专利名称：太阳能－热泵复合、分级加热式储能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-热泵复合、分级加热式储能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，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，就需要解决储能问题并借助于其它辅助能源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为主来完成，若采用高位的电能来完成是对能源资源的一种浪费，因此，在采用太阳能热水的系统中，保证最大程度地利用太阳能并实现系统有效储能是系统性能的主要指标之一，同时还要保证热水输出温度满足行业标准要求保持在45℃以上，能全年全天侯使用，即至少能保证能全年365天24小时供应45℃以上热水，可能的条件下还应能按365天24小时供应次级温度如30℃-40℃的热水；其次，在选择使用电加热装置时，应使得装置能充分使用谷电时段的电能，以保障装置的运行费用最低；此外，应能降低装置设置成本，并同时取得最大的安装使用适应性，有利于达到与建筑的一体化结合。
现有技术解决太阳热水系统的储能手段主要是通过增大储能水箱的体积或增加储能介质的单位体积储能密度，其中，在采用增大储能水箱体积方面，已公布的CN1403760A”多能互补能源系统”中介绍了一种包括太阳能集热和辅助能源与采用蓄能水箱进行供热、供冷的技术方案，其采用的蓄能水箱包括热水室与冷水室，两者间用绝热材料隔开，太阳能集热系统与地源热泵系统分别同蓄能水箱连接。按其附图等所示，该方案中热水的制作与热水的使用是采用实时制，因此为了保障太阳能集热系统与蓄热水箱间的换热正常进行，在输出额定产量热水的同时必须输入相同量的冷水，由于冷量随时进入，采用正常尺寸的非蓄热水箱难以达到按全年365天24小时保障供应45℃设计额定热水量的要求，此外，阳光天随着蓄热水箱上部水温不断上升，这种太阳能集热系统的集热效率不断下降，一般在晴天近中午时即已如此，因此，系统的整体热性能较低；若采用增大储热水箱体积的方式来储能，则储热水箱的下半部分始终是温度较低的水，未对每天的热水输出有足够的贡献，且低热温水更容易产生细菌繁殖污染供水，没有一定的分层保温技术措施，冷热水储存易相混，上部的水也不容易达到要求的输出温度，水箱的体积浪费太大，加之热水室与冷水室独立设置季节性使用，使得其利用率大大降低，设置成本过高。
辅助加热采用电热泵技术的特点是节能，同样热电效率下耗电是一般电加热元件的三分之一或以下，但电热泵工作的效率受要求加热温度与热源温度范围的限制，低于临界温度时还会结霜，加热温差过大时设备易损坏，由于电能的紧缺，还应尽可能采用低谷时段的电能来驱动电热泵完成热水制作等工作。
为了解决上述问题，本人在申请号200510025652.1的发明专利申请中提出了一种太阳能集热与电加热的热水装置，采用太阳能集热器，热泵，电加热元件等组成，经太阳能集热器、或热泵、或电加热元件分别所制的定量的热水储存于水箱中，以使得所制的热水可以通过分时工作方式实现储存供应，保证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。采用这种技术方案的热水装置在实际应用中也遇到了一些问题，如当建筑屋面太阳能集热器安装面积受到限制的情况下，难以保证最大程度地利用太阳能，同时，太阳能利用能量不足的部分则势必要采用热泵来做补充，因此，需要有足够的低价能源如低谷电供应来作保证，这对于家庭用户进线电流容量固定的情况下，夜间又难以取得足够的低谷电供应；同时，为了取得储能降成本效果，水箱的体积会需要做得较大，这样便增加了热水装置的设置成本；对于大型的集中热水装置，增加水箱的体积除了会增加设置成本，还会产生屋顶安装和安装面承载能力的问题，并使太阳能集热器安装面积减少，因而使其应用的安装适应性受到影响。
发明内容
发明的目的在于提供一种太阳能-热泵复合的分级加热式储能热水制作方法，利用太阳能、热泵、电加热装置三种加热方法作分时工作下的组合制作热水，在满足装置能按365天24小时供应45℃或以上热水的标准下，使装置尽可能多地利用太阳能加热，然后才利用热泵能源或峰谷电能源加热，并采用分级加热制得成本最低的设定产水量，用作不同温度等级热水的储能与分时供应；在集热器安装面积不足时，可按次级温度设置集热器输出水温以提升集热效率，并能解决水箱集中屋顶安装的载荷分布问题，降低装置设置成本与扩大装置的安装适应性。
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，利用太阳能集热器、热泵、电加热装置、水箱和控制单元等组成分时工作下的加热结构组合，在满足装置能按365天24小时供应45℃以上热水的标准下，使装置尽可能多地利用太阳能加热，然后才利用热泵能源或峰谷电能源加热，并采用分级加热取得最低成本，通过分时工作预先加热与分级加热的方式所制成的热水可以实现按不同设定温度等级热水的储能与分时供应；在集热器安装面积不足时，可按次级温度设置集热器输出水温以提升集热效率，并能使储能水箱分离设置，降低装置设置成本与扩大装置的安装适应性。
本发明的太阳能-热泵复合的分级加热式储能热水制作方法的目的，可以采用以下技术方案来实现太阳能-热泵复合、分级加热式储能的热水制作方法，包括采用太阳能集热器进行加热的方法、热泵加热的方法和电加热装置加热的方法，其特征在于，热水制作过程可以是经太阳能集热器、或热泵、或电加热装置同时或分别对分级加热式集热器循环加热水箱、分级加热式汇流热水箱中的水进行分级加热的组合，并且，热水的制作与热水的使用采用分时制，即经周期性分级加热所制得的定量的热水预先制作后储存在分级加热式汇流热水箱及储能水箱中用作下一个周期的分时热水供应。所述的经太阳能集热器、或热泵、或电加热装置同时或分别对集热器循环加热水箱、分级加热式汇流热水箱中的水进行分级加热的组合包括阳光天可全部采用太阳能集热器进行加热和储存热水，夜间峰谷电时段可采用热泵或电加热装置进行补充加热和储存热水，无阳光的非峰谷电时段可根据定量的热水储量设置需求采用热泵进行即时加热和储存热水。
本发明的实现太阳能-热泵复合的分级加热式储能热水制作方法的专用装置，可以采用以下装置的技术方案来实现采用太阳能-热泵复合、分级加热式储能热水制作方法的专用装置，由太阳能集热器，水泵、热泵，电加热装置、水箱和控制单元等组成，其特征在于，所述的水箱由集热器循环加热水箱、分级加热式汇流热水箱及储能水箱所组成，太阳能集热器与集热器循环加热水箱相连接，集热器循环加热水箱与分级加热式汇流热水箱相连接，分级加热式汇流热水箱与储能水箱连接，热泵、电加热装置与水箱相配置，太阳能集热器、水泵、热泵的启动控制及电加热装置分别与控制单元电连接。所述的储能水箱是一个以上的水箱，储能水箱包括分级加热式温水储热水箱及终温储热水箱，分级加热式汇流热水箱与分级加热式温水储热水箱及终温储热水箱间的连接是并联连接。所述的集热器循环加热水箱可以是一个或以上，一个或以上的集热器循环加热水箱经相互连接后的最后一个集热器循环加热水箱可以同时兼作分级加热式汇流热水箱。所述的热泵、电加热装置与水箱相配置是在分级加热式水箱上及水箱外设有热泵或电加热装置。所述的热泵是包括一个或一个以上的热泵，一个或一个以上的热泵配置在包括分级加热式汇流热水箱与终温储水箱两者上及两者之间组成分级加热热泵，且分级加热热泵之间可形成直接或间接的串联连接。所述的分级加热式温水储热水箱与终温储热水箱间还可设有与其并联的旁路管路，该旁路管路上带有从分级加热式温水储热水箱向终温储热水箱供水或加热供水的单向阀。所述的分级加热式汇流热水箱与分级加热式温水储热水箱及终温储热水箱间的并联连接供水管路上均设有电控开关阀。所述的分级加热式温水储热水箱及终温储热水箱上均设有供水输出连接管，该供水输出连接管上还可设置热水增压泵。
本发明的太阳能-热泵复合的分级加热式储能热水制作方法的优点是由于采用的热水制作过程可以是经太阳能集热器、或热泵、或电加热装置同时或分别对集热器循环加热水箱、分级加热式汇流热水箱及储能水箱进行分级加热的组合，并且，热水的制作与热水的使用采用分时制，即经周期性分级加热所制得的定量的热水可预先制作后储存在分级加热式汇流热水箱及储能水箱中用作下一个周期的分时热水供应，使得装置可以选择采用阳光天可全部采用太阳能集热器进行加热和储存热水，无阳光的非峰谷电时段可根据定量的热水储量设置需求采用热泵进行加热和储存热水，夜间峰谷电时段可采用热泵或电加热装置进行补充加热和储存热水，并且所制定量的热水经分级加热后可分别储存于分级加热式水箱与储能水箱中，使装置尽可能多地利用太阳能加热，然后才利用热泵能源或峰谷电能源加热，达到比现有技术更高的太阳能利用率和更低的运行成本，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，此外，通过分时工作与分级加热方式所制成的热水可以实现按不同温度等级热水的分时储存与供应，能使储能水箱的体积大幅度减小，还同时解决了水箱集中屋顶安装的载荷分布问题，当太阳能集热器安装面积不足时，还可将集热器设置为次级输出温度以提升集热效率，比现有技术显著降低了装置设置成本与扩大了热水装置的安装适应性。
采用本发明方法的专用装置的优点是由于采用了水箱由集热器循环加热水箱、分级加热式汇流热水箱及储能水箱所组成，太阳能集热器与集热器循环加热水箱相连接，集热器循环加热水箱与分级加热式汇流热水箱相连接，热泵、电加热装置与水箱相配置，太阳能集热器、水泵、热泵的启动控制及电加热装置分别与控制单元电连接的分级加热式水箱和分级加热设置，在满足装置能按365天24小时供应45℃以上热水的标准下，使得装置能尽可能多地利用太阳能加热，然后才利用热泵能源或峰谷电能源加热，并取得最低成本，通过分时工作预先加热与分级加热的方式所制成的热水可以实现按不同设定温度等级热水的储能与分时供应；并由于分级加热式汇流热水箱与储能水箱连接，所制定量的热水经分级加热后可分别储存于分级加热式水箱与储能水箱中，且储能水箱可分离设置，使储能水箱的体积可大幅度减小，热水装置的安装适应性扩大；且当太阳能集热器安装面积不足时，可按次级温度设置集热器输出水温以提升集热效率，与现有技术相比，可达到更高的太阳能利用率和更低的运行成本，还能显著降低装置设置成本。
本发明所提供的热水制作方法的使用过程与实现上述方法的专用装置及其有益效果比较现有技术采用太阳能集热和地源热泵为辅助能源，两者分别同蓄能水箱连接后进行供热、供冷，其采用的蓄能水箱包括热水室与冷水室，两者间用绝热材料隔开，因此其热水的制作与热水的使用是实时制，无法达到按全年365天24小时保障供应45℃设计额定热水量的要求；辅助加热采用地源热泵的电加热方式虽然节能，但由于蓄能水箱热水室体积大，太阳不足或阴雨天当天的用水是靠即时加热实现的，这种电加热方式主要消耗的是非峰谷电时段的高价电源，能耗结构不合理；又由于其采用增大储热水箱体积的方式来储能，则储热水箱的下半部分始终是温度较低的水，除了容易产生细菌繁殖污染供水，采用两种方式进行加热还容易产生冷热混水，产水效率降低，储能效果差，水箱有效储热的体积浪费很大，加之热水室与冷水室各自独立设置按季节使用，使得其利用率大大降低，设置成本过高，影响在屋顶安装适应性，当集热器热效率因受水温升高或安装面积限制的不利影响时，运行成本较高。
本发明热水的制作与热水的使用采用分时制，即经周期性分级加热所制得的定量的热水可预先制作后储存在分级加热式汇流热水箱及储能水箱中用作下一个周期的分时热水供应，即定量的热水预先制作后储存在储能水箱中用作不同温度等级热水的分时供应，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，峰谷电时段结束时所完成的加热预制的定量的热水量可以是第二天早、晚两个峰谷电时段之间所需保证分时供应的定温热水量，这个水量占终温储热水箱容积的80％-90％，而第二天早、晚两个峰谷电时段之间，即经周期性分级加热所制得的定量的热水又可重复性地预先制作后储存在分级加热式汇流热水箱及储能水箱中用作下一个周期的分时热水供应，与现有技术相比圆满地实现了储能和降低运行成本的问题。
由于水箱由分级加热式集热器循环加热水箱、分级加热式汇流热水箱及储能水箱所组成，终温热水单独储存，免除了冷热混水问题，水箱有效储热的体积大，不产生浪费；另外，设置了分级加热式汇流热水箱的优点还在于使前置的太阳能集热器与其循环加热水箱间的循环集热管路大大缩短，换热循环流动阻力可以大幅度下降，且太阳能集热器循环加热水箱与分级加热式汇流热水箱间的循环集热管路被以顶水单管下泻间隙式输送的方式所取代，原这部分热水循环传输中的集热管道保温热损可以免除，由此可以显著提升装置的热效率，超出了现有技术采用太阳能集热器加热的集热与传热效率。
因太阳能集热器、水泵、热泵的启动控制及电加热装置分别与控制单元电连接，且太阳能集热器与分级加热式集热器循环加热水箱相连接，分级加热式集热器循环加热水箱与分级加热式汇流热水箱相连接，分级加热式汇流热水箱与储能水箱连接，热泵、电加热装置与水箱相配置，装置可以选择采用阳光天全部采用太阳能集热器进行加热和储存热水，在太阳照射下，采用太阳能集热器对分级加热式集热器循环加热水箱中的水进行加热，到了夜间峰谷电时段可采用热泵通过分级加热对上述水箱的温热水进行补充加热和储存热水，或可优先采用电加热装置包括电热泵进行上述加热，在冬季环境温度过低采用电热泵不能正常工作时，也可采用电加热元件替代电热泵进行加热，并可充分使用夜间谷电时段的电能供电热泵或电加热装置加热，改善了现有电网中峰、谷时段间的负荷平衡，与现有技术相比，能满足保证365天24小时分时供应45℃以上的热水的要求。
此外，装置的上述分级加热设置可使得太阳能集热器安装面积不足时，可采用将集热器工作温度设置为次级制热输出温度并利用热泵再进行补充加热的模式，这样，可以更大程度地提高集热器效率，补偿集热器安装面积不足，与现有技术对比达到更高的太阳能利用率和低谷电辅助加热利用率；并且，装置采用的分级加热设置后，单个储能水箱尺寸可以减小，且可离开屋顶设置，与现有技术相比能避免屋顶安装的承载能力与外观影响等问题，使原屋顶水箱占用面积更多地变为太阳能集热器可安装面积，降低了装置设置成本与扩大了热水装置的安装适应性。
由于分级加热式汇流热水箱与储能水箱连接，储能水箱分为上下并联分体设置的分级加热式温水储热水箱与终温储热水箱，与现有技术相比，还能储存和供应次级温度如30℃-40℃的生活洗涤用热水，冬季能在保证储存45℃以上终温热水的同时回收达不到终温热水要求的次级温水供应，夏季能将分级加热式温水储热水箱转换成终温储热水箱使用储存多余的热量，实现了冬季以取得最大集热效率为主、夏季以取得最大储热能力为主的装置特性；由于装置的热水储存能力可得到近倍的提高，保证了太阳落山时其储水能力足够容纳太阳能集热器与集热器循环加热水箱及分级加热式汇流热水箱中排出的温热水，这样就不会影响第二天太阳能集热器的加热与换热效率，使装置尽可能地利用太阳能降低运行成本，比现有技术增加了提升集热效率与输出不同温度热水的能力。
除此之外，设有分级加热式温水储热水箱使装置可储存次级或终级热水，这样，在无阳光的非峰谷电时段还能根据定量的热水储量设置需求选择采用热泵进行应急加热和水箱储能以备不测，随时向终温储水箱补充或升温送水，保证365天24小时可按最低运行成本供应45℃以上的热水，超出了现有技术的能力。因此，本发明技术相对于现有技术具有实质性的重大改进和提高。
图1是本发明应用实施例之一的装置结构示意图；图2是本发明应用实施例之二的装置结构示意图；图3是本发明应用实施例之三的装置结构示意图；图4是本发明应用实施例之四的装置结构示意具体实施例方式本发明太阳能-热泵、分级加热式储能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所示是本发明应用实施例之一的装置结构示意，包括太阳能集热器1、控制单元2、热泵3、储水箱4、增压泵5、加热水箱6、电加热装置7、电控开关阀8等。
其中，加热水箱6是分级加热式水箱，分级加热式水箱由2个或以上的分级加热式水箱611与612所组成，分级加热式水箱611是分级加热式汇流热水箱，分级加热式水箱612是分级加热式温水储热水箱，分级加热式水箱611还包括分级加热式集热器循环加热水箱610与分级加热式汇流热水箱611，分级加热式热水箱611和612设置在终温储水箱4前，相互间按分级加热温度顺序即加热温度稍低的集热器循环加热水箱611在前、加热温度略高的612在后，集热器循环加热水箱611和612与终温储水箱间经管路连接。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。
太阳能集热器1与热泵3可组成不同温度的分级加热设置，太阳能集热器1与热泵3分级加热设置所构成的分级加热输出与对应的分级加热式水箱6经管路连接，所述的电加热装置包括电加热元件和电热泵，分级加热式水箱中可设有电加热元件7，太阳能集热器、储水箱、水泵、加热水箱、热泵启动控制、电控开关阀及电加热元件等分别与控制单元2电控制连接，所制定量的热水经分级加热后分别储存于一个以上的储能水箱包括分级加热式温水储热水箱612与终温储水箱4中。
所述的分级加热式热水箱可包括分级加热式集热器循环加热水箱610和分级加热式汇流热水箱611，经太阳能集热器加热后的次级热水经若干个分级加热式集热器循环加热水箱610后进入分级加热式汇流热水箱611，成为45℃终温热水时经图1中所示的电控开关阀8及连接管路供入终温储水箱4储存，或当终温储水箱水满时，设置成终温或次级温度热水经并联的电控开关阀8及连接管路进入分级加热式温水储热水箱612储存备用，并可随时供热泵作进一步加热升温后经图1中所示的热泵加热旁路管路输入终温储水箱4储存。当太阳能不足时或太阳能集热器安装面积不足时，从集热器输出的热水温度可设置在30℃-40℃左右，再进入作为次级热水输出的分级加热式温水储热水箱612中储存备用，并可供热泵作进一步加热升温后输入终温储水箱4储存，为此，分级加热式温水储热水箱与终温储水箱4均可带有热水输出的连接管和增压泵5，分级加热式温水储热水箱的热水经单向阀配合向终温储水箱补充，或经后置热泵加热后向终温储水箱供应终温热水。
所述的热泵3是空气源热泵，其供热热源是空气中的热源，除此之外也可以是不同的热泵如水源热泵、或地源热泵、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组合。所述的热泵3包括一个或以上的分级加热热泵，在此，采用了2个分级加热热泵311与312，均配置在分级加热式水箱与终温储水箱之间如分级加热式水箱上及水箱外，其中，前置分级加热热泵311与分级加热式汇流热水箱611相连，后置分级加热热泵312经分级加热式温水储热水箱612与终温储水箱相连，2个分级加热热泵之间形成如图1所示的间接串联连接，除此之外，热泵也可以形成直接或间接的并联连接。设计确定的定量的热水部分占到次级输出分级加热式温水储热水箱或终温储热水箱容积的80％-90％左右。分级加热式水箱间还可经换热器连接采暖或空调制冷用热水的输出循环管路。
由太阳能集热器等组成的太阳能热水装置包括换热循环管路等，其管路连接包括直流式、循环回流式或是其组合的管路连接，在此，可采用自然循环回流式管路连接。热水制作过程是经太阳能集热器、或热泵、或电加热装置分别进行分级加热的组合，包括了采用太阳能集热器进行加热的方法、热泵加热的方法和电加热装置加热的方法，其中，阳光天采用太阳能集热器进行加热，夜间峰谷电时段可采用电热泵进行加热，无阳光的非峰谷电时段可根据定量的热水储量选择采用不同的热泵进行加热和储能，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，可采用电加热装置进行加热。除此之外，无电供应条件时，还可采用燃气加热如燃气热泵替代电加热装置的电加热形成组合。
周期性分级加热所制得的定量的热水量可分别预先制作后储存在分级加热式汇流热水箱及储能水箱中用作分时热水供应。所述的周期性分级加热所制得的定量的热水量是指第二天早、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应采用热水输出温度为45℃，除此之外，热水装置经分级加热式温水储热水箱612还能按365天24小时供应次级温度如30℃-40℃的一般生活洗涤用热水，储存定量热水的两个水箱中均带有温度与水位传感器，经控制单元2的控制程序进行储存水的管理。
太阳能集热器1是可墙面安装使用的三维太阳集热器，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，三维太阳集热器可以是竖置安装、或是斜置安装、或是水平安装、或是其组合，在此，采用了竖置安装和斜置安装的组合。
所述的水箱包括加热水箱和储热水箱等可带或不带储能材料，除了采用普通单一式的容积式水箱外，还可采用容积式热水器并联式水箱，详细内容可参见CN2656881Y所公布的“一种容积式热水器并联式水箱”。
参见图2所示是本发明应用实施例之二的装置结构示意，包括太阳能集热器1、控制单元2、热泵3、终温储水箱4、增压泵5、加热水箱6、电加热装置7、电控开关阀8等。其中，太阳能集热器1之间及与热泵3间组成不同温度的分级加热设置，太阳能集热器分级加热设置所构成的2个分级加热输出与对应的分级加热式水箱610与611经管路连接，分级加热式水箱中可设有电加热元件7，太阳能集热器与热泵间所组成不同温度的分级加热配置构成的分级加热输出与对应的分级加热式水箱6经管路连接。
所述的分级加热输出是包括了对分级加热式水箱的循环加热式的输出和对分级加热式水箱的输出作直接加热式的输出。太阳能集热器、储水箱、水泵、加热水箱、热泵及电加热装置等分别与控制单元2电控制连接，所制定量的热水经分级加热后分别储存于分级加热式温水储热水箱612与终温储水箱4中。
水箱是采用加热水箱和储热水箱所组成的储能加热的复合式水箱，其中，加热水箱6是分级加热式水箱，分级加热式水箱由3个分级加热式水箱610、611与612所组成，分级加热式温水储热水箱设置在终温储热水箱或储热水箱4前，其中，集热器循环加热水箱可以是一个或以上，如图2、图3所示，当多个集热器循环加热水箱相互串接时，最后一个集热器循环加热水箱611同时也是分级加热式汇流热水箱，分级加热式集热器循环加热水箱610与611相互间构成太阳能集热器间的分级加热设置，并与热泵3间又组成分级加热设置，相互间按分级加热温度顺序即加热温度稍低的在前、加热温度略高的在后，分级加热式水箱611和612分别与终温储水箱间经管路连接。
太阳能集热器加热后的初级热水经分级加热式集热器循环加热水箱610进入分级加热式集热器循环加热水箱或汇流热水箱611经配套热泵或电加热装置等再加热升温，成为终温热水后供入终温储水箱4储存，或当终温储水箱4水满时，设置成终温或次级热水温度进入分级加热式温水储热水箱612储存备用，此时，分级加热式温水储热水箱也可被转换用作终温储热水箱，使得装置的热水储存能力得到近倍的提高，并可随时供热泵作进一步加热升温后输入终温储水箱4储存，为此，分级加热式温水储热水箱612与终温储水箱4均可带有热水输出的供水连接管与增压泵5，分级加热式温水储热水箱612的热水经并联的旁路管路及单向阀配合可向终温储水箱补充，或经后置热泵加热后向终温储水箱供应终温热水。
热泵3包括1个或以上的分级加热热泵，在此，采用了2个分级加热热泵311与312构成直接串联连接，也可采用一个双级热泵作等效替代，这样便能适应在冬季低温状况下利用低谷电直接分级加热制作终温热水输出，此外，当冬季采用的电热泵因低温不能正常工作时，便由分级加热式热水箱中的电加热元件进行分级加热替代，分级加热热泵均设置在分级加热式温水储热水箱612与终温储水箱4之间。
太阳能集热器1的安装是采用竖置安装与斜置安装的组合，如大部分取墙面竖置安装、小部分取屋面斜置安装的组合，由太阳能集热器等组成的太阳能热水装置包括换热循环管路等，其管路连接是强迫循环回流式的管路连接，其中，太阳能集热器1可组成不同温度的分级加热设置，如2个不同温度的分级加热设置，相互间形成如图2所示的串联连接，较低温度输出的集热器在前、较高温度输出的集热器在后，经此分级加热后的热水直接送入终温储水箱4储存，当太阳能不足时，可送入分级加热式温水储热水箱612中储存备用，并可供热泵作进一步加热升温后输入终温储水箱4储存。
参见图3所示是本发明应用实施例之三的装置结构示意，包括太阳能集热器1、控制单元2、热泵3、终温储水箱4、增压泵5、加热水箱6、电加热元件7等。其中，太阳能集热器1与热泵3可组成不同温度的分级加热设置，太阳能集热器与热泵分级加热设置所构成的分级加热输出与对应的分级加热式水箱6经管路连接，分级加热式水箱可配置电加热元件7，太阳能集热器、储水箱、水泵、加热水箱、热泵及电加热元件等分别与控制单元2电控制连接，所制定量的热水经分级加热后分别储存于分级加热式温水储热水箱612与终温储水箱4中。
水箱采用加热水箱和储热水箱所组成，其中，加热水箱6是分级加热式水箱，分级加热式水箱由2个分级加热式水箱611与612所组成，均设置在终温储水箱4前，加热温度稍低的分级加热式集热器循环加热水箱611在前、加热温度略高的分级加热式汇流热水箱612在后，分级加热式水箱611和612与终温储水箱间经管路连接。
太阳能集热器加热后的终温热水热水经控制单元2控制直接输入终温储水箱4储存，当太阳能不足时或太阳能集热器安装面积不足时，制作的次级热水输入到分级加热式温水储热水箱612中储存备用，并可供热泵作进一步加热升温后输入终温储水箱4储存。
热泵3包括2个分级加热的空气源热泵，均串联设置在分级加热式温水储热水箱与终温储水箱之间，其中，前置分级加热热泵311与分级加热式温水储热水箱611相连，后置分级加热热泵312与终温储水箱相连。
太阳能集热器1是墙面竖置安装使用的三维太阳集热器，这样可以避免对建筑的外观形象产生破坏，由太阳能集热器等组成的太阳能热水装置包括换热循环管路等，其管路连接采用自然循环回流式的管路连接。定量的热水预先制作后储存在水箱中用作分时热水供应，储存定量热水的两个水箱中均带有温度与水位传感器，经控制单元2的控制程序进行储存水的管理，此外，储存定量热水的两个水箱除了采用普通的单一式的容积式水箱，还均可采用容积式热水器的并联式水箱，因而可以选用有利的尺寸形状减少水箱的占地面积。
参见图4所示是本发明应用实施例之四的装置结构示意，包括太阳能集热器1、控制单元2、热泵3、终温储水箱4、增压泵5、加热水箱6、电加热装置7等。其中，太阳能集热器1组成不同温度的分级加热设置，同时，太阳能集热器1还与热泵3组成不同温度的分级加热设置，太阳能集热器分级加热设置所构成的分级加热输出、及太阳能集热器与热泵分级加热设置所构成的分级加热输出经分级加热式汇流热水箱分别与对应的储热水箱经管路相连接，分级加热式水箱中可设有电加热元件7，太阳能集热器、储水箱、水泵、加热水箱、热泵及电加热元件等分别与控制单元2电控制连接，所制定量的热水经分级加热后分别储存于分级加热式温水储热水箱612与终温储水箱4中。
太阳能集热器1是斜置安装使用的二维太阳集热器，由太阳能集热器等组成的太阳能热水装置包括换热循环管路等，其管路连接包括直流式、循环回流式或是其组合的管路连接，在此，可采用强迫循环回流式管路连接。
水箱采用加热水箱和储热水箱所组成的储能加热的复合式水箱，其中，加热水箱6是分级加热式水箱，分级加热式水箱由3个集热器循环加热水箱610、611与612所组成，分级加热式温水储热水箱设置在终温储水箱4前，相互间按分级加热温度顺序设置，与终温储水箱间经管路连接，分级加热式温水储热水箱与终温储水箱4均可带有热水输出的增压泵5。
所述的分级加热式热水箱可包括分级加热式水箱610与611，经太阳能集热器加热后的初级热水经分级加热式汇流热水箱611后送入分级加热式温水储热水箱612，加热后的终温热水经控制单元2控制直接输入终温储水箱4储存，当太阳能不足时或太阳能集热器安装面积不足时制作的次级热水输入到分级加热式温水储热水箱612中储存备用，并可供热泵作进一步加热升温后输入终温储水箱4储存。定量的热水预先制作后储存在水箱中用作分时热水供应，储存定量热水的两个水箱中均带有温度与水位传感器，经控制单元2的控制程序进行储存水的管理。
热泵3采用了2个分级加热热泵311与312，均设置在分级加热式热水箱与终温储水箱之间，其中，前置分级加热热泵311与分级加热式温水储热水箱611相连，后置分级加热热泵312设置在分级加热式温水储热水箱与终温储水箱间，2个分级加热热泵之间形成如图4所示的间接串联连接，其余设置可与实施例之三相同。
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，采用太阳能集热器对分级加热水箱中的水进行加热，在夜间谷电时段优先采用热泵对分级加热水箱的水进行加热，在冬季环境温度过低电热泵不能正常工作时，采用电加热元件或燃气热泵替代电热泵进行加热，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器吸收太阳能后，经其循环换热管路与分级加热式集热器循环水箱换热，加热水箱中的水；当阴雨天时或冬季，太阳能集热器集热效率降低，储水箱4中供应下一个周期的定量热水储量不足，此时，可在夜晚谷电时段经热泵继续对水箱中的水进行加热，冬季夜间峰谷电时段因受环境温度过低影响使电热泵不能正常工作时，可采用分级加热水箱中的电加热元件替代加热。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，这个水量只占分级加热式温水储热水箱或终温储热水箱容积的80％-90％，因此保证了太阳落山时其储水能力足够容纳太阳能集热器与集热器循环加热水箱及分级加热式汇流热水箱中排出的温热水，不会影响第二天太阳能集热器继续分级加热的效率，当终温储水箱水满时，前置分级热水输出转为向分级加热式温水储热水箱612储存终温热水，需要时可经旁路管路的输送泵向终温储水箱补充，或当太阳不足或太阳能集热器安装面积不足时，则先向分级加热式温水储热水箱612输送次级热水储存备用，并可随时或等到低谷电时段供热泵作进一步加热升温后输入终温储水箱储存；无阳光的非峰谷电时段可根据定量的热水储量设置需求采用热泵加热和储存热水。由于设置了前置集热器循环加热水箱同时在此也是分级加热式汇流热水箱，使得后置分级加热式温水储热水箱612及终温储水箱4可以设置在室内或不影响安装承载的建筑层面，避免了屋顶安装不利因素和承载能力限制，为太阳能集热器的安装节省出了更多的面积，并使得水箱屋顶安装的工作量与难度大大减小，同时，对建筑的外观影响也大为减小，因此，使这种热水装置的应用与安装适应性得到扩展。
当阳光天储水箱中的热水储备不足，如低于某个时段设定的对应最低需求水位时，且分级加热式温水储热水箱612中储水温度也不到45℃时，控制单元才启动后置热泵进行即时应急加热储水，这样就能保证365天24小时经终温储水箱供应45℃以上的热水，此外，热水装置经分级加热式温水储热水箱612还能供应次级温度如30℃-40℃的热水，在最大程度地利用太阳能为主的条件下，使用夜间谷电时段电能供电热泵或电加热元件加热，减少现有电网中峰、谷时段间负荷差。
另外，装置采用的分级加热设置，可使得太阳能集热器安装面积不足时，采用将集热器工作温度设置为次级输出温度，这样，可以更大程度地提高集热器效率，补偿集热器安装面积不足；设有分级加热式温水储热水箱使装置可储存次级或终级热水，能使储水箱尺寸减小，并使储水箱能与屋顶分离设置，避免屋顶安装的承载能力与外观影响等问题，还能增加集热器可安装面积，降低了装置设置成本与扩大了热水装置的安装适应性。
权利要求
1.太阳能-热泵复合、分级加热式储能的热水制作方法，包括采用太阳能集热器进行加热的方法、热泵加热的方法和电加热装置加热的方法，其特征在于，热水制作过程可以是经太阳能集热器、或热泵、或电加热装置同时或分别对分级加热式集热器循环加热水箱、分级加热式汇流热水箱中的水进行分级加热的组合，并且，热水的制作与热水的使用采用分时制，即经周期性分级加热所制得的定量的热水预先制作后储存在分级加热式汇流热水箱及储能水箱中用作下一个周期的分时热水供应。
2.根据权利要求1所述的太阳能-热泵复合、分级加热式储能的热水制作方法，其特征在于，所述的经太阳能集热器、或热泵、或电加热装置同时或分别对集热器循环加热水箱、分级加热式汇流热水箱中的水进行分级加热的组合包括阳光天可全部采用太阳能集热器进行加热和储存热水，夜间峰谷电时段可采用热泵或电加热装置进行补充加热和储存热水，无阳光的非峰谷电时段可根据定量的热水储量设置需求采用热泵进行即时加热和储存热水。
3.采用太阳能-热泵复合、分级加热式储能热水制作方法的专用装置，由太阳能集热器，水泵、热泵，电加热装置、水箱和控制单元等组成，其特征在于，所述的水箱由集热器循环加热水箱、分级加热式汇流热水箱及储能水箱所组成，太阳能集热器与集热器循环加热水箱相连接，集热器循环加热水箱与分级加热式汇流热水箱相连接，分级加热式汇流热水箱与储能水箱连接，热泵、电加热装置与水箱相配置，太阳能集热器、水泵、热泵的启动控制及电加热装置分别与控制单元电连接。
4.根据权利要求3所述的采用太阳能-热泵复合、分级加热式储能热水制作方法及其专用装置，其特征在于，所述的储能水箱是一个以上的水箱，储能水箱包括分级加热式温水储热水箱及终温储热水箱，分级加热式汇流热水箱与分级加热式温水储热水箱及终温储热水箱间的连接是并联连接。
5.根据权利要求3所述的采用太阳能-热泵复合、分级加热式储能热水制作方法及其专用装置，其特征在于，所述的集热器循环加热水箱可以是一个或以上，一个或以上的集热器循环加热水箱经相互连接后的最后一个集热器循环加热水箱可以同时兼作分级加热式汇流热水箱。
6.根据权利要求3所述的采用太阳能-热泵复合、分级加热式储能热水制作方法及其专用装置，其特征在于，所述的热泵、电加热装置与水箱相配置是在分级加热式水箱上及水箱外设有热泵或电加热装置。
7.根据权利要求3所述的采用太阳能-热泵复合、分级加热式储能热水制作方法及其专用装置，其特征在于，所述的热泵是包括一个或一个以上的热泵，一个或一个以上的热泵配置在包括分级加热式汇流热水箱与终温储水箱两者上及两者之间组成分级加热热泵，且分级加热热泵之间可形成直接或间接的串联连接。
8.根据权利要求3所述的采用太阳能-热泵复合、分级加热式储能热水制作方法及其专用装置，其特征在于，所述的分级加热式温水储热水箱与终温储热水箱间还可设有与其并联的旁路管路，该旁路管路上带有从分级加热式温水储热水箱向终温储热水箱供水或加热供水的单向阀。
9.根据权利要求3或4所述的采用太阳能-热泵复合、分级加热式储能热水制作方法及其专用装置，其特征在于，所述的分级加热式汇流热水箱与分级加热式温水储热水箱及终温储热水箱间的并联连接供水管路上均设有电控开关阀。
10.根据权利要求3所述的采用太阳能-热泵复合、分级加热式储能热水制作方法及其专用装置，其特征在于，所述的分级加热式温水储热水箱及终温储热水箱上均设有供水输出连接管，该供水输出连接管上还可设置热水增压泵。
全文摘要
本发明涉及一种太阳能－热泵复合、分级加热式储能的热水制作方法和采用这种方法的专用装置，由太阳能集热器，热泵，电加热装置、水箱和控制单元等组成，其特征在于，热水制作过程可以是经太阳能集热器、或热泵、或电加热装置同时或分别对集热器循环加热水箱、分级加热式汇流热水箱及储能水箱进行分级加热的组合，并且，热水的制作与热水的使用采用分时制，即经周期性分级加热所制得的定量的热水可预先制作后储存在分级加热式汇流热水箱及储能水箱中用作下一个周期的分时热水供应，使装置尽可能多地利用太阳能达到比现有技术更高的太阳能利用率和更低的运行成本，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。
文档编号F24H1/00GK1892142SQ20061009399
公开日2007年1月10日 申请日期2006年6月27日 优先权日2005年6月28日
发明者潘戈 申请人:潘戈