CN104583681A - 用于家用热水加热器的系统 - Google Patents

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Abstract

一种系统，包括一个水储箱、在该水储箱外部的一个热源、一个第一导管和一个第二导管以及用于将该水储箱与用户相连接的多个另外的导管。在放水运行模式中，水仅从该储箱的上部分经过该第一导管流到用户。回水流动经过该热源并且进一步流到该第二导管、进入该储箱的下部分中。在该系统的充水运行模式中，没有水流到用户并且没有回水被引入该系统中。一个泵被运行以用于将较冷的水从该储箱的下部分经由该第二导管移除并且使水流到该热源、且经由该第一导管返回至该储箱的上部分。该系统进一步包括一个五端口阀，用于基于水流入或流出该系统来将切换充水和放水的运行，反之亦然。

Description

用于家用热水加热器的系统
技术领域
本发明涉及一种用于热水加热器的系统、并且更具体地涉及例如用于寒冷气候中的独户住宅的太阳能水加热系统。更详细而言，本发明涉及用太阳能收集器来改造现有热水储器以及一种适用于这种改造的模块。另外，本发明涉及用于使太阳能水加热系统在充水模式与放水模式之间进行切换的一种控制装置。
背景技术
2011年5月8日至13日在瑞典林雪平(Sweden)的2011世界可再生能源大会中公开了路易斯·李嘉图·贝尔纳多(Luis RicardoBernardo)、亨里克·戴维森(Henrik Davidsson)和比约恩·卡尔松(Karlsson)的一篇标题为“改造用于太阳能热收集器的家用热水储箱-理论分析(Retrofitting Domestic Hot Water Tanks for Solar Thermal Collectors,ATheoretical Analysis)”的文章中披露了用于太阳能加热目的的各种系统。在该文章中将一种标准的太阳能热系统与四种不同的经改造的太阳能热系统进行了比较。
太阳能热系统的最昂贵部件之一是储箱。在安装新的太阳能热水系统时改造传统家用热水加热器储箱可以降低总的投资成本。另外，太阳能收集器也可以在新的安装点与新的标准家用热水储箱相组合。
当对热水系统使用太阳能时，使用热量储存箱来在太阳能可用的时间段之间(例如在夜晚时间以及在多云天气条件的时间段中)储存热能。太阳能热收集器收集太阳能并且将该能量直接地或经由一个热交换器间接地传递至一种热量介质。在充水模式中，来自该被太阳能加热的介质的能量被传递至该热量储存箱并且同时，较冷的热量介质从该储箱中移除以便被太阳能加热。在放水模式中，热的介质从该热量储箱中移除并被传递至用户，并且冷的热量介质返回至该储箱。
充水和放水均是间歇性的过程。充水过程取决于太阳能何时可获得。放水过程取决于何时需要能量，例如用于淋浴。
如果该热量介质是水，则该热量介质可以在充水模式中被引入该储箱的上部分中并且在放水模式中从该储箱的上部分中移除。由于温水比冷水(4℃以上)的密度低，所以温水将倾向于留在该储箱的上部分并且不倾向于与在该储箱中更下方的具有较低温度的水相混合。这种效果被称为热分层作用。热分层作用是重要的，因为热水(在该储器的顶部处)是用户可用的而不需要辅助加热，同时冷水(在该储器的底部处)是这些太阳能收集器可用的，因此这些太阳能收集器可以以更高的效率工作更长时间。因此，有利的是在充水过程中经由一根导管将水引入储箱中到达该储箱的上部分，而在放水过程中经由该相同导管将水从该储箱的上部分中移除。因此，在充水和放水过程中水在同一导管中沿不同方向流动。
由于这两个过程是彼此独立的，所以充水和放水可以同时发生。在上述文章所描述的系统中，在进行放水时充水被中断。因此，在放水过程中可能浪费贵重的太阳能。
本发明的一个目的是补救这个问题并且提供一种改善的控制装置。另外，该控制装置应尽可能简单且可靠。
PCT公开案WO 2006/136163 A2披露了一种用于提供已加热的家用水的系统。该系统包括一个加热结构(例如太阳能收集器)以及一个通过上游流体路径和下游流体路径所连接的储箱。控制系统被适配成用于在家用水被递送至接受者时中断从一个来源到该系统的水供应。该系统进一步提供了一个带有储箱的加热系统，该储箱被填充到某个极限而留下一定量的自由空间，例如用于针对能量的供应量来调整能量吸收或用于保留空间以进行该太阳能收集器的排水。该系统进一步涉及一种受到保护以免出现过度温度的太阳能收集器。另外，该系统提供了一种用于提供经加热的家用水的方法。
公开案US 4061132 A披露了一种采用圆柱形本体的五通阀，该圆柱形本体带有多个阀座以及用一个杆可操作的多个协作性阀盘并且具有相关联的进口端口和出口端口。这个杆是由该圆柱形本体中的多个活塞而可致动的。这些活塞在多个三通阀的控制下由压力驱动。这种阀结构可适用于具有泳池主要加热器还以及太阳能加热器的一种泳池加热系统中。水通过一个泵被泵送穿过一个过滤器而进行循环。这些三通阀是响应于一个恒温器被控制的，而该恒温器响应于该太阳能加热器的温度。这些三通阀响应于该系统的泵的上游侧与下游侧之间的水压差。
在多种之前已知的系统中，使用了电操作阀。然而，此类螺线管操作式阀可能容易出故障并且在被激活时还引出大量电力且释放出热能。本发明的另一个目的是使用非电操作的且可以更安全操作的阀。
发明的披露内容
相应地，本发明的一个目的是减轻、缓解或消处以上单独或以任何组合形式指明的缺陷和缺点中的一个或多个。
在第一方面提供了一种系统，该系统包括：一个封闭的水储箱，该水储箱具有用于将水引入该储箱和将水从中移除的一个第一导管和一个第二导管；一个热源，该热源位于该水储箱的外部并且包括一个用于冷水的入口以及一个用于被该热源加热的水的出口；一个泵，用于在第一运行模式(充水)中使来自该储箱的水循环穿过该热源且返回至该储箱中；在第二运行模式(放水)中用于将水从该系统中移除的一个用户导管以及用于使水返回至该系统的一个回水导管；其特征为一个具有非激活位置(充水)和激活位置(放水)的五端口阀，其中该五端口阀包括：连接至该用户导管或该回水导管上的一个第一端口和一个第二端口，其中从该第一端口到该第二端口的水流动使该阀从该非激活位置移动至该激活位置并且其中在基本上没有水从该第一端口流到该第二端口时一个弹簧将该阀从该激活位置返回至该非激活位置；连接至该热源的出口上的一个第三端口、连接至该第一导管上的一个第四端口以及连接至该第二导管上的一个第五端口，其中在该五端口阀的非激活位置中该第三端口连接至该第四端口上并且其中在该五端口阀的激活位置中该第三端口连接至该第五端口上；并且其中该回水导管连接至该热源的入口上。
该系统可以进一步包括一个开关，用于在该五端口阀处于该激活位置时防止该泵运行，其中该开关是由该五端口阀在该第二运行模式中借助于水流动来机械地控制的。
在一个实施例中，该系统可以按第一运行模式来运行，其中没有水流入或流出该系统并且该泵将水以闭环形式从该第二导管经该泵和热源输送至该五端口阀的第三端口、且进一步经由该第四端口输送至该第一导管，由此该储箱中充有该热源所递送的热能；并且该系统可以按第二运行模式来运行，其中水经由所述回水导管流入该系统中并且水经由所述用户导管流出该系统，由此使该五端口阀移动至激活位置，在该激活位置中水从该第一导管经该用户导管流到用户并且水经由所述回水导管流到该热源的入口以在该热源中被加热、并且进一步流到该五端口阀的第三端口并且进一步流到第五端口且经由该第二导管流到该储箱。
该热源可以是一种间歇性热源，例如太阳能热系统。
在另一个实施例中，该第一导管在该储箱的上部分中开放并且该第二导管在该储箱的下部分中开放。
该热源可以包括一个热交换器，该热交换器具有连接至太阳能热收集器上的一个初级回路以及连接至该储箱上的一个次级回路。该热交换器可以是一个热泵的一部分。
在又一个实施例，该系统可以进一步包括一个调节阀，该调节阀被安排在所述用户导管中并且具有连接至所述第一导管上的一个第一端口、连接至该热源的所述出口上的一个第二端口以及连接至该用户导管上的一个第三端口，其中该调节阀被安排成在该第一导管中的水温高于该热源的出口中的水温时使来自该第一端口的水流到该第三端口，并且其中该调节阀被安排成在该第一导管中的水温低于该热源的出口中的水温时使来自该第二端口的水流到该第三端口。该调节阀可以包括用于感测该第一导管中的水的温度的一个第一温度传感器以及用于感测该热源的出口中的水的温度的一个第二温度传感器。
在另一个方面提供了一种被适配成有待连接至外部水储箱上并且连接至热源以及用户导管和返回导管上的模块，该模块包括：用于连接至第一导管上的一个第一连接器以及用于连接至第二导管上的一个第二连接器，其中该第一和第二导管向该外部水储箱的内部开放；分别用于连接至该热源的入口上的一个第三连接器以及用于连接至该外部热源的出口上的一个第四连接器；用于连接至用户以将水排至用户的一个第五连接器以及用于回水的一个第六连接器；其特征为一个具有非激活位置和激活位置的五端口阀，其中该五端口阀包括：连接至该第五连接器或该第六连接器上的一个第一端口和一个第二端口，其中从该第一端口流到该第二端口的水流动使该阀从该非激活位置移动至该激活位置并且其中在基本上没有水从该第一端口流到该第二端口时一个弹簧将该阀从该激活位置返回至该非激活位置；连接至该第四连接器上的一个第三端口、连接至该第一连接器上的一个第四端口以及连接至该第二连接器上的一个第五端口，其中在该五端口阀的非激活位置中该第三端口连接至该第四端口上并且其中在该五端口阀的激活位置中该第三端口连接至该第五端口上；并且其中该第六连接器连接至该第三连接器上。
该模块可以进一步包括一个热交换器，该热交换器具有一个初级回路和一个次级回路，并且其中该第三连接器被安排成用于连接至一个太阳能收集器回路的入口上并且其中该第四连接器被安排成用于连接至该太阳能收集器回路的出口上。该模块可以进一步包括一个用于使热量载体在该热交换器的初级回路中循环的初级回路泵以及一个位于次级回路中用于在第一运行模式过程中使水循环的次级回路泵。
在又另一个方面提供了一种五端口阀，其特征为：连接至一个流体控制导管上的一个第一端口和一个第二端口，其中从该第一端口到该第二端口的流体流动使该五端口阀从非激活位置移动至激活位置并且其中在没有流体从该第一端口流到该第二端口时一个弹簧将该五端口阀从该激活位置返回至该非激活位置；连接至一个流体流来源的出口上的一个第三端口、连接至第一导管上的一个第四端口以及连接至第二导管上的一个第五端口，其中在该五端口阀的非激活位置中该第三端口连接至该第四端口上并且其中在该五端口阀的激活位置中该第三端口连接至该第五端口上。可以在该第一端口与该第二端口之间安排一个第一活塞，其中该控制导管中的流体流动使该活塞从该第一非激活位置移动至该激活位置；并且其中关于该第三端口、该第四端口和该第五端口可以安排一个第二活塞，其中该第二活塞通过一个轴连接至该第一活塞上以实现共同移动。该五端口阀可以进一步包括被安排在所述第一活塞中用于使流体从该活塞的第一侧流到该活塞的第二侧的多个凹陷或开口，其中该控制导管中的小的流体流动不足以使该活塞移动至该激活位置，而大于预定流体流速的流体流足以使该活塞移动至该激活位置。
附图简要说明
本发明的进一步的目的、特征和优点将从以下参照附图所提供的对本发明多个实施例的详细说明中变得清楚，在附图中：
图1是一个现有技术太阳能水加热系统的示意性视图。
图2是另一个现有技术太阳能热收集器系统的示意性视图。
图3是根据本发明的太阳能热系统的第一实施例的示意性视图，其中该系统处于放水模式中。
图4是相同系统的类似于图3在充水模式下的示意性视图。
图5是根据本发明的太阳能热系统的另一个实施例在充水模式下的示意性视图。
图6是相同系统的类似于图5在放水模式下的示意性视图。
图7是根据本发明的太阳能热系统的另外一个实施例在同时的充水和放水过程中的示意性视图。
图8是根据本发明的太阳能热系统的还又一个实施例在放水过程中的示意性视图。
图9是用于根据本发明中的一个五端口阀的实施例在充水模式下的截面视图。
图10是该五端口阀的类似于图9在放水模式下的截面视图。
图11是该五端口阀的另一个实施例在闲置位置或充水模式中的示意性透视图。
图12是类似于图11的示意性透视图，其中该阀处于放水模式中。
图13是根据本发明多个实施例的用于构成太阳能热系统的一个模块的透视图。
图14是类似于图13的透视图，其中该模块是从另一侧来观察的。
本发明的实施方式的详细说明
下文中将说明本发明的若干实施例。这些实施例是出于展示性的目的来描述的以便使得技术人员能够实施本发明并且以便披露最好的模式。然而，此类实施例不限制本发明的范围。此外，示出并讨论了某些特征组合。然而，这些不同特征的其他组合在本发明范围内是可能的。
图1是一种根据传统构造的太阳能热系统200的示意图。该系统包括一个水储存箱215，该水储存箱具有一个用于冷水的入口225以及一个用于热水的出口230。安排了一个恒温混合阀212用于将来自出口230的热水与来自入口225的冷水进行混合以便提供在用户管线232处提供经调节的水，该水按照惯例具有例如60℃的均匀温度。
该水储存箱包括被安排在储箱215下部中的一个盘管热交换器210。该热交换器连接至太阳能收集器回路207中的一个太阳能收集器205上，该太阳能收集器回路还包括一个循环泵220、一个单向阀213以及一个膨胀器皿214。一个控制系统(未示出)控制该泵220以便在要收集太阳能时使一种热量介质在太阳能收集器回路207中循环。太阳能收集器205所收集的太阳能经由热交换器210传递给水储存箱215中的水以便将水加热。如果所收集的太阳能不足以将该储箱上部中与热水出口230相邻处的温度维持在60℃之上或附近，则可以激活一个电加热器240以便向水供应额外的热能。
上述运行仅是运行这种已知系统的一种选择并且该控制系统可以配备有用于其运行的其他器件、步骤或指令。具体而言，所指示的温度可以是不同的。
图2披露了一种包括太阳能热系统的系统250，该太阳能热系统包括一个经改造的水储存箱265，如第1页所提到的这篇文章中描述的。该太阳能收集器系统类似于参照图1所描述的系统并且具有相同的参考数字。因此，一个太阳能收集器205连接在太阳能收集器回路207中，该太阳能收集器回路包括循环泵220、单向阀213以及膨胀器皿214。系统250进一步包括一个热交换器270的初级回路273和次级回路274，该热交换器被安排在现有水储存箱265的外部。这是因为现有的热水储箱265通常不设有内部热交换器，如图1所示。安排一个外部热交换器能够实现进一步有利的运行。
水储存箱265包括位于该储箱内部在该储箱的上部分中开放的一个第一导管271以及位于该储箱内部在该储箱的下部分中开放的一个第二导管272，如图2所示。储箱265可以包括一个加热元件267，该加热元件初始地被包含在该储箱中并且可以是操作性或非操作性的。
水储存箱265连接在一个水循环回路268中，在该水循环回路中水经由第二导管272从该储箱的下部分中移除并且经由一个泵275流到热交换器270的次级侧274并经由第一导管271进一步返回至水储存箱265中。这种循环模式被称为充水模式，并且该水储存箱在该储箱的上部分处被提供或填充热水。
另外，水循环回路268包括一个延伸至用户的用户导管276以及一个回水导管277。用户导管276从第一导管271延伸至用户位置，用户位置可以是淋浴器、自来水阀或类似物。回水导管277将与经由用户导管276移除的水等量的水返回。传统的混合阀282可以调节水温以使得输送至用户的水具有例如60℃的希望温度。当水被递送至用户时，该系统以放水模式运行，在该放水模式中热水从该水储存箱中放出。在该放水模式中，泵275停止。水从该水储存箱的上部分经由第一导管271排出至用户导管276。冷的回水经由返回导管277被引入该水储存箱中并且直接引入第二导管272并且进一步引至该储箱的底部。
应考虑若干情况来改善如参照图1和图2所描述的之前已知的太阳能热系统。因此，本发明的这些实施例应考虑以下因素：
1)太阳能热收集器是一个热源，该热源固有地间歇性递送热能。在没有太阳辐射的夜间不产生热能。另外，太阳辐射可能不足以产生将水温升高到足以被传递至水储存箱的热量。通常，热水应高于某一温度Tset以被传递至该储箱的上部分。温度Tset可以例如高于该储存箱中某个水位处的水温。温度Tset可以是可变化的并且例如包括一个死区或滞后现象。因此，希望的是在间歇时间情况下可获得热能时能够储存热能。
2)在间歇时间情况下需要家用热水(DHW)，例如在用户要淋浴时。大多数放水是发生在早上6点与9点之间以及晚上6点与11点之间。
3)太阳能热系统的大投资成本是水储存箱。由于在之前水储箱为可获得的地方进行了许多安装，所以通过使用现有水储箱可以降低成本。通常现有的储箱具有仅两个连接导管：在该储箱的上部分处开放的一个第一导管以及在该储箱的下部分处开放的一个第二导管。这样的储箱是一个封闭系统，其中经由一个导管引入的水量对应于经由另一个导管取出的水量。
4)需要多个阀以用于运行该系统。然而，螺线管操作式阀易于发生故障，希望的是不需要电力来运行的阀。
5)由于充水和放水在时间上是间歇性且不相关的，所以在某些时间段过程中可以同时进行充水和放水。如果在放水过程中被充水停止，如在以上所描述的实施例中，则昂贵的热能被浪费。为了在放水时间段过程中利用热供应和充水，需要新的策略来运行该水储存箱。
6)该水储存箱可以根据原理“后进-先出”的原理来运行，因为最后进入的热量介质通常具有最高温度。
7)另外，具有仅两个导管的封闭水储箱应该是能够使用的。
图3示出了水加热、储存与递送系统300在放水模式中、即在该系统的第一运行模式中的第一实施例。系统300对应于图2中描述的系统200，但是具有根据本发明的实施例的一些修改。当用户想要从该系统中取出家用热水(DHW)，例如用于洗澡时，该系统是以放水模式运行的。
一个家用用户阀334被打开并且来自水储存箱315的水从储箱315经由第一导管301(在该储箱的上部分处开放)流到淋浴器333(或任何其他用户装置)并且经由用户导管332流到用户阀334。这种流动的发生是因为该水储存箱315中存在高压。回水经由返回导管377进入该系统中。回水的来源通常是市政水塔，该市政水塔将冷的自来水递送至一个社区的若干住户。
返回导管377连接至一个五端口阀390上，对该五端口阀在下文中进行进一步详细描述。回水经由第一端口391进入该五端口阀且经由第二端口392离开该五端口阀并且经由入口导管396流到热源370的入口371，该热源可以与图2中描述的热交换器270相同。当水从第一端口391经过该五端口阀到达第二端口392时，该五端口阀被激活并且移动至激活状态。回水流动影响一个活塞或类似构件，如以下所描述的。在图3中通过开放(白色)三角形391和392来指示水从第一端口流到第二端口。与此同时，一个电开关397(在下文中更详细描述)被激活并且使泵375停止，如果该泵在运行的话。因此，不存在穿过泵375的流动，这一事实是用去往和来自该泵的导管的、窄的导管管线来指示的。
在热源370中，经由导管377进入该系统的回水被加热，如果该热源是可用的话。有可能被加热的回水从热源370的出口372中流出并且进一步传递至所述五端口阀的第三端口393。因为该五端口阀已经被穿过第一端口391和第二端口392的回水流动所激活，所以第三端口393连接至第五端口395，如图3中用开放三角形所示。接着，水从第五端口395流到该水储箱的第二导管302，该第二导管在该储箱的下部分中开放。因此，回水穿过了该五端口阀的第一和第二端口以激活该五端口阀并且接着进一步穿过该热源以被加热。来自该热源出口的水最后经由该五端口阀传递至该储箱的下部分。因此，利用了放水过程中在该热源处可获得的任何热能以便加热进入的冷的回水并且以便将可能已被加热的回水引入该储箱的下部分中。
图4中示出了对应的充水过程。在充水模式中，没有家用热水被取出并且没有回水被引入该系统中。系统300是一个封闭系统，该系统由用户导管332中的十字形335和返回导管377中的十字形378指示。由于在返回导管377中没有流动，所以没有流动穿过该五端口阀的第一和第二端口391和392，这些端口在图4中由黑色三角形指示。因此，该五端口阀是处于未激活或闲置状态下，其中第五端口395被阻挡，如黑色三角形所示，并且第三端口393连接至第四端口394上并且在图4中由白色三角形示出。另外，电开关397失活，由此可以使该泵运行。
在图4所示的充水模式中，泵375通过一个控制单元345运行。可以在该系统的不同地方安排若干热量传感器336、337、338。例如，可以安排一个温度传感器336来感测该储箱上部分处的水温，可以安排一个温度传感器337来感测该储箱下部分的温度，并且可以安排一个温度传感器338来感测该热源出口372处的温度。例如可以安排其他温度传感器来感测太阳能热收集器的入口温度和出口温度以及一个热交换器的初级回路的入口温度和出口温度，参见图2。可以安排多个额外的温度传感器来感测与该储箱相邻的第一导管301中的水的温度以及与该储箱相邻的第二导管302中的水的温度，因为这些温度可能不同于可以被安排在该储箱外部的温度传感器336、337。可以安排多个另外的温度传感器来感测回水和作为家用热水被递送的水的温度并且来感测室外温度和室内温度。
控制单元345被安排成在充水模式中依赖于上述温度中的至少一些来控制该系统300。例如，该系统可以被安排成用于在该热源输出端的温度338在特定温度Tset之上时起动这个泵375，该特定温度可以是这些所测量温度的一个函数、或等于温度336、337或是高于温度337或低于温度336的温度。Tset可以是例如55℃并且在死区内被上下调整并且用于提供滞后。这些确切的控制参数不是本发明的主题，而是，该系统可以根据任何所希望的控制算法来以充水模式运行。
当泵375起动时，系统300处于充水模式中，参见图4。水经由第二导管302从该储箱的下部分中移除并且经由泵375传递至热源的入口371，在该热源中水被加热。被加热的水从热源的出口372经由第三端口393穿过未激活的五端口阀并且传递至第四端口394，如在图4中由开放三角形所指示的。被加热的水从第四端口394穿过一个热水导管398传递至第一导管301，该第一导管在该储箱的上部分中开放。因此，热水位于该储箱的上部分中并且使较冷的水在该储箱中向下移位并经由第二导管302移出。
如果现在用户想要使用家用热水，则打开阀334(参见图3)，并且水经由第一导管301从该储箱的上部分中被取出。因此，在该系统切换至放水模式时，最后进入储箱的热水被取出并且该系统根据“后进-先出”来运行。
此外，由于在该系统的充水过程中，热水被引入该储箱的上部分中并且冷水从该储箱的下部分中移除，实现了分层，这提高了该系统的效率。
另一个方面，在放水过程中，回水被预加热并返回至该储箱的下部分中。由于放水过程通常短并且具有独户住宅中流量高的特征，所以预期回水在进入该储器底部之前以较低的温度被预加热。在日晒时间段以及低流量放水过程中，可以部分地干扰分层作用。另外，在充水过程中，冷水可用于通过太阳能热收集器进行预加热。这样的低温显著地提高了收集器效率，因为很大地减少了到环境的热量损失。因此，与现有技术系统相比，对于在放水过程中发生的充水，这些收集器的效率被提高。在放水之后，储箱下部分中的水现在是略微预热的，这使得热源更容易将该水加热至比该储器顶部的温度更高的温度。因此，放水一结束就重新建立分层作用并且充水再次开始。在从放水模式切换至充水模式的过程中，同样使用“后进-先出”原理。因此，在放水过程中被引入储箱底部中的经预加热的返回水从该储箱的底部移除、在该热源中被加热并且被引入该储箱的上部分中。当放水过程中引入的所有水都被移除和加热且经由该第一导管被引入该储箱的上部分时，可能已经恢复了分层作用。
要提及的是，循环泵375是以相对低的流速运行，例如从0.1l/min至2l/min、例如0.5l/min或1.0l/min、或在这个流速区域内。因此，在充水模式中水经由第一导管或第二导管流入储箱中没有在该储箱内产生太大的微循环，而是，水被温和地引入该储箱中。因此，促进了水的分层作用。
然而，在放水模式中的洗澡过程中，经由第一导管流出储箱以及经由第二导管流入该储箱的流速可以是10l/min或甚至更高。这样高的流速可能致使进入的水与其上方的水层进行混合，并且分层作用可能被干扰。
回水可以是从市政供水、冷却塔或类似物新近引入的水。替代地或额外地，回水可以是借助于泵(未示出)循环穿过该系统的系统水。因此，可以使用家用自来水洗澡，此是水被收集和调理并返回至该系统以便下次使用。回水可以具有在10℃至15℃之间的温度并且被预加热至例如15℃至45℃之间。
另外，虽然主要是结合在家用自来水系统中针对家庭环境的使用(例如输送自来水进行洗澡或清洗)来讨论的，但是本发明的系统还可以出于加热目的被用作例如水性散热器采暖系统的一部分或被用在不同的地板和天花板采暖系统中。因此，该储箱可以包括不同于水的另一种介质，例如油。替代地，该储箱可以包括带有任何另外物质的水，例如防腐蚀剂等。如果该储箱用于自来水，则该储箱中的水应是饮用水。
该热源可以是类似于图2所示的太阳能热系统。然而，可以分开地或并联或串联地使用可能为间歇式的其他热源。此类额外的热源可以是以下各项中的至少一项：炉、颗粒炉、气体或油燃烧器、电加热器和热泵。
一个包括混合式阳能热光伏收集器的热源是可想到的，由于该光伏收集器在较高温度下具有较低的效率并且需要冷却以进行有效运行。该冷却能量可以用于本系统中。
另一种系统构型是将系统300的热交换器370替换成热泵。在这种构型中，该太阳能热收集器可以在相对低的温度下运行，并且太阳能热能可以通过该热泵被升高至更高的温度。在这种情况下，该太阳能热收集器可以获得更高的组合效率。在这种构型中，系统300的热源370是该热泵的次级侧。
图5示意性地示出了根据本发明另一个实施例的处于充水模式的水加热、储存与递送系统400。系统400类似于系统300，但是热源370被直接连接的太阳能热收集器405代替。因此，在充水模式中，来自水储存箱415的水从该储箱的下部分经由第二导管402进行循环并且通过泵475被循环穿过太阳能热收集器405、被太阳能直接加热并且经由第一导管401返回至该储箱的上部分。如果太阳热不足以将水加热至比该储存箱中的水的温度更高的温度或比例如60℃以上的希望温度Tset更高，则该泵停止。五端口阀490在充水模式中处于其非激活位置中。
在放水模式中，如图6所示，家用热水从该系统中被取出，并且回水进入该系统中，并且该五端口阀被切换至其激活位置，并且该泵被解除激活。
系统400被安排成允许除了充水和放水模式之外的第三运行模式。该第三模式是一种替代性的放水模式。该替代性的放水模式是通过将一个阀440安排在用户导管432中而实现的。该阀可以是一个常规的恒温混合阀。
恒温阀440具有个连接至第一导管401上的第一入口(W)441和连接至该热源出口472上的第二入口(C)443以及连接至用户434、433的一个出口(T)442。第二入口443可以替代性地连接至第二导管402上。将通过一个实例来解释其操作。假设第一导管中的、经由该第一导管从该储箱的上部分取出的热水为65℃并且希望的家用自来水是55℃(恒温阀440被设定到这个温度)。大约10℃的回水被热源470加热至一个中间温度。在放水模式开始时，出口442处的温度为环境温度，例如20℃，因为在用户导管中一段时间已经没有流动，由此用户导管中的水呈现周围温度。现在，水从第一导管401流到第一入口441并且进一步流到出口442。出口442处的温度非常快地升高至从第一导管401进入的水的温度，该温度是65℃并且高于该恒温阀的设定温度。接着，该恒温阀运行而混入来自第二入口443的一些水以便将恒温端口处的温度保持在55℃。由于来自经过该热源的回水中的水通常相对冷，所以该冷水的仅一小部分被混入以保持这个温度。然而，如果被该热源预加热的回水具有高温，例如是因为高效的太阳作用，则回水的较大部分经由第二入口443被递送至出口442并且进一步递送至用户。如果回水被加热至高于55℃的温度，例如60℃，则所有的水从该第二入口中被取出并且这些水(在60℃)被递送给用户。以此方式，如果该热源能够充分地加热水，则被该热源预加热的回水被用作家用热水。剩余的经预加热的回水被引入该储箱的下部分中，如在之前所描述的放水过程中那样。
该第三模式可以通过一个温度操作式阀来实现，该温度操作式阀是通过该回路中的两个或更多温度传感器来操作。此类温度传感器可以是在暴露于温度变化时改变大小的蜡体、或是双金属构件。这些温度传感器可以直接影响该阀并且移动阀体或阀座以实现所希望的操作。例如，一个第一蜡体可以通过该第一导管中的温度来操作一个阀座位置并且另一个蜡体可以通过例如在该热源的出口处或该第二导管中的另一个温度来操作一个阀体位置。
图7示意性地示出了根据本发明又一个实施例的处于放水模式的水加热、储存与递送系统500，其中太阳能收集器505是热源。箭头表示可能的水流方向。在这个实施例中，以放水模式示出的系统500具有若干个之前未提及的部件。系统500除了热交换单元570之外还包括一个额外的循环泵38，该循环泵类似于图2所示的泵220、被安排在热交换单元570的初级回路573中；一个膨胀器皿14，该膨胀器皿类似于图2所示的膨胀器皿214；包括更换流体的一个器皿15以及用于将更换流体泵入该太阳能面板循环回路中的一个泵16。初级回路573的热量介质可以包括水和一种试剂，例如乙二醇或防腐蚀剂。次级回路574以及储存箱中的水可以是饮用水。
根据图7的系统500进一步包括一个被配置成通过电加热器13来加热水的辅助水储箱12，所述辅助水储箱连接在用户导管532中、位于热量消耗器的上游。一个被配置成将水加热的良好绝热的辅助水储箱12的引入允许降低初级储箱515中的水的温度。使该初级水储存箱在低于60℃的温度下工作减小了热量损失。另外，该系统的热水储存的能力增大，因为两个储箱515、12可以串联。
辅助水储箱12包括一个在辅助储箱12的下部分开放的第二导管552以及一个在辅助储箱12的上部分中开放的第一导管551。第二导管552从储箱515连接至用户导管532上以便将储箱515中的热水引入辅助储箱12的下部分中。热水经由第一导管551从辅助储箱12中被移除并且进入一个传统的第一恒温阀560的温水端口561中。一个恒温端口562将第一导管551中的水进一步经由第二恒温阀565递送至用户。一个冷水端口563连接至用户管线532上。
该第一恒温阀被调整至希望的出口特定温度，例如60℃。如果进入温水端口561中的水低于该设定温度，则该第一阀将温水端口561与恒温端口562相连接。与此同时，可以运行该电加热器以提高该辅助储箱中的水的温度。
如果进入温水端口561中的水高于该设定温度，则恒温阀560混入来自冷水端口563的水，直至达到该设定温度。如果该冷端口处的水的温度高于该设定温度，则该恒温阀从冷水端口563放出所有水。
第二恒温阀565被安排成用于调节从第一恒温阀560出来的水而使得温度等于或低于所希望的温度，例如55℃，以避免烫伤。
当使用了辅助储箱12时，可以按低温模式来运行该系统500，其中储箱515的上部分中的希望温度是例如45℃。辅助储箱12包括被该电加热器加热至例如90℃的水。通过根据家用热水的预期用途来选择该辅助储箱的体积，提供了一种系统，该系统以有效的方式使用该太阳能收集器系统并且其中该辅助储箱提供了舒适的特性，因为一直准备着热水以供立刻递送。
另外，示出了安排在泵595之后的一个单向阀591。该单向阀防止该储箱回路中的热虹吸循环(自然循环)。如果该热源被放置在该储水器上方并且其温度低于该储器内的温度，则防止了该储器的自然循环以及随后的放水。
在以上描述的这些实施例中，该五端口阀已经被该返回管线中的流动所激活。然而，如图8所示，五端口阀720可以替代地被用户导管732中的流动所激活，如系统700中所示。因此，水经由第一导管701从该储箱的上部分中被取出并且传递至五端口阀720的第一端口721。该五端口阀的第二端口722连接至用户导管732上。在所有其他方面，系统700的运行类似于其他实施例。相同的原理可以用于之前所描述的任何系统中。
在该五端口阀的激活的这两个实施例中，当存在家用水流动或返回流动时，该五端口阀仅在放水模式过程中处于其激活位置。在所有其他情况中，该五端口阀处于其非激活位置。因此，该五端口阀在充水过程中以及在该系统闲置(即，既不充水也不放水)时处于其非激活位置中。因此，该五端口阀准备好在非激活位置中进行充水。
图9和图10披露了将在上述实施例中使用的五端口阀490。该五端口阀包括两个圆筒480和481，这两个圆筒被安排在彼此旁边而具有重叠的对称轴线。一个轴482在这两个圆筒之间延伸。一个第一活塞484被安排在该轴的左侧并且一个弹簧483将活塞484在图9中向左推在该五端口阀的这个闲置位置中，没有从第一端口491到第二端口492的流动(返回流动)。第三端口493连接至第四端口494(该第四端口连接至第一导管401)上并且一旦泵475根据该系统所确定的进行运行，该五端口阀便准备充水。
图10示出了当存在从第一端口491到第二端口492的返回流动而胜过弹簧483的力时处于激活位置中的阀。两个活塞485和486与第三端口493、第四端口494以及第五端口495相互作用以便将第三端口493连接至第五端口495上，该第五端口连接至第二导管402上。五端口阀490现在处于其激活的放水位置中。一旦放水停止，则该返回流动停止并且该五端口阀返回至图9所示的闲置位置。
在放水模式中，该泵应该如结合图3和4中的系统300所提到的被解除激活。出于这个目的，该阀配备有一个簧片继电器487，该簧片继电器在该阀处于闲置位置中时被安排在阀壳体中、与第一活塞484相对。一个永磁铁488被嵌入第一活塞中、靠近簧片继电器487。当磁铁488被定位成靠近簧片继电器487时，该继电器内部的一个舌片被该永磁铁的磁力激活并且一个开关被闭合，如图9所示。现在，如果有热能进入该系统中，则驱动该泵的一个驱动信号可以从该控制单元经由该簧片继电器传输至该泵。当活塞484通过回水的流动而向右移动至激活位置时，永磁铁488背离簧片继电器487移动，该簧片继电器被解除激活487’，从而导致该开关被断开，如图10所示。现在，没有电流可以传递至该泵并且泵475被解除激活。
可以使用不同于永磁铁和簧片继电器的另一种类型的传感器，例如电容性传感器，用于感测活塞484在闲置位置中的存在。替代地，也可以使用光学系统。
当回水的流动停止，则该弹簧应将第一活塞从图10所示的位置返回至图9所示的位置中。然而，在图10的活塞484左边区域中所含的水不能向后流出而进入该返回导管中，因为这样的向后流动被阻挡。为了使弹簧483将活塞484向左移动，需要小的水流绕行越过该活塞。因此，该活塞配备有从该活塞左侧延伸至右侧的多个小的凹陷489。现在，水可以流动经过所述小的凹陷而越过该活塞，这意味着活塞484可以向图10左边移动，即使回水流动被阻挡。替代地，该活塞可以不设有对周围圆筒的密封或可以相对于该圆筒设有一个游隙或可以设有一个孔洞，该孔洞可以提供所希望的绕行流动。
此类凹陷或类似物的另外的优点在于，在图9所示的闲置位置中可以有少量的回水从第一端口491流到第二端口492。这种返回流动必须超过特定的流速以便将该活塞向右移动。这导致该五端口阀不被小的返回流动所激活，例如如果自来水阀发生泄漏的话。需要明显的返回流动来激活该五端口阀。
关于如图9和图10所指示的其他活塞，可以安排类似的绕行流动。
图11和图12披露了可以用于所描述的这些实施例中的五端口阀790的另一个实施例。该阀被封闭在两个半圆筒780、781中。半圆筒的左部780包括第一端口791和第二端口792。一个叶片784被安排在轴782处，该轴在顺时针方向上被弹簧783推动。当该叶片两侧的压力相同时，该叶片借助于该弹簧而采取图11所示的位置。在这个位置中，叶片684防止任何水从第一端口791流到第二端口792。与此同时，另一个半圆筒781中的另外一个叶片785被安排成用于将第三端口793与第四端口794相连接。这个位置在图11中示出并且对应于该五端口阀的闲置位置的非激活位置，其中该系统准备好进行充水模式。
当在放水模式中回水被引入第一端口791中时，回水造成的压力在逆时针方向上推动叶片784，并且建立了从第一端口791到第二端口792的连通，如图12所示。与此同时，轴782使另一个半圆筒781中的另一个叶片785移动，从而使得在第三端口793与第五端口795之间建立连通。
叶片784可以配备有多个锯齿789，而使得在闲置位置中小的水流可以绕过叶片784，如以上描述的。
图13披露了一种模块1，该模块可以被整合到现有的供水设施中。模块1被适配成无创地连接至一个现有的水加热与储存储箱315上并且连接至一个定位在外部的热源370上以便创建一种改善的水加热、储存与递送系统。该模块另外连接至一个用户导管332和一个返回导管377上。
模块1被一个支撑性金属机箱所封装。该机箱允许该模块放置在地板上或挂在墙壁上。在该机箱的上部面上设有一个开孔，从而使得可以触及该模块的控制器/记录器显示器和按钮。在该模块内安排了多个内部连接管道。这些可以是柔性的，例如由塑料制成。也可以使用甚至金属的、尤其铜的管道。在该模块外安排了六个外部连接点6。这些用于在机械上和功能上地将该水加热与储存接收座315以及热源370与模块1相连接并且连接至家用热水龙头334上并且用于连接回水377。
根据“即插即用”，用于消费者的所有连接都是在该模块外侧上形成的。一个由塑料、金属或其他不透水材料制成的液压挡块8被定位在该机箱内。下文中进一步描述的以下元件被模制在所述挡块8内部：水通道、这两个泵的壳体、两个混合阀、一个单向阀。优选地，该挡块的所有管道配件是直列地安排的。
挡块8被构造成两个分开的部分以便允许安装或更换该多端口阀的这些部件。还有一个紧凑的热交换器10(例如板式热交换器)放在该机箱内。模块1中的大部分空间被一个辅助水储箱12所占据，该辅助水储箱被配置成用于将水加热。该紧凑的热交换器10典型地是由某种波纹金属制成，但是其他方案也是可能的。辅助水储箱12不必是压力安全的。可以改变这个储箱的形状以便更好地利用该模块中的可用空间。该储存箱还可以装配有PCM(相变材料)，用于在不增大该储箱体积的情况下提高储热能力。
另外，模块1包括一个膨胀器皿14，其大小根据该热源的容量、例如太阳能收集器的激活区域来确定。经尺寸确定的体积需要适应该收集器内的载热介质的体积、其热膨胀以及安全余量。在图15中可以看到一个温度传感器20。传感器20测量辅助水储箱12中的水温并且基于此(如果需要的话)来触发辅助水储箱12的一个加热元件的激活以及失活。
一个控制单元18(在图14中可见并且包括一个电子控制器和一个记录器)负责控制该系统的过程。通过可用的USB端口和/或无线方式可以容易地更新该控制单元。用户可以访问该记录器中所储存的数据并且看到一段时间段内的能量性能以及温度。另外，对一些基本的系统参数的调整(例如温度的设定)可以经由该控制器来完成。
液压挡块8包括该五端口阀、两个泵和其他阀以及根据该系统的多个导管。
相应地，所述模块被适配成无创地连接至传统类型的已经安装的储水加热器上。换言之，不需要在该水储箱的储水器皿中提供额外的入口或出口，两个可用的连接点、冷水入口和热水出口就足以进行该模块的安装。因此，显然该模块尤其适用于传统储水加热器的改造。在此类装置的情况下，该模块的控制单元负责该储水加热器的加热元件的运行。以此方式，可以对储水加热器提供附加的功能性，例如每周一次的沸腾(boil-up)，而使得它更加多用。此外，已经显示，由现有的储水加热器组成并且补充有太阳能收集器和本发明模块的一种经改造的系统实现了与可比的传统太阳能热系统大致相同的效率。
以上充分讨论的多端口阀可以按不同的几何构型来安排以实现所解释的功能性。相应地，除了以直线安排之外，还可以举例以T形、H形、或圆形或其他几何构型来安排。
在权利要求中，术语“包括/包括有”不排除其他元件或步骤的存在。另外，多个装置、元件或方法步骤虽然是单独列出的，但也可以通过例如单一的单元来实现。另外，虽然单独的特征可能是包含在不同的权利要求或实施例中，但是这些可能有利地进行组合，并且包含在不同权利要求中不意味着多个特征的一种组合不是可行的和/或有利的。另外，单数的指代并不排除多个。术语“一个”、“一种”、“第一”、“第二”等不排除多个。权利要求中的参考号仅是作为一个阐明实例来提供的并且不应被解释为以任何方式限制本权利要求书的范围。
虽然本发明在上文中是参照特定的实施例和实验进行描述的，但本发明不旨在局限于本文所提出的具体形式。而是，本发明仅由所附权利要求限制，并且除上文指明的那些之外的其他实施例中在所附这些权利要求的范围内同样是可能的。

Claims (15)

1.一种系统，包括：
一个封闭的水储箱，该水储箱具有用于将水引入该储箱和将水从中移除的一个第一导管和一个第二导管；
一个热源，该热源位于该水储箱的外部并且包括一个用于冷水的入口以及一个用于被该热源加热的水的出口；
一个泵，用于在第一运行模式中使来自该储箱的水循环穿过该热源且返回至该储箱中；
在第二运行模式中用于将水从该系统中移除的一个用户导管以及用于使水返回至该系统的一个回水导管；
其特征为
一个具有非激活位置和激活位置的五端口阀，其中该五端口阀包括：
连接至该用户导管或该回水导管上的一个第一端口和一个第二端口，其中从该第一端口到该第二端口的水流动使该阀从该非激活位置移动至该激活位置并且其中在基本上没有水从该第一端口流到该第二端口时一个弹簧将该阀从该激活位置返回至该非激活位置；
连接至该热源的出口上的一个第三端口、连接至该第一导管上的一个第四端口以及连接至该第二导管上的一个第五端口，其中在该五端口阀的非激活位置中该第三端口连接至该第四端口上并且其中在该五端口阀的激活位置中该第三端口连接至该第五端口上；并且其中
该回水导管连接至该热源的入口上。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于在该五端口阀处于该激活位置时防止该泵运行的一个开关，该开关是由该五端口阀在该第二运行模式中借助于水流动来机械地控制的。
3.根据权利要求1或2所述的系统，
其中在该第一运行模式中，没有水流入或流出该系统并且该泵将水以闭环的形式从该第二导管经由该泵和该热源输送至该五端口阀的第三端口并且进一步经由该第四端口输送至该第一导管，其中该储箱中充有该热源所递送的热能：并且
其中在该第二运行模式中，水经由所述回水导管流入该系统中并且水经由所述用户导管流出该系统，由此使该五端口阀移动至该激活位置，在该激活位置中水从该第一导管经由该用户导管流到用户并且水经由所述回水导管流到该热源的入口以在该热源中被加热、并且进一步流到该五端口阀的第三端口并进一步流到该第五端口且经由该第二导管流到该储箱。
4.根据以上权利要求中任一项所述的系统，其中该热源是一个间歇性热源，例如太阳能热系统。
5.根据以上权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一导管在该储箱的上部分中开放并且所述第二导管在该储箱的下部分中开放。
6.根据以上权利要求中任一项所述的系统，其中所述热源包括一个热交换器，该热交换器具有连接至一个太阳能热收集器上的一个初级回路以及连接至该储箱上的一个次级回路。
7.根据以上权利要求中任一项所述的系统，其中所述热交换器是一个热泵的一部分。
8.根据以上权利要求中任一项所述的系统，进一步包括一个调节阀，该调节阀被安排在所述用户导管中并且具有连接至所述第一导管上的一个第一端口、连接至该热源的所述出口上的一个第二端口以及连接至该用户导管上的一个第三端口，其中该调节阀被安排成在该第一导管中的水温高于该热源的出口中的水温时使来自该第一端口的水流到该第三端口，并且其中该调节阀被安排成在该第一导管中的水温低于该热源的出口中的水温时使来自该第二端口的水流到该第三端口。
9.根据权利要求8所述的系统，其中该调节阀包括用于感测该第一导管中的水的温度的一个第一温度传感器以及用于感测该热源的出口中的水的温度的一个第二温度传感器。
10.一种被适配成有待连接至外部水储箱上且连接至热源上并且连接至用户导管和返回导管上的模块，包括：
用于连接至第一导管上的一个第一连接器以及用于连接至第二导管上的一个第二连接器，其中该第一导管和该第二导管向该外部水储箱的内部开放；
分别用于连接至该热源的入口上的一个第三连接器以及用于连接至该外部热源的出口上的一个第四连接器；
用于连接至用户以便向用户放出水的一个第五连接器以及用于回水的一个第六连接器；其特征为
一个具有非激活位置和激活位置的五端口阀，其中该五端口阀包括：
连接至该第五连接器或该第六连接器上的一个第一端口和一个第二端口，其中从该第一端口到该第二端口的水流动使该阀从该非激活位置移动至该激活位置并且其中在基本上没有水从该第一端口流到该第二端口时一个弹簧将该阀从该激活位置返回至该非激活位置；
连接至该第四连接器上的一个第三端口、连接至该第一连接器上的一个第四端口以及连接至该第二连接器上的一个第五端口，其中在该五端口阀的非激活位置中该第三端口连接至该第四端口上并且其中在该五端口阀的激活位置中该第三端口连接至该第五端口上；并且其中该第六连接器连接至该第三连接器上。
11.根据权利要求10所述的模块，进一步包括一个热交换器，该热交换器具有一个初级回路和一个次级回路，并且其中该第三连接器被安排成用于连接至一个太阳能收集器回路的入口上并且其中该第四连接器被安排成用于连接至该太阳能收集器回路的出口上。
12.根据权利要求11所述的模块，进一步包括一个用于使热量载体在该热交换器的初级回路中循环的初级回路泵以及一个位于该次级回路中用于在第一运行模式过程中使水循环的次级回路泵。
13.一种五端口阀，其特征为：
连接至一个流体控制导管上的一个第一端口和一个第二端口，其中从该第一端口到该第二端口的流体流动使该五端口阀从一个非激活位置移动至一个激活位置并且其中在没有流体从该第一端口流到该第二端口时一个弹簧将该五端口阀从该激活位置返回至该非激活位置；
连接至一个流体流来源的出口上的一个第三端口、连接至一个第一导管上的一个第四端口以及连接至一个第二导管上的一个第五端口，其中在该五端口阀的非激活位置中该第三端口连接至该第四端口上并且其中在该五端口阀的激活位置中该第三端口连接至该第五端口上。
14.根据权利要求13所述的五端口阀，其中在该第一端口与该第二端口之间安排了一个第一活塞，其中该控制导管中的流体流动使该活塞从该第一非激活位置移动至该激活位置；并且其中关于该第三端口、该第四端口和该第五端口安排了一个第二活塞，其中该第二活塞通过一个轴连接至该第一活塞上以实现共同移动。
15.根据权利要求13或14的五端口阀，进一步特征为，被安排在所述第一活塞中以便使流体从该活塞的第一侧流到该活塞的第二侧的多个凹陷或开口，其中该控制导管中的小的流体流动不足以使该活塞移动至该激活位置，而大于一个预定流体流速的流体流动足以使该活塞移动至该激活位置。
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