CN103237943A - 用于住宅的水提取系统 - Google Patents

Abstract

一种用于从大气提取水并将提取出的水供应到住宅家用水源的设备（10），所述设备的尺寸适合于相对于从住宅通到屋顶空间的出入口来设置，所述设备小到足以通过出入口并设于屋顶空间中，所述设备还包括：进气口（12），其定位成能从住宅外面接收潮湿空气；水提取器，其具有风扇（13），风扇能通过进气口（12）吸入空气并将空气传送经过用来从空气中冷凝水的冷却装置；以及用于收集冷凝水并将收集到的水供给到住宅的给水箱（30）从而为给水箱（30）补水的装置。

Description

用于住宅的水提取系统

技术领域

本发明涉及从大气中提取和存储水以供住宅家用。特别地但不排他地是，本发明涉及可以改装到现有独栋住宅房屋的水提取系统。

背景技术

许多发达国家都有保存饮用水供给的需要，尤其在旱季或天气炎热的长干旱期。饮用水供给指已被处理为可饮用的水。

在英国，为家庭和商业房产供水的许多蓄水池不太能够应付长期炎热干旱期间对水的增大需求，并且蓄水池的水位变得非常低。当这种情况发生时，水务局经常对可饮用水的非必要用途强加限制，这些非必要用途例如有软管用途、洗车、浇灌花园以及其它非人类消耗用途。

大气中富含水蒸气。在任何时候，据估计地球的大气包含约3.4×10¹⁵加仑（或3.4×10¹²美制加仑）的汽态水。这听起来很多，但是与世界上总的集水区（watershed）比起来，汽态水只占约0.001％，关键在于大气中的水是作为地球上海洋和地下淡水的再循环形式而再生的。因此，只要地球上有水，大气中就会有水。我们不需要担心蒸发中的地下水水源的质量或种类，因为只有H₂O分子最终变为水汽。但是，从空气中提取水从而将供水补充到独立住宅例如独栋式住宅房屋这样的工作目前做得很少。

需要这样一种水提取系统，其便宜并容易在独栋住宅房屋安装，并可以将供水补充到各个独栋住宅房屋。

在过去已经提出过已知的用于大型商业房产（例如办公大楼、医院、学校等）的水提取系统，但总的来说这些水提取系统都很昂贵，并且都是非常大型的工业设备，不可能安装在普通大小的住宅中，并且肯定超出一般“自己动手”的人们将其改装到现有住宅的能力。美国专利6499309公开了一个典型的例子，其包括安装在建筑物屋顶的水提取器，但是如果不对独栋房屋做大的改造的话，这种水提取器不适用于安装在独栋房屋或其它住宅的屋顶空间内。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于将家用供水补充到住宅的水提取系统，该系统的安装相对简单并便宜，并且通过插入住宅天花板上的传统出入口，该系统还可以改装到现有的住宅里。

本发明的另一个目的是提供一种可改装到住宅房屋里的水提取系统。其优点在于，它减小了现有房屋使用者的必要开支。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于家用供水的水提取系统，它从大气提取水并补充住宅的家用供水，所述设备包括：进气口，其定位成能从住宅外面接收潮湿空气；水提取器，其具有风扇，风扇能通过进气口吸入空气并将空气传送经过用来从空气中冷凝水的冷却装置；以及用于收集所提取的水并将收集到的水供给到住宅的给水箱从而为给水箱补水的装置。

优选地，该水提取器安装在住宅的屋顶空间中，进气口连接到屋顶的通风瓦。通风的屋顶瓦可以是屋顶的通风屋脊瓦。通风的屋顶瓦可以采用管接头而连接到水提取器的进气口。水提取器可以安装在住宅的屋顶空间中，并且进气口是迎风的通风罩。空气通风罩可以是可旋转成迎风的。通风罩的旋转可以采用受风向敏感监测器控制的电机来实现。

优选地，冷却装置是这样一种除湿器，该种除湿器使用制冷剂、压缩制冷剂的压缩机、以及蒸发冷却器，该蒸发冷却器将与蒸发冷却器接触的流动空气冷却到露点以下因而从空气中冷凝水。

冷却装置可以是这样一种除湿器，该种除湿器使用热电帕尔贴冷却装置，该热电帕尔贴冷却装置冷却散热片，散热片用于将与散热片接触的空气冷却到露点以下，从而从空气中冷凝水。

水提取器的风扇可以由电机驱动，或由风力涡轮机驱动。

水提取器可以具有集水腔和泵，泵用于将冷凝水从集水腔泵送到位于住宅屋顶空间中的水箱。

优选地，集水腔中配备了液位检测器，该液位检测器控制水提取器的操作，使得仅在需要注满水箱的时候水提取器才运转。

进气口可以具有除去空气中气载微粒的空气过滤器。在这种情况下，空气过滤器可以是静电过滤器。

可以设有紫外线光源，用于照射冷凝水，从而净化水。可以设有供冷凝水从中流过的过滤系统。过滤系统可以包括用于过滤冷凝水的沉淀筛。过滤系统可以包括冷凝水从中流过的多孔碳块。冷凝水可以受臭氧处理，从而产生可供住宅居住者使用的饮用水。

附图说明

现在将参考附图通过实例说明本发明，其中：

图1到3显示了依据本发明构造的设备的三种实施方式，该设备用于从大气中提取水并补充家用供水到住宅；

图4到6示出了本发明使用的不同的进气口。

具体实施方式

参考图1，图1显示了可以被改装到现有住宅（例如独栋房屋（house）、平房（bungalow）、或小型家用工业单元）的水提取设备10。优选地，该水提取设备10被构造得足够小从而可以穿过从住宅通到屋顶空间9的普通出入口（该出入口典型尺寸是514mm×514mm或514mm×704mm），并且该水提取设备10被放置到能够通过合适的进气口12吸进环境中的潮湿空气并引导空气进入水提取器14的位置。优选地，进气口12具有透气网（未显示），用于阻止或限制飞虫和其它空气夹带杂物（例如树叶）进入进气口，而不阻挡气流。水提取设备10可以放置在屋顶空间9的山墙端的内侧，或者放置在由屋顶的天花板椽构建的平台上。水提取设备可以放置在任何可以吸入环境空气的地方。

水提取设备10具有电动风扇16，它通过进气口12吸进潮湿空气并把空气供给到水提取器14，其中，进气口12被连接到一个或多个如图3或图4示意显示类型的通风屋顶瓦18，或连接到如图5所示的通风罩20。Brett Martin Harcon PLC公司制造一系列被称为“rooflinerange”的通风瓦，这些通风瓦适于用作本发明的通风瓦18。RooflineRV8K和RV10K瓦可带有管端接件，通常为了通风，管端接件被连接到厕所或浴室的污水管或者排气扇。在本发明中，管接头适合将RV8K或RV10K瓦连接到水提取器14的进气口12，并反向工作以向水提取器14供应空气。

通过通风瓦18和进气口12吸入的潮湿空气被水提取器14冷却到露点以下，从而如下所述从空气中冷凝水，冷凝水被收集到集水腔20，空气经排气管22排出屋顶空间9。排出的空气可以通过位于屋顶空间9的山墙端的通风口（未显示）排出，或者通过屋顶的其它通风瓦（未显示）排出。可替代的是，也可以经通风口将空气排入住宅的居室，尽管本发明的主要目的是提取水，而不是作为空调系统的一部分调节空气。

也可以将排出的空气排放到屋顶空间9中，但是因为冷却的排出空气与通风的屋顶空间9中存在的潮湿空气接触，需要谨慎从而确保干燥的冷排出空气不会导致在屋顶空间中蓄积冷凝水。

理想地是，进气口屋顶瓦18是这样一种瓦，通过从住宅屋顶移除现有的瓦（如图1和2中的斜线所示）并用进气口瓦18替代，就可以从屋顶空间9的内部安装进气口屋顶瓦18。

在本发明的一个可替代的实施方式中，进气口瓦可以是如图4所示类型的屋脊瓦18，但是有点更难从屋顶空间9内部将该屋脊瓦改装到现有屋顶上，并且需要到屋顶外部来安装该屋脊瓦。

在本发明的另一种实施方式中，进气口12可以连接到如图5示意显示类型的通风罩20，该通风罩安装在连接到进气口12的固定立管22上，并且通过电机32可在固定管22上旋转。优选地是，电机32受连接到风向标25的伺服系统33控制，从而使通风罩20的开口26迎风。在另一种实施方式中，通风罩20可以安装在废弃的烟囱内。

水提取器14具有通过进气口12吸入潮湿空气的电动风扇16，并且从大气中冷凝水。被提取的水收集在作为水提取器14一体组成部分的至少一个集水腔20内，例如集水槽。来自集水腔20的冷凝水通过第一管29供给到住宅屋顶空间9中的水箱30。

水箱30中设有浮控开关31或其它类型的液位检测器，以控制用于驱动水提取器14的风扇16的电机，从而当水箱30达到预定水位时关闭电机。水箱30采用传统设计，配有由浮球阀控制的入水阀31，当水箱30的水位处于低水平时，入水阀打开，以使水从家用水源进入水箱30，水箱还配有出水管32，用于将水供给到水龙头和其它水装置诸如蓄水池或热水箱。水箱30的进水管31配备有在来自自来水的进口供应管35中的电控单向阀34，以便在水提取器14工作时能切断自来水。单向阀34被设计为在打开位置时失效，这样当出现电故障或水提取器14故障时，水箱30可以由自来水注满。在这种情况下，水箱30中还配备有浮控开关36，用于控制水提取器14给水箱30加满水的操作。

溢流管38位于水箱30的顶部，当水箱30满溢时，溢流管允许水溢流走并将溢流的水排放到住宅外面，如果需要，还可以将溢流的水收集到集水桶里浇灌花园或作为其它用途。

参考图1，水提取器14是一种除湿器，该种类型的除湿器使用制冷剂、压缩制冷剂的压缩机40、毛细管42、以及蒸发冷却器44，蒸发冷却器将通过电动风扇16经进气口12吸入的环境潮湿空气冷却到露点以下，因此从空气中冷凝水。排出空气被排出屋顶空间9的外面，或可供给到住宅的一个或多个房间的通风口。尽管该水提取设备的主要目的是提取水，而并不是调节排出的空气。

被收集到紧挨蒸发冷却器44的集水腔20中的冷凝水被泵50经由进水管31泵送到水箱30，以注满水箱30。水箱30里的液位检测器36控制水提取器14的压缩机40和风扇16的运转，这样它们只在水箱30需要加满时才工作。换句话说，风扇16和水提取器14的压缩机40被连接到电路里，以便只有在水箱30的水位低于预定水位时才启动。

可适用的除湿器的一个例子是由Force4Chandlery出售的型号名称为XM Dehumidifier的除湿器（产品代号：830341）。该型号具有由240伏交流电源驱动的压缩机，可在一天的时间内从温度超过15℃、相对湿度达到40％或更高的空气中提取出高达250ml的水。该型号结构紧凑、重量轻，并且不含CFC。该型号是全自动的，由于该型号具有自动热气除霜功能，可以很长时间不去管它，因此当温度低于12℃时，它将在低温下持续工作。该单元具有一体的3.5升收集容器15，并且还具有外排水接头，以使该单元可从集水腔28将水排到住宅屋顶中的水箱里。该单元重14.5Kg，尺寸为543mm×250mm×310mm，水分去除速率为10升/天（30℃，相对湿度80％）。

如图2所示，水提取器14可以比图1所示的更加复杂，它可以从大气中提取净化水。图2所示的水提取器14与图1所示的类似，并且相似件用相同的附图标记表示。然而，图2的水提取器14是通过进气口过滤器吸进空气的，例如静电过滤器46，它位于从通风瓦18或通风罩21延伸的进气口12中，用于去除空气中携带的大部分微粒。被提取的水收集到集水腔20，并在腔28内从紫外（UV）光源48下通过，水在此接受紫外线照射，以杀死所收集水里的微生物和细菌。接下来，净化的水被泵50泵送通过第二沉淀筛51并通过过滤系统52（例如碳块或紫外频率过滤器）。然后，水再循环通过紫外线或在臭氧处理区54接受臭氧处理。处理过的水供应给水箱18。应该理解的是，图3所示的水提取器14具有减少可能在水箱30中积聚的病菌和细菌的优点。

这种可提取引用水的空气-水提取器14的一个例子是由AIR2WATER GLOBAL公司制造的型号名称为Dolphin1的水提取器，其尺寸为1145mm（高度）×418mm（宽度）×418mm（进深），因此可以通过514mm×514mm或514mm×704mm的阁楼窗口来安装。该单元目前每天可从相对湿度为35％-95％、温度在15℃或更高的环境空气中产生达22升水。Dolphin1机器首先吸入空气使其通过静电过滤器，从而去除全部气载微粒的93％，然后冷凝单元接收干净的潮湿气流，并将水蒸气冷凝成液体。当该机器收集水时，水滴进收集盘并立刻通过紫外（UV）线，在此水与紫外线接触持续约30分钟。这就杀死了水中所有微生物和细菌的90％。接下来，水被泵送通过沉淀筛，然后通过两个实心块活性碳（SBAC）1微米的过滤器，这样去除了可能存在于水中的超过90％的挥发性有机化学物。然后水通过专卖的0.015微米孔径的超滤（UF）膜过滤，从而去除几乎所有的细菌和常见病毒。接着水被泵送到储水箱里和从储水箱中泵送出，水每30分钟循环通过UV，然后回到储水箱。

可以采用的另一种形式的水提取器14是使用热电帕尔贴冷却效应来冷却接触潮湿大气的散热片，因此将空气冷却到露点以下，从而从空气中冷凝水。尽管帕尔贴冷却装置可能不像例如蒸发制冷系统一样有效，但具有重量轻和相对便宜的优点。可适用的这种帕尔贴类型装置的一个实例是由4air.co.uk制造并销售的名为EF888min-dehumidifier Prem-I-Air Brand的产品。该机器每天提取600ml水（30℃，相对湿度80%），并且有2升的集水箱。该单元可由带有12伏5A直流适配器的240伏交流50Hz60W的电源驱动。

另一种适合本发明使用的已有类型的水提取器14是被称为除湿转轮的类型，它的尺寸适合相对于住宅天花板的出入口设置，这样就可以将它插入到住宅的屋顶空间中。这种类型的水提取器在图3示意显示。参见图6，图中显示了吸水的或吸湿的转轮43（可以是两个或更多个一系列这样的转轮（未显示））。转轮43可以由涂有或含有硅胶的多孔的或透气的基板制成。其它干燥剂或吸湿材料也可以采用。转轮43共轴地设于两个独立的气流通道44、45中，转轮（43）的圆盘面与经过通道44、45的气流正交。转轮43被定位成正交于气流通道，并且由电机驱动，以使所述一个或多个转轮（43）旋转。

在电动风扇29的作用下使吸入的潮湿空气（由箭头A表示）沿着其中一条通道44流经通风瓦（由附图标记48示意表示），并且流过一个或多个转轮43的处于通道44中的一部分。通道44里的气流内的水被与吸入空气流相接触的转轮43上的干燥剂或吸湿部分所吸收。当变湿的转轮43旋转时，转轮43的变湿部分就进入到在通道45内流动的第二股气流的路径中。

用于“干燥”一个或多个除湿转轮的第二股气流是通过使离流出通道44的空气在已经将水交给所述一个或多个转轮（44）后再循环而产生，或者是通过采用从屋顶空间内部或从住宅外面吸入的单独的第二气流来产生。可以设置第二风扇来使空气沿通道（45）流动。

使“用于干燥的空气”流经用来加热空气的第一热交换器46，然后流经转轮43的变湿的底部区域，从而从所述一个或多个转轮（43）除去水。第二股气流内的水分是通过使气流经过第二热交换器47从而将空气冷却到露点以下而进行提取的。冷凝水被收集在图1-3所示设备的集水槽15里。

离开热交换器46的从通道45排出的空气被排到住宅外。

在本发明的一个可替代的实施方式中，进气口瓦可以是如图3所示类型的屋脊瓦18。在另一个实施方式中，进气口瓦可以由图5所示类型的通风罩20构成。

虽然也可以使用太阳能电池板产生电能从而驱动水提取器14的风扇，但这被认为会使得系统对于大多数用途而言太昂贵了。此外，还可采用风力涡轮机生成电能去驱动水提取器的风扇。风力涡轮机可以是与普通烟囱内轮廓相适应地装配在烟囱内的立式风力涡轮机。一种这样的涡轮机是由Smart Power Products Limited公司出售的名为“Secret Energy Turbine”。另一种涡轮机是由澳大利亚发明人GraemeAttey发明的、名为“鼓形涡轮机”。这种屋顶风力涡轮机小巧、便宜、噪音低，为了捕捉最大速度的风而安装在屋顶轮廓线的顶峰处。据认为，在许多人口稠密的地区，这些涡轮机不美观，并且明显增加了噪音污染和成本。

管道可以是刚性或柔性管，但优选地是薄壁柔性软管。这种类型软管的优点是它们可以弯曲，以绕过屋顶空间9中的障碍物。而且，采用柔性软管能够在其它部件（例如泵）可以安置在屋顶空间内的情况下提供更大的灵活性。软管可以采用本领域内已知的任意方式而连接到设备的其它部件，这些方式可以是临时性或永久性的。

在上面所描述实施方式里，水提取器14带有电动风扇。这是优选的，因为相对容易将水提取器改装到现有住宅。另外，水提取器被联入电路，只有在水箱30需要注满时才运转。可理解的是，水提取器可配有自己的可充电电池，例如锂离子聚合物电池（LiPo电池），这样甚至在住宅的主电源中断时，水提取器仍然可以运转。也可以配备太阳能发电机去为电池充电，虽然这对于一些高能LiPo电池来说不是很现实，因为高能LiPo电池需要的大充电量超出了合理大小太阳能发电机的目前能力。

在住宅没有可用的屋顶空间的情况下，可以将水提取器14安装在任何便利的地方，只要进气口的位置能够将潮湿空气吸入到水提取器。

可理解的是，可以将带有可视和/或可听报警装置的控制面板安装在住宅内的可达区域，这样住宅的居住者无需进入住宅的屋顶空间就能够监视或控制水提取器的运转。

可理解的是，进气口和/或通风瓦可以制成合适的形状或者具有叶片（未显示），以便在使用中流入通风瓦和进气口的空气有烟囱效应，从而加快了流入水提取器的气流速度。

虽然上述说明涉及的是安装在住宅例如独栋房屋或平房中，但可理解的是，只要适当地修改水提取器的尺寸，本发明可以适用于移动或静止的露营车或拖车家庭。

本发明的水回收系统可以结合或并入雨水收集和回收系统，并且回收的雨水注入到与本发明相同的水箱30。

Claims (19)

1.一种用于从大气提取水并将提取出的水供应到住宅家用水源的设备，所述设备的尺寸适合于相对于从住宅通到屋顶空间的出入口来设置，所述设备小到足以通过出入口并设于屋顶空间中，所述设备还包括：进气口，其定位成能从住宅外面接收潮湿空气；水提取器，其具有风扇，风扇能通过进气口吸入空气并将空气传送经过用来从空气中冷凝水的冷却装置；以及用于收集冷凝水并将收集到的水供给到住宅的给水箱从而为给水箱补水的装置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，进气口连接到屋顶的通风瓦。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，通风瓦是住宅屋顶的主瓦之一。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，进气口是迎风的通风罩。

5.根据权利要求1到4中任意一项所述的设备，其中，冷却装置是这样一种除湿器，该种除湿器使用制冷剂、压缩制冷剂的压缩机、以及蒸发冷却器，该蒸发冷却器将与蒸发冷却器接触的流动空气冷却到露点以下因而从空气中冷凝水。

6.根据权利要求1到4中任意一项所述的设备，其中，冷却装置是这样一种除湿器，该种除湿器使用热电帕尔贴冷却装置，该热电帕尔贴冷却装置冷却散热片，散热片用于将与散热片接触的空气冷却到露点以下，从而从空气中冷凝水。

7.根据权利要求2或3所述的设备，其中，屋顶瓦借助于管接头而连接到水提取器的进气口。

8.根据权利要求4所述的设备，其中，通风罩可旋转成迎风。

9.根据前述权利要求中任意一项所述的设备，其中，风扇由电机驱动。

10.根据权利要求1到8中任意一项所述的设备，其中，风扇由风力涡轮机驱动。

11.根据权利要求1到9中任意一项所述的设备，其中，水提取器具有集水腔，设有泵以用于将冷凝水从集水腔泵送到位于住宅屋顶空间中的水箱。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，集水腔中配备了液位检测器，该液位检测器控制水提取器的操作，使得仅在需要注满水箱的时候水提取器才运转。

13.根据前述权利要求中任意一项所述的设备，其中，进气口具有除去空气中气载微粒的空气过滤器。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，空气过滤器是静电过滤器。

15.根据前述权利要求中任意一项所述的设备，其中，设有紫外线光源，用于照射冷凝水，从而净化水。

16.根据前述权利要求中任意一项所述的设备，其中，设有供冷凝水从中流过的过滤系统。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，设有用于过滤冷凝水的沉淀筛。

18.根据权利要求16所述的设备，其中，过滤系统包括冷凝水从中流过的多孔碳块。

19.根据权利要求16到18中任意一项所述的设备，其中，收集的冷凝水受臭氧处理，以产生住宅居住者可使用的饮用水。

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