支持节能和节水的方法和系统以及设备与流程

本公开多方面地涉及用于包括建筑物内热水供应系统的设施(installation)的方法、系统以及设备，该建筑物内热水供应系统包括基于相变材料的储能结构(energystorage arrangement)。

背景技术：

1、根据directive 2012/27/eu，建筑物导致欧盟最终能耗的40％和co2排放的36％。2016年欧盟委员会报告“mapping and analyses of the current and future(2020-2030)heating/cooling fuel deployment(fossil/renewables)”得出结论，在欧盟家庭中，仅加热和热水就占总最终能源使用的79％(192.5mtoe)。欧盟委员会还报告称，“根据来自欧盟统计局的2019数字，大约75％的加热和冷却仍由化石燃料产生，而只有22％由可再生能源产生”。为了实现欧盟的气候和能源目标，加热和冷却部门必须急剧减少其能耗并削减其化石燃料的使用。热泵(利用从空气、地面或水汲取的能量)已经被认为是解决该问题的潜在重要贡献者。

2、在许多国家，存在减少碳足迹的政策和压力。例如，在英国，在2020年，英国政府公布了关于未来住宅标准的白皮书，其中提议了到2025年会将来自新住宅的碳排放减少75％到80％(与现有水平相比)。另外，2019年初宣布从2025年起禁止将燃气锅炉安装到新住宅。据报道，在英国，在提交本技术时，被用于建筑物加热的总能量的78％来自气体，而12％来自电力。

3、英国有大量利用燃气中央加热的小型的、2至3个卧室或更少卧室的房产(property)，并且这些房产中的大多数房产使用所谓的组合式锅炉，其中，锅炉充当即热式热水器，并且用作用于中央加热的锅炉。组合式锅炉是流行的，因为它们组合了小的形状因子、提供了或多或少的“无限”热水的直接来源(具有20kw至35kw的输出)并且不需要热水贮备。这种锅炉可以相对便宜地从著名的制造商处购买。小的形状因子和在没有热水贮备箱的情况下工作的能力意味着即使在小的公寓(flat)或房屋中通常也可以容纳这种锅炉(常常安装在厨房的墙壁上)，并且可以通过一个人的一日工作来安装新的锅炉。因此，可以得到廉价安装的新的组合式燃气锅炉。随着对新的燃气锅炉的即将来临的禁止，将需要提供另选的热源来代替燃气组合式锅炉。另外，先前装配的组合式锅炉将最终需要替换成某一另选物。

4、尽管热泵已经被提出作为针对减少对化石燃料的依赖和削减co2排放的需要的潜在解决方案，但是它们目前不适于替换较小的家庭(和较小的商业)场所中的燃气锅炉的问题，或者存在许多技术、商业和实际原因。它们通常非常大并且在房产外部需要相当大的单元。因此，它们不能容易地改装到具有典型组合式锅炉的房产中。能够向典型燃气锅炉提供等效输出的单元目前是昂贵的并且可能需要很大的电力需求。不仅单元本身成本是等效的燃气等同物的数倍，而且它们的尺寸和复杂性意味着安装在技术上是复杂的并因此很贵。还需要用于热水的贮备箱，并且这是妨碍在小型家庭寓所中使用热泵的另外的因素。另外的技术问题是热泵往往需要相当长的时间来响应于需求而开始产生热，或许需要30秒钟的自检，然后需要一些时间来加热-因而在要求热水与热水输送之间有1分钟或更长的延迟。为此，使用热泵和/或太阳能的尝试性可再生解决方案通常适用于具有用于热水贮备箱(具有空间需求、热损失以及军团菌风险)的房间的大型房产。

5、因此，需要提供一种解决如下问题的方案：寻找一种合适的技术来替换燃气组合式锅炉，特别是针对较小的家庭寓所而言。

技术实现思路

1、在第一方面，提供了一种设施，该设施包括：建筑物内热水供应系统；热泵，该热泵被布置成对热水供应系统中的水进行加热；储能结构，该储能结构包含相变材料块以及联接在热水系统与热泵之间的热交换器；以及处理器(系统控制器)，该处理器基于热水供应系统的出口的打开来向热泵提供信号；其中，相变材料块具有足够的潜热容量，以在从热水供应系统的出口打开至少直到热泵开始对热水供应系统中的水进行加热的间隔中，将预定量的水加热至预定温度。这样的设施提供了一种方便的方式来享受以下益处：外部安装的热泵代替常规热源(例如，燃气组合式锅炉)，以满足对即热热水的需求。

2、优选地，该设施被配置成使用pcm储能结构作为产生热水的优先能量源。这样的结构可以避免为了热水的短期需求而启动热泵的需要，同时避免了使用某一“即时”水加热的补充源(诸如电加热部件或燃气锅炉)的需要。

3、在第二方面，提供了一种包括建筑物内热水系统的设施，该设施包括：热交换器，该热交换器位于到热水系统的出口的流动路径中；位于到热水系统的出口的流动路径中的储能结构和流量传感器，热交换器是储能结构的一部分；热泵，该热泵连接至热交换器以将热从热泵传递给热水系统中的水；以及处理器，该处理器联接至流量传感器和热泵；其中，处理器被配置成基于从流量传感器接收到的信号来向热泵提供启动信号，该设施被如此布置以使在向该热泵提供启动信号与由该热泵对热水系统中的水进行加热之间出现时间间隔，储能结构包含相变材料块，该相变材料块的潜热容量足以将热水系统中的预定量的水加热至目标温度，至少直到热泵对热水系统中的水进行加热，以使可以在启动信号的发送与热泵对热水系统中的水进行加热之间的间隔内从可控出口供应热水。这样的设施提供了一种方便的方式来享受外部安装的热泵代替常规热源(例如，燃气组合式锅炉)的益处，以满足对即热热水的需求。这种设施的储能结构能够在热泵可以上线之前的间隔内供应热水，并且避免了对作为热水供应设施的一部分的热水贮备的需要-如果人们能够在适当大小的住宅中替换燃气组合式锅炉，那么这一点具有重大的实际意义。优选地，相变材料并入热交换器中。这可以提高能量效率，并且可以减少组件计数和需要并入设施中的设备的体积。

4、优选地，前述设施中的任何设施还包括位于到热水系统的出口的流动路径中的即热式热水器(与储能结构并置或者位于该储能结构下游)，即热式热水器是由处理器控制的。即热式热水器优选为电热器。当热泵不可用时，或者当储能结构位于低充能(charge)状态时，这种附加热源可以是有用的。它还提供了利用低的或负的能量费率或本地产生的电力(例如，来自家用pv设施或家用风轮机)的手段。

5、可选地，前述设施中的任何设施还可以包括温度换能器，该温度换能器位于热水系统中的水的介于热交换器与即热式热水器之间的流动路径中。以这种方式，系统控制器可以确定离开热交换器的热水是否受益于额外加热-例如，基于正供应热水的水龙头/出口的知识，结合向淋浴器、洗手盆、浴室、厨房水槽等供应的热水的预定温度水平的知识，淋浴器、洗手盆、浴室、厨房水槽等中的每一者可以具有不同预定供应温度。

6、在第三方面，提供了一种设施，该设施包括：建筑物内热水供应系统；热泵，该热泵被布置成对热水供应系统中的水进行加热；储能结构，该储能结构包含相变材料块，该相变材料块具有足够的潜热容量，以在从热水供应系统的出口打开至少直到热泵开始对热水供应系统中的水进行加热的间隔中，将预定量的水加热至预定温度；热交换器，该热交换器联接在热水系统与热泵之间；处理器，该处理器基于热水供应系统的出口的打开来向热泵提供信号；以及即热式热水器，该即热式热水器位于到热水系统的出口的流动路径中，即热式热水器由处理器控制，该处理器被配置成基于关于相变材料的状态和热泵的状态的信息来控制即热式热水器。可选地，热交换器位于冷水供应部与热水系统的可控出口之间的流动路径中，设施还包括联接至处理器的流量传感器，该流量传感器位于冷水供应部与热水系统的出口之间的流动路径中，热交换器是储能结构的一部分；其中，处理器被配置成基于从流量传感器接收到的信号来向热泵提供信号。

7、可选地，在前述设施中的任何设施中，处理器可以被配置成只有当储能结构和热泵无法提供足够的热水时才启用即热式热水器。以这种方式，与从(例如)电网供应的电力(其可能通过燃烧化石燃料来获得)相比，可以优先使用从热泵供应的“绿色”能量。

8、处理器可以被配置成基于关于相变材料的状态和热泵的状态的信息来控制即热式热水器。例如，如果pcm被耗尽并且热泵不可用(例如，因为它在给定时段已经被启动太多次或者过近地运行)，则可以将即热式热水器用于补偿来自pcm和热泵的能量的可用性的缺乏。然而，如果pcm被完全“充能”和/或热泵可用，则处理器可以决定不使用即热式热水器。

9、处理器可以设置有逻辑单元，该逻辑单元对即热式热水器、热泵以及来自相变材料的能量的使用进行管理，以降低能耗。这可以降低对水进行加热的成本，并且还可以比源自化石燃料的能量更有利于“绿色”能量。如果处理器采用更基于成本的方法，则处理器优选设置有最新费率信息。处理器还可以访问关于(过去、现在以及计划的)家庭活动的信息、占用信息、天气预报和/或当前天气状况等。

10、处理器可以被配置成优先依赖于储能结构然后依赖于热泵来提供足够的热水。这种方法可以提高效率并且减少热泵及其组件的磨损和撕裂。

11、储能结构的外壳可以是由长度介于300mm至600mm之间的第一边、长度介于300mm至600mm之间的第二边以及长度介于150mm至350mm之间的第三边限定的大体矩形立方体。通过使外壳处于该尺寸范围内，应该可以创建如下装置，该装置是对先前安装的组合式燃气锅炉的直接物理替换，并且提供一种适合于新设施中代替燃气组合式锅炉的安装的单元。

12、储能结构的外壳可以被包含在热隔绝护套内。尽管储能结构内的储能材料通常很可能保持在40摄氏度至60摄氏度之间，但是通过提供合适的热隔绝护套或外面的外壳将提高总体能量效率。

13、储能结构还可以包括位于外壳内的电热器。这提供了即使在热泵不可用时也对pcm进行“充能”的能力，并且使得能够使用利用例如临时低供应费率或者可能从家用光伏或风力发电设施产生的“廉价”电力。

14、相变材料块可以具有基于相变材料的潜热的介于2兆焦耳至5兆焦耳之间的储能容量。在该范围内的储能容量应适合于在使用储能结构以使热泵能够代替家用燃气组合式锅炉被使用的应用中提供足够的即热热水。

15、处理器可以被配置成估计相变材料的能量含量。

16、相变材料可以在介于40摄氏度至60摄氏度之间的温度具有相转变。在该温度范围内具有相转变的pcm特别适合于直接加热家用热水，同时与热泵的高效工作温度兼容。

17、相变材料可以是选自稍后在本技术中阐述的列表的石蜡。石蜡提供良好的潜热容量、具有低化学反应性并且具有良好的稳定性和低毒性。

18、可选地，根据本发明的各方面中的任何方面的设施可以被配置成使得储能结构包括外壳，该外壳包括多个密封主体，相变材料被封装在密封主体内，能量体(energy bank)被配置成在外壳内包含用于包围多个密封主体的能量传递液体。

19、可选地，能量体的输入侧回路由具有输入端和输出端的管道来限定，该输入端和该输出端通过无孔管道壁连接，以使在输入端引入的水被管道壁引导至出口，而不与外壳内的能量传递液体混合。

20、可选地，能量传递液体被密封在外壳内。

21、可选地，根据本发明的各方面中的任何方面的设施可以被配置成使得能量体的输入侧回路包括与外壳的内部连通的一个或更多个输入端口以及一个或更多个输出端口，该结构使得经由输入端口中的一个或更多个输入端口引入外壳的内部的热传递液体被配置成在外壳内流过并越过多个密封主体，并且经由输出端口中的一个或更多个输出端口离开外壳。

22、在第四方面，提供了一种对设施中的热泵进行控制的方法，设施包括：建筑物内热水供应系统；热泵，该热泵被布置成对热水供应系统中的水进行加热；储能结构，该储能结构包含相变材料块；以及处理器，该处理器用于基于热水供应系统的出口的打开来向热泵提供信号，该处理器被配置成接收关于储能结构的状态以及关于热泵的状态的信息；其中，相变材料块具有足够的潜热容量，以从热水供应系统的出口打开至少直到热泵开始对热水供应系统中的水进行加热，将预定量的水加热至预定温度；该方法包括以下步骤：处理器感测热水供应系统的出口的打开，以及基于所感测的热水流速、储能结构的状态、热泵的状态来确定是否向热泵提供启动信号。

23、在第五方面，提供了一种对设施中的热泵进行控制的方法，该设施包括建筑物内热水系统，该设施包括：热交换器，该热交换器位于冷水供应部与热水系统的可控出口之间的流动路径中；热泵，该热泵连接至热交换器以将热从热泵传递给热水系统中的水；位于冷水供应部与热水系统的出口之间的流动路径中的储能单元(energy storage unit)和流量传感器；处理器，该处理器联接至流量传感器和热泵，处理器被配置成接收关于储能结构的状态以及关于热泵的状态的信息；其中，处理器被配置成基于从流量传感器接收到的信号来向热泵提供启动信号，该结构使得在向该热泵提供启动信号与由该热泵对热水系统中的水进行加热之间出现时间间隔，该储能单元包含相变材料块，该相变材料块的潜热容量足以将热水系统中的预定量的水加热至目标温度，至少直到热泵对热水系统中的水进行加热，以使可以在启动信号的发送与热泵对热水系统中的水进行加热之间的间隔内从可控出口供应热水；所述方法包括以下步骤：处理器感测热水供应系统的出口的打开，并且基于所感测的热水流速、储能结构的状态、热泵的状态来确定是否向热泵提供启动信号。

24、第四方面或第五方面的方法还可以包括以下步骤：处理器基于所感测的热水流速来确定已经被感测到打开的出口的类型，并且使用所确定的类型来确定是否向热泵提供启动信号。

25、第四方面或第五方面的方法还可以包括以下步骤：处理器使用预测需求数据和/或安排需求数据来确定是否向热泵提供启动信号。

26、在第四方面或第五方面的方法中，建筑物内热水供应系统还可以包括位于储能结构下游的联接至处理器的电热水器，以对热水系统中的水进行加热，该方法还包括以下步骤：在确定不向热泵提供启动信号的情况下，处理器确定是否使电热水器通电以对热水系统中的水进行加热。

27、在第六方面，提供了一种在对设施中的热泵进行控制时使用的处理器和存储器，设施包括：建筑物内热水供应系统；热泵，该热泵被布置成对热水供应系统中的水进行加热；以及储能结构，该储能结构包含相变材料块，处理器被配置为在工作时连接至热泵，以基于热水供应系统的出口的打开来向热泵提供信号，处理器被配置成接收关于储能结构的状态和关于热泵的状态的信息；

28、并且存储器在工作时联接至处理器，该存储器存储指令，该指令使处理器执行对热泵进行控制的方法，在该方法中，处理器执行以下操作：感测热水供应系统的出口的打开，并且基于所感测的热水流速、储能结构的状态、热泵的状态来确定是否向热泵提供启动信号。