生器对一主回路是处于激活时，测量在所述主回路中的一第一温度的一瞬态热分布；所述主回路包含一太阳能集热器；及

(b)对于在一副回路中的水提供太阳能辅助加热，是基于：

(i)在所述副回路中的一水流；

(ii)一目前第一温度；及

(iii)所述第一温度的所述瞬态热分布；

并且是通过激活：

(i)在所述主回路中的第一流量产生器；及

(ii)在所述副回路中的一内嵌水加热器；

来进行的。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：更包含下列步骤：

(a)测量在一系统中的第一温度，所述系统包含：

(i)所述太阳能集热器，包含一输入端及一输出端；

(ii)所述内嵌加热器，具有一输入端及一输出端；

(A)所述输出端在运作上连接至一热水输出端；

(iii)一热交换器，包含：

(A)一主回路输出端；

(B)一主回路输入端，在运作上连接到所述太阳能集热器的输出端；

(C)一副回路输入端，在运作上连接到一冷水供应器；及

(D)一副回路输出端，在运作上连接到所述内嵌加热器的输入端；

(iv)一第一温度感测器，在运作上连接所述太阳能集热器的输出端；

(v)所述第一流量产生器：

(A)包含一输入端，在运作上连接到所述热交换器主回路的输出端；

(B)包含一输出端，在运作上连接到所述太阳能集热器的输入端；及

(C)配置用以使当被激活时产生在所述主回路中的一热传流体的一流动，从所述太阳能集热器的输出端流到所述热交换器主回路输入端以及从所述热交换器主回路输出端通过所述第一流量产生器流到所述太阳能集热器的输入端；

(vi)一第一流量感测器，在运作上连接到所述主回路且配置用来测量所述热传流体的一流动；及

(vii)一第二流量感测器，在运作上连接到所述副回路且配置用来测量在所述副回路中的一水流；

(b)在一指定时间周期中，激活所述第一流量产生器持续一指定时间；

(c)当所述第一流量产生器是处于激活时，通过所述第一温度感测器来测量所述第一温度的瞬态热分布；及

(d)对于在所述副回路中的水提供太阳能辅助加热到所述热水输出端，是基于：

(i)在副回路中的所述水流；

(ii)一目前第一温度；及

(iii)所述第一温度的瞬态热分布；

并且是通过激活：

(i)所述第一流量产生器；及

(ii)所述内嵌水加热器；

来进行的。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述激活是在一指定时间进行，所述指定时间选自于由下列所组成的族群：

(a)一周期性时间；

(b)每60分钟；

(c)一预定义时间；

(d)基于多个系统测量值的评估；

(e)基于应用到所述瞬态热响应分布曲线来改善所述响应分布曲线预测的多个机器学习演算法；

(f)基于在所述副回路中的水流的一分布曲线；及

(g)基于对应于通过系统使用者的热水使用的热水输出估计。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述系统更包含：

一第五温度感测器，在运作上连接到所述热水输出端且配置用来测量一第五温度；及

所述提供的步骤是更基于所述第五温度来进行的，以使所述热水输出端是处于一预定义输出温度。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述系统更包含：

一第二流量产生器：

(i)包含一输入端，在运作上连接到所述热水输出端；

(ii)包含一输出端，在运作上连接到所述冷水供应器；及

(iii)配置用以使当被激活时产生在所述副回路中的一水流；及

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述系统还包含：

一第四温度感测器，在运作上连接到所述热交换器副回圈的输出端且配置用来测量一第四温度；及

所述提供的步骤是更基于所述第四温度的一瞬态热响应分布曲线。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述第二流量感测器还测量一流量缺乏，更包含下列步骤：

激活所述第一流量产生器及所述第二流量产生器，直到所述第五温度感测器测量到所述预定义输出温度。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述第二流量感测器还测量一流量缺乏，更包含下列步骤：

激活所述第一流量产生器及所述第二流量产生器，直到所述第一温度感测器测量到一预定义水槽使用温度。

17.如权利要求13所述的方法，其特征在于：更包含下列步骤：

激活所述第一流量产生器及/或所述第二流量产生器，直到多个预指定系统参数已被收集。

18.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述系统更包含：

一环境温度感测器，配置用来测量一环境温度，且更包含一步骤：基于所述环境温度激活所述第一流量产生器、第二流量产生器及所述内嵌加热器，因而把热从所述副回路传至所述主回路，以增加所述热传流体的一温度。

19.如权利要求10所述的方法，其特征在于：更包含一步骤：

基于所述第一温度激活所述第一流量产生器，因而把热从所述主回路传至所述副回路，以减少所述热传流体的一温度及避免所述太阳能集热器的过热。

20.如权利要求13所述的方法，其特征在于：更包含一步骤：

基于所述第一温度激活所述第一流量产生器及所述第二流量产生器，因而把热从所述主回路传到副回路，以减少所述热传流体的一温度及避免所述太阳能集热器的过热。

21.一种系统控制器，配置用来实现上述权利要求的任一项。

22.一种计算机可读取储存媒体，具有嵌入于其上的电脑可读取编码用于太阳能辅助加热水，所述电脑可读取编码包含程式编码用于：

(b)对于在一副回路中的水提供太阳能辅助加热，是基于：

(i)在所述副回路的一水流；

(ii)一目前第一温度；及

(iii)所述第一温度的所述瞬态热分布；

并且是通过激活：

(i)在所述主回路中的第一流量产生器；及

(ii)在所述副回路中的一内嵌水加热器；

来进行的。

23.一计算机程序，其能装载在一伺服器上并通过一网络连接到一客户计算机，以使运行所述计算机程序的所述伺服器构成如上述权利要求任一项所述的一系统中的一系统控制器。

24.一计算机程序，其能装载在一计算机上并通过一网络连接到一伺服器，以使运行所述计算机程序的所述计算机构成如上述权利要求任一项所述的一系统中的一系统控制器。

Claims

(a)一主回路；

(e)一热交换器，在运作上连接到所述主回路及一副回路；

(g)一系统控制器，配置用以：

(ii)对于在所述副回路中的水提供太阳能辅助加热，是基于：

(A)在所述副回路中的一水流；

(B)一目前第一温度；及

(C)所述第一温度的瞬态热分布；

并且是通过激活：

(i)在所述主回路中的第一流量产生器；及

(ii)在所述副回路中的一内嵌水加热器；

来进行的。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述内嵌加热器的输出端在运作上连接一热水输出端；

所述热交换器包含：

(i)一主回路输出端；

(iii)一副回路输入端，在运作上连接到一冷水供应器；及

所述第一温度感测器连接至所述太阳能集热器的输出端；

所述第一流量产生器：

(a)当一第一流量产生器对一主回路是处于激活时，测量在所述主回路中的一第一温度的一瞬态热分布；及

(b)对于在一副回路中的水提供太阳能辅助加热，是基于：

(i)在所述副回路中的一水流；

(ii)一目前第一温度；及

(iii)所述第一温度的所述瞬态热分布；

并且是通过激活：

(i)在所述主回路中的第一流量产生器；及

(ii)在所述副回路中的一内嵌水加热器；

来进行的。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：更包含下列步骤：

(a)测量在一系统中的第一温度，所述系统包含：

(i)一太阳能集热器，包含一输入端及一输出端；

(ii)所述内嵌加热器，具有一输入端及一输出端；

(A)所述输出端在运作上连接至一热水输出端；

(iii)一热交换器，包含：

(A)一主回路输出端；

(C)一副回路输入端，在运作上连接到一冷水供应器；及

(v)所述第一流量产生器：

(i)在副回路中的所述水流；

(ii)一目前第一温度；及

(iii)所述第一温度的瞬态热分布；

并且是通过激活：

(i)所述第一流量产生器；及

(ii)所述内嵌水加热器；

来进行的。

(a)一周期性时间；

(b)每60分钟；

(c)一预定义时间；

(d)基于多个系统测量值的评估；

(f)基于在所述副回路中的水流的一分布曲线；及

(g)基于对应于通过系统使用者的热水使用的热水输出估计。

一第二流量产生器：

(i)包含一输入端，在运作上连接到所述热水输出端；

(ii)包含一输出端，在运作上连接到所述冷水供应器；及

19.如权利要求10所述的方法，其特征在于：更包含一步骤：

20.如权利要求13所述的方法，其特征在于：更包含一步骤：

21.一种系统控制器，配置用来实现上述权利要求的任一项。

(b)对于在一副回路中的水提供太阳能辅助加热，是基于：

(i)在所述副回路的一水流；

(ii)一目前第一温度；及

(iii)所述第一温度的所述瞬态热分布；

并且是通过激活：

(i)在所述主回路中的第一流量产生器；及

(ii)在所述副回路中的一内嵌水加热器；

来进行的。