專利名稱：再循環淋浴系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種再循環淋浴系統。具體地，本發明涉及一種再循環淋浴系統，在該再循環淋浴系統內的能量通過一個或多個熱泵在再循環回路中傳輸。
背景技術：
已知水的再循環系統用于許多應用中。例如，淋浴器布置成在淋浴器內對水進行再循環，從而使用更少的水。再循環淋浴器主要應用于便攜式和移動式應用中，例如用于船和野營車中。例如，US4，828，709描述了一種用在船和旅行車上的再循環淋浴系統。再循環水系統使用水來運行，該水來自船或車輛上的非自來水供應(non-mains water supply),該再循環水系統包括過濾器·、水加熱器以及新鮮水和使用過的水的儲存罐。在世界的許多地方，淡水供應緊張，并已采取了一些措施以保證水的供應，且政府經常激勵市民減少水的使用量。在家庭應用中，使用再循環淋浴帶來的問題在于要求與自來水混合的任何水必須滿足水的純度標準的規定，而從淋浴噴出的廢水并不滿足水的純度標準。通常使用的家用淋浴器分為兩類，即電淋浴器和混合淋浴器。通常，電淋浴器只從冷主供水中抽吸水，并根據需要將水加熱到所需的溫度。因此，這種類型的淋浴器不會耗盡熱水并能夠提供穩定的水溫。它們也具有這樣的優點，即它們相對易于安裝，因為它們不需要特定的管道設施，只需要冷水供應。從240伏(例如在澳大利亞和整個歐洲)的標準家用電力供電中可以得到的最大功率是7.5kff至11.5kW，這限制了能用來對經過淋浴加熱器的水進行加熱的功率。為了得到足夠熱的淋浴，有必要限制水的流速，通常限制到最大速率為5升至6升每分鐘。顯然，只有以所提供的淋浴水是在較低的溫度下為犧牲才可以實現更高的流速。在世界的一些地方，由于可以得到的最大功率低于7kW，因此使得這種問題變得更加嚴重，例如在中國的一些區域，可以得到的最大功率是3kW，這最終使得電淋浴器由于加熱過的水流速極其低而不可用。通過使用閥將從熱水和冷水供應中取出的水混合，混合淋浴器達到了所需的水溫。混合淋浴器既需要熱水供應又需要冷水供應，因此顯然需要熱水源，例如熱水罐或復式鍋爐或多點熱水器。因此，混合淋浴器比電淋浴器需要更復雜的管道設施。另外，如果供水不連續，例如因為有其他人正在汲取熱水，則淋浴器的溫度就會發生變動。然而，混合淋浴器比電淋浴器可以實現更高的水流速，并比電淋浴器更便宜。強力淋浴器是混合淋浴器的一種變型并包括一泵。W02006/131743通過提供一種再循環淋浴系統解決了一些上述的問題，其中淋浴中的水收集在淋浴托盤(shower tray)中，通過泵進行再循環，并由水力旋流器凈化、然后過濾、在電驅動加熱器中進行巴氏消毒、與冷的新鮮自來水混合、并且輸送回淋浴頭，然后重復該循環。然而，盡管該系統比傳統的淋浴器節能和節水多達70%，但是它具有許多缺點，包括:加熱器需要高達9kW的功率來提供流速為10升/分鐘水的淋浴。在發達國家，這將需要直接從熔絲/斷路器盒連接到淋浴器的240v和40Amps的專用電源供應。這很昂貴并且安裝具有破壞性。在發展中國家，這比經由家用電源供應到房屋的功率具有更大的功率，使淋浴系統在那些國家是不可行的。該系統所實現的水的再循環百分比依賴于所供應的冷水的環境水溫；輸入的冷水越溫熱，可以再循環的水則越少。在夏季非常熱的國家，這意味著再循環百分比會從70%降至只有50%。克服這些弱點將使原始淋浴器更加節水、更加節能、更便宜和更易于安裝、運行起來更便宜，而且可以供幾百萬之多的人使用。

發明內容
在一種形式中，盡管不需要是唯一的形式或實際上是最寬的形式，本發明涉及一種再循環淋浴系統，該再循環淋浴系統包括:淋浴頭和淋浴托盤、回路，該回路配置成用于收集來自淋浴托盤的使用過的水，并使至少一部分使用過的水再循環到淋浴頭以供進一步使用，該回路包括至少一個熱泵以便在相對熱的水和相對冷的水之間進行熱交換。在本發明的另一形式中，提供了一種再循環淋浴系統，該再循環淋浴系統包括:淋浴頭和淋浴托盤、回路，該回路配置成用于收集來自淋浴托盤的使用過的水，并使至少一部分使用過的水再循環到淋浴頭以供進一步使用，該回路包括:旋液分離器；位于分離器下游的過濾器；位于過濾器下游的熱交換器；至少一個熱泵，用來在相對熱的水和相對冷的水之間進行熱交換；加熱單元，用于當所述再循環水被加熱時將該再循環水保持到巴氏消毒溫度；以及混合罐，用于在所述淋浴頭上游將相對熱和相對冷的水進行混合。在本發明的系統中使用的(多個)熱泵是本領域中已知的傳統熱泵。熱泵是將熱量從一個位置傳送到另一個位置的系統。使用熱泵的兩種常見的例子是冰箱和空調。熱泵通過將密封系統周圍的氣體泵送通過兩個位置來工作。在第一位置處允許氣體膨脹，這使得第一位置冷卻并從其周圍的任何事物吸取熱量。在第二位置處氣體被壓縮，這產生熱量，熱量隨后輻射入該位置。因此，從第一位置處獲得的熱量移動至第二位置處。第一位置處的溫度降低，而第二位置處的溫度升高。驅動熱泵所需的能量只需要壓縮并循環熱泵回路內的氣體。這使得熱泵極其有效，因為對于用來驅動泵的每焦耳能量而言，系統將使得3到6焦耳的熱能從第一位置移動
至第二位置。因此，具有3千瓦輸入的熱泵系統實際上將移動(輸出)9千瓦到18千瓦的熱能。在本發明中使用的液體可以是在再循環方式中使用的任何液體，在該再循環方式中，液體需要進行加熱和/或冷卻以供使用。參照上述本發明的形式，通過在系統內有效地傳輸已有的能量，本發明的能量再循環系統減少了能量需求，從而產生了一種需要最少(如果有的話)附加熱能輸入到系統的系統。熱泵以這樣的方式進行設置，使得在系統的冷水輸入和系統的廢水流出中都具有冷卻回路，并且在原始設計的電加熱器的位置中具有加熱回路。
從而，該系統:從冷水輸入中去除熱能，控制和降低饋送到系統內的新鮮冷水的溫度，并使得水再循環百分比最大化。從送到下水道的廢水中移除能量，從而減少了能量浪費。將來自冷水輸入和廢水輸出的能量傳輸到加熱單元。為了使本發明更易于理解和實施，現在將參照附圖，僅通過例子描述一個或多個優選實施例。


圖1是本發明再循環淋浴系統的示意圖。
具體實施例方式提供了本發明使用在再循環淋浴系統(例如在W02006/131743中所描述的)中的一個詳細的、非限制性的實例。參照圖1，在本發明的淋浴系統中，自來水⑴經由穿過水躍(3)的水管⑵被引入到系統中，并且由泵(4)被泵送通過淋浴水混合器￠)的冷水入口(5)，其中水躍(3)防止了水從系統返回到自來水中。該混合器調節相對冷的水流和相對熱的水流，直到混合流達到淋浴所需的溫度為止。這將在下面更詳細地討論。混合水從混合器輸送到旁路閥(7)，該旁路閥(7)能引導淋浴水:通過管道或軟管(21)進入淋浴頭(22)，或進入旁路回路⑶。當淋浴器開啟時，旁路閥自動設置為將水引導至旁路回路(8)，將水轉移遠離淋浴頭(22)，以便在沒有達到預定溫度并且用戶還沒按下開始按鈕前，不使用水。這防止了在溫度設定期間、或者如果用戶開啟淋浴器后并不立即使用淋浴時的任何形式的水浪費。當旁路閥設置為將水引導到淋浴頭時，淋浴水被收集在裝有入口噴嘴(24)的淋浴托盤(23)內，噴嘴(24)連接至水管(25)，水管(25)通過水管(26)連接到再循環回路泵
(27)。為了防止再循環回路被阻斷，通往再循環回路的入口(24)由與礦泉浴場中所使用的設計相似的濾網或網狀物所覆蓋。當旁路閥設置為進行旁路時，水經由水管⑶和(26)被傳輸到再循環泵(27)。再循環泵(27)通過水管(9)將水泵送到水力旋流器(10)。水力旋流器的用途是雙重的:從淋浴水中除去小于2mm的懸浮固體，這延長了過濾器(14)的壽命。水力旋流器通過使水旋轉進行工作；迫使任何比水重的顆粒分離到水力旋流器的外側，在那里顆粒沉降到底部，并由下溢(underflow) (11)、在水力旋流器的底部的出口將它們帶走。迫使較清潔的水向上通過處于水力旋流器頂部的渦流探測器(vortex finder)進入上溢(overflow) (13)。水力旋流器通常將30%的水輸送到下溢,而將70%的水輸送到上溢。由于減少了 30%的再循環量，水力旋流器必然需要重新引入新的冷自來水。冷水的引入允許再循環的水被加熱至高于淋浴所需的溫度，因為冷水會降低混合器內的熱水的溫度。因此，這允許再循 環的水“過熱(overheated)”達到72°C的巴氏滅菌溫度，這足以殺死軍團菌(Legionella)和其他病原體。水從水力旋流器上溢(13)進入過濾器(14)，過濾器(14)去除水中的氯、尚未除去的任何殘留顆粒物和任何香波和肥皂。水從過濾器(14)通過水管(15)進入熱交換器(16)。熱交換器包括兩個回路:“冷”回路，從過濾器(14)通到溫度調節器(17)和加熱單元(18)，和“熱”回路，從加熱單元(18)和溫度調節器(17)通過水管(19)返回到淋浴水混合器(6)。熱交換器的功能是提高流向加熱單元的水的溫度，這降低了可能存在于加熱單元中的加熱器的工作負荷，且另一功能是將流向混合器的水的溫度降低至更接近適合于進行淋浴的溫度。來自熱交換器(16)的水流經溫度和流量調節器(17)，該溫度和流量調節器(17)監控水的溫度和流量，以確保由加熱單元達到的溫度至少足以對水進行巴氏消毒(72°C )，但低于會弓I起加熱單元內過度壓力的水平。在W02006/131743中，加熱單元包括熱電阻加熱器。在本發明中，這由熱泵A(32)和熱泵B(31)的熱回路來代替或補充。容器和兩個熱回路組合以形成傳熱點(34)，其中，熱泵A&B在冷入口回路上的集熱點(30)和水力旋流器下溢(11)上的集熱點(33)處收集的熱能被輸送至再循環淋浴水中，用來將水溫升至72°C。從加熱單元/傳熱點，再循環的熱淋浴水通過熱交換器(16)的熱回路經由水管
(19)返回到淋浴水混合器(6)的熱入口(20)。在混合器(6)內，溫度傳感器(29)監控冷入口(5)和熱入口(20)的溫度，將信息發送到中央處理單元(28)，該中央處理單元(28)調整流量以在淋浴頭(22)處提供所需淋浴溫度的水。水力旋流器(10)從水中去除較重的顆粒并且進行分流，使得攜帶大部分未溶解固體的約30%的水流通過下溢(11)而離開。這部分水仍然留有來自原始淋浴器的以熱的形式存在的能量。通常，該水的溫度約為40°C。該水被饋送到熱回收罐A(33)中。熱泵A(32)將熱回收罐A(33)中的水的殘余能量輸送到巴氏消毒單元(34)。一旦能量已經回收，來自熱回收罐A(33)的冷卻水就排到排水管(12)。來自水力旋流器(10)的余量的水此時是清潔的，并通過水力旋流器上溢(13)的頂部排出。然后，清潔水被傳送至過濾器(14)，在那兒它在視覺上變得清潔，并且氯被去除。此時，水在視覺上是澄清的，但是必須在72°C的溫度下進行15秒的消毒。因此，在碳過濾器(14)之后，水進入熱交換器(16)。熱交換器將水溫從約41°C升高至約55°C。這就減少了所需的來達到巴氏消毒溫度的能量輸入，并且增加了淋浴器的效率。同時，新鮮的冷水被泵送到熱回收罐B(30)中。通過熱泵B(31)從該罐中回收的能量也被饋送到巴氏消毒單元(34)中。通過熱泵A(32)和B(31)提供到巴氏消毒單元
(34)的能量應該是在大多數情況下足以使在巴氏消毒單元(34)中不需要加熱元件的足夠能量。這是本發明較大且顯著的節約能量和成本的方面。在本發明的系統中，熱泵A和B可以用具有2個回路的單個熱泵代替。在混合器單元￠)中 ，再循環的熱水和冷的新鮮自來水被混合，以提供具有所需溫度的淋浴。新鮮水也代替了從水力旋流器(10)的下溢(11)中損失的水的量。在流經混合器單元(6)之后，水通過旁路閥，在旁路閥中水可以圍繞淋浴器轉向(暫停模式)或轉向至淋浴頭(22)，并且本發明的系統的能量和水循環繼續如上所述進行。已經參考圖1在大體上描述了本發明，下面將會討論有關本發明的該實施例的一些能量計算方面的更多細節。熱力學和能暈計算關于用于水力旋流器下溢的熱回收罐A(33)以及用于入口冷水的熱回收罐B(30)，冷水入口的水以及下溢水必須能夠流動，但它們的溫度可以降低到非常接近冰點。因此，在這兩個罐的任意一個中，超過IV的任何熱量都可視為“過剩”熱量。“過剩”熱量的能量含量取決于水的環境溫度，但是假設淋浴器是在房屋內部，那么環境水溫應類似于房子本身的溫度，因此，當淋浴器首次起動時，環境水溫應該是20°C左右。如果每個罐容納5升，這意味著在熱回收罐中的每升水具有“備用” 19°C的熱能。水的比熱是4.2KJ/L，這意味著每5升熱回收罐包含399KJ的“備用”能量。因此，組合的兩個熱回收罐總共容納798KJ的能量，該能量可以通過熱泵系統回收。再來看再循環水的巴氏消毒的要求，由于巴氏消毒單元中的水需要在72°C下保持15秒，所以巴氏消毒罐的尺寸必須是I分鐘流速的1/4(15秒是1/4分鐘)。流速是7L/min(假定淋浴頭處的流速為10L/min以及再循環級分(recirculation fraction)為70%)。因此，巴氏消毒單元(34)將需要容納至少1.75升。為了說明的目的，這已增大至2升。在系統啟動時，巴氏消毒單元中的水溫同樣假設為20°C，并且為了達到巴氏消毒溫度，將需要升高至72°C:即52°C /L的提高。為此所需的能量將為2.0LX4.2KJ/LX52°C=436.SKJ0將該數字與熱回收罐A(30)和B(33)中的“過剩”能量比較，該“過剩”能量對于使巴氏消毒單元的溫度升高至72°C而言是綽綽有余的。關于熱泵A(31)和B(32)，為了使巴氏消毒單元(34)在運行期間維持在72°C，熱泵A(31)和B(32)需要能夠向巴氏消毒單元(34)輸送足夠的能量以維持它的流量處在72°C下。流速為7.0L/min并且所需溫度的最大增加值是20°C。這需要7.0L/minX20°C X4.2KJ/L = 588KJ/min的恒定輸入。這轉換成35，280KJ/h或9.8千瓦小時。至于3.0的CoP，這需要熱泵中有大約3.3千瓦的能量輸入，以便維持淋浴器的運行。在啟動時，從熱回收罐A (33)和B (30)輸送到巴氏消毒單兀(34)的能量是436.8KJ，來達到72°C。這需要從每個熱回收罐輸送218.4KJ。這將使每個罐中的溫度降低
10.4。。。如果從熱泵輸出的熱最大為9.8千瓦或588KJ每分鐘，那么為了達到巴氏消毒溫度，需要一分鐘或45秒的436.8KJ/588KJ。假設在開始時環境水溫為20°C，每個熱回收罐在淋浴器啟動時的溫度為10°C。在運行期間，通過每個熱回收罐的流量是3L。這就假設在淋浴頭處有10升的流量以及70%的再循環級分。通過每個熱回收罐的流量是相等的，因為從主管道流進的水必須等于通過水力旋流器下溢送至下水道的水。為了維持淋浴器運行期間冷入水流處在101:，從熱回收罐8(30)汲取的熱能必須等于通過新鮮的自來水輸入到罐中的熱能。假設環境水溫為20°C，每升水向罐引入42KJ(ILxlO0C X4.2KJ/°C /L)。當通過罐的流量為3L/min時，輸入將是126KJ/min，并且這被輸送到巴氏消毒單元(34)以維持從熱回收罐B(30)到混合器單元(6)的輸入溫度為10。。。假設熱泵在穩態運行期間以最大能力工作，則熱泵輸送588KJ/min至巴氏消毒單元(34)。如果126KJ來自熱回收罐B (30)，那么將從熱回收罐A (33)汲取462KJ/min的余量。進入熱回收罐A(33)的水將具有41°C的溫度(在該實例中的淋浴器溫度是45°C并且已知在淋浴器中的溫度損耗是4°C )，并且水將以每分鐘3升的速率流動。因此，從該罐汲取 462KJ/min 將把溫度降低(462KJ/min/3.0L/min/4.2KJ/°C /L) = 36.6°C，且熱回收罐A (33)中的水將因此降至5 °C。從上文中清楚地·可見，熱泵的引入排除了使用電子元件來將使用過的水加熱到巴氏消毒溫度。這是非常有利的，因為與當前可用的再循環淋浴器相比，本發明的淋浴器所需的能量消耗進一步降低了 65%。這就產生了一種使用少于傳統淋浴器能量10%的淋浴器。此外，即使在較熱的氣候下，熱泵也允許控制環境水溫，這使得可以再循環的水量最大化。同樣，這些泵還允許在不再次引入水的情況下從待丟棄的廢水中清除廢熱。貫穿整個說明書，其目的在于說明本發明的較佳實施例，而并非將本發明限制在任何一個實施例或者特征的特定集合。在本說明書中，除非上下文另有需要，術語“comprise (包括)”及如“comprises”和“comprising”等變化形式理解為指的是包括所述的整體或整體或步驟的組，但并不排除任何其它整體或整體的組。
權利要求
1.一種再循環淋浴系統，包括: 淋浴頭和淋浴托盤， 回路，所述回路被配置成收集來自所述淋浴托盤的使用過的水，并使至少一部分使用過的水再循環到所述淋浴頭以供進一步使用，所述回路包括至少一個熱泵，所述熱泵用來在相對熱的水和相對冷的水之間進行熱交換。
2.如權利要求1所述的淋浴系統，進一步包括旋液分離器，所述旋液分離器用來將用于丟棄的廢水與用于再循環的清潔水分離。
3.如權利要求2所述的淋浴系統，進一步包括新鮮水入口，其中，所述至少一個熱泵將來自新鮮水和所述廢水的能量輸送到所述回路中的加熱單元，所述加熱單元將其中的水加熱到足以對所述水進行巴氏消毒的溫度。
4.如權利要求3所述的淋浴系統，進一步包括用于過濾再循環水的過濾器。
5.如權利要求1或2所述的淋浴系統，進一步包括熱交換器。
6.如權利要求5所述的淋浴系統，其中，所述熱交換器位于所述過濾器的下游，其中，所述熱交換器提高從所述過濾器到所述加熱單元的水的溫度，并降低從所述加熱單元到所述淋浴頭的水的溫度。
7.如權利要求6所述的淋浴系統，其中，所述過濾器位于所述加熱單元的上游，并且所述旋液分離器位于所述過濾器的上游。
8.如權利要求7所述的淋浴系統，進一步包括與所述新鮮水入口相關聯的閥，所述閥能夠在新鮮水被引導到所述淋浴頭的位置和新鮮水被引入到所述再循環回路的位置之間進行切換。
9.如權利要求8所述的淋浴系統，進一步包括混合器，所述混合器布置在所述淋浴頭的上游和所述加熱單元的下游，用于將新鮮水與再循環水進行混合。
10.如權利要求9所述的淋浴系統，進一步包括在所述加熱單元中的加熱元件。
11.一種再循環淋浴系統，包括: 淋浴頭和淋浴托盤， 回路，所述回路被配置成收集來自所述淋浴托盤的使用過的水，并使至少一部分使用過的水再循環到所述淋浴頭以供進一步使用，所述回路包括: 旋液分離器； 位于所述分離器下游的過濾器； 位于所述過濾器下游的熱交換器； 至少一個熱泵，用來在相對熱的水和相對冷的水之間進行熱交換； 加熱單元，用于當再循環水被加熱時將所述再循環水保持到巴氏消毒溫度；以及 混合罐，用于在所述淋浴頭上游將相對熱的水和相對冷的水進行混合。
12.如權利要求11所述的再循環淋浴系統，進一步包括新鮮水入口，其中，所述至少一個熱泵將來自新鮮水和廢水的能量輸送到所述加熱單元中。
13.如權利要求12所述的再循環淋浴系統，進一步包括在所述加熱單元中的加熱元件。
全文摘要
本發明提供了一種再循環淋浴系統，該再循環淋浴系統包括淋浴頭和淋浴托盤、回路，該回路配置成用于收集來自淋浴托盤的使用過的水，并使至少一部分使用過的水再循環到淋浴頭以供進一步使用，該回路包括至少一個熱泵以便在相對熱的水和相對冷的水之間進行熱交換。
文檔編號E03C1/044GK103220951SQ201180054623
公開日2013年7月24日 申請日期2011年11月14日 優先權日2010年11月12日
發明者尼古拉斯·克里斯蒂 申請人:尼古拉斯·克里斯蒂