专利名称：太阳能加热与电加热组合的热水制作方法及其专用装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能利用领域，尤其是涉及一种太阳能加热与电加热组合的热水制作方法及其专用装置。
背景技术：
太阳能数量巨大，每年到达地球表面的太阳辐射能约为130万亿吨标煤，但其特点是具有分散性、间断性和不稳定性。尽管到达地球表面的太阳辐射能的总量很大，但是能流密度却很低。平均说来，夏季晴天中午的太阳辐射强度最大，投射到地球表面1m2面积上的太阳辐射功率仅为1kw左右，冬季只有一半，阴天只有1/5左右。因此想要得到一定的辐射功率，就需要较大的接受辐射面积。所谓间断性和不稳定性是指太阳辐射能受昼夜、季节、地理纬度、海拔高度等自然条件限制，以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响。为了消除这些缺点，就需要解决采用热水制作与热水使用分时工作制时的储能问题、或借助于其它能源的辅助才能达到全天候使用。热水制作等建筑用能耗完全可以用低位的可再生能源来完成，若采用高位的电能来完成是对能源资源的一种浪费。
发展太阳热水器的关键是在与建筑的结合上实现突破，即使住宅用户都能放心方便地使用，取代电加热或燃气热水装置，并取得环保节能与经济性。其热水装置设计的基本要求是热水输出温度按行业标准要求满足保持在45℃以上，装置带抗冻功能，能全年全天侯使用，即保证能一年365天24小时供应45℃以上热水。此外，产品还要求能最大程度地节省常规能源，如现有技术达到了太阳能占70％，低谷电辅助加热占30％的水平，装置清洗维护与使用方便，热水与电辅助加热元件分离，使用无安全事故隐患。
太阳能热水装置的大量使用，如果没有与建筑结合一体化设计必然对建筑的外观形象产生破坏。如果不改变无任何设计的事后安装状态，最终会影响到一个建筑群体，甚至整个城市的建筑风貌，造成一种新的视觉污染，集热装置能满足墙面竖置安装下具备长期稳定的高热效率输出，也是一个关键的方面。
现有的装置配套常规能源辅助加热方法包括燃烧热能和电能，使用电能中包括电加热元件和热泵等方式，众所周知，利用峰谷电可取得最佳的电网平衡效果，为社会节约大量的能源资源，因此，热水装置是否具有利用峰谷电低功率节能加热的功能，是衡量热水装置节约能源资源特性的重要指标。
另外，使用太阳能与热泵电能辅助加热的方式中，现有技术的基本方法是将太阳能加热用作后道热泵加热的预热，以提高热泵的加热效率，因此，装置都是以热泵加热为主。如已公布的中国专利CN158066A“太阳能与空气复合热源的储能型热泵装置”所采用的技术方案能同时具备利用太阳能与空气复合热源制作热水的功能，装置中包括了压缩机冷凝器、太阳能辐射对流复合储能型换热器等，其中，采用压缩机的吸气口与太阳能辐射对流复合储能型换热器的出口相连，压缩机的排气口与冷凝器的制冷剂入口相连，这样可以利用太阳能辐射对流换热器提高热泵在冬季运转的效率，克服冬季热泵运转效率不高的弊病，同时也解决了热泵散热器的冬季结霜问题与低温下不能启动的问题。按照前述太阳能热水装置与电复合加热的要求来分析，这种技术方案中存在着不足是当白天有太阳光照、太阳能辐射对流换热器工作时，装置始终处于实时工作状态，采用热泵加热的耗电虽然平均在普通电加热的三分之一左右，但占用了峰时段的用电负荷，因此，必然要消耗大量的峰时段高位的电能，对于平衡电网昼夜负荷不利，这样的装置一旦推广将进一步拉大电网峰谷间的差距，加剧发电用煤炭资源的浪费。此外，其热泵散热器虽可用作竖置安装吸收太阳能辐射，但由于散热器同时也用于散热，必须保持与空气接触，因此必然产生积尘且难于清洗，影响其吸收太阳能辐射的效率。
CN1131400C“采温空调热水用太阳空气电热复合热泵系统”公布了又一种采用太阳能与电复合的加热技术方案，其具有通过太阳空气电热三能源互补实现采暖、空调、热水三功能综合利用的特性，其热泵构成的供热回路中，把循环水蒸发/冷凝内的冷凝放热输送给分机盘管和/或散热器，并采用了太阳能热泵电加热三者结合复合加热的方法，能在提供空调下提供热水副产品。这种技术方案中，太阳能集热与电加热元件都是热泵的前置端，目的仅限于提高热泵的空调输出效率，其热泵设置对热水的制作并无贡献，且所产生的热水无法满足365天24小时按45℃以上热水标准供水的热水装置标准要求，到了阴雨天或冬季，还必须依靠电加热元件的实时发热来实现空调与热水的加热，因此，便会占用峰时段的用电负荷并消耗大量的高位电能，这样的装置一旦推广同样将进一步拉大电网峰谷间的差距，加剧发电用煤炭资源的浪费。
发明内容
发明的目的在于提供一种太阳能加热与电加热组合的热水制作过程中的加热方法，利用太阳能、热泵、电加热元件三种加热方法作分时工作下的组合，通过分时工作方式所制成的热水可以实现储存供应，在满足装置能按365天24小时供应45℃以上热水的标准下，使装置能最大程度地利用太阳能与峰谷电能源加热和储能、节省常规能源资源。
本发明的目的还在于提供一种能实现上述加热方法的专用装置，利用太阳能热水装置、热泵、电加热元件、储存水箱和控制单元等组成分时工作下的加热结构组合，通过分时工作方式所制成的热水可以实现储存供应，在满足装置能按365天24小时供应45℃以上热水的标准下，使装置能最大程度地利用太阳能与峰谷电能源加热和储能、节省常规能源资源。
本发明的太阳能集热与电加热组合的热水制作加热方法的目的，可以采用以下热水制作方法的技术方案来实现太阳能加热与电加热组合的热水制作方法，包括采用太阳能热水装置进行加热的方法、热泵加热的方法和电加热元件加热的方法，其特征在于，热水制作过程是经太阳能热水装置、或热泵、或电加热元件分别进行加热的组合，其中，白天采用太阳集装置进行加热，夜间峰谷电时段采用热泵进行加热，冬季夜间峰谷电时段因受环境温度过低影响使热泵不能正常工作时，采用电加热元件进行加热，定量的热水预先制作后储存在水箱中用作分时热水供应。所述的定量的热水是指第二天早、晚两个峰谷电时段之间所需保证分时供应的定温热水量。
本发明的实现太阳能集热与电复合加热制作加热方法的专用装置，可以采用以下装置的技术方案来实现采用太阳能加热与电加热组合的热水制作方法的专用装置，由太阳能热水装置，热泵，电加热元件、水箱和控制单元等组成，其特征在于，所述的太阳能热水装置和热泵均分别与水箱经管路连接，所述的水箱中设有电加热元件，太阳能热水装置、或热泵、或电加热元件分别与控制单元电控制连接，所制定量的热水经加热后储存于水箱中。所述的定量的热水是指第二天早、晚两个峰谷电时段之间所需保证分时供应的定温热水量。所述的太阳能热水装置是带可墙面安装使用的三维太阳集热器的太阳能热水装置，三维太阳集热器可是竖置安装、或是斜置安装、或是水平安装、或是其组合。所述的水箱可是带或不带储能材料的可加热储能的容积式水箱。所述的热泵可以是一个或一个以上的单级热泵、或是双级热泵，热泵间可相互串联连接。所述的水箱可是容积式热水器并联式水箱。所述的太阳能热水装置与水箱的管路连接是包括直流式或循环回流式的管路连接、或是其组合的管路连接。所述的水箱可是由加热水箱和储热水箱所组合而成的储能加热复合式水箱。所述的加热水箱中还可经换热器连有采暖或空调制冷热水的输出循环管路。
本发明的加热方法的优点是由于采用热水经太阳能、或热泵、或电加热元件分别进行加热的组合，使得装置的三个部分可以分别单独进行加热，可以选择采用白天以太阳能热水装置进行加热，夜间峰谷电时段采用热泵进行加热，冬季夜间因环境温度过低热泵不能正常工作时，可采用在峰谷电时段用电加热元件进行替代加热，并且，通过分时工作方式所制成的热水可以实现储存供应，从而保证了装置的热水输出能达到45℃以上365天24小时的供应标准，并使得装置可以选择最大程度地利用太阳能和仅使用谷电时段的电能，最大程度地节省常规能源，还能达到热水使用与电辅助加热元件分时工作的安全性能，并且大量推广使用下，能减少对现有电网峰谷时段间的负荷差，有利于降低发电用煤炭资源的消耗，与电热水器加热的能耗相比可达到太阳能部分的利用占90％、低谷电辅助加热的电能消耗仅占10％的最高水准。
本发明的专用装置的优点是由于采用太阳能热水装置和热泵均分别与水箱经管路连接，且所述的水箱中设有电加热元件，使得装置的二个部分可以分别单独进行加热，可以选择采用白天以太阳能热水装置进行加热，夜间峰谷电时段采用热泵进行加热，冬季夜间因环境温度过低热泵不能正常工作时，可采用在峰谷电时段用电加热元件进行替代加热，并且，由于所制的热水可分别经太阳能热水装置、或热泵、或电加热元件加热后储存于水箱中，因此，所制的的热水可以通过分时工作方式实现储存供应，从而保证了装置的热水输出能达到45℃以上365天24小时的供应标准，并使得装置可以选择最大程度地利用太阳能和仅使用谷电时段的电能，最大程度地节省常规能源，还能达到热水使用与电辅助加热元件分时工作的安全性能，并且大量推广使用下，能减少对现有电网峰谷时段间的负荷差，有利于降低发电用煤炭资源的消耗，与电热水器加热的能耗相比可达到太阳能部分的利用占90％、低谷电辅助加热的电能消耗仅占10％的最高水准。
本发明所提供的方法的使用过程及其有益效果比较在太阳照射下，采用太阳能热水装置对水箱中的水进行加热，在夜间谷电时段优先采用热泵对水箱的水进行加热，在冬季环境温度过低热泵不能正常工作时，采用电加热元件替代热泵进行加热，定量的热水预先制作后储存在水箱中用作分时热水供应，仅供第二天早、晚两个峰谷电时段之间所需保证分时供应的定温热水量，如此，就能保证365天24小时分时供应45℃以上的热水，并且，不会影响第二天太阳能热水装置的加热效率，并保证在最大程度地利用太阳能为主的条件下，只使用夜间谷电时段的电能供热泵或电加热元件加热从而减少现有电网中峰、谷时段间负荷差的发明目的。此外，还能达到热水使用与电辅助加热元件分时工作的安全性能，与电热水器加热的能耗相比可达到太阳能部分的利用占90％、低谷电辅助加热的电能消耗仅占10％的最高水准。
本发明所提供的实现上述方法的专用装置使用的工作过程及其有益效果比较在太阳照射下，太阳能热水装置吸收太阳能，经其循环换热管路与水箱换热，加热水箱中的水；当阴雨天时或冬季，太阳能热水装置集热效率降低，储水箱中定量的热水储量不足，此时，可在夜晚谷电时段经热泵继续对水箱中的水进得加热，冬天环境温度较低热泵不能正常工作时，则采用热水箱中的电加热元件替代热泵加热，峰谷电时段结束时所完成的加热预制的定量的热水量仅是第二天早、晚两个峰谷电时段之间所需保证分时供应的定温热水量，这个水量最多只占水箱容积的一半，不会影响第二天太阳能热水装置的加热效率，这样就能保证365天24小时分时供应45℃以上的热水，在最大程度地利用太阳能为主的条件下，只使用夜间谷电时段的电能供热泵或电加热元件加热从而减少现有电网中峰、谷时段间负荷差的发明目的。此外，还能达到热水使用与电辅助加热元件分时工作的装置安全性能，与电热水器加热的能耗相比可达到太阳能部分的利用占90％、低谷电辅助加热的电能消耗仅占10％的最高水准。
图1是本发明实施例的结构示意具体实施例方式本发明太阳能加热与电加热组合的热水制作方法和采用该方法的专用装置，可通过以下实施例作进一步说明参见图1所示，本发明的实施例由太阳能热水装置1，热泵2，电加热元件3、水箱4、控制单元5、水箱增压泵6等组成。其中，太阳能热水装置包括集热器、换热循环管路等，太阳能热水装置和热泵均分别与水箱经管路连接，水箱中设有电加热元件，太阳能热水装置、或热泵、或电加热元件分别与控制单元经电控制连接，所制定量的热水经加热后储存于水箱中。热水制作过程是经太阳能热水装置、或热泵、或电加热元件分别进行加热的组合，包括了采用太阳能热水装置进行加热的方法、热泵加热的方法和电加热元件加热的方法，其中，白天采用太阳能热水装置进行加热，夜间峰谷电时段采用热泵进行加热，冬季夜间峰谷电时段因受环境温度过低影响使热泵不能正常工作时，采用电加热元件进行加热。除此之外，无电时还可另加燃气加热替代电加热作组合。
定量的热水预先制作后储存在水箱中用作分时热水供应。所述的定量的热水是指第二天早、晚两个峰谷电时段之间所需保证分时供应的定温热水量。所述的定温是指本发明适用地太阳能热水装置技术标准中规定的输出热水温度。在适用地中国，根据现有的技术新标准可采用热水输出温度为45℃。
太阳能热水装置是带可墙面安装使用的三维太阳集热器的太阳能热水装置，三维太阳集热器可是竖置安装、或是斜置安装、或是水平安装、或是其组合，如大部分取墙面竖置安装、小部分取屋面斜置安装的组合，如采用CN2558931Y所公布的技术方案，这样可以避免对建筑的外观形象产生破坏，同时可竖置安装的集热装置能满足墙面竖置安装下长期稳定的高热效率输出，也是墙面竖置安装方面的一个关键。
所述的水箱可是带或不带储能材料的可加热储能的容积式水箱。热泵是空气源热泵、或水源热泵或是地源热泵，其供热热源是空气热源，也可是水源、或地源热源、或是其组合，如采用利用建筑生活废水为供热热源的水源热泵与空气源热泵进行热源采集组合，热泵可以是一个或一个以上的单级热泵，热泵间可相互串联连接。此外，除了单级的热源也可以采用双级热泵，以利于在冬季环境温度较低时进一步提升加热水温。
所述的水箱除了采用普通的单一的容积式水箱，还可采用容积式热水器并联式水箱，具体可参见CN2656881Y所公布的“一种容积式热水器并联式水箱”，除此之外，水箱还可以采用由CN2544229Y所公布的加热水箱和储热水箱所组成的储能加热的复合式水箱，太阳能热水装置和热泵均分别与其加热水箱经管路连接，设计确定的定量的热水部分最多只能占水箱或储热水箱容积的一半。太阳能热水装置与水箱的管路连接是包括直流式或循环回流式的管路连接、或是其组合的管路连接。水箱或加热水箱中还可经换热器连有采暖热水或空调制冷的输出循环管路。
本发明的方法及装置的使用过程与工作原理如下在太阳照射下，采用太阳能热水装置对水箱中的水进行加热，在夜间谷电时段优先采用热泵对水箱的水进行加热，在冬季环境温度过低热泵不能正常工作时，采用电加热元件替代热泵进行加热，定量的热水预先制作后储存在水箱中用作分时热水供应，仅供第二天早、晚两个峰谷电时段之间所需保证分时供应的定温热水量。
太阳能热水装置的集热期吸收太阳能后，经其循环换热管路与水箱换热，加热水箱中的水；当阴雨天时或冬季，太阳能热水装置集热效率降低，储水箱中定量的热水储量不足，此时，可在夜晚谷电时段经热泵继续对水箱中的水进得加热，冬天环境温度较低热泵不能正常工作时，则采用热水箱中的电加热元件替代热泵加热，峰谷电时段结束时所完成的加热预制的定量的热水量仅是第二天早、晚两个峰谷电时段之间所需保证分时供应的定温热水量，这个水量最多只占水箱或储热水箱容积的一半，因此不会影响第二天太阳能热水装置继续加热的效率，这样就能保证365天24小时分时供应45℃以上的热水，在最大程度地利用太阳能为主的条件下，只使用夜间谷电时段的电能供热泵或电加热元件加热从而减少现有电网中峰、谷时段间负荷差的发明目的。此外，还能达到热水使用与电辅助加热元件分时工作的装置安全性能，与电热水器加热的能耗相比可达到太阳能部分的利用占90％、低谷电辅助加热的电能消耗仅占10％的最高水准。
权利要求
1.太阳能加热与电加热组合的热水制作方法，包括采用太阳能热水装置进行加热的方法、热泵加热的方法和电加热元件加热的方法，其特征在于，热水制作过程是经太阳能热水装置、或热泵、或电加热元件分别进行加热的组合，其中，白天采用太阳能热水装置进行加热，夜间峰谷电时段采用热泵进行加热，冬季夜间峰谷电时段因受环境温度过低影响使热泵不能正常工作时，采用电加热元件进行加热，定量的热水预先制作后储存在水箱中用作分时热水供应。
2.采用太阳能加热与电加热组合的热水制作方法的专用装置，由太阳能热水装置，热泵，电加热元件、水箱和控制单元等组成，其特征在于，所述的太阳能热水装置和热泵均分别与水箱经管路连接，所述的水箱中设有电加热元件，太阳能热水装置、或热泵、或电加热元件分别与控制单元电控制连接，所制定量的热水经加热后储存于水箱中。
3.根据权利要求1和2所述的太阳能加热与电加热组合的热水制作方法及其采用太阳能加热与电加热组合的热水制作方法的专用装置，其特征在于，所述的定量的热水是指第二天早、晚两个峰谷电时段之间所需保证分时供应的定温热水量。
4.根据权利要求2所述的采用太阳能加热与电加热组合的热水制作方法的专用装置，其特征在于，所述的太阳能热水装置是带可墙面安装使用的三维太阳集热器的太阳能热水装置，三维太阳集热器可是竖置安装、或是斜置安装、或是水平安装、或是其组合。
5.根据权利要求2所述的采用太阳能加热与电加热组合的热水制作方法的专用装置，其特征在于，所述的水箱可是带或不带储能材料的可加热储能的容积式水箱。
6.根据权利要求1或2所述的采用太阳能加热与电加热组合的热水制作方法的专用装置，其特征在于，所述的热泵可以是一个或一个以上的单级热泵、或是双级热泵，热泵间可相互串联连接。
7.根据权利要求2所述的采用太阳能加热与电加热组合的热水制作方法的专用装置，其特征在于，所述的水箱可是容积式热水器并联式水箱。
8.根据权利要求2所述的采用太阳能加热与电加热组合的热水制作方法的专用装置，其特征在于，所述的太阳能热水装置与水箱的管路连接是包括直流式或循环回流式的管路连接、或是其组合的管路连接。
9.根据权利要求2所述的采用太阳能加热与电加热组合的热水制作方法的专用装置，其特征在于，所述的水箱可是由加热水箱和储热水箱所组合而成的储能加热复合式水箱。
10.根据权利要求9所述的采用太阳能加热与电加热组合的热水制作方法的专用装置，其特征在于，所述的加热水箱中还可经换热器连有采暖或空调制冷热水的输出循环管路。
全文摘要
本发明涉及太阳能加热与电加热组合的热水制作方法及其装置，包括采用太阳能热水装置进行加热的方法、热泵加热的方法和电加热元件加热的方法，其特征在于，热水制作过程是经太阳能热水装置、或热泵、或电加热元件分别进行加热的组合，其中，白天采用太阳能热水装置进行加热，夜间峰谷电时段采用热泵进行加热，冬季夜间峰谷电时段因受环境温度过低影响热泵不能正常工作时，采用电加热元件进行加热，定量的热水预先制作后储存在水箱中用作分时热水供应，从而保证了装置的热水输出能达到45℃以上全年24小时供应的标准。最大程度地节省常规能源，并且大量推广使用下，能减少现有电网中峰、谷时段间的负荷差。
文档编号F24J2/00GK1858504SQ20051008920
公开日2006年11月8日 申请日期2005年7月2日 优先权日2005年5月8日
发明者潘戈 申请人:潘戈