太阳能热水和回收系统的制作方法

本申请是2016年8月16日递交的发明名称为“太阳能热水和回收系统”、申请号为201610674383.x的中国发明专利申请的分案申请。

本发明大体涉及用于加热水的系统、装置以及方法。更具体地，本发明涉及使用太阳能来加热容纳的水源或为容纳的水源提供补充加热装置的系统、装置以及方法。

背景技术：

热回收单元(hru)是本领域公知的用于收集从空调系统或热泵系统中的制冷循环排出的废热的设备。安装在(空调上的)压缩机与冷凝器之间或安装在(热泵系统的)冷凝器与换向阀之间的制冷剂热气管路中的hru将收集的热量传输至热水箱中。为实现这种传输，hru的水端在循环回路中与热水箱、冷水供应管路入口水流连接。通过在冷水供应进入水箱之前加热冷水供应的一部分，hru减少在加热水的过程中水箱自身所消耗的能量。由于冷空气或蒸气离开hru的制冷端，所以该单元还提高了空调系统或热泵系统的冷却效率。然而，由于空调系统和热泵系统的能量效率随着时间的推移通过更好的和更新的设计而提高，所以输入至hru的可利用的废热的量相应地减少。因此，hru在其预期用途方面的性能和经济效益下降。

减少用来加热水源的传统能量的量的可替代方法是使用太阳能系统。这种太阳能系统试图通过使水穿过与太阳能收集器或太阳能面板连通的热交换器来直接加热水，而不是收集由空调系统或热泵系统生成的废热。然而，这种直接加热方法需要将水泵送相对长的距离。太阳能面板通常安装在屋顶，而水源位于建筑结构内(就热水箱而言)或在地面上(就游泳池而言)。此外，由于需要泵和多个收集器或面板来完成热传输，所以该方法是昂贵的。

很多发明人尝试设计能效更高的系统来加热水。例如，hino的第4,242,873号美国专利公开了使用辐射能加热来自热泵制冷环路的气体以及随后将加热的气体输送至蓄液器的系统。然而，hino必需将待加热的液体泵送通过热交换器。maxwell的第2010/0114384号美国专利申请公开了热泵控制器，在该热泵控制器中，热泵hvac流体进入主回路以及穿过太阳能集热板以提供传输至游泳池或家用热水的能量。类似于hino，maxwell使流体循环通过单个热交换器。最后，young等的第5,054,542号美国专利公开了复杂热传输系统，该系统结合在空调循环期间从建筑中(或从环境面板中)获得的热量来加热热水箱、游泳池或空间加热器。压缩机使加热介质过热，并且过热的加热介质被引导至有水穿过的螺旋线圈。young没有利用太阳能面板，并且没有将加热的废气流传送至以传统方式与热水箱连通的或与游泳池的循环回路连通的热回收单元(hru)。

技术实现要素：

根据本发明制作的太阳能热水回收系统将太阳能回路与制冷回路结合使用来加热水源。太阳能回路(包括诸如蒸馏水或丙二醇的热传输介质)与热回收单元(hru)的第一热交换器连通。制冷回路(收集由空调系统或热泵系统生成的废热)也与第一热交换器连通。在第一热交换器之内，在太阳能回路的热传输介质与制冷回路的制冷介质之间发生交叉热交换，从而产生过热的制冷剂流，该过热的制冷剂流随后返回至空调系统或热泵系统。然后将太阳能回路的冷却的但仍然热的热传输介质传送至hru的第二热交换器。在第二热交换器之内，在该仍然热的热传输介质与待加热的水流(家用的或饮用的并且作为水回路的部分循环)之间发生交叉热交换，从而产生加热的热水流。然后将该加热的热水流返回至热水源或传送至连通装置从而使用。在操作的非光照时间利用去过热特性，制冷回路的制冷介质通过太阳能回路的热传输介质冷却，并且因此加热太阳能回路的热传输介质(也就是说，制冷介质被冷却至多至它的饱和点但不会更低)。

当空调系统或热泵系统未运行时，位于hru内的独立泵系统允许对水进行持续的太阳能加热。待加热的水流循环经过热回收单元的第二热交换器，减少了消耗并且对水进行基本无成本的加热，其中，在热回收单元的第二热交换器处，在该待加热的水流与太阳能回路热传输介质之间发生交叉热交换。当空调系统或热泵系统恢复正常工作时，从发生于hru的第一热交换器之内并且在太阳能回路与制冷回路之间的交叉热交换中可获得额外的热量。这也利于提高空调系统或热泵系统的性能。

太阳能技术降低了标准系统的电力消耗。由于附加的热交换器被用作第二加热器件，当与包括传统太阳能加热设施和hru设施的其它系统相比时，该整个系统可在较短的时间段内得到更高的需求水温。该特征还降低了所消耗的电量。

该系统的优选的实施方式包括：

热回收单元(20)，具有第一热交换器(35)和第二热交换器(39)；

水回路50，容纳流体以及与蓄水器(51)、水泵(37)、第一阀(v1)以及第二热交换器(39)连通，第一阀(v1)是三通阀并且布置成允许或防止在蓄水器(51)与第二热交换器(39)之间的流体的流动，水泵(37)具有开启状态和关断状态；

太阳能回路(70)，容纳流体以及与太阳能面板(71)、太阳能泵(33)、第二阀(v2)和第三阀(v3)以及第一热交换器(35)和第二热交换器(39)连通，第二阀(v2)和第三阀(v3)均是三通阀，第二阀(v2)布置成允许或防止流体流动至太阳能面板(71)和第二热交换器(39)，第三阀(v3)布置成允许或防止流体流动至第一热交换器(35)，太阳能泵(33)具有开启状态和关断状态；

制冷回路(60)，容纳流体以及与加热/冷却单元(61)和第一热交换器(35)连通，加热/冷却单元(61)具有开启状态和关断状态；

传感器(41、43、45或81)，布置成分别测量水回路(50)中的流体的温度、太阳能回路(70)中的流体的温度以及制冷回路(60)中的流体的温度；

控制系统，与传感器(41、43、45、81、143)、阀(v1-v3)、泵(33、37)以及加热/冷却单元(61)通信，控制系统布置成部分地基于每个所述流体的相对温度来引导在水回路(50)中的流体的流动、在太阳能回路(70)中的流体的流动以及在制冷回路(60)中的流体的流动。

该系统的另一优选的实施方式包括热回收单元(20)，该热回收单元(20)具有：

第一热交换器(35)，布置成在第一热交换器(35)的制冷回路(60)中循环的第一流体与第一热交换器(35)的太阳能回路(70)中循环的第二不同流体之间传输热量；

第二热交换器(39)，布置成在太阳能回路(70)中循环的第二不同流体第二热交换器(39)的水回路(50)中循环的第三不同流体之间传输热量；

第一阀(v1)、第二阀(v2)以及第三阀(v3)，每个阀均是三通阀，提供或防止经过阀的a-b流动路径、b-c流动路径以及a-c流动路径，第一阀(v1)布置在第二热交换器(39)的水回路(50)上游中、第二阀(v2)布置在第二热交换器(39)的太阳能回路(70)上游中、第三阀(v3)布置在第二热交换器(39)的太阳能回路(70)下游中并且在第一热交换器(35)的前方；

控制系统，与阀(v1-v3)通信，并且布置成响应于第一流体的温度、第二流体的温度以及第三流体的温度改变经过阀(v1-v3)的流动路径。

用于收集由加热/冷却单元生成的废热的方法的优选的实施方式包括以下步骤：

将容纳在水回路50中的流体传送至第一阀(v1)，该第一阀(v1)是三通阀并且布置成允许或防止在蓄水器(51)与热回收单元(20)的第二热交换器(39)之间的流体的流动；

将容纳在太阳能回路(70)中的流体传送至第二阀(v2)和第三阀(v3)，第二阀(v2)和第三阀(v3)均是三通阀，第二阀(v2)布置成允许或防止流体流动至太阳能面板(71)和第二热交换器(39)，第三阀(v3)布置成允许或防止流体流动至热回收单元(20)的第一热交换器(35)；

将容纳在制冷回路(60)中的流体传送至第一热交换器(35)，制冷回路(60)容纳流体并与加热/冷却单元(61)连通，该加热/冷却单元(61)具有开启状态和关断状态；

测量水回路(50)中的流体的温度、太阳能回路(70)中的流体的温度以及制冷回路(60)中的流体的温度；以及

部分地基于每个所述流体的相对温度选择性地开启或关断所述阀(v1-v3)中的每个中的流体通路。

就传输至水源的热量而言，与传统的hru设施相比，根据本发明制作的太阳能热量回收系统效率至少翻倍。本发明的目标包括但不限于以下方面：(1)通过使用太阳能使制冷剂过热来提高传统hru的效率和效益，以及使用全部余热来加热水；(2)加热容纳的水源而无需将水源的一部分泵送至太阳能面板以及无需从太阳能面板泵取水源的一部分；(3)在没有(用于加热或冷却的)机械设备的帮助的情况下，持续对水源进行太阳能加热；(4)提高加热/冷却单元的效率和效益，包括具有高季节能效比(seer)的加热/冷却单元(例如，约13seer以上，包括20seer以上的加热/冷却单元)；(5)在hru之内提供用于基于不同的加热情形或冷却情形以及工作条件实时改变hru内经过该系统的流体流动形式的装置；以及(6)提供针对加热/冷却单元、太阳能面板以及水源的状态改变和当前状态的全工况工作模式。

附图说明

图1是示出了根据本发明制作的并用于加热家用饮用水源的太阳能热水和回收系统的优选的实施方式的示意图。太阳能回路、制冷回路以及水回路穿过具有第一热交换器和第二热交换器的热回收单元。

图2是示出了热回收单元(hru)的优选的实施方式的示意图。该hru包括第一热交换器和第二热交换器。在第一热交换器内并且在太阳能回路的热传输介质与制冷回路的制冷介质之间发生交叉热交换。在第二热交换器内并且在仍然热的热传输介质与热水源(家用水源或饮用水源，并且作为水回路的一部分循环)之间发生交叉热交换，从而产生进一步加热的热水流。当加热单元/空调单元未运行时，在太阳能回路与水回路之间继续发生交叉热交换。在非光照时间，在太阳能回路与制冷回路之间继续发生交叉热交换，制冷回路被太阳能回路冷却。

图3是在完全断电状态(模式0a)中的太阳能热水和回收系统的优选的实施方式的示意图。图4至图7示出了系统工作的多种其它优选的模式。

图4是工作在模式0b(系统不加热)中的系统的示意图，其中，所有中继关闭、冷却单元通电以及太阳能泵和水泵断电。

图5是工作在模式1a(太阳能加热蓄水器)中的系统的示意图，其中，冷却单元断电以及太阳能泵和水泵通电。

图6是工作在模式1b(太阳能加热蓄水器)中的系统的示意图，其中，冷却单元、太阳能泵以及水泵都通电。

图7是工作在模式2(太阳能加热气体)中的系统的示意图，其中，冷却单元和太阳能泵通电，而水泵断电。

图8是工作在模式3(蓄水器加热气体)中的系统的示意图，其中，冷却单元、太阳能泵以及水泵通电。

图9是工作在模式4(在冷却和加热两个情形中蓄水器在夜间预加热)中的系统的示意图。

附图和具体实施方式中所使用的元件和附图标记

10：太阳能热水回收系统

20：热回收单元

21：水回路入口

23：水回路出口

25：制冷回路流体入口

27：制冷回路流体出口

29：太阳能回路流体入口

31：太阳能回路流体出口

33：第一泵(太阳能泵)

35：第一热交换器

37：第二泵(水泵)

39：第二热交换器

41：第一热敏电阻(测量65)

43：第二热敏电阻(测量53)

45：第三热敏电阻(测量75)

50：水回路

51：蓄水器(水箱或水池)

53：水流

55：加热的水流

57：冷水供应

59：热水供应

60：制冷回路

61：加热/冷却单元(a/c或热泵)

63：61的热气端

65：第一加热的流体流

67：过热流体流

70：太阳能回路

71：太阳能面板/太阳能换热器

73：第二冷却的流体流

75：第二加热的流体流

77：第一冷却的流体流

79：71的热端

81：第四热敏电阻(在71处的测量75)

v1-v3：可控三通阀

143：第五热敏电阻

具体实施方式

首先参照图1，太阳能热水和回收系统10包括水回路50、制冷回路60以及太阳能回路70。在第一热交换器35中，在制冷回路60与太阳能回路70的热传输介质65、75之间出现交叉热交换，以产生过热的流体流67。在第二热交换器39中，在太阳能回路70中的当前较低温度的热传输介质77与水回路50之间也发生交叉热交换，以产生加热的水流55。更具体地，系统10包括以下步骤：

将从冷却单元61的热气端63离开的第一加热的流体流65和从太阳能面板71离开的第二加热的流体流75传送至第一热交换器35；

在第一加热的流体流65与第二加热的流体流75之间传输热量，从而进一步加热第一加热的流体流65以及产生从第一热交换器35离开的第一冷却的流体流77和过热流体流67；

将水流53和从第一热交换器35离开的第一冷却的流体流77传送至第二热交换器39；

在第一冷却的流体流77与水流53之间传输热量，从而加热水流53以及产生从第二热交换器39离开的加热的水流55和第二冷却的流体流73；

将过热流体流67传送至冷却单元61；以及

将第二冷却的流体流73传送至太阳能面板71。

加热的流体流65、加热的流体流75、冷却的流体流73、冷却的流体流77以及过热流体流67可以是在系统10中使用常规连通装置传送的气流、液流或气/液混合流。通常，流73、流75以及流77是诸如蒸馏水或丙二醇的热传输介质。流65和流67是制冷剂以及可根据制冷剂的温度在液态、气态或汽态之间循环。水流53、水流55可以是家用水源或饮用水源。

每个热交换器35、39设计成完成适当的热传输任务。在优选的实施方式中，热交换器35、热交换器39安放在相同的热回收单元(hru)20之内并且是螺旋形或盘绕形的热交换器。可替代地，但非优选地，热交换器35、热交换器39可安放在不同的hru20中。热回收单元20包括分别针对水回路50、制冷回路60以及太阳能回路70的适当的入口21、25、29以及出口23、27、31。入水口21和出水口23通过传统连通装置的方式与蓄水器51连通。在该实施方式中，蓄水器51是本领域公知的一类用于储藏和加热饮用水的热水箱，其具有冷水供应57的输入以及具有热水供应59的输出。蓄水器51也可以是游泳池。

第一热敏电阻41位于第一热交换器35的上游，以及测量从冷却单元61的热气端63离开并进入hru20的第一加热的流体流65的温度。优选地，第一热敏电阻41设置在125°f。第二热敏电阻43位于第二热交换器39的上游，以及当水流53进入hru20时测量水流53的温度。优选地，第二热敏电阻43设置在140°f。第三热敏电阻45被定位以测量第二加热的流体流75的温度。优选地，第三热敏电阻设置在125°f。第四热敏电阻81位于太阳能面板71的热端，以及测量第二加热的流体流75的温度。优选地，第四热敏电阻81设置在125°f。

hru20包括两个泵33、37。当第二加热的流体流75(即，从太阳能面板71的热端79离开的流)的温度大于125°f或第一加热的流体流65(即，从冷却单元61的热气端63离开的流)至少是125°f时，在制冷回路60上的第一泵33开启。不必具有高温关断。如果在泵33处的第二加热的流体流75的温度大于125°f，则在水回路50上的第二泵37开启，以及如果进入的水流53的温度大于140°f，则在水回路50上的第二泵37关断。

注意的是，泵33、泵37都与太阳能回路70连通，以及根据天气条件或冷却单元61的状况，冷却单元61可不工作。当需要家用热水但(在制冷模式下的)空调系统或热泵系统未运行时，第二泵37被优选地连线以启动第一泵33从而循环热传输流体75、77。例如，第一泵33(太阳能回路70的泵)与两个热敏电阻41(第一加热的流体流65进入的位置)、81(在太阳能面板71处的第二加热的流体流75的位置)通信以开启泵33。第二泵37(水回路50的泵)与两个热敏电阻43(水流53进入的位置)、45(第二加热的流体流75进入的位置)通信，其中：热敏电阻45用于开启泵37；以及热敏电阻43用于关断泵37。优选地，如果流65、流75中的一个的温度是至少125°f，则第一泵33一直运行，从而当加热/冷却单元61未运行时产生热水。

系统10的主要目的是使制冷剂过热以及使用所有余热来加热水。hru20应当设计成使得制冷剂热交换区域(第一热交换器35)在水热交换区域(第二热交换器39)之前，从而最大化地利用太阳能。在由发明人于2011年11月中旬在与根据本发明制作的太阳能热水和回收系统连通的2冷吨(ton)16seer的空调单元上进行的试验中，该单元的seer性能翻倍更多至约36seer(eer大约为29)。这远超出初始设备制造商可提供的seer性能。用于这个试验的条件如下：约80°f的户外温度及60％的相对湿度，约68°f的室内温度及61％的相对湿度。

因此，太阳能热水和回收系统包括：

太阳能回路，与太阳能面板以及第一热交换器和第二热交换器连通；

制冷回路，与第一热交换器以及冷却单元的制冷循环连通；以及

水回路，与蓄水器以及第二热交换器连通；

第一热交换器布置成使从冷却单元的热气端离开的第一加热的流体流与从太阳能面板的热端离开的第二加热的流体流交叉热交换，从而产生过热流体流和第一冷却的流体流；

第二热交换器布置成使进入的水流与从第一热交换器离开的过热流体流交叉热交换，从而产生加热的水流和第二冷却的流体流；

第二冷却的流体流返回至太阳能面板，第一冷却的流体流直接返回至冷却单元，加热的水流返回至蓄水器和与蓄水器连通的装置中的至少一个；

其中，以上提及的交叉热交换发生在冷却单元和蓄水器外部。

用于收集由空调单元或热泵单元(冷却单元)生成的废热的方法包括以下步骤：

将从冷却单元的压缩机的热气端离开的第一加热的流体流以及从太阳能面板离开的第二加热的流体流传送至第一热交换器；

在第一加热的流体流与第二加热的流体流之间传输热量，从而进一步地加热第二加热的流体流以及产生从第一热交换器离开的第一冷却的流体流和过热流体流；

将水流和从第一热交换器离开的过热流体流传送至第二热交换器；

在过热流体流和水流之间传输热量，从而加热水流以及产生从第二热交换器离开的加热的水流和第二冷却的流体流；

将第一冷却的流体流直接传送至冷却单元；以及

将第二冷却的流体流传送至太阳能面板；

其中，传输热量的步骤发生在蓄水器外部，加热的水流被传送至蓄水器。

现在参照图3至图9，太阳能热水回收系统10优选的实施方式，hru20安装有两个热交换器35、39，其中：一个交换器35与制冷回路60中的流体以及太阳能回路70中的流体连通，并且在制冷回路60中的流体与太阳能回路70中的流体之间传输热量；以及另一个交换器39与太阳能回路70中的流体以及水回路50中的流体连通，并且在太阳能回路70中的流体与水回路50中的流体之间传输热量。热回收单元20还包括填充阀、减压阀以及三通阀v1-v3。

与相应的中继(没有示出)连通的各个阀v1-v3允许或防止沿路径a-b、a-c、b-c流入阀内或从阀中流出。通过打开或关闭相对于某一路径a-b、a-c或b-c的阀，在水回路50或太阳能回路70中的流体可彼此交互(或不交互)以及与在制冷回路60中的流体交互(或不交互)。例如，当阀v3沿路径b-a打开(并且因此沿c-a的路径关闭)时，太阳能回路中的流体可绕过热交换器35。通过这种方式，系统10可适应多种情形——例如：冬季、春季、夏季、秋季；白天、夜晚；加热/冷却单元开启或关断；蓄水器被一个或多个装置使用或完全未使用；蓄水器处于全工作温度或低于工作温度——全部使用单个hru20以及回路50、60、70。

系统10和hru20在如下的多种模式中工作：

模式0a——所有系统关断，诸如可以是在夜间蓄水器处于它的全工作温度的情况。

模式0b——冷却单元61开启，制冷回路流体循环经过热回收单元20的第一热交换器35，在制冷回路流体与太阳能回路流体或水回路流体之间没有交互或传输。

模式1a——冷却单元61关断，以及在热回收单元20的第二热交换器39中，在太阳能回路流体与水回路50之间发生热传输，太阳能回路流体传输热量至水回路50以及绕过第一热交换器35。

模式1b——热传输与模式1a中类似，发生在第二热交换器39中的太阳能回路与水回路之间。当冷却单元61开启时，太阳能回路流体可被引导至热回收单元20的第一交换器35(也参见以下模式2)，从而与进入交换器35的制冷回路流体交互以及执行制冷剂的过热或预冷凝。当进入交换器35的太阳能回路流体比制冷剂热时，将导致制冷剂过热。当太阳能回路流体比制冷回路流体冷时，将导致制冷剂预冷凝。

模式2——水泵37关断，蓄水器51处于全工作温度。制冷回路流体在热回收单元20的第一热交换器35中与太阳能回路流体交互。当进入交换器35的太阳能回路流体比制冷剂热时，将导致制冷剂过热。当太阳能热传输流体比制冷剂冷时，将导致制冷剂预冷凝。

模式3——在太阳能回路70中绕过太阳能面板71以及水回路50被用来加热第二热交换器39中的太阳能回路流体。当前加热的太阳能回路流体随后进入第一热交换器35以使制冷剂过热。

模式4——在太阳能回路中再次绕过太阳能面板71以及制冷回路60被用来加热第一热交换器35中的太阳能回路流体(从而预冷凝从交换器35离开的制冷剂)。加热的太阳能回路流体随后进入第二热交换器39以将热量传输至水回路50。

这些模式在表1中示出，并标记了经过阀v1-v3的流动路径。具有适当控制逻辑和中继的与泵33、泵37、阀v1-v3以及传感器或热敏电阻41、43、45、81、143(传感器或热敏电阻测量由蓄水器51产生的热水的温度)通信的控制系统控制水回路50、制冷回路60以及太阳能回路70的热传输介质的流动，如，循环通过系统10或系统10的多种部件、或被阻止循环通过系统10或系统10的多种部件的热传输介质。

表1.系统10的工作模式示例