Патент на изобретение №2310137

(54) УСТАНОВКА ДЛЯ ПОДОГРЕВА СЕТЕВОЙ ВОДЫ И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к установке для подогрева сетевой воды с устройством для нагрева воды под воздействием энергии окружающей среды, причем вода может накапливаться в резервуаре, например в цистерне для дождевой воды и т.п. Технический результат: создание такой установки, позволяющей, в случае обледенения теплообменника, появляющегося в отдельных случаях при использовании латентного тепла, влиять на годовой коэффициент мощности установки, который имеет решающее значение для рентабельной эксплуатации установки. Установка для подогрева сетевой воды с использованием теплового насоса, с внешним циркуляционным контуром охлаждающей среды с теплообменником, который омывается водой из цистерны дождевой воды или подобного источника и размещенным с погружением в нее, причем в теплообменнике поступающая из теплового насоса холодная среда нагревается и возвращается к тепловому насосу. В случае погруженной в грунт цистерны вода цистерны за счет теплообмена через стенку цистерны отбирает тепло окружающего ее грунта и при этом вода снова нагревается. Предусмотрен насос для подачи воды из цистерны на крышу, где она может равномерно распределяться в верхней области поверхности крыши посредством распределительных труб, и текущая по кровле вода может собираться в водосточные желоба и возвращаться в цистерну. Теплообменник выполнен из ряда сегментов, каждый из которых содержит по одному коллектору прямого и обратного потока, которые связаны друг с другом собственными, по существу, параллельно проходящими трубчатыми или пластинчатыми элементами теплообменника и омываются водой цистерны и через которые может протекать охлаждающая среда теплового насоса. Соседние сегменты теплообменника могут находиться в противотоке, и коллекторы прямого и обратного потока соседних сегментов расположены непосредственно рядом друг с другом. Насос и вентили управляются, в частности, электронным регулятором в зависимости от сигналов температурных датчиков на поверхности крыши, в цистерне и/или в трубопроводах, так что в нормальном режиме вода из цистерны направляется на крышу, нагревается там и может подаваться обратно в цистерну. При опасности замерзания воды в распределительных трубах или на кровле насосы и вентили управляются таким образом, что транспортировка воды на крышу прерывается и происходит опорожнение распределительных труб и, при необходимости, также их подводов, и циркуляцию воды в цистерне обеспечивает насос, так что может использоваться накопленное тепло воды цистерны, включая, по меньшей мере, часть ее латентного тепла и, при необходимости, подведенное через стенку цистерны тепло от грунта. Также описан вариант установки и способ эксплуатации. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к установке для подогрева сетевой воды с устройством для нагрева воды под воздействием энергии окружающей среды, причем вода может накапливаться в резервуаре, например в цистерне для дождевой воды и т.п., кроме того, с тепловым насосом, с первым внешним контуром охлаждающей среды с теплообменником, который питается водой из цистерны с дождевой водой и т.п., причем в таком теплообменнике поступающая от теплового насоса охлаждающая среда нагревается и возвращается обратно к тепловому насосу, причем при заглубленной, при необходимости, в грунт цистерне вода в цистерне отбирает тепло из окружающего грунта за счет теплообмена через стенку цистерны и при этом вода снова нагревается, причем предусмотрен насос, с помощью которого вода из цистерны может подаваться на крышу, где она в верхней части поверхности крыши может, в частности, равномерно распределяться и текущая по кровле вода может собираться в водосточных желобах и возвращаться назад в цистерну.

Под вышеупомянутым понятием “энергия окружающей среды” понимается энергия самых различных источников, прежде всего энергия непосредственного солнечного излучения, но также и энергия диффузного излучения, подвод тепла теплым окружающим воздухом, причем перенос тепла может поддерживаться ветром и, наконец, еще то тепло, которое выходит вследствие несовершенной теплоизоляции дома через крышу.

Тепловые насосы представляют собой наиболее оптимальные и энергосберегающие устройства для установок по получению низко- и высокотемпературной воды. Они могут нагнетать тепло, например, низкотемпературной колодезной воды от 10°C до температуры 30-50°C. В зависимости от параметров такой установки могут достигаться коэффициенты мощности порядка 6 (коэффициент мощности показывает, насколько тепловая мощность устройства больше по сравнению с подведенной электрической мощностью.) Мощные т.н. водоводяные тепловые насосы предполагают, однако, подвод не несущественных объемов воды, которые обычно получают из колодца. Охлажденная в тепловом насосе вода должна затем через поглощающий колодец снова подаваться в грунтовую воду. Это дает в итоге в общем не только крайне высокие капиталовложения, но и все чаще отклоняется органами власти из-за риска заражения грунтовых вод.

Другой способ – это извлечение тепла из окружающего воздуха. Эти установки предполагают очень высокий расход воздуха, что может привести скорее к скромным коэффициентам мощности и к значительному распространению шума. Зимой это приводит обычно к обледенению теплообменников, которое требует регулярного оттаивания, что приводит к дальнейшему снижению среднего коэффициента мощности.

Для решения проблемы высокого потребления воды для водоводяных установок и одновременного увеличения коэффициента мощности в документе DE 10139065 A1 предлагался вариант прежней системы. Согласно этой публикации предусмотрен устанавливаемый на крыше солнечный коллектор, который соединен с накопителем воды, нагретая вода которого нагревает испаритель теплового насоса, который доводит подведенное тепло до более высокого уровня температуры.

Устройства этого вида оказались на практике не без проблем.

Благодаря этому решению возможно усовершенствование, проблема окружающей среды однако остается, но по другим причинам: для предотвращения замораживания системы, в частности солнечного коллектора зимой, необходимо снабжать воду в этом контуре антифризом, например гликолем или хлоридом натрия. При появлении в этой системе негерметичности относительно большое количество загрязненной антифризом воды может выйти наружу и попасть затем в грунтовую воду.

Поэтому это является основанием для все более частого отказа в выдаче органами власти разрешений на подобные установки не только в водоохранных зонах, но и во многих других защищаемых областях окружающей среды.

С другой стороны, прежде всего домовладельцев и потенциальных монтажников подобных установок отпугивает несовершенный внешний вид: поглотители, состоящие либо из застекленных ящиков, которые окружают собственно коллекторы, либо из черной пластмассы, должны устанавливаться на кровле и в общем очень сильно контрастируют с черепицей или окрашенными алюминиевыми панелями кровли, так что внешний вид дома сильно ухудшен из-за такой установки с эстетической точки зрения. Принимая во внимание относительно высокую цену таких коллекторов, однако с эстетической точки зрения пытаются обходиться коллекторами с минимальной площадью, что дает в итоге, однако, незначительный за год коэффициент мощности теплового насоса.

Уже было предложено использовать нагрев от крыши посредством орошения водой и направлять нагреваемую таким образом воду в цистерну. Насосом транспортируют воду цистерны через теплообменник к распределительным трубам на кровле. Такие установки описаны, например, в немецкой выложенной заявке DE 3310228, французской заявке FR 2566032. Подобные установки – это предмет патентов США US 4340036, US 4052975 и US 2660863. Установки такого типа работают довольно хорошо до тех пор, пока вода в цистерне имеет температуру выше 0°C. Тем не менее, возникают проблемы, когда температура воды цистерны падает до 0°C. Прежде всего, в течение января и февраля встречаются в многочисленных регионах Центральной Европы в отдельных случаях погодные условия, при которых отсутствует вследствие тумана нагрев кровли прямым или косвенным излучением, и температуры воздуха лежат ниже 0°C. Именно при таких условиях потребность в тепле большая и не может покрываться вышеописанными установками, или может покрываться только частично, так что в общем необходимо возвращаться к дополнительному электрическому нагреву. Коэффициент мощности установки лежит тогда в области единицы и ведет к ухудшению годового коэффициента мощности, который является решающим для оценки эффективности нагревательной установки.

При конструкции теплообменника, который показан в документе DE 3310228, при этих температурах доходит до обледенения теплообменника, начиная от подачи рассола, охлажденного в тепловом насосе, например, до -4°C. Такое образование льда неизбежно при использовании латентного тепла воды, однако решающим является то, что предотвращается образование больших, массивных объемов льда. Целью изобретения является создание на теплообменнике с относительно большой поверхностью ледяных слоев, которые имеют в свою очередь также большую поверхность. Ухудшение перехода тепла через ледяные слои компенсируется соответственно более широким выбором параметров теплообменника. При этих появляющихся в течение года только относительно редко неблагоприятных погодных условиях можно мириться с кратковременным снижением мгновенных значений коэффициента мощности установки. Однако, существенно то, что сразу при поступлении более теплой воды в цистерну ледяные слои вследствие большой поверхности быстро тают и при этом мгновенный коэффициент мощности снова повышается. Обледенение теплообменника, появляющееся в отдельных случаях при использовании латентного тепла, остается без существенного влияния на годовой коэффициент мощности установки, который имеет решающее значение для рентабельной эксплуатации установки.

Согласно изобретению это достигается за счет того, что теплообменник выполнен из ряда сегментов, каждый из которых содержит коллекторы прямого и обратного потока, которые связаны друг с другом собственными практически параллельно проходящими трубчатыми или пластинчатыми элементами теплообменника и омываются водой цистерны и через которые может протекать охлаждающая среда теплового насоса, причем соседние сегменты теплообменника могут находиться в противотоке, и коллекторы прямого и обратного потока соседних сегментов расположены непосредственно рядом друг с другом; кроме того, насос и, возможно, вентили управляются, в частности, электронным регулятором в зависимости от сигналов температурных датчиков на поверхности крыши, в цистерне и/или в трубопроводах, так что в нормальном режиме вода из цистерны направляется на крышу, нагревается там и может подаваться обратно в цистерну; при опасности замерзания воды в распределительных трубах или на кровле насосы и вентили управляются таким образом, что транспортировка воды на крышу прерывается и опоражниваются распределительные трубы и, при необходимости, также их подводящие трубопроводы, и циркуляцию воды в цистерне обеспечивает, предпочтительно, насос, так что может использоваться накопленное тепло воды цистерны, включая, по меньшей мере, часть ее латентного тепла и, если цистерна заглублена в грунт, подведенное через стенку цистерны тепло от грунта.

Такое решение требует только незначительных вложений, так что в общем вся кровля может использоваться для нагрева вторичной воды, по меньшей мере, поверхности, направление которых дает в итоге высокую степень облучения (восток, юг или запад). Еще одно преимущество этого решения состоит в том, что этим использованием солнечной энергии внешний вид кровли никаким образом не ухудшается, так как кровля сама используется как источник тепла, и в следующем выгодном варианте выполнения изобретения для равномерного орошения кровли в коньковой черепице могут быть скрыто встроены распределительные трубы.

Также в отношении аспектов окружающей среды предмет изобретения обнаруживает существенные преимущества по сравнению с уровнем техники. Согласно изобретению для заполнения цистерны используется чистая вода, в частности дождевая вода, так что даже в случае негерметичности системы окружающей среде вред не причиняется, и прежде всего, не может быть загрязнена грунтовая вода. Поэтому также допустимо проводить переливание из цистерны в грунтовую воду.

Согласно альтернативе вышеописанному предмету изобретения теплообменник является противоточным теплообменником, который, с одной стороны, имеет проток среды из контура испарителя теплового насоса и, с другой стороны, – воды цистерны. Выходящая из теплообменника охлажденная вода цистерны проходит через вентиль к распределительным трубам на крыше и тонко распределяется по поверхности кровли. Между подводящим трубопроводом к распределительным трубам и цистерной предусмотрен соединительный трубопровод с вентилем, который перед вентилем выходит в подводящий трубопровод к распределительным трубам. Кроме того, установка имеет электронный регулятор, который в зависимости от сигналов датчиков температуры на поверхности кровли, в цистерне и/или в трубопроводах управляет насосом и вентилями так, что в нормальном режиме вода из цистерны направляется на крышу, нагревается там и может подаваться обратно в цистерну; при опасности замерзания воды в распределительных трубах или на кровле вентили и насос управляются таким образом, что охлажденная в противоточном теплообменнике вода цистерны через открытый вентиль может возвращаться непосредственно в цистерну, так что может использоваться накопленное тепло воды цистерны, включая, по меньшей мере, часть ее латентного тепла и, если цистерна заглублена в грунт, подведенное через стенку цистерны тепло грунта. Существенным в этом варианте изобретения является то, что при использовании латентного тепла воды образующиеся кристаллы льда смываются потоком из теплообменника в цистерну и предотвращается образование льда в противоточном теплообменнике.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения кровля состоит из листового металла, предпочтительно из листового алюминия. За счет нанесения покрытия на поверхность можно повысить поглотительную способность в видимой к инфракрасной области спектра.

Остальные преимущества изобретения вытекают из зависимых пунктов 2, 3 и 5-13 формулы изобретения.

В пунктах 14-17 описан способ эксплуатации установки для подогрева сетевой воды с емкостью для воды, в частности цистерной, которую заполняют сначала предпочтительно дождевой водой, после чего из этой воды через теплообменник, в котором нагревается поступающий от теплового насоса холодный рассол и т.п., отбирают тепло, в нормальном режиме воду из емкости посредством насоса и т.п. при необходимости периодически проводят на крышу и затем тонко распределяют по ней, причем нагретую на кровле воду собирают в водосточном желобе и отводят к емкости.

Согласно следующему признаку изобретения при опасности замерзания воды, в частности при температуре кровли менее 1°C, распределительные трубы и подводящие трубопроводы опорожняют и перекрывают посредством закрытия вентилей.

В этом рабочем режиме накопленное тепло воды цистерны, включая, по меньшей мере, часть ее латентного тепла, и при заглубленной в грунт цистерне тепла, подведенного к цистерне через грунт, используют для нагрева рассола и т.п. теплового насоса. С помощью соответствующего регулирования насоса и вентилей можно добиться перемешивания воды в цистерне так, что можно в значительной степени избежать локального ее переохлаждения. Преимущественно, при летней эксплуатации, в частности, при отключенном тепловом насосе, включают нагнетательный насос, причем проходящая по кровле более холодная вода цистерны непосредственно и дополнительно посредством испарения способствует охлаждению кровли, и при утопленной в грунт цистерне за счет сравнительно теплой воды цистерны нагревается окружающий грунт, и его дополнительное тепло в рабочем режиме теплового насоса предоставляется частично для нагрева воды цистерны. Существенным моментом в способе согласно изобретению является то, что кровля как можно в большей степени освобождается от снега, поскольку из-за теплоизолирующего воздействия снега никакое тепло из окружающей среды не могло бы передаваться на крышу. Чтобы избежать этого, необходимо с помощью датчика наличия снега или, в частности, приводимого от руки выключателя включить орошение поверхности крыши таким образом, чтобы при наличии слоя снега или при снегопаде снег немедленно таял и крыша при этом освобождалась от снега. Таяние снега можно обеспечить другими средствами, например тепловым кабелем, которые применяют для нагрева желобов крыши.

Другие признаки изобретения вытекают из последующего описания нескольких примеров выполнения со ссылками на чертежи.

Фиг.1 схематично показывает установку согласно изобретению;

Фиг.2а-2c представляют теплообменник в различном восполнении;

Фиг.3 и 4 показывают варианты теплообменника в аксонометрическом изображении,

фиг.5 – показана схема встраивания;

фиг.6 и 7a, 7b представляют различные варианты распределительных труб;

Фиг.8 показывает соответствующий изобретению вариант установки;

фиг.9 показывает ее часть.

На фиг.1 схематично показана установка для подогрева сетевой воды для дома на одну семью. Дом имеет односкатную крышу с кровлей, обращенной на солнечную сторону (юг или запад) 1. В верхней области крыши расположен распределительный трубопровод 5. Такой трубопровод 5 показан подробно на фиг.6. Распределительный трубопровод выполнен из нержавеющей стали или из пластмассы, и на обращенных от питающего трубопровода 3 концах выполнено по одному направленному вертикально вверх штуцеру 65. На нижней стороне распределительный трубопровод 5 имеет ряд небольших просверленных отверстий 66, через которые вода равномерно распределяется по крыше. Оба ответвления распределительного трубопровода 5 могут иметь незначительный подъем к штуцерам 65. Давление нагнетательного насоса 15 задано таким образом, что уровень воды в обоих штуцерах 65 находится на половине высоты. Поэтому вода выходит по всему трубопроводу 5 из отверстий 66 под небольшим определенным давлением. При отключении насоса трубопровод 5 полностью опоражнивается, так что при морозе не может дойти до его замерзания. Другим преимуществом этой установки является то, что направление распределительных труб по крыше является относительно некритичным. Подводимое давление может быть установлено при необходимости с помощью соответствующих дросселей.

Вода, текущая по поверхности крыши, собирается в водосточный желоб 7a. Эта вода по водосточным трубам 7b направляется в цистерну 11. Эта цистерна наполнена дождевой водой, только при вводе в эксплуатацию установки она, по меньшей мере, частично должна заполняться водой из трубопровода хозяйственной или питьевой воды. В цистерне 11 расположен схематически представленный теплообменник 67. Через него циркулирует рассол (или иная подходящее морозоустойчивая среда) теплового насоса 24, расходный контур которого обозначен 22, 23. (Детали такой установки теплового насоса будут подробно в дальнейшем разъяснены с помощью фиг.8). Рассол, охлажденный в не показанном здесь испарителе теплового насоса и выходящий на участке 21 из теплового насоса, откачивается также не показанным циркуляционным насосом через теплообменник 67. Как, в частности, на фиг.2a-2c показано, теплообменник 67 выполнен из двух сегментов или модулей, которые состоят из нескольких теплообменных элементов 70. Каждый из этих элементов теплообменника содержит коллектор 71 прямого потока, который рядом параллельных труб 68 связан с коллектором 72 обратного потока. Трубы 68 U-образно изогнуты так, что между соседними выходящими из коллекторов 71 прямого потока рядами труб располагаются трубы, идущие к коллекторам 72 обратного потока. Если вода цистерны охлаждена до температуры, близкой к точке замерзания, что случается, в частности, при использовании латентного тепла содержимого цистерны, то в частях труб рядом с впускным коллектором 71 прямого потока, где рассол имеет самую низкую температуру, образуются слои льда. Замерзание идет вдоль труб 68 непрерывно. Области вблизи коллекторов 72 обратного потока остаются дольше всего свободными от льда. Такими мерами гарантируется, что на коллекторах не образуется массивный блок льда, относительно небольшая поверхность которого может затем серьезно осложнить его таяние. Образующиеся на пучках труб слои льда имеют относительно большую поверхность и могут, как только они будут омыты более теплой водой, быстро оттаять, вследствие чего коэффициент мощности установки снова улучшается. Общая поверхность труб теплообменника 68 задана таким образом, что при умеренном его обледенении (толщина льда <5-6 мм) еще может быть достигнут приемлемый коэффициент мощности установки. При таких расчетах теплопередача определяется первоначально теплопроводностью слоя льда, а не материала труб. Наряду с неоднократно выбираемыми для теплообменника металлическими материалами подходят в данном случае и пластмассы, такие как полипропилен или полиэтилен.

Если кровля 1 теплее, чем вода цистерны, циркуляционный насос 15 остается в эксплуатации и нагнетает воду из цистерны на поверхность крыши. Управляет насосом 15 электронный регулятор 35, который принимает сигналы от датчиков 33 температуры на кровле 1 и от подобного датчика 32 в воде цистерны. Если крыша 1 достигает, например, в зимний день на солнце плюсовой температуры и теплее, чем вода цистерны, то насос 15 включается регулятором 35. Если температура кровли лежит, однако, ниже 0°C, так что может доходить до замораживания распределительной трубы 5 и частично также подводящей трубы 3, насос 15 выключается. Находящаяся в трубах вода течет затем через насос назад в цистерну.

Преимущество соответствующей изобретению установки состоит в том, что накопленное тепло воды цистерны может использоваться почти полностью: вода может охлаждаться не только до 0°C, можно использовать также, по меньшей мере, часть латентного тепла воды при переходе из жидкого в твердое агрегатное состояние. Так как для воды скрытая (латентная) теплота или теплота плавления составляет 82 кВч/м³, для обычной величины цистерны 10-15 м³ имеется в распоряжении большая дополнительная потенциальная энергия.

На фиг.3 и 4 представлены два различных альтернативных показанным на фиг.1 и 2 модулям теплообменника, которые дают, прежде всего, лучшую доступность при монтаже и во время технического обслуживания. Согласно фиг.3 трубы 68 расположены вдоль цилиндрических поверхностей и идут от вертикально проходящих коллекторов 71 прямого потока. Коллекторы обратного потока проходят также вертикально. Положение труб 68 зафиксировано не показанными здесь дистанцирующими элементами. Как схематично показано на фиг.5, в цистерне установлен ряд этих модулей 73 с вертикальной осью. Модули меньше в диаметре, чем ширина в свету люка 74, так что они могут легко вводиться при монтаже. В секторе цистерны 11 установлен выполненный в качестве погружного насоса насос 15, 7b обозначает приток с крыши, 74 обозначает фильтрующий элемент, в котором удерживаются загрязнения из приходящей с крыши воды.

В варианте согласно фиг.4 модуль 73 выполнен спиралеобразным: между горизонтально проходящими трубами вертикальных коллекторов 71 или 72 прямого и обратного потока, сначала U-образно сложенными и затем спиралеобразно закрученными, зафиксированы не показанными здесь дистанцирующими элементами. Монтаж в цистерне происходит согласно фиг.5.

Фиг.8 показывает альтернативный вариант установки для подогрева сетевой воды, например, для односемейного дома. Дом имеет крышу с кровлей, обращенной на солнечную сторону (юг и соответственно запад) 1, и на сторону, повернутую от солнца (север и соответственно восток) 2. Конек 51 крыши имеет так называемую коньковую черепицу 52, которая окружает распределительные трубы 5 и 6. Небольшой участок этих труб 5, 6 подробно представлен на фиг.7a и 7b, причем фиг.7a показывает часть такой трубы в горизонтальной проекции, в то время как фиг.7b наглядно показывает поперечное сечение такой трубы. Распределительные трубы 5 и 6 выполнены как гофрированные трубы из нержавеющей стали или пластмассы и снабжены на своей верхней стороне шлицами или имеют отверстия, так что проходящая по трубам 5 и 6 вода выходит практически без давления и, хорошо распределяемая по кровле 1, 2, течет вниз и собирается, наконец, в водосточном желобе 7a. Вода подводится по водосточным трубам 7b к цистерне 11. 29 обозначает один из установленных в цистерне 11 поплавков, который управляет перепускным вентилем и/или указателем уровня воды (здесь не показан). В цистерне 11 расположен противоточный теплообменник 18, который установлен коаксиально. По внутренней трубе 17 теплообменника 18 циркулирует рассол (или другая морозоустойчивая среда) теплового насоса 24. Охлажденный в не представленном испарителе теплового насоса рассол, который выходит на участке 21 из теплового насоса, откачивается циркуляционным насосом 16 через внутреннюю трубу 17 теплообменника. Труба 17 охватывается коаксиальной внешней трубой, через которую всасывается циркуляционным насосом 15 дождевая вода из цистерны 11, которая охлаждается в противоточном холодильнике 18 и подводится, наконец, через подводящие трубопроводы 3 и 4 к распределительным трубам 5 и 6.

Дождевая вода вторичного контура может принимать на выходе теплообменника 18 при определенных условиях температуру от 0°C, в экстремальном случае эта температура может быть даже незначительно ниже. Если тепловой насос не используется и кровля 1, 2, однако, теплее чем вода цистерны, остается в работе циркуляционный насос 15 и откачивает воду из цистерны на поверхность крыши. Управляет насосом 15 электронный регулятор 35, который принимает сигналы от температурных датчиков 33, 34 на кровле 1 и, соответственно, 2 и от подобного датчика 32 в воде цистерны.

Если крыша 1 оказывается, например, в холодный зимний день на солнце и достигает плюсовой температуры, в то время как находящаяся в тени крыша 2 находится в холодной области, то приводимый в действие от двигателя вентиль 27b закрывается регулятором 35. Если температура кровли на обеих половинах крыши лежит в диапазоне температуры воды цистерны или ниже, насос 15 останавливается, так что трубы 3, 4 и 5, 6 опоражниваются, по меньшей мере, частично через насос 15. Если температура кровли на обеих половинах 1, 2 крыши лежит ниже 0°C, то может доходить до замерзания распределительных труб 5, 6 и частично также подводящих труб 3, 4, оба вентиля 27a и 27b, а также вентиль 28 опорожнения открываются. Находящаяся в трубах вода возвращается назад в цистерну. При снегопаде или если на крыше уже скопился слой снега, насос 15 может быть приведен в действие рубильником 36. Вентиль 28 закрывается, а вентили 27a, 27b остаются в открытом положении или приводятся в него, предпочтительно, в процессе оттаивания тепловой насос 24 выключается, так что вода цистерны и вода, не охлажденная тепловым насосом, откачивается на крышу. Образующаяся между кровлей и слоем снега пленка жидкости вызывает таяние слоя снега, так что поверхности крыши снова свободны. При снегопаде оттаивание проводится периодически, и крыша при этом остается без снега.

Чтобы избежать замерзания критических областей внутри цистерны, дальнейшее охлаждение этих областей, конечно в этом случае с уменьшенным коэффициентом мощности, может достигаться с помощью режима обратной связи: с помощью противоточного теплообменника 19 между высоко- и низкотемпературным контурами теплового насоса 24 среда в низкотемпературном контуре нагревается. В этом рабочем состоянии теплообменник 19 включен как потребитель в высокотемпературный контур и связан, с одной стороны, с подводом 23 горячей воды, а с другой стороны, со сливом 22 горячей воды. Терморегулируемый вентиль 25, установленный на прямом и соответственно обратном потоке теплообменника, управляет функцией «обратной связи» установки. Температурный датчик 26 терморегулируемого вентиля 25 закреплен на одной трубе обратного трубопровода воды первичного контура. В этот первичном контуре может быть предусмотрен также не представленный на чертеже теплообменник, который отбирает тепло отработанной горячей воды из кухни и ванны. На фиг.8 с целью более наглядного представления не показаны бойлеры для обогревательной установки (в частности для низкотемпературной обогревательной установки пола, потолка и/или стен), а также для получения горячей воды для ванны, кухни и т.д.

На фиг.8 показана, наконец, вмонтированная в кровлю 1 фотогальваническая панель 31, которая, например, фирмой Fa. PREFA представлена на рынке под названием “PREFA-SOLAR”. Такие фотогальванические панели имеют КПД, который сильно зависит от температуры и ухудшается с ростом температуры. Орошением сравнительно холодной водой из цистерны панели охлаждаются, и при этом их КПД увеличивается.

В водосточной трубе 7b предусмотрен устойчивый к атмосферным воздействиям распределитель 8, который без применения теплового насоса 24 может отбираемое из дождевой воды вторичного контура тепло разделить на 2 различных уровня температуры. Соответствующие отводы обозначены позициями 9 и 10.

Фиг.9 показывает распределитель 8 в деталях. В водосточную трубу 7b установлен фильтр дождевой воды WISY AG системы домашней техники, принцип которого описан в полезной модели DE 20015675 U. Этот фильтр основан на том, что при нормальном водном напоре вода течет вдоль внутренней стенки трубы. Один связанный с дождевой трубой 7b насадок 45 направляет воду на конический фильтр 44 тонкой очистки. Чистая вода проходит через так называемый “адгезионный фильтр”, собирается в кольцевой камере и отводится через присоединительную трубу. Грубые включения, такие как листва 37, падают через центральную часть фильтра дождевой воды и непосредственно попадают в цистерну, где они улавливаются фильтрующим элементом. Из присоединительной трубы подогретая на крыше вода попадает к терморегулируемому вентилю 41, капиллярное утолщение 39 которого омывается поступающей водой. Терморегулируемый вентиль 41 выполнен так, что он открывается, например, при температуре 30°C. Позицией 42 обозначен следующий терморегулируемый вентиль 42 на отводе 10, капиллярное утолщение 40 которого также расположено в присоединительной трубе. Однако этот вентиль установлен на более высокую температуру и открывается, например, только при температуре 50°C. Вода из отвода 9, минимальная температура которой 30°C, подводится к расположенному в отопительном бойлере 48 теплообменнику 47a и вводится, наконец, снова в водосточную трубу 7b. Бойлер 48 через присоединительные штуцеры 57, 58 соединен с трубопроводами 23 и соответственно 22 прямого и обратного потока теплового насоса 24. Для отопительных целей отопительных низкотемпературных систем, таких как для пола, потолка и/или стен, вода может отводиться через присоединения 59 и 60 и снова возвращаться. Если поступающая с крыши вода достигает температуры минимум 50°C, то открывается терморегулируемый вентиль 42 и вода течет теперь через присоединительную трубу 10 к теплообменнику 47b, который расположен во втором бойлере 49. Выходящая из теплообменника 47b вода отводится через водосточную трубу 7b снова к цистерне. С другой стороны, бойлер 49 нагревается тепловым насосом 24. C этой целью бойлер 49 через штуцеры 55, 56 связан с прямым и обратным трубопроводами 23, 22 теплового насоса. В бойлере 49 расположен второй теплообменник 46, в котором нагревается питьевая вода. Через обводной трубопровод 43 фильтр дождевой воды опоражнивается. Этот байпас гарантирует также соответствующий водообмен в области «фильтр дождевой воды – соединительная труба», так что температурные датчики 39, 40 терморегулируемых вентилей 41, 42 обеспечены свежей подведенной водой. На фиг.8 вентиляционная труба обозначена позицией 38.

Для подогрева воды с целью отопления и получения горячей воды предпочтительно, если орошение поверхности крыши водой цистерны не непрерывное, а периодическое. Вследствие этого кровля может воспринимать снова более высокую температуру. В соответствующей экспериментальной установке температура обратного потока воды цистерны могла увеличиваться от 15°C при непрерывном орошении до 35°C при периодическом режиме, причем, конечно, текущий расход воды был сокращен.

Изобретение не ограничено вышеописанным примером, а может модифицироваться в многочисленных аспектах, не выходя за рамки изобретения.

Формула изобретения

1. Установка для подогрева сетевой воды с использованием теплового насоса (24), с внешним циркуляционным контуром охлаждающей среды с теплообменником (18), который омывается водой из цистерны (11) дождевой воды или подобного источника и размещен с погружением в нее, причем в теплообменнике (18) поступающая из теплового насоса (24) холодная среда нагревается и возвращается к тепловому насосу (24), причем в случае погруженной в грунт цистерны (11) вода цистерны за счет теплообмена через стенку цистерны отбирает тепло окружающего ее грунта и при этом вода снова нагревается; причем предусмотрен насос (15) для подачи воды из цистерны (11) на крышу (1, 2), где она может, в частности, равномерно распределяться в верхней области поверхности крыши посредством распределительных труб (5, 6), и текущая по кровле вода может собираться в водосточные желоба (7а) и возвращаться в цистерну (11), отличающаяся тем, что теплообменник (18) выполнен из ряда сегментов, каждый из которых содержит по одному коллектору прямого и обратного потока, которые связаны друг с другом собственными, по существу, параллельно проходящими трубчатыми или пластинчатыми элементами теплообменника и омываются водой цистерны и через которые может протекать охлаждающая среда теплового насоса (24), причем соседние сегменты теплообменника могут находиться в противотоке, и коллекторы прямого и обратного потока соседних сегментов расположены непосредственно рядом друг с другом; насос (15) и, возможно, вентили (27а, 27b, 28) управляются, в частности, электронным регулятором (35) в зависимости от сигналов температурных датчиков (32-34) на поверхности крыши (1, 2), в цистерне (11) и/или в трубопроводах, так что в нормальном режиме вода из цистерны (11) направляется на крышу (1, 2), нагревается там и может подаваться обратно в цистерну (11); при опасности замерзания воды в распределительных трубах (5, 6) или на кровле (1, 2) насосы (15) и вентили (27а, 27b, 28) управляются таким образом, что транспортировка воды на крышу прерывается, и происходит опорожнение распределительных труб (5, 6) и, при необходимости, также их подводов (3, 4), и циркуляцию воды в цистерне (11) обеспечивает насос (15), так что может использоваться накопленное тепло воды цистерны (11), включая, по меньшей мере, часть ее латентного тепла и, при необходимости, подведенное через стенку цистерны тепло от грунта.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что элементы теплообменника состоят из множества труб, изготовленных, предпочтительно, из пластмассы или металла, которые изогнуты, примерно, в их середине, так что соседние области элементов теплообменника находятся в противотоке.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что, в частности, сложенные элементы теплообменника скручены спиралеобразно и сформированы в виде цилиндров, диаметр которых меньше, чем входной проем цистерны, причем эти цилиндрические сегменты теплообменника закреплены в цистерне, предпочтительно, с вертикально ориентированной осью.

4. Установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что кровля (1, 2) состоит из листового металла, предпочтительно, из листового алюминия и имеет на поверхности покрытие с высокой поглощающей способностью в видимой и в инфракрасной области спектра.

5. Установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что предусмотрена проходящая, в частности, вдоль конька крыши (51) горизонтальная распределительная труба (5, 6) со множеством расположенных вдоль трубы выходных отверстий (53) для воды, через которые может, по существу, равномерно орошаться кровля (1, 2), причем в качестве распределительной трубы предусмотрена гофрированная труба (5, 6) из устойчивого против коррозии металла или пластмассы, которая на своей верхней стороне имеет шлицы или отверстия (53), через которые вода цистерны выходит, по существу, без напора.

6. Установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что проходящие, в частности, вдоль конька крыши распределительные трубы их обращенном к подводу конце имеют по одному вертикальному, открытому вверх штуцеру, причем давление, с которым насос нагнетает воду цистерны на крышу, может устанавливаться посредством дросселя таким образом, что в рабочем режиме вертикальные штуцеры частично заполнены водой, и распределительные трубы имеют на своей нижней стороне множество отверстий, причем распределительные трубы смонтированы на крыше, предпочтительно, с незначительным уклоном в направлении к подводу, так что при перерывах в работе распределительные трубы опорожняются полностью.

7. Установка по п.5, отличающаяся тем, что распределительная труба или распределительные трубы (5, 6) встроены в коньковую черепицу (52).

8. Установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что в кровлю встроены фотогальванические панели (31), которые могут орошаться подведенной из цистерны (11) водой и за счет этого охлаждаться, вследствие чего достигается более благоприятный КПД.

9. Установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что в обратном трубопроводе теплового насоса (24) предусмотрен еще один теплообменник (19), в частности, противоточный теплообменник, который через вентиль (25) может питаться от высокотемпературного контура теплового насоса (24) (контур нагрузки), причем вентиль (25) может управляться от температурного датчика (26) электрическим регулятором (35), причем датчик (26) расположен, например, в воде цистерны и при температуре ниже заданного значения открывает вентиль (25) и подводит частичный поток среды из высокотемпературного контура теплового насоса (24) к упомянутому теплообменнику (19).

10. Установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что в обратном трубопроводе орошаемой поверхности крыши предусмотрен, по меньшей мере, один вентиль (41, 42), приводимый в действие в зависимости от температуры воды обратного трубопровода вторичного контура, который расположен в контуре каждого теплообменника (47а, 47b) и тогда вентиль (41, 42) открывается независимо от режима работы теплового насоса (24), и вода обратного трубопровода проводится через теплообменник или теплообменники (47а, 47b) в цистерну (11), если достигается или превышается заданная температура переключения вентилей (41, 42), причем по теплообменникам (47а, 47b) протекает вода соответствующего бойлера (48, 49).

11. Установка по п.10, отличающаяся тем, что в служащей обратным трубопроводом водосточной трубе (7b) предусмотрен фильтр дождевой воды, предпочтительно, адгезионный фильтр (43-46), через который отфильтрованная вода обратного потока может подводиться через вентиль (41, 42) к теплообменнику (47), в то время как грубые загрязнения, такие как листва (37) и подобные предметы, могут подводиться непосредственно в цистерну (11) и удерживаются там с помощью сеток и/или фильтров.

12. Установка для подогрева сетевой воды с использованием теплового насоса (24), с первым внешним циркуляционным контуром охлаждающей среды с теплообменником (18), который питается водой из цистерны (11) дождевой воды или подобного источника, причем в теплообменнике (18) поступающая из теплового насоса (24) холодная среда нагревается и возвращается к тепловому насосу (24), и в случае погруженной в грунт цистерны (11) вода цистерны за счет теплообмена через стенку цистерны отбирает тепло окружающего ее грунта и при этом вода снова нагревается; причем предусмотрен насос (15) для подачи воды из цистерны (11) на крышу (1, 2), где она может, в частности, равномерно распределяться в верхней области поверхности крыши, и текущая по кровле вода может собираться в водосточные желоба (7а) и возвращаться в цистерну (11), отличающаяся тем, что теплообменник (18) выполнен как противоточный теплообменник, через который, с одной стороны, может протекать среда из контура испарения теплового насоса (24) и, с другой стороны – вода цистерны, и выходящая из теплообменника (18) охлажденная вода цистерны может проходить через вентиль (27, 27b) к распределительным трубам (5, 6) на крыше (1, 2) и тонко распределяться по крыше, причем между подводящими трубопроводами (3, 4) к распределительным трубам (5, 6) и цистерной (11) предусмотрен соединительный трубопровод (14) с вентилем (28), впадающий в подводящий трубопровод (3, 4) к распределительным трубам (5, 6) перед вентилем (27а, 27b); кроме того, насос (15) и вентили (27а, 27b, 28) управляются, в частности, электронным регулятором (35) в зависимости от сигналов температурных датчиков (от 32 до 34) на поверхности крыши (1, 2), в цистерне (11) и/или в трубопроводах насоса (15), так что в нормальном режиме вода из цистерны (11) направляется на крышу (1, 2), нагревается там и возвращается обратно в цистерну (11); при опасности замерзания воды в распределительных трубах (5, 6) или на кровле (1, 2) вентили (27а, 27b, 28) и насос (15) управляются таким образом, что охлажденная в противоточном теплообменнике (18) вода цистерны через открытый вентиль (28) может возвращаться непосредственно в цистерну (11), так что может использоваться накопленное тепло воды цистерны (11), включая, по меньшей мере, часть ее латентного тепла и, при заглубленной в грунт цистерне – подведенное через стенку цистерны тепло от грунта.

13. Установка по п.12, отличающаяся тем, что кровля (1, 2) состоит из листового металла, предпочтительно из листового алюминия и имеет на поверхности покрытие с высокой поглощающей способностью в видимой и в инфракрасной области спектра.

14. Установка по п.12, отличающаяся тем, что предусмотрена проходящая, в частности, вдоль конька крыши (51) горизонтальная распределительная труба (5, 6) со множеством расположенных вдоль трубы выходных отверстий (53) для воды, через которые может, по существу, равномерно орошаться кровля (1, 2), причем в качестве распределительной трубы предусмотрена гофрированная труба (5, 6) из устойчивого против коррозии металла или пластмассы, которая на своей верхней стороне имеет шлицы или отверстия (53), через которые вода цистерны выходит, по существу, без напора.

15. Установка по п.12, отличающаяся тем, что проходящие, в частности, вдоль конька крыши распределительные трубы их обращенном к подводу конце имеют по одному вертикальному, открытому вверх штуцеру, причем давление, с которым насос нагнетает воду цистерны на крышу, может устанавливаться посредством дросселя таким образом, что в рабочем режиме вертикальные штуцеры частично заполнены водой, и распределительные трубы имеют на своей нижней стороне множество отверстий, причем распределительные трубы смонтированы на крыше, предпочтительно, с незначительным уклоном в направлении к подводу, так что при перерывах в работе распределительные трубы опорожняются полностью.

16. Установка по п.12, отличающаяся тем, что в кровлю встроены фотогальванические панели (31), которые могут орошаться подведенной из цистерны (11) водой и за счет этого охлаждаться, вследствие чего достигается более благоприятный КПД.

17. Установка по п.12, отличающаяся тем, что противоточный теплообменник (18) выполнен в виде коаксиальной трубы с двойной стенкой, причем внутренняя труба, по которой протекает среда первичного контура, может обтекаться водой цистерны из вторичного контура, который проведен в промежутке между внутренней трубой и внешней трубой, причем противоточный теплообменник (18), предпочтительно погружен в цистерну (11).

18. Установка по п.15, отличающаяся тем, что распределительная труба или распределительные трубы (5, 6) встроены в коньковую черепицу (52).

19. Установка по п.12, отличающаяся тем, что в обратном трубопроводе теплового насоса (24) предусмотрен еще один теплообменник (19), в частности, противоточный теплообменник, который через вентиль (25) может питаться от высокотемпературного контура теплового насоса (24) (контур нагрузки), причем вентиль (25) может управляться от температурного датчика (26) электрическим регулятором (35), причем датчик (26) расположен, например, в воде цистерны и при температуре ниже заданного значения открывает вентиль (25) и подводит частичный поток среды из высокотемпературного контура теплового насоса (24) к упомянутому теплообменнику (19).

20. Установка по п.12, отличающаяся тем, что в обратном трубопроводе орошаемой поверхности крыши предусмотрен, по меньшей мере, один вентиль (41, 42), приводимый в действие в зависимости от температуры воды обратного трубопровода вторичного контура, который расположен в контуре каждого теплообменника (47а, 47b) и тогда вентиль (41, 42) открывается независимо от режима работы теплового насоса (24), и вода обратного трубопровода проводится через теплообменник или теплообменники (47а, 47b) в цистерну (11), если достигается или превышается заданная температура переключения вентилей (41, 42), причем по теплообменникам (47а, 47b) протекает вода соответствующего бойлера (48, 49).

21. Установка по п.20, отличающаяся тем, что в служащей обратным трубопроводом водосточной трубе (7b) предусмотрен фильтр дождевой воды, предпочтительно, адгезионный фильтр (43-46), через который отфильтрованная вода обратного потока может подводиться через вентиль (41, 42) к теплообменнику (47), в то время как грубые загрязнения, такие как листва (37) и подобные предметы, могут подводиться непосредственно в цистерну (11) и удерживаются там с помощью сеток и/или фильтров.

22. Способ эксплуатации установки подогрева сетевой воды с водяным резервуаром, например, с цистерной (11) для хранения горячей воды и расположенным, предпочтительно, на крыше (1, 2) устройством для нагрева воды при использовании общей энергии окружающей среды, причем, предпочтительно, в обратном потоке (7а, 7b) поступающей от упомянутого устройства, подогретой воды размещают теплообменник (47а, 47b), с помощью которого нагревают воду для различных потребителей, таких как системы отопления, тепловые насосы, ванны и бассейны, отличающийся тем, что водяной резервуар, в частности, цистерну (11) сначала наполняют, предпочтительно, дождевой водой и эту воду через теплообменник (18), в частности, через противоточный теплообменник, в котором нагревают поступающий от теплового насоса (24) холодный рассол или подобную среду, и при нормальном режиме посредством насоса (15) или подобного устройства при необходимости периодически подают на крышу (1, 2) и затем тонко распределяют по ней, причем нагретую на кровле (1, 2) воду собирают в водосточном желобе (7а) и отводят обратно к водяному резервуару (11).

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что при опасности замерзания воды, в частности, при температурах кровли меньше 1°С, распределительные трубы (5, 6) и подводящие трубопроводы (3, 4) опоражнивают и при этом отключают теплообменник в воде цистерны, и в этом рабочем режиме накопленное тепло воды цистерны, включая, по меньшей мере, часть ее латентного тепла, и тепло, подведенное к цистерне (11) при погруженной в грунт цистерне, привлекают для нагрева рассола или подобной среды теплового насоса (24).

24. Способ по п.22 или 23, отличающийся тем, что в летнем режиме, в частности, при выключенном тепловом насосе (24) включают насос (15) для подачи жидкости, причем проходящая по кровле (1, 2), более холодная вода цистерны вызывает непосредственно и дополнительно за счет испарения охлаждение крыши (1, 2), и при погруженной в почву цистерне (11) посредством сравнительно теплой воды цистерны нагревается окружающая область почвы, которая дополнительно поставляет тепло при рабочем режиме теплового насоса частично для нагрева воды цистерны.

25. Способ по п.22, отличающийся тем, что орошение поверхности крыши включают приводимым в действие вручную переключателем (36) или датчиком наличия снега, так что при наличии снега или снегопаде целенаправленно вызывают сход снежных масс с крыши и, соответственно, сразу тает выпадающий при снегопаде снег, и тем самым крышу (1, 2) освобождают от снега.

РИСУНКИ