Солнечный проточный нагреватель с коллектором-аккумулятором - RU2668861C2

Чертежи

Описание

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Данная заявка испрашивает приоритет по предварительной патентной заявке №61/807,329, поданной 2 апреля 2013 года настоящими изобретателями и включенной посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в целом относится к солнечным коллекторам и, в частности, к улучшению нагрева воды при помощи энергии солнца.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известные бытовые системы хранения горячей воды обычно сочетают солнечное отопление и резервное отопление. Одна из распространенных архитектур солнечных нагревательных систем известна как термосифонная система. На фиг. 1 показана схема известной термосифонной системы. Термосифонная система, хотя экономически эффективна и удобна для использования в умеренном и теплом климате, имеет тенденцию страдать от засорения из-за накипи и коррозии. Эта система является энергетически неэффективной в условиях холодного климата из-за необходимости отапливать наружный бак до необходимой температуры (во многих случаях до 65°C в целях предотвращения риска возникновения болезни легионеров) горячей воды для бытовых нужд (DHW) и потерь тепла в связи с реверсом циркуляционной системы теплообмена в холодные периоды, например, ночью.

На фиг. 2, показана схема известной комбинированной системы, которая альтернативна термосифонной системе и более распространена в холодном климате. Комбинированная система отделяет бак 200 от коллектора 202, позволяя установить бак 200 внутри (жилого помещения). Эта конфигурация несколько снижает потери тепла в холодном климате, но все еще требует нагрева полного бака, как и в описанной выше термосифонной системе. Поскольку внешний контур 204 коллектора подвергается воздействию потенциально замораживающих температур, этот контур, как правило, заполнена гликолем. В этом случае технический регламент во многих европейских странах требует дополнительного многоступенчатого теплообменника (не показан), чтобы предотвратить риск загрязнения питьевой воды. Данный технический регламент дополнительно снижает энергетическую эффективность.

На фиг. 3, показана схема альтернативной известной комбинированной системы. Эта альтернативная комбинированная система является улучшением по сравнению с вышеописанной комбинированной системой (на фиг. 2). Эта улучшенная система преодолевает нормативное требование с архитектурой «бак в баке», но значительно повышает стоимость.

Большинство из указанных известных систем, также страдают от относительно медленной ответной реакции и колебаний температуры, когда потребитель открывает кран горячей воды, кроме тех случаев, когда дополнительные генератор потока и застойная зона входят в систему горячего водоснабжения, дополнительно повышая стоимость системы. Еще одним фактором, влияющим на степень риска солнечных нагревательных систем, является то, что трубы и коллектор замерзают. Распространенным решением этой проблемы является использование гликоля или других антифризов в контуре для исследования солнечного теплообмена. Это распространенное решение является дорогостоящим, требует периодической замены гликоля, водосточной системы и устройства предотвращения перегрева для предохранения от повреждения гликоля, а также усложнения условий регулирования, как указано выше.

Таким образом, существует потребность в создании усовершенствованной системы нагрева воды при помощи солнца, имеющей меньшую стоимость, более высокую эффективность использования энергии, и более быстрое время отклика по сравнению с известными решениями.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно принципам настоящего варианта реализации, предложена система нагрева воды при помощи энергии солнца, включающей:

первый контур;

первый датчик температуры, функционально соединенный с первым контуром и выполненный с возможностью измерения первой температуры;

первый генератор потока, выполненный с возможностью создания потока в первом контуре;

первый датчик потока, функционально соединенный с первым контуром и выполненный с возможностью измерения потока теплоносителя;

теплообменник, функционально соединенный с первым контуром и вторым контуром;

проточный водонагреватель, имеющий вход и выход, функционально соединенные со вторым контуром;

системный контроллер, выполненный с возможностью:

измерения переходного профиля температур первой температуры в первом контуре, пока запущен первый генератор потока;

осуществления нагрева воды при помощи солнца во втором контуре на основании:

потока воды во втором контуре;

текущей первой температуры и переходного профиля температур первой температуры,

посредством приведения в действие:

первого генератора потока в первом контуре; и

проточного водонагревателя во втором контуре.

В дополнительном варианте реализации,

первый контур дополнительно включает солнечный коллектор, имеющий вход и выход;

выход проточного нагревателя функционально соединен с выходом горячего водоснабжения;

теплообменник, включает:

выход первого контура;

вход первого контура, функционально соединенный с выходом солнечного коллектора;

вход второго контура, функционально соединенный с холодным водоснабжением; и

выход второго контура, функционально соединенный с входом проточного водонагревателя;

посредством чего образуют второй контур от холодного водоснабжения к входу второго контура теплообменника и от второго контура теплообменника через проточный водонагреватель к выходу горячего водоснабжения;

первый датчик температуры, функционально соединенный с выходом солнечного коллектора;

первый генератор потока:

содержащий вход, функционально соединенный с выходом первого контура теплообменника;

содержащий выход, функционально соединенный с входом солнечного коллектора; и

выполненный с возможностью при приведении в действие создавать поток теплоносителя в первом контуре от выхода солнечного коллектора к входу первого контура теплообменника первого контура и от выхода первого контура теплообменника через первый генератор потока к входу солнечного коллектора;

второй датчик потока функционально соединен со вторым контуром и выполнен с возможностью измерения потока воды во втором контуре;

в котором приводят в действие первый генератор потока в установленное время на установленный период времени;

В другом дополнительном варианте реализации, солнечный коллектор является встроенным солнечным теплоаккумулирующим коллектором (ISC). В другом дополнительном варианте реализации, встроенный солнечный теплоаккумулирующий коллектор имеет прозрачную изоляцию. В другом дополнительном варианте реализации, теплоносителем в указанном первом контуре является вода. В другом дополнительном варианте реализации, второй контур снабжается хозяйственно-питьевой горячей водой. В другом дополнительном варианте реализации, первый генератор потока является генератором переменного потока. В другом дополнительном варианте реализации, системный контроллер является пропорционально-интегральным дифференциальным (ПИД) контроллером.

Согласно принципам изобретения настоящего варианта реализации, предложен способ нагрева воды при помощи солнца, включающим шаги, согласно которым:

измеряют переходный профиль температур первой температуры в первом контуре пока первый генератор потока действует в первом контуре;

осуществляют нагрев воды с помощью энергии солнца во втором контуре на основании:

потока воды во втором контуре;

текущей первой температуры; и

переходного профиля температур первой температуры,

с помощью приведения в действие:

первого генератора потока в первом контуре; и

проточного водонагревателя во втором контуре.

Другой вариант реализации дополнительно включает шаги, согласно которым:

измеряют первую температуру в системе, содержащей:

солнечный коллектор, имеющей вход и выход;

проточный водонагреватель, имеющий вход и выход,

причем выход функционально соединен с выходом горячего водоснабжения;

теплообменник, содержащий:

выход первого контура;

вход первого контура, функционально соединенный с выходом солнечного коллектора;

вход второго контура, функционально соединенный с холодным водоснабжением;

выход второго контура, функционально соединенный с входом проточного нагревателя;

посредством чего формируют второй контур от холодного водоснабжения к входу второго контура теплообменника и от второго контура теплообменника через проточный нагреватель к выходу горячего водоснабжения;

первый датчик температуры, функционально соединенный с выходом солнечного коллектора;

первый генератор потока:

имеющий вход, функционально соединенный с выходом первого контура теплообменника;

имеющий выход, функционально соединенный с входом солнечного коллектора; и

выполненный с возможностью при приведении в действие создавать поток теплоносителя в первом контуре от выхода солнечного коллектора к входу первого контура теплообменника первого контура и от выхода первого контура теплообменника через первый генератор потока к входу солнечного коллектора;

первый датчик потока, функционально соединенный с первым контуром и выполненный с возможностью измерения потока теплоносителя;

второй датчик потока, функционально соединенный со вторым контуром и выполненный с возможностью измерения потока воды во втором контуре;

в котором первая температура измеряется с помощью первого датчика температуры;

приводят в действие первый генератор потока в установленное время на установленный период времени;

измеряют переходный профиль температур первой температуры с помощью первого датчика температуры, пока запущен первый генератор потока;

осуществляют нагрев воды с помощью энергии солнца во втором контуре к выходу горячего водоснабжения на основании:

потока воды во втором контуре;

текущей первой температуры; и

переходного профиля температур первой температуры,

с помощью приведения в действие:

первого генератора потока в первом контуре; и

проточного водонагревателя.

В другом дополнительном варианте реализации, приведение в действие происходит в установленное время, выбранное из группы, состоящей из:

периода;

каждые 60 минут;

заранее установленного времени;

на основе оценки системных измерений;

на основе алгоритмов машинного обучения, применяемых к профилям изменения температуры при неустановившемся теплообмене, улучшающих прогноз отклика профиля;

на основе профиля потока воды во втором контуре и

на основе оценки выхода горячего водоснабжения, соответствующего использованию горячей воды пользователями системы.

В другом дополнительном варианте реализации, система дополнительно включает: пятый датчик температуры функционально присоединенный к выходу горячего водоснабжения и выполненный с возможностью измерения пятой температуры; и шаг обеспечения дополнительно основан на пятой температуре, такой, что выход горячего водоснабжения имеет заранее установленную температуру выхода.

В другом дополнительном варианте реализации, система дополнительно содержит:

второй генератор потока:

имеющий вход, функционально соединенный с выходом горячего водоснабжения;

имеющий выход, функционально соединенный с холодным водоснабжением; и

выполненный с возможностью при приведении в действие создавать поток воды во втором контуре, и

шаг приведения в действие дополнительно включает приведение в действие второго генератора потока в установленное время на установленный период времени.

В другом дополнительном варианте реализации, система дополнительно включает в себя: четвертый датчик температуры функционально соединенный с выходом второго контура теплообменника и выполненный с возможностью измерения четвертой температуры, и шаг обеспечения дополнительно основан на отклике переходного профиля температур четвертой температуры.

В другом дополнительном варианте реализации, второй датчик потока измеряет отсутствие потока, дополнительно включающий шаг приведения в действие первого генератора потока и второго генератора потока, пока пятый датчик температуры измеряет предварительно заданную температуру выхода.

В другом дополнительном варианте реализации, второй датчик потока измеряет отсутствие потока, дополнительно включающий шаг приведения в действие первого генератора потока и второго генератора потока, пока первый датчик температуры измеряет предварительно заданную температуру емкости.

Другой дополнительный вариант реализации, дополнительно включает шаг приведения в действие первого генератора потока и/или второго генератора потока, пока не будут собраны предварительно обозначенные системные параметры.

В другом дополнительном варианте реализации, система дополнительно включает в себя: датчик температуры окружающей среды, выполненный с возможностью измерения температуры окружающей среды, и дополнительно включает шаг, в котором на основании температуры окружающей среды приводят в действие первый генератор потока, второй генератор потока, и проточный водонагреватель, таким образом, перенося тепло из второго контура в первый контур, повышая температуру теплоносителя.

Другой дополнительный вариант реализации, дополнительно включает шаг, в котором на основании первой температуры приводят в действие первый генератор потока, таким образом, перенося тепло из первого контура во второй контур, понижая температуру теплоносителя и предотвращая перегрев солнечного коллектора.

Другой дополнительный вариант реализации, дополнительно включает шаг, в котором на основании первой температуры приводят в действие первый генератор потока и второй генератор потока, таким образом, перенося тепло из первого контура во второй контур, понижая температуру теплоносителя и предотвращая перегрев солнечного коллектора.

Согласно настоящему варианту реализации предложен системный контроллер, выполненным с возможностью осуществления любого из признаков настоящего описания.

Согласно настоящему варианту реализации, предложен компьютерочитаемый носитель информации, имеющим внедренный в него компьютерочитаемый код для нагрева воды при помощи энергии солнца, причем компьютерочитаемый код содержит программный код для:

измерения переходного профиля температур первой температуры в первом контуре, пока первый генератор потока действует в первом контуре; обеспечения нагрева воды с помощью энергии солнца во втором контуре на основании:

потока воды во втором контуре; и

текущей первой температуры; и

переходного профиля температур первой температуры,

посредством приведения в действие:

первого генератора потока в первом контуре; и

проточного водонагревателя во втором контуре.

Предлагается принцип изобретения настоящего варианта реализации, предоставленный компьютерной программой, которая может быть загружена на сервер, подключенный через сеть к компьютеру клиента, так что сервер под управлением компьютерной программы представляет собой системный контроллер в системе согласно любому из признаков настоящего описания.

Предлагается принцип изобретения настоящего варианта реализации, предоставленный компьютерной программой, которая может быть загружена на компьютер, подключенный через сеть к серверу, так, что компьютер, на котором работает компьютерная программа, представляет собой системный контроллер в системе согласно любому из признаков настоящего описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вариант реализации описывается в данном документе только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схему известной термосифонной системы.

Фиг. 2 изображает схему известной комбинированной системы.

Фиг. 3 изображает схему альтернативной известной комбинированной системы.

Фиг. 4 изображает иллюстративную схему системы нагрева воды при помощи энергии солнца.

Фиг. 5 альтернативный и иллюстративный вариант реализации фиг. 4.

Фиг. 6А изображает таблицу, описывающую входы и выходы альтернативного варианта реализации.

Фигура 6В изображает таблицу, описывающую альтернативный вариант реализации системных параметров с иллюстративными функциями, типами и диапазонами.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Принципы и работа системы согласно настоящему варианту реализации могут быть лучше поняты со ссылками на чертежи и прилагаемое описание. Настоящее изобретение представляет собой систему для нагрева воды с использованием энергии солнца. Система обеспечивает предоставление горячей воды пользователю, снижая стоимость, повышая энергетическую эффективность и увеличивая время отклика по сравнению с известными системами, а также снижая потери энергии и повышая комфорт пользователя.

Инновационная базовая архитектура состоит из четырех основных компонентов:

солнечный коллектор,

теплообменник,

проточный водонагреватель и

система управления.

Эти четыре основных компонента используются как индивидуально, так и в различных известных решениях, однако, текущий вариант реализации - это инновационное сочетание, предлагающее решение давно существующей потребности в области нагрева воды при помощи солнца. Особенности текущего варианта реализации по сравнению с известными решениями, включают:

Предотвращение риска возникновения Легионеллы путем разделения на первый контур и второй контур.

Отсутствие замерзания благодаря внедрению последовательности предотвращений замораживания.

Отсутствие перегрева благодаря объемной теплоемкости централизованного накопительного солнечного коллектора.

Отсутствие гликоля, требуемого в первом контуре или во втором контуре.

Отсутствие накипи или коррозии из-за закрытого первого контура.

Быструю реакцию на время изменения температуры из-за регулирования контура с упреждением.

Снижение потребления энергии насоса.

Низкую начальную стоимость.

Уменьшенную площадь подвала.

DHW температура комфортна и стабильна в колеблющихся потоках.

В то время как любой солнечный коллектор может быть использован в текущем варианте реализации (например, "стандартный" / плоский коллектор), система будет описана с помощью предпочтительного варианта реализации, в котором солнечный коллектор является встроенным солнечным теплоаккумулирующим коллектором (ISC). Встроенный солнечный теплоаккумулирующий коллектор, как известно в данной области техники, и его типовые реализации включают в себя интегрированный модуль аккумулирования тепла. Специалист в данной области техники поймет, что возможны другие варианты реализации, например, модуль аккумулирования тепла может быть размещен в другом месте первого контура или второго контура. В другом предпочтительном варианте реализации, встроенный солнечный теплоаккумулирующий коллектор включает использование прозрачной изоляции с возможностью снижения радиационных, конвективных и кондуктивных тепловых потерь в окружающую среду. Пример прозрачной изоляции солнечного нагревателя с коллектором-аккумулятором показан в US 2010000143201, включенной путем ссылки в полном объеме. При этом вариант реализации может быть использован для нагрева жидкости для различных приложений, например в текущем описании используется предпочтительный вариант реализации, обеспечивающий горячее водоснабжение (DHW). Для наглядности в текущем описании, вода используется как теплоноситель в первом контуре между встроенным солнечным теплоаккумулирующим коллектором и теплообменником.

Ссылаясь теперь на чертежи, на фиг. 4 изображена иллюстративная схема системы 400 нагрева воды при помощи энергии солнца. Более толстые линии представляют потоки воды и/или теплоносителя, а более тонкие линии - данные входного/выходного потока соединения. Холодная вода для хозяйственных нужд (DCW) поступает на вход второго контура 402 из системы 400. Входной поток холодной воды для хозяйственных нужд (DCW) измеряется датчиком F2 входного потока и температура входного потока холодной воды для хозяйственных нужд (DCW) измеряется датчиком Т3 температуры входного потока холодной воды для хозяйственных нужд (DCW). Теплообменник (HEX) 408 передает тепло между входящей холодной водой для хозяйственных нужд (DCW) во втором контуре 402 и первом контуре. Теплообменники являются известными в данной области и доступны из коммерческих источников. На основе текущего описания, специалист сможет выбрать подходящий теплообменник для конкретной реализации. Температура воды на выходе из теплообменника (HEX) во втором контуре 402 измеряется с помощью четвертого датчика Т4 температуры. Проточный нагреватель 404 может быть использован для нагрева воды из теплообменника (HEX) для горячей воды для хозяйственных нужд (DHW). Датчик Т5 температуры DHW измеряет температуру воды из проточного водонагревателя 404, которая поставляется как горячая вода для хозяйственных нужд (DHW). Фактическая температура подаваемой горячей воды для хозяйственных нужд (DHW) является температурой на выходе T_вых. Как правило, предпочтительная и/или необходимая температура (T_hot_water) горячей воды для хозяйственных нужд (DHW) задается заранее, например, приравнивается к 55°C. В первом контуре 401, расход теплоносителя (который в иллюстративном описании является водой) измеряется с помощью датчика F1 потока первого контура. Второй датчик температуры измеряет температуру воды в первом контуре 401 из теплообменника (HEX), поступающей от ПИД. Первый датчик Т1 температуры измеряет температуру воды в первом контуре 401, выходящей из потока встроенного солнечного теплоаккумулирующего коллектора на теплообменнике, которая, как правило, соответствует температуре воды во встроенном солнечном теплоаккумулирующем коллекторе. Температура окружающей среды от встроенного солнечного теплоаккумулирующего коллектора измеряется с помощью датчика T_{окр.сред.} температуры. Генератор G1 потока первого контура, может быть внедрен между датчиком F1 потока и вторым датчиком Т2 температуры. Приведение в действие генератора G1 заставляет воду течь в первый контур 401, что направляет тепло в первый контур 401. Аналогичным образом, генератор G2 потока второго контура может быть внедрен от А) между Т5 и DHW Б) между F2 и Т3.

Приведение в действие G2 заставляет воду течь во второй контур 402, направляя тем самым тепловой поток во второй контур 402. Предпочтительно, генераторы потока являются генераторами переменного потока.

Системный контроллер 406 предпочтительно соединен со всеми датчиками температуры (T1, Т2, Т3, Т4, Т5, T_{окр.сред.}), генераторами потока (G1, G2), и проточным водонагревателем (404). Системные параметры включают, но не ограничиваются какой-либо информацией от компонентов системы, таких как температура (T1, Т2, Т3, Т4, Т5, T_{окр.сред.}), скорости потока (F1, F2), предварительно определенные значения, значения, которые изменяются в процессе эксплуатации, пользовательская информация и пользовательский ввод. Параметры системы могут также включать производные параметры, например совокупности параметров измеренных значений, зависят от времени (t), такие как переходные тепловые совокупности параметров. Измерение отсутствия потока с помощью датчика потока указывает, что для соответствующего контура потока датчик не запущен, другими словами теплоноситель или вода не течет и не циркулирует в трубах этого контура.

На основе текущего описания, специалист сможет спроектировать и ввести в эксплуатацию реализацию для удовлетворения потребностей конкретного применения, включая, но не ограничиваясь: добавлением дополнительных датчиков, использованием меньшего количества датчиков, изменением местоположения генераторов потока, добавлением или использованием меньшего количества генераторов потока, и добавлением или использованием меньшего количества управляющих соединений.

Отметим, что в нынешнем описании одно и то же обозначение используется для датчика и параметра величины, измеряемого этим датчиком. Например, температура на входе датчика Т3 температуры холодной воды для хозяйственных нужд, измеряет температуру входной холодной воды для хозяйственных нужд (DCW), указанную в данном описании в качестве входной температуры Т3. Использование обозначения для устройства или измеряемого параметра устройства, будет очевидно из контекста использования этого обозначения.

Профили измеряемых значений, как правило, зависят от времени (t), и используют общие обозначения от T3(t), где T3(t) - это изменяющиеся во времени значение температуры Т3, измеренной датчиком Т3 входной температуры холодной воды для хозяйственных нужд (DCW).

В текущем варианте реализации, системный контроллер 406 действует, прежде всего, на основе количества энергии, связанной с компонентами системы 400. Потребляемая мощность

где

Эта потребляемая мощность будет идти в основном от встроенного солнечного теплоаккумулирующего коллектора через первый контур 401 и дополняться по мере необходимости проточным водонагревателем 404, так что P_потр - это сумма P₂, мощности во втором контуре 402 и P_h, мощность проточного водонагревателя 404, то есть:

Когда кран горячей воды для хозяйственных нужд (DHW) открыт, входной поток F2 определяется с помощью датчика F2 входного потока, и таким образом системным контроллером 406. Сигнал посылается от системного контроллера 406 в генератор G1 потока первого контура. Мощность Р2 во втором контуре 402 определяется:

Если первая температура T1 и вторая температура T2 измерены сколь угодно близко к теплообменнику (HEX), то мощность Р2 полученная во втором контуре 402, принимается равной мощности Р1 в первом контуре 401, а именно:

Следовательно, мощность P_h, необходимая проточному водонагревателю 404 может быть определена из уравнения:

В стационарном режиме, описанная выше работа системы позволяет определить мощность P_h проточного нагревателя. В первом случае, т.е. когда температура воды встроенного солнечного теплоаккумулирующего коллектора достаточно высока, необходим поток F1 первого контура, который можно определить с помощью приравнивая мощности в двух петлях (P₁ в петле 400 первого контура и P₂ во втором контуре 402):

Упреждающее управление контуром

Характерные системы управления проточным нагревателем на температурной обратной связи от датчика температуры горячей воды для хозяйственных нужд (DHW) используют логику стандарта ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциального) регулирования. Однако, существует неизбежное отставание по времени между сигналом от датчика горячей воды для хозяйственных нужд (DHW) и ответом, из-за неопределенности конечного объема и температуры воды в трубопроводах и теплообменнике, а также неизвестной температуры, т.е. теплоемкости, хранящейся в солнечном коллекторе. Следовательно, существует необходимость в управлении с упреждением для повышения производительности известных водяных систем отопления с использованием солнца.

На практике, хотя T_вых устанавливается постоянной и температура Т3 изменяется очень медленно, в течение дня или сезона, температуры T1 и T2 могут быстро меняться в зависимости от количества энергии в настоящее время, которое хранится в солнечном коллекторе/модуле аккумулирования тепла. Вариант реализации системной реализации управления с упреждением для нагрева воды при помощи энергии солнца приводится в действие в первом контуре 401. Периодически, например каждые 60 минут, генератор G1 потока первого контура, может быть запущен системным контроллером 406 в режиме упреждающего управления, которое направляет поток тепла в теплообменник (HEX) в течение короткого периода. Короткий период может быть предварительно определен или рассчитан для каждого периодического приведения в действие G1, основанный на системных параметрах. Периодическое приведение в действие может позволить двум параметрам быть измеренными и обновленными в системном контроллере 406: 1) Температура воды в хранилище коллектора, (соответствует T1, как описано выше) и скорость, с которой температура T1 изменяется со временем, когда включается поток F1 первого контура (то есть когда приводится в действие генератор G1 потока петли первого контура). Эти два параметра могут быть использованы для управления в упреждающем режиме переходного профиля температур проточного нагревателя от P_h(t) и поток F₁(t) первого контура в первом контуре 401, когда кран горячей воды для хозяйственных нужд (DHW) открыт и поток обнаружен датчиком F2 входного потока. Это событие также позволяет обновить переходный профиль температур P_h(t) во время между периодически генерируемым потоком событий (периодически приводя в действие первый контур 401).

В альтернативном варианте реализации управление с упреждением может быть применено для второго контура 402. В этом случае, периодически, например каждые 60 минут, приводят в действие оба генератора потока G1 и G2, позволяя всем системным параметрам измеряться и обновляться в системном контроллере 406. Обновление включает обновление температуры воды в стационарном состоянии в первом контуре 401 (то есть температуры T1), температуры воды в стационарном состоянии во втором контуре 402 (то есть температура T4), и скорость, с которой температура T4 повышается со временем, когда поток включен, называемую откликом переходного профиля температур T4(t). Обновленные параметры могут использоваться системным контроллер 406 для управления переходным профилем температур от P_h(t) и/или F₁(t), когда кран горячей воды для хозяйственных нужд (DHW) открыт и поток обнаружен датчиком F2 входного потока. Возможное улучшение этого альтернативного варианта реализации - это использование алгоритмов машинного обучения, таких как генетические алгоритмы или нейронные сети, контролирующие отклики переходного профиля температур с течением времени и повышающие упреждение отклика профиля. Это позволяет устанавливать мощность P_h проточного нагревателя, не дожидаясь ответа от датчика температуры Т5 горячей воды для хозяйственных нужд, и только когда температура T5 стабилизируется при T_вых, P_h можно вернуть системному контроллеру 406 управления приводимого в действие датчиком Т5.

Функция предварительного нагрева

Для того, чтобы свести к минимуму время ожидания между моментом открытия крана горячей воды для хозяйственных нужд (DHW) и время, когда горячая вода доступна пользователю, текущий вариант реализации позволяет дополнительно включать функцию предварительно нагрева. Эта функция предварительного нагрева включается с помощью генератора G1 потока первого контура и затем спустя короткое время (короткий срок основывается на прогнозе отклика переходного профиля температур T4(t)) включает генератор G2 потока второго контура, который вырабатывает поток во втором контуре 402.

Альтернативно, одновременно с приведением в действие генератора G1 потока первого контура вводится в действие генератор G2 потока второго контура. Эта функция предварительного нагрева также может быть регулирующей температуру на основе либо Т5 или Т1, так что при заданных часах предварительного нагрева функция работает, когда температура опускается ниже заданного значения. Альтернативно, функция предварительного нагрева может быть запущена посредством внешнего сигнала, такого как выключатель света в ванной комнате и др.

Функция предотвращения замерзания

Текущий вариант реализации может дополнительно или альтернативно включать функцию предотвращения замерзания, предотвращая замерзание встроенного солнечного теплоаккумулирующего коллектора или трубопроводов в первом (внешнем) контуре или втором контуре 402. В этом случае контролируется температура, включающая температуру окружающей среды T_{окр.сред.}, или альтернативную температуру T1. Когда одна из контролируемых температур опускается ниже заданного значения, то система 400 эксплуатируется в реверсе. Реверс системы 400 включается с помощью приведения в действие проточного нагревателя 404, генератора G1 потока первого контура 401 и генератора G2 потока второго контура 402, образовывающего поток во втором контуре 402. Теплообменник (HEX) действует в обратном направлении, толкая теплую воду, нагреваемую проточным нагревателем 404 в ПИД и предотвращая замерзание воды (теплообмен жидкости) в первом контуре 401. Альтернативным индикатором запуска функции защиты от замерзания (режим работы) может быть то, что температура во встроенном солнечном теплоаккумулирующем коллекторе (как определено с помощью события упреждающего управления) опускается ниже заданного значения. Функции предотвращения замерзания позволяет использовать воду, в частности только воду, а не воду/гликоль в первом контуре 401, тем самым, обеспечивая функционирование первого контура без антифриза.

В целом, реализация текущего варианта системы нагрева воды при помощи солнца включает в себя первый контур и второй контур. Первый контур включает в себя:

первый датчик температуры функционально связанный с первым контуром и выполненный с возможностью измерения первой температуры;

первый генератор потока, выполненный с возможностью вырабатывания потока в первом контуре; и

первый датчик потока, функционально связанный с первым контуром и выполненный с возможностью измерения потока теплоносителя.

Теплообменник, функционально связанный с первым контуром и со вторым контуром. Второй контур включает в себя проточный нагреватель воды, имеющий вход и выход. Системный контроллер выполнен с возможностью:

измерения переходного профиля температур первой температуры в первом контуре, пока запущен первый генератор потока;

обеспечение нагрева воды при помощи энергии солнца во втором контуре на основании:

потока воды во втором контуре; текущей первой температуры; и переходного профиля температур первой температуры,

посредством приведения в действие:

первого генератора потока в первом контуре; и

проточного водонагревателя во втором контуре.

АЛЬТЕРАТИВНЫЕ И ИЛЛЮСТРАТИВНЫЕ ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ

Ссылаясь теперь на фиг. 5, показан альтернативный и иллюстративный вариант реализации описанного выше варианта реализации по фиг. 4. Помимо четырех основных компонентов базовой системы, текущий вариант 501 реализации состоит из трех основных подсистем:

солнечный коллектор, предпочтительно на основе прозрачной изоляции. Коллектор включает в себя иллюстративный ~ 300-литровый, не находящийся под давлением бак для хранения с площадью 4.6 м² приемной зоны. Этот коллектор не включает датчики температуры или нагревательные элементы, что позволяет коллектору использовать отсутствующие датчики и/или активные элементы. Вода в баке для хранения находится в замкнутой циркуляции с модулем пресной воды (FWM), который использует водопроводную воду или водо/гликолевую смесь.

Модуль пресной воды (FWM), включает теплообменник (HEX) 508, проточный нагреватель 504, основной циркуляционный насос G3 (предпочтительно высоко эффективный, с регулируемой скоростью), дополнительный циркуляционный насос G4, блок датчиков регулирования скорости потока (VFS), сухие скважины для датчиков на всех местоположениях датчиков, закрытый расширительный сосуд 528, регулятор 522 давления, и модуль смешивания компонентов (не показан), запорные клапаны (не показаны), предохранительные клапаны (включающие регулятор давления 522, 524), клапан 520 для выпуска воздуха (также используются для защиты от перегрева), и сливной клапан 526.

система управления 506.

Текущий вариант реализации использует аккумулирование солнечной энергии (от блока коллектора) когда это возможно, и дополняет требуемое тепло с помощью проточного электрического водонагревателя 504 в целях достижения оптимального комфорта пользователя. Система управления 506 предназначена для поддержания оптимального комфорта пользователя и эффективного использования энергии, а также, чтобы обеспечить надежность и безопасность всей системы. Кроме того, система будет выводить пользователю данные, и позволит дистанционно управлять и иметь доступ. Для наглядности, соединения от системного контроллера 506 к датчикам и другим компонентам, не показанным в текущей фигуре.

Большинство элементов, показанные на текущей фигуре, сопоставимы с ранее описанными элементами, включают:

коллектор 500 - встроенный солнечный теплоаккумулирующий коллектор (ISC)

первый контур 501 (также известный как "коллекторный цикл") -первый контур 401

второй контур 502 (также известный как "цикл горячей воды для хозяйственных нужд (DHW) ") - второй контур 402

проточный водонагреватель 404 - электрический водонагреватель (ЕН) 504

контроллер 506 - системный контроллер 406

теплообменник (HEX) 408 - теплообменник (HEX) 508

датчик потока с переменной скоростью течения (температурой) VFS(T) - Т5

третий генератор G3 потока - первый генератор G1 потока

четвертый генератор G4 потока - второй генератор G2 потока

Фиг. 5 дополнительно включает в себя:

Датчик потока с переменной скоростью течения (расходом) VFS(F), похожий по функциональности на первый датчик F1 потока и второй датчик F2 потока, но для оперативного обнаружения потока горячей воды для хозяйственных нужд (DHW).

Датчик температуры S9 оперативного измерения температуры обратной вторичной циркуляции.

Датчик температуры S8 оперативного измерения температуры холодной воды для хозяйственных нужд (DCW) (в теплообменнике).

Описанный выше модуль пресной воды (FWM) и связанные компоненты.

На фиг. 6А показана таблица с описанием входов и выходов нынешнего варианта реализации, и на фиг. 6В показана таблица с описанием системных параметров с иллюстративными функциями, типами и диапазонами. Текущий вариант реализации может поддерживать различные функции, реализуемые контроллером 506, в том числе:

1. Нормальная эксплуатация:

а. Электрическое отопление поддерживается

б. Не поддерживается (только солнечное отопление)

в. Только электрическое отопление (отсутствует солнечное отопление)

2. Использование циркуляции в ожидаемом направлении

3. Сбор данных

4. Предварительное нагревание бака

5. Предотвращение замерзания

6. Предотвращение перенагревания (ОНР):

а. ОНР1 циркуляция - только первый контур 501

б. ОНР2 предел - извлечение воды из первого контура 501 и охлаждение с помощью второго контура 502

Иллюстративные реализации функций описываются ниже.

Функция 1: «Нормальная эксплуатация»

В текущей функции, горячая вода потребляется пользователем, с

помощью открывания водопроводного крана (горячей воды для хозяйственных нужд (DHW)). Когда воду сливают, горячая вода от коллектора циркулирует в целях поддержания необходимой температуры водопроводной воды. Электрическое отопление добавляется по мере необходимости. Триггер, входы, параметры и выходы могут быть сведены в следующей таблице:

Основной насос (третий генератор G3 потока) и электрическое отопление (электрический водонагреватель ЕН 504) приводятся в действие с максимальной мощностью, обеспечивая максимальный комфорт пользователю подаваемой горячей водой для хозяйственных нужд (DHW). Когда температура VFS(T) достигает значения T_hot_water, электрический водонагреватель 504 выключается. Когда температура S4 достигает T_hot_water + 2 градуса, скорость основного насоса (G3) регулируется для поддержания температуры S4 (чтобы избежать колебаний от электрического водонагревателя). Электрический нагреватель можно включать по мере необходимости. Если температура S1 горячей воды из коллектора 500 холоднее, чем холодная вода для хозяйственных нужд (DCW) (S8) по истечении заранее определенного времени стабилизации (X_s), такого как 30 секунд, главный насос G3 будет выключен и запустится только через электрический водонагреватель (ЕН) 504 по мере необходимости (благодаря ПИД-регулятору 506).

Функция 2: «Эксплуатация циркуляции в ожидаемом направлении»

В текущей функции, система выполняет предварительный нагрев посредством циркуляции воды в направлении ожидаемого получения воды (использование горячей воды для хозяйственных нужд (DHW)). Вода в обоих контурах (первый контур 501 и второй контур 502) нагревается для использования ожидаемого (предполагаемого) получения воды. Нагревание воды в контурах начинается тогда, когда срабатывает внешний триггер (например, включение в ванной света) или в заранее установленное время выпуска воды, в целях повышения комфорта пользователя и времени отклика.

Триггер, входы, параметры и выхода могут быть сведены в следующую таблицу:

Оба насоса (G3 и G4) приводятся в действие (основная и добавочная циркуляция) для циркуляции горячей воды и тепла в системе. Циркуляция продолжается в течение предварительно заданного количества времени (X_s секунд).

Функция 3: "Сбор данных"

В текущей функции, данные собираются от датчиков путем циркуляции воды в первом контуре 501 и/или втором контуре 502. Эта функция может быть использована для того, чтобы подготовить систему для ожидаемого использования, и проверить систему защиты от замерзания или перегрева. Температуры измеряются в некоторых и/или во всех датчиках по мере необходимости, отправляя контроллеру, и сохраняясь для анализа данных.

Триггер, входы, параметры и выходы могут быть сведены в следующую таблицу:

Циркуляция воды в обоих контурах (первом контуре 501 и втором контуре 502) обеспечивает измерение температуры всех датчиков (кроме измерения холодной воды для хозяйственных нужд (DCW) - S8). Оба насоса приводятся в действие, предпочтительно с одинаковой скоростью, в течение определенного периода времени (X_meas_Iength) для стабилизации. Измерения считываются и сохраняются в контроллере, начиная с определенного "времени сбора данных" (Data_collect_time) и в последующие разы, например через каждые 2 часа (в смысле, каждые 2 часа круглосуточно).

Основываясь на этих данных, могут быть запущены другие функции, такие как предотвращение замерзания, предотвращение перенагревания, предварительное нагревание бака.

Функция 4: «Предварительное нагревание бака»

В текущей функции, обратное нагревание воды в баке коллектора выполняется в направлении ожидаемого использования. Обратное нагревание воды в баке коллектора может быть необходимо для того, чтобы быть в состоянии обеспечить требуемую температуру воды во время выпуска.

Триггер, входы, параметры и выходы могут быть сведены в следующую таблицу:

Контроллер может решить запустить обратное нагревание на основе такой информации, как запрашиваемое количество душевых пользователями в заранее установленное время и на системном статусе. В этом случае будут запущены электрическое отопление и оба насоса, так что в коллекторе будет нагреваться вода, поступающая из электрического нагревателя, через теплообменник. Начало отопительного времени, и продолжительность будут определены на основании последних сохраненных данных, и на основании перерыва между последним измерением и ожидаемым временем слива теплоносителя первого контура, который нагревается до заранее определенной температуры использования бака (Tank_use_temp).

Функция 5: «Предотвращение замерзания»

В текущей функции, вода циркулирует в целях предотвращения замерзания воды в трубах, в частности в первом контуре 501. В целях предотвращения замерзания воды в трубах и блокирования циркуляции воды, вода должна находиться выше минимальной температуры (Water_min_temp). При необходимости, на основе собранных данных, вода должна циркулировать в обоих контурах в целях нагревания воды и предотвращения замерзания.

Триггер, входы, параметры и выходы могут быть сведены в следующую таблицу:

Основываясь на температурах, измеряемых во время сбора данных или выпуска воды, замерзание воды может быть предотвращено путем циркуляции воды в обоих контурах. Оба насоса (G3, G4) будут запущены, до тех пока достигается минимально необходимая температура воды (Water_min_temp) во всех температурных датчиках. В случае, если температура окружающей среды очень низкая, временной разрыв между сбором данных измерений может быть временно снижен (Critical_amb_temp).

Функция 6: «Предотвращение перенагревания»

В текущей функции, вода циркулирует в целях предотвращения перегрева коллектора. В целях предотвращения перегрева коллектора, вода в баке должна находиться до максимальной заранее определенной температуры (Water_max_temp). При необходимости, на основе собранных данных, вода должна циркулировать в первом контуре для того, чтобы передавать энергию воде второго контура и уменьшать нагрев воды в коллекторе. В более тяжелых случаях, когда эта циркуляция не снижает температуру по мере необходимости (не удается в достаточной мере снизить температуру), второй контур также циркулирует, пока холодная вода (DCW) добавляется в циркуляцию. Вода в первом контуре охлаждается через теплообменник.

Триггер, входы, параметры и выходы могут быть сведены в следующую таблицу:

Основываясь на температурах, измеряемых во время сбора данных или спуска воды, перегрев коллектора может быть предотвращен путем циркуляции воды в первом контуре, или в обоих контурах, по мере необходимости. В первой, основной насос G3 приводится в действие и начинается циркуляция воды в первом контуре. Если этого недостаточно (непригодно), вода также циркулирует во втором контуре, при добавлении холодной воды. Насосы запущены до тех пор, пока достигается максимально допустимая температура воды (Water_max_temp) в датчике измерения температуры воды, выходящей из коллектора (S1).

Следует обратить внимание на то, что возможны различные модули для реализации и переработки, в зависимости от применения. Описанные выше функции модуля могут быть объединены и реализованы в виде модулей или разделены на подфункции и реализованы как большое количество модулей. Основываясь на приведенном выше описании, специалисты в данной области техники смогут разработать реализацию конкретного применения.

Следует обратить внимание на то, что описанные выше примеры, числа и примерные расчеты помогут в описании этого варианту реализации. Неумышленные опечатки, математические ошибки, и/или использование упрощенных расчетов не приуменьшают полезность и основные преимущества изобретения.

К объему прилагаемой формулы изобретения был составлен черновик без множественных зависимостей, причем это было сделано только для того чтобы согласовать формальные требования в юрисдикциях, которые не разрешают подобные множественные зависимости. Следует обратить внимание на то, что все возможные комбинации признаков, которые вытекают из перевода на другой язык множественных зависимостей формулы, прямо предусматриваются и должны рассматриваться как часть изобретения.

Следует иметь в виду, что приведенное выше описание предназначено только в качестве примеров, и что многие другие варианты являются возможными в пределах объема настоящего изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.

Реферат

Настоящее изобретение в целом относится к солнечным коллекторам и, в частности, к улучшению нагрева воды при помощи энергии солнца. Система нагрева воды содержит: первый контур, включающий солнечный коллектор, имеющий вход и выход; первый датчик температуры, функционально соединенный с первым контуром и выполненный с возможностью измерения первой температуры; первый генератор потока, выполненный с возможностью создания потока в первом контуре; первый датчик потока, функционально соединенный с первым контуром и выполненный с возможностью измерения потока теплоносителя; теплообменник, содержащий: выход первого контура; вход первого контура, функционально соединенный с выходом солнечного коллектора; вход второго контура, функционально соединенный с холодным водоснабжением; и выход второго контура, функционально соединенный с входом проточного водонагревателя; посредством чего образован второй контур от холодного водоснабжения к входу второго контура теплообменника и от выхода второго контура теплообменника посредством проточного нагревателя к выходу горячего водоснабжения; проточный водонагреватель, имеющий вход и выход и функционально соединенный со вторым контуром; системный контроллер, выполненный с возможностью: измерения переходного профиля температур первой температуры в первом контуре, пока действует первый генератор потока; обеспечения нагрева воды при помощи солнца во втором контуре на основании: потока воды в указанном втором контуре; текущей первой температуры и переходного профиля температур первой температуры, помощью приведения в действие: первого генератора потока в первом контуре и проточного водонагревателя во втором контуре. Это позволяет создать систему нагрева воды при помощи солнца, имеющую более высокую эффективность использования энергии, и более быстрое время отклика. 6 н.з. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула