AT412818B

AT412818B - Heiz- und warmwasserbereitungsanlage und verfahren zum betrieb einer solchen anlage

Info

Publication number: AT412818B
Application number: AT0073404A
Authority: AT
Inventors: Karl-Heinz Dipl Ing Hinrichs
Original assignee: Karl-Heinz Dipl Ing Hinrichs; Prefa Aluminium Produkte Gesmb
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-07-25
Also published as: US7575047B2; AT505554B1; ATA7342004A; RU2310137C1; US20060159154A1; EP1740890A1; WO2005106349A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heiz- und/ oder Warmwasserbereitungsanlage mit einer Einrichtung zur Aufwärmung von Wasser unter dem Einfluss von Umweltenergie, welches Wasser in einem Behälter, beispielsweise einer Regenwasser-Zisterne od. dgl. speicherbar ist, ferner mit einer Wärmepumpe, mit einem ersten, externen Kühlmittelkreislauf mit einem Wärmetauscher der von Wasser aus einer Regenwasser-Zisterne od. dgl.

gespeist ist, in welchem Wärmetauscher von der Wärmepumpe kommendes kaltes Medium erwärmt und zur Wärmepumpe zurückgeführt wird (Primärkreis), wobei bei gegebenenfalls im Erdreich versenkter Zisterne das Zisternenwasser durch Wärmeaustausch durch die Zisternenwandung dem umgebenden Erdreich Wärme entzieht und damit das Wasser wieder anwärmt und eine Pumpe vorgesehen ist, mit welcher Wasser aus der Zisterne auf ein Dach förderbar ist, wo es im oberen Bereich der Dachfläche, insbes. gleichmässig, verteilbar ist und das über die Dachhaut fliessende Wasser in Dachrinnen sammelbar und in die Zisterne rückführbar ist (Sekundärkreis),
Unter dem oben verwendeten Begriff "Umweltenergie" ist Energie aus den verschiedensten Quellen subsumiert :

zunächst Energie aus direkter Sonneneinstrahlung, aber auch Energie aus diffuser Strahlung, Wärmeeintragung durch warme Umgebungsluft, wobei der Wärmeübergang durch Wind unterstützt sein kann und schliesslich noch die Wärme, die infolge einer nicht völlig perfekten Wärmedämmung des Hauses durch das Dach entweicht.

Wärmepumpen stellen für Niedertemperatur- und Warmwasserbereitungsanlagen eine besonders elegante und energiesparende Einrichtung dar. Sie sind in der Lage, Wärme von einem niederen Temperaturniveau, z. B. Brunnenwasser von beispielsweise 10 C auf eine Temperatur von 30-50 C zu pumpen. Je nach den Parametern einer solchen Anlage können Leistungszahlen von bis 6 erreicht werden. (Die Leistungszahl gibt an, um wie viel grösser die Wärmeleistung der Anlage im Vergleich zur zugeführten elektrischen Leistung ist). Leistungsfähige sogen. Wasser / Wasser-Wärmepumpen setzen aber eine Zufuhr von nicht unerheblichen Wassermengen voraus, welche typisch aus Brunnen gewonnen werden. Das in der Wärmepumpe abgekühlte Wasser muss anschliessend über Schluckbrunnen wieder dem Grundwasser zugeführt werden.

Dies ergibt im allgemeinen nicht nur extrem hohe Investitionen, sondern wird zunehmend im Hinblick auf das Risiko einer Grundwasserverseuchung von den Behörden abgelehnt.

Eine andere Methode ist, der Umgebungsluft Wärme zu entziehen. Diese Anlagen setzen einen sehr hohen Luftdurchsatz voraus, was zu eher bescheidenen Leistungszahlen und zu beträchtlicher Lärmemission führen kann. Im Winter kommt es typisch zu Vereisungen der Wärmetauscher, die ein regelmässiges Abtauen erforderlich machen, was die Durchschnittsleistungszahl weiter reduziert.

Um die Probleme des hohen Wasserbedarfes bei Wasser/ Wasseranlagen zu lösen und gleichzeitig die Leistungszahl zu verbessern, wurde in der DE 101 39 065 A1 eine Variante zu den bisherigen Systemen vorgeschlagen. Gemäss dieser Veröffentlichung ist ein auf einem Dach montierter Solarkollektor vorgesehen, der mit einem Wasserspeicher in Verbindung steht, dessen erwärmtes Wasser den Verdampfer einer Wärmepumpe erwärmt und diese die zugeführte Wärme auf ein höheres Temperaturniveau pumpt.

Einrichtungen dieser Art haben sich in der Praxis als nicht ganz unproblematisch erwiesen:
Durch diese Lösung waren wohl Verbesserungen möglich, die Umweltproblematik ist aber geblieben, wohl aber mit einer anderen Argumentation : ein Einfrieren des Systems, insbes. des Solar-Kollektors im Winter zu vermeiden, ist es nämlich erforderlich, das Wasser in diesem Kreis mit einem Frostschutzmittel, zB. mit Glykol oder mit Natriumchlorid zu versehen. Kommt es in diesem System zu einer Undichtheit, so kann eine relativ grosse, mit Frostschutz kontaminierte Wassermenge austreten und schliesslich in das Grundwasser gelangen.

Dies ist der Grund warum, die Behörden zunehmend die Genehmigung auch für solche Anlagen, nicht nur in Wasserschutzgebieten sondern auch in vielen anderen Gebieten mit einer schützenswerten Umwelt ablehnen.

Ein anderer Grund, der vor allem die Hauseigentümer und potentielle Errichter vor solchen An- lagen abschreckt, ist zum einen die ungünstige Optik : entweder aus verglasten Kästen, welche die eigentlichen Kollekoren umschliessen oder aus schwarzen Kunststoff bestehenden Absorber müssen auf der Dachhaut montiert werden und kontrastieren im allgemeinen sehr stark mit der aus Dachsteinen, Ziegeln oder farbig beschichteten Alu-Platten bestehenden Dachhaut, so dass das Aussehen eines Hauses mit einer solchen Anlage von einem ästhetischen Standpunkt aus stark

beeinträchtigt ist.

Im Hinblick auf den relativ hohen Preis solcher Kollektoren aber auch aus ästhetischen Gründen wird daher versucht, mit einer minimalen Kollektorfläche das Auslangen zu finden, was aber im Jahresschnitt eine geringe Leistungszahl der Wärmepumpe ergibt.

Zum anderen sind es Durchbrüche durch die Dachhaut, welche das Risiko einer Undichtheit darstellen und viele Hauseigentümer von der Installation einer solchen Lösung abhalten. Man hat wohl versucht, solche Durchbrüche zu vermeiden, muss aber dann längere Zu- und Rückleitungen am Dach in Kauf nehmen, die zu einer weiteren optischen Beeinträchtigung führen.

Man hat schon vorgeschlagen, die Erwärmung von Dächern durch eine Berieselung mit Wasser zu nutzen und das auf diese Weise erwärmte Wasser in eine Zisterne einzuleiten. Durch eine Pumpe wird Zisternenwasser durch einen Wärmetauscher zu den Verteilerrohren auf den Dachflächen gefördert. Solche Anlagen sind beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 33 10 228, der französischen Patentanmeldung FR 2 566 032 beschrieben. Ähnliche Anlagen sind Gegenstand der US Patente US 4 340 036, der US 4 052 975 und der US 2 660 863. Anlagen dieser Art arbeiten zufriedenstellend solange das Zisternenwasser eine Temperatur deutlich über 0 C aufweist. Probleme treten jedoch auf, wenn die Temperatur des Zisternenwassers in den Bereich von 0 C absinkt.

Vor allem in den Monaten Jänner und Februar treten in zahlreichen Regionen Mitteleuropas Wetterbedingungen auf, bei welchen infolge Nebel eine Erwärmung der Dachfläche durch direkte und weitgehend auch durch indirekte Strahlung ausbleibt und die Lufttemperaturen unter 0 C liegen. Gerade bei diesen Bedingungen ist der Wärmebedarf hoch, kann aber durch die oben beschriebenen Anlagen nicht oder nur zu einem kleinen Teil gedeckt werden, so dass auf eine Zusatzheizung, im allgemeinen eine elektrische Heizung zurückgegriffen werden muss. Die Leistungszahl der Anlage liegt dann im Bereich von 1 und führt zu einer drastischen Verschlechterung der Jahresleistungszahl, die für die Beurteilung der Effizienz einer Heizanlage entscheidend ist.

Bei einer Anordnung des Wärmetauschers wie er etwa in der DE 33 10 228 gezeigt ist, kommt es bei diesen Temperaturen zu einer Vereisung des Wärmetauschers beginnend bei der Zuleitung der in der Wärmepumpe auf beispielsweise -4 C abgekühlten Sole. Da das Eis infolge seines schlechten Wärmeleitvermögens den Wärmeaustausch behindert, wird die Sole im Bereich des vereisten Wärmetauschers nicht erwärmt, so dass anschliessende Bereiche des Wärmetauschers mit der auf -4 C abgekühlten Sole beaufschlagt werden. Die Vereisung schreitet daher fort bis schliesslich der gesamte Wärmetauscher von einem Eismantel umgeben ist. Damit bricht aber auch der Wärmepumpenzyklus zusammen, da die Sole nicht mehr erwärmt werden kann.

Erfindungsgemäss werden alle diese Probleme dadurch gelöst, dass der Wärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist, der einerseits vom Kühlmittel aus dem Primärkreis der Wärmepumpe und andererseits von Wasser aus dem Sekundärkreis durchströmbar ist und das aus dem Wärmetauscher austretende, abgekühlte Wasser des Sekundärkreises über ein Ventil zu den Verteilerrohren am Dach förderbar und über die Dachfläche fein verteilbar ist, wobei eine Verbindungsleitung mit einem Ventil zwischen der Zuleitung zu den Verteilerrohren und der Zisterne vorgesehen ist, die vor dem Ventil in die Zuleitung zu den Verteilerrohren einmündet, ferner mit einer insbes.

elektronischen Steuerung die in Abhängigkeit von Signalen von Temperatursensoren an der Dachfläche in der Zisterne und/ oder in Leitungen die Pumpe und die Ventile steuert, so dass im Normalbetrieb Wasser aus der Zisterne auf das Dach gefördert, dort erwärmt und in die Zisterne zurückführbar ist, bei Gefahr des Einfrierens der Verteilerrohre und der Dachhaut die Ventile und die Pumpe so gesteuert werden, dass das im Gegenstromwärmetauscher abgekühlte Zisternenwasser über das geöffnete Ventil unmittelbar in die Zisterne rückführbar ist, so dass die Wärmekapazität des Wassers in der Zisterne inklusive zumindest eines Teiles der Latentwärme desselben und gegebenenfalls die durch die Zisternenwand zugeführte Erdwärme nutzbar ist.

Bei der erfindungsgemässen Anordnung wird bei Betrieb im Bereich von 0 C im Gegensatz zum Stand der Technik das Zisternenwasser gezielt und mit relativ grosser Geschwindigkeit im Gegenstrom zu der Sole der Wärmepumpe durch den Wärmetauscher gepumpt. Auch wenn das Wasser mit 0 C in den Gegenstromwärmetauscher eintritt, kommt es noch zu keiner Vereisung, da ihm die Latentwärme entzogen werden muss, um den Aggregatzustand zu ändern. Da das Wasser sofort wieder in die Zisterne zurückgeführt wird und sich dort mit dem übrigen vermischt, wird ohne dass eine Vereisung eintritt der gesamte Zisterneninhalt zunächst auf 0 C abgekühlt.

Anschliessend wird dem Wasser noch die Latent- bzw. Schmelzwärme entzogen, die 82 kWh/ m3

beträgt. Bei einer üblichen Zisternengrösse von rund 15 m 3 bedeutet dies, dass dem Zisternenwasser näherungsweise weitere 1000 kWh entzogen werden können, so dass ein Betrieb der Wärmepumpe mit einer guten Leistungszahl aufrechterhalten werden kann. Ist die Zisterne 11 direkt im Erdreich versenkt, so reicht sie weit unter die Frostgrenze, so dass durch die Behälterwandung dem Zisternenwasser Erdwärme zugeführt und die Wärmekapazität des Systems weiter vergrössert wird.

Eine solche Lösung erfordert nur geringe Investitionen, so dass im allgemeinen die gesamte Dachfläche zur Erwärmung des Sekundärwassers genutzt werden kann, zumindest aber die Flächen, deren Ausrichtung eine hohe Einstrahlung ergibt (Ost, - Süd- oder die Westseite). Ein weiterer Vorteil dieser Lösung ist, dass das Dach durch diese Nutzung der Solarenergie in keiner Weise optisch beeinträchtigt wird, da die Dachhaut selbst als Wärmequelle genutzt wird und in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung die Verteilerrohre zur gleichmässigen Berieselung der Dachhaut, verdeckt in Firstreitern angeordnet werden können.

Auch bezüglich der Umweltaspekte weist der Erfindungsgegenstand wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Gemäss der Erfindung wird für den Sekundärkreis reines Wasser, insbes. Regenwasser benutzt, so dass auch im Falle einer Undichtheit des Systems die Umwelt nicht belastet, vor allem das Grundwasser nicht verseucht werden kann.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Gegenständen der Unteranspüche 2 bis 9.

In den Patenansprüchen 10 bis 13 wird ein Verfahren zum Betrieb einer Heizungs- und Warmwasserbereitungsanlage mit einem Wasserbehälter, insbes. die Zisterne beschrieben, die zunächst mit vorzugsweise Regenwasser gefüllt wird worauf dieses Wasser über einen Gegenstromwärmetauscher, in welchem die von einer Wärmepumpe kommende kalte Sole od. dgl. (Primärkreis) erwärmt wird und im Normalbetrieb mittels einer Pumpe od. dgl. gegebenenfalls periodisch auf ein Dach geleitet und anschliessend auf diesem fein verteilt wird, wobei das an der Dachhaut erwärmte Wasser in einer Regenrinne gesammelt und zum Wasserbehälter zurückgeleitet wird.

Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung werden bei Gefahr des Einfrierens des Wassers, insbesonders bei Dachhauttemperaturen kleiner 1 C die Verteilerrohre und die Zuleitungen entleert und durch Schliessen der Ventile abgesperrt. Das aus dem Gegenstromwärmetauscher austretende und in diesem abgekühlte Zisternenwasser wird über das geöffnete Ventil direkt in die Zisterne zurückgepumpt. In diesem Betriebszustand wird die Wärmekapazität des Zisternenwassers inklusive zumindest eines Teiles der Latentwärme desselben und bei in der Erde versenkt angeordneter Zisterne die durch die Erdwärme der Zisterne zugeführte Wärme zur Erwärmung der Sole od. dgl. der Wärmepumpe (Primärkreis) herangezogen.

Vorteilhaft wird im Sommerbetrieb, insbes. bei abgeschalteter Wärmepumpe die Förderpumpe eingeschaltet, wobei das über die Dachhaut laufende, kühlere Zisternenwasser direkt und zusätzlich durch Verdunstung eine Kühlung des Daches bewirkt, wobei bei im Erdreich versenkter Zisterne durch das vergleichsweise warme Zisternenwasser das umgebende Erdreich erwärmt wird, welches zusätzlich Wärme im Wärmepumpenbetrieb teilweise zur Erwärmung des Zisternenwassers zur Verfügung stellt.

Ein wesentlicher Gesichtpunkt des neuen Verfahrens ist, dass die Dachhaut stets, insbes. von Schnee freigehalten wird, da durch die thermische Isolationswirkung des Schnees keine Wärme aus dem Umfeld auf das Dach übertragen werden könnte. Um dies zu vermeiden, ist über einen, inbes. von Hand betätigbaren Schalter die Berieselung der Dachfläche einschaltbar, so dass bei Schneelage bzw. Schneefall am Dach gezielt der Abgang einer Dachlawine ausgelöst bzw. bei Schneefall dieser sofort abgetaut und das Dach damit von Schnee befreit wird.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles und unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Anlage gemäss der Erfindung, die Figuren 2 und 3 zeigen in Ansicht und im Schnitt ein Wasserverteilerrohr, die Fig. 4 veranschaulicht ebenfalls schematisch ein Detail (Pos. 8) der Anlage gemäss Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Heiz- und Warmwasserbereitungsanlage beispielsweise für ein Einfamilienhaus. Das Haus verfügt über ein Dach mit einer Dachhaut auf der der Sonne zugekehrten Seite (Süd bzw. West) 1 und auf der von der Sonne abgewendeten Seite (Nord bzw. Ost) 2. Der First 51 des Daches weist sogen. Firstreiter 52 auf, welche Wasserverteilungrohre 5 und 6

umschliessen. Ein kleiner Abschnitt dieser Rohre 5,6 ist im Detail in den Fig. 2 und 3 dargestellt, wobei die Fig. 2 einen Teil dieser Rohre in Draufsicht zeigt, während Fig. 3 einen Querschnitt durch ein solches Rohr veranschaulicht.

Die Verteilerrohre 5 und 6 sind als Wellrohre aus rostfreiem Stahl oder Kunststoff ausgeführt und sind an ihrer Oberseite geschlitzt oder mit Bohrungen versehen, so dass das durch die Rohre 5 und 6 zugeführte Wasser im wesentlichen drucklos austritt und fein verteilt über die Dachhaut 1,2 nach unten fliesst und schliesslich in der Regenrinne 7a gesammelt wird. Das Wasser wird durch Regenrohre 7b einer Zisterne 11 zugeleitet. Diese Zisterne ist mit Regenwasser gefüllt, lediglich bei der Inbetriebnahme der Anlage wird man diese im allgemeinen, zumindest teilweise, mit Wasser aus einer Nutz- bzw. Trinkwasserleitung befüllen müssen. Mit 29 ist ein in der Zisterne 11 angeordneter Schwimmer bezeichnet, der ein Überlaufventil und bzw. oder eine Wasserstandsanzeige (nicht dargestellt) steuert.

In der Zisterne 11 ist ein Gegenstromwärmetauscher 18 angeordnet, der koaxial aufgebaut ist. Durch das Innenrohr 17 des Wärmetauschers 18 zirkuliert die Sole (oder sonst ein geeignetes, frostsicheres Medium) einer Wärmepumpe 24. Die im nicht dargestellten Verdampfer der Wärmepumpe abgekühlte Sole, welche bei 21 aus der Wärmepumpe austritt, wird durch eine Umwälzpumpe 16 durch das Innenrohr 17 des Wärmetauschers gepumpt. Das Rohr 17 ist von einem koaxialen, äusseren Rohr ummantelt, durch welches durch eine Umwälzpumpe 15 Regenwasser aus der Zisterne 11 ansaugt, welches im Gegenstromkühler 18 abgekühlt und schliesslich über die Leitungen 3 und 4 den Verteilerrohren 5 und 6 zugeleitet wird.

Das Regenwasser des Sekundärkreises kann am Ausgang des Wärmetauschers 18 unter bestimmten Voraussetzungen eine Temperatur von 0 C annehmen, im Extremfall kann diese Temperatur sogar geringfügig unterschritten werden. Ist die Wärmepumpe nicht in Betrieb, die Dachhaut 1,2 aber wärmer als das Zisternenwasser bleibt die Umwälzpumpe 15 in Betrieb und pumpt Wasser aus der Zisterne auf die Dachflächen. Gesteuert wird die Pumpe 15 von einer elektronischen Regelung 35, welcher die Signale von Temperatursensoren 33,34 an der Dachhaut 1 bzw. 2 und von einem solchen Sensor 32 im Zisternenwasser empfängt. Liegt beispielsweise an einem kalten Wintertag das Dach 1 in der Sonne und erreicht einige Plusgrade, während sich das im Schatten liegende Dach 2 im Frostbereich befindet, so wird durch die Steuerung 35 das motorisch betätigte Zweiwegeventil 27 b geschlossen.

Liegt die Dachhaut-Temperatur auf beiden Dachhälften im Bereich der Temperatur des Zisternenwassers oder darunter wird die Pumpe 15 stillgesetzt, so dass sich die Rohre 3,4 und 5,6 zumindest teilweise durch die Pumpe 15 entleeren werden. Liegt die Dachhauttemperatur auf beiden Dachhälften 1,2 unter 0 C, so dass es zu einem Einfrieren der Verteilerrohre 5,6 und teilweise auch der Zuführrohre 3,4 kommen könnte, werden beide Ventile 27a und 27b sowie das Entleerungsventil 28 geöffnet. Das in den Rohren befindliche Wasser fliesst damit in die Zisterne zurück. Bei Schneefall oder wenn sich auf dem Dach bereits eine Schneeschicht angesammelt hat, wird durch Betätigung eines Handschalters 36 die Pumpe 15 aktiviert, das Ventil 28 wird geschlossen und die Ventile 27a, 27b bleiben in der Offenstellung bzw. werden in diese gebracht.

Vorzugsweise wird während des Abtauvorganges die Wärmepumpe 24 abgeschaltet, so dass warmes Zisternenwasser und nicht durch die Wärmepumpe abgekühltes Wasser auf das Dach gepumpt wird. Der sich zwischen Dachhaut und der Schneeschicht ausbildende Flüssigkeitsfilm bewirkt ein Abrutschen der Schneeschicht, so dass die Dachflächen wieder frei sind. Bei laufendem Schneefall wird das Abtauen periodisch durchgeführt und das Dach damit schneefrei gehalten.

Ein Vorteil der erfindungsgemässen Anlage ist, dass die Wärmekapazität des Zisternenwassers nahezu restlos genutzt werden kann : Wasser kann nicht nur auf 0 C abgekühlt werden, man kann auch zumindest teilweise einen Teil der Latentwärme des Wassers beim Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand nutzen. Da bei Wasser diese Latent- oder Schmelzwärme 82 kWh / m 3 beträgt, steht bei einer typischen Zisternengrösse von 10-15 m3 ein gewaltiges zusätzliches Energiepotential zur Verfügung.

Um eine Vereisung kritischer Bereiche innerhalb der Zisterne zu vermeiden, kann durch eine Art "Rückkopplungsbetrieb" eine weitere Abkühlung dieser Bereiche, allerdings in diesem Fall mit reduzierter Leistungszahl, erreicht werden : einen Gegenstromwärmetauscher 19 zwischen dem Hoch- und dem Niedertemperaturkreis der Wärmepumpe 24 wird das Medium im Niedertemperaturkreis erwärmt. In diesem Betriebszustand ist der Wärmetauscher 19 als ein Verbraucher in den Hochtemperaturkreis geschaltet und einerseits mit dem Warmwasserzulauf 23 und andererseits mit dem Warmwasserrücklauf 22 verbunden. Ein in den Zulauf bzw. Rücklauf zu diesem Wärmetauscher eingefügtes Thermostatventil 25 steuert diese

"Rückkopplungs"-Funktion der Anlage.

Der Temperaturfühler 26 des Thermostatventiles 25 ist an einem Rohr in der Rückleitung des Wassers des Primärkreises befestigt. In diesen Primärkreis kann auch ein in der Zeichnung nicht dargestellter Wärmetauscher vorgesehen sein, der dem aus Küche und Bad stammenden warmen Abwasser Wärme entzieht. In der Fig. 1 sind aus Gründen einer übersichtlicheren Darstellung, die Boiler für die Heizanlage (insbes. für eine Niedertemperaturheizanlage wie Fussboden-, Decken und oder Wand) sowie für die Warmwasserbereitung für Bad, Küche etc. nicht gezeigt.

Die Fig. 1 zeigt schliesslich ein in die Dachhaut 1 integriertes Photo-Voltaik-Paneel 31 wie es beispielsweise von der Fa. PREFA unter der Bezeichnung "PREFA-SOLAR" auf den Markt gebracht wird. Solche Photo-Voltaik-Paneele haben einen Wirkungsgrad, der stark temperaturabhängig ist und sich mit steigender Temperatur verschlechtert. Durch Berieselung mit dem vergleichsweise kühlen Zisternenwasser werden die Paneele gekühlt und damit ihr Wirkungsgrad gesteigert.

In dem Regenrohr 7b ist ein wetterfester Verteiler 8 vorgesehen, über welchem, ohne Verwendung der Wärmepumpe 24, dem Regenwasser des Sekundärkreises Wärme in zwei verschiedenen Temperaturniveaus entzogen werden kann. Die entsprechenden Ableitungen sind mit 9 und 10 bezeichnet.

Die Fig. 4 zeigt Einzelheiten des Verteilers 8. In das Regenrohr 7b ist ein Regenwasserfilter der WISY AG, Haustechniksysteme eingesetzt, das in seinem Prinzip in der DE 20015675U beschrieben ist. Dieses Filter geht von der Erkenntnis aus, dass bei normalem Wasserzulauf das Wasser entlang der Rohr-Innenwand abfliesst. Ein mit dem Regenrohr 7b verbundener Rohrstutzen 45 leitet das Wasser über ein konisch ausgebildetes Feinfilter 44. Reines Wasser tritt durch dieses sogen. "Adhäsionsfilter" durch, wird in einer Ringkammer gesammelt und über ein Anschlussrohr abgeleitet. Grobe Verunreinigungen, wie Laub 37 fallen durch den zentralen Teil des Regenwasserfilters und gelangen direkt in die Zisterne, wo sie sich am Boden absetzen.

Aus dem Anschlussrohr gelangt das am Dach angewärmte Wasser zu einem Thermostat-Ventil 41 dessen Kapillarbulbe 39 vom zufliessenden Wasser umspült wird. Das Thermostat-Ventil 41 ist so eingestellt, dass es beispielsweise bei einer Temperatur von 30 C öffnet. Mit 42 ist ein weiteres Thermostatventil in der Ableitung 10 bezeichnet, dessen Kapillarbulbe 40 ebenfalls im Anschlussrohr angeordnet ist.

Dieses Ventil ist aber auf eine höhere Temperatur eingestellt und öffnet beispielsweise erst bei einer Temperatur von 50 C. Das Wasser aus der Ableitung 9, welches mindestens eine Temperatur von 30 C hat, wird einem in einem Heizungsboiler 48 angeordneten Wärmetauscher 47a zugeleitet und schliesslich wieder in das Regenrohr 7b eingespeist. Der Boiler 48 ist über die Anschlussstutzen 57,58 mit den Zu- und Rückleitungen 23 bzw. 22 der Wärmepumpe 24 verbunden Für Heizungszwecke von Niedertemperatur-Heizsystemen wie Fussboden- Decken- und/ oder Wandheizungen kann über die Anschlüsse 59 und 60 Wasser entnommen und wieder zurückgeleitet werden.

Erreicht das vom Dach kommende Wasser eine Temperatur von mindestens 50 C, so öffnet auch das Thermostat-Ventil 42 und Wasser fliesst nun über das Anschlussrohr 10 zu einem Wärmetauscher 47b, der in einem zweiten Boiler 49 angeordnet ist. Das aus dem Wärmetauscher 47b austretende Wasser wird über das Regenrohr 7b wieder zur Zisterne zurückgeleitet. Der Boiler 49 wird andererseits durch die Wärmepumpe 24 aufgeheizt. Zu diesem Zweck ist der Boiler 49 über die Stutzen 55,56 mit den Zu- und Rückleitungen 23,22 der Wärmepumpe verbunden. Im Boiler 49 ist ein zweiter Wärmetauscher 46 angeordnet, in welchem Trinkwasser erwärmt wird.

Durch eine By-pass-Leitung 43 wird das Regenwasserfilter entleert. Dieser By-pass gewährleistet auch einen entsprechenden Wasseraustausch im Bereich des RegenwasserfiltersAnschlussrohres, so dass die Temperaturfühler 39, 40 der Thermostatventile 41,42 stets mit frisch zulaufendem Wasser versorgt werden. In Fig. 4 ist mit 38 ein Belüftungsrohr bezeichnet.

Zur Aufwärmung von Wasser für Heizungszwecke und die Warmwasserbereitung ist es vorteilhaft, die Dachflächen nicht kontinuierlich mit Zisternenwasser zu berieseln, sondern periodisch.

Dadurch hat die Dachhaut die Möglichkeit, wieder eine höhere Temperatur anzunehmen. In einer entsprechenden Versuchsanlage konnte damit die Rücklauftemperatur des Zisternenwassers von 15 C bei kontinuierlicher Berieselung, auf 35 C bei periodischem Betrieb gesteigert werden, wobei natürlich die anfallende Wassermenge reduziert worden ist.

Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Beispiel beschränkt, sondern kann vielmehr in zahlreichen Belangen abgeändert werden ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Heiz- und/ oder Warmwasserbereitungsanlage unter Verwendung einer Wärmepumpe (24), mit einem ersten, externen Kühlmittelkreislauf mit einem Wärmetauscher (18) der von Wasser aus einer Regenwasser-Zisterne (11) od. dgl. gespeist ist, in welchem Wärmetau- scher (18) von der Wärmepumpe (24) kommendes kaltes Medium erwärmt und zur Wär- mepumpe (24) zurückgeführt wird (Primärkreis), wobei bei gegebenenfalls im Erdreich versenkter Zisterne (11) das Zisternenwasser durch Wärmeaustausch durch die Zister- nenwandung dem umgebenden Erdreich Wärme entzieht und damit das Wasser wieder anwärmt und eine Pumpe (15) vorgesehen ist, mit welcher Wasser aus der Zisterne (11) auf ein Dach (1,2) förderbar ist, wo es im oberen Bereich der Dachfläche, insbes.

gleich- mässig, verteilbar ist und das über die Dachhaut fliessende Wasser in Dachrinnen (7a) sammelbar und in die Zisterne (11) rückführbar ist (Sekundärkreis), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher (18) ausgebildet ist, der einerseits vom Kühlmittel aus dem Primärkreis der Wärmepumpe (24) und andererseits von Wasser aus dem Sekundärkreis durchströmbar ist und das aus dem Wärmetauscher (18) austre- tende, abgekühlte Wasser des Sekundärkreises über ein Ventil (27,27b) zu den Verteiler- rohren (5, 6) am Dach (1,2) förderbar und über die Dachfläche fein verteilbar ist, wobei ei- ne Verbindungsleitung (14) mit einem Ventil (28) zwischen der Zuleitung (3,4) zu den Ver- teilerrohren (5,6) und der Zisterne (11) vorgesehen ist, die vor dem Ventil (27a, 27b) in die Zuleitung (3,4) zu den Verteilerrohren (5,6) einmündet,

ferner mit einer insbes. elektroni- schen Steuerung (35), die in Abhängigkeit von Signalen von Temperatursensoren (32 bis 34) an der Dachfläche (1,2), in der Zisterne (11) und/ oder in Leitungen die Pumpe (15) und die Ventile (27a, 27b,28) steuert, so dass im Normalbetrieb Wasser aus der Zisterne (11) auf das Dach (1,2) gefördert, dort erwärmt und in die Zisterne (11) zurückführbar ist, bei Gefahr des Einfrierens der Verteilerrohre (5,6) und der Dachhaut (1,2) die Ventile (27a, 27b, 28) und die Pumpe (15) so gesteuert werden, dass das im Gegenstromwärmetau- scher (18) abgekühlte Zisternenwasser über das geöffnete Ventil (28) unmittelbar in die Zisterne (11) rückführbar ist, so dass die Wärmekapazität des Wassers in der Zisterne (11)

inklusive zumindest eines Teiles der Latentwärme desselben und gegebenenfalls die durch die Zisternenwand zugeführte Erdwärme nutzbar ist.
2. Heizungs- und/ oder Warmwasserbereitungsanlage nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Dachhaut (1,2) aus Metallblech, vorzugsweise aus Aluminiumblech besteht und eine Oberflächenbeschichtung mit einem hohen Absorbtionsvermögen im sichtbaren und im Infra-Rot-Bereich des Spektrums aufweist.
3. Heizungs- und/ oder Warmwasserbereitungsanlage nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass insbes. entlang des Dachfirstes (51), ein horizontal verlaufendes Verteilerrohr (5,6) mit einer Vielzahl, entlang des Rohres angeordneten Wasseraustrittsöffnungen (53) vorgese- hen ist, durch welche die Dachhaut (1,2) im wesentlichen gleichmässig berieselbar ist, wo- bei als Verteilerrohr ein Wellrohr (5,6) aus korrosionsresistentem Metall oder Kunststoff vorgesehen ist, welches an seiner Oberseite Schlitze bzw. Bohrungen (53) aufweist, durch welche das Zisternenwasser im wesentlichen drucklos austritt.
4. Heizungs- und/ oder Warmwasserbereitungsanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerrohr bzw. die Verteilerrohre (5, 6) in Firstreitern (52) integriert sind.
5. Heizungs- und/ oder Warmwasserbereitungsanlage nach einem der vorhergehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Photo-Voltaik-Paneelen (31) in die Dachhaut integriert sind, die von dem aus der Zisterne (11) geförderten Wasser berieselbar und damit kühlbar sind und dadurch einen günstige- <Desc/Clms Page number 7> ren Wirkungsgrad erreichen.
6. Heizungs- und/ oder Warmwasserbereitungsanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstromwärmetauscher (18) als koaxiales, doppelwandiges Rohr aufgebaut ist, wobei das vom Primärkreis durchströmte Innenrohr vom Zisternenwasser des Sekundär- kreises umströmbar ist, das im Zwischenraum zwischen Innen- und Aussenrohr geführt ist, wobei der Gegenstromwärmetauscher (18) vorzugsweise versenkt in der Zisterne (11) an- geordnet ist.
7. Heizungs- und/ oder Warmwasserbereitungsanlage nach einem der vorhergehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückleitung des Primärkreises der Wärmepumpe (24) ein weiterer Wärmetauscher (19), insbes. ein Gegenstromwärmetauscher vorgesehen ist, der über ein Ventil (25) vom Hochtemperaturkreis der Wärmepumpe (24) (Verbraucherkreis) anspeisbar ist, wobei das Ventil (25) von einem Temperatursensor (26) über eine elektrische Steuerung (35) steuer- bar ist, welcher Sensor (26) im Zisternenwasser, im Sekundärkreis oder im Primärkreis angeordnet ist und bei Unterschreiten eines vorgegebenen Temperaturwertes das Ventil (25) öffnet und einen Teilstrom des Mediums aus dem Hochtemperaturkreis der Wärme- pumpe (24) dem genannten Wärmetauscher (19) zuführt.
8. Heizungs- und/ oder Warmwasserbereitungsanlage nach einem der vorhergehenden Pa- tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückleitung des Sekundärkreises mindestens ein in Abhängigkeit von der Tempera- tur des Wassers der Rückleitung des Sekundärkreises betätigbares Ventil (41,42) vorge- sehen ist, welches im Kreis je eines Wärmetauschers (47a, 47b) angeordnet ist und unab- hängig vom Betrieb der Wärmepumpe (24) das Ventil (41,42) dann öffnet und das Wasser der Rückleitung des Sekundärkreises über den bzw. die Wärmetauscher (47a,47b) in die Zisterne (11) leitet, wenn die vorgegebenen Schalttemperaturen der Ventile (41,42) er- reicht oder überschritten werden, wobei die Wärmetauscher (47a, 47b) von Wasser der zu- gehörigen Boiler (48,49) umströmt sind.
9. Heizungs- und/ oder Warmwasserbereitungsanlage nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem als Rückleitung für den Sekundärkreis dienende Regenfallrohr (7b) ein Regenwas- serfilter, vorzugsweise ein sogen. Adhäsionsfilter (43 bis 46), vorgesehen ist, durch wel- ches gefiltertes Rücklauf-Wasser des Sekundärkreises über das Ventil (41,42) dem Wär- metauscher (47) zuleitbar ist, während grobe Verunreinigungen wie Laub (37) etc. direkt der Zisterne (11) zuführbar sind.
10. Verfahren zum Betrieb einer Heizungs- und Warmwasserbereitungsanlage mit einem Was- serbehälter, beispielsweise mit einer Zisterne (11), zur Speicherung von Warmwasser und einer vorzugsweise auf einem Dach (1,2) angeordneten Einrichtung zur Erwärmung des Wassers unter Nutzung der gesamten Umweltenergie, wobei vorzugsweise im Rücklauf (7a, 7b) des von der genannten Einrichtung kommenden, aufgewärmten Wasser ein Wär- metauscher (47a, 47b) vorgesehen ist, durch welchen Wasser für verschiedene Verbrau- cher wie Heizungen, Wärmepumpen, Bäder und Swimming-Pools erwärmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserbehälter, insbes. die Zisterne (11) zunächst mit vorzugsweise Regenwasser gefüllt und dieses Wasser über einen Gegenstromwärmetauscher (18), in welchem die von einer Wärmepumpe (24) kommende kalte Sole od. dgl.

(Primärkreis) erwärmt wird und im Normalbetrieb mittels einer Pumpe od. dgl. (15) gegebenenfalls periodisch auf ein Dach (1,2) geleitet und anschliessend auf diesem fein verteilt wird, wobei das an der Dachhaut (1,2) erwärmte Wasser in einer Regenrinne (7a) gesammelt und zum Wasserbehälter (11) zurückgeleitet wird.
11. Verfahren zum Betrieb einer Heizungs- und Warmwasserbereitungsanlage nach Patentan- spruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass <Desc/Clms Page number 8> bei Gefahr des Einfrierens des Wassers, insbesonders bei Dachhauttemperaturen kleiner 1 C die Verteilerrohre (5,6) und die Zuleitungen (3,4) entleert und durch Schliessen der Ventile (27a, 27b) abgesperrt werden und das aus dem Gegenstromwärmetauscher (18) austretende und in diesem abgekühlte Zisternenwasser über das geöffnete Ventil (28) di- rekt in die Zisterne (11) zurückgepumpt wird und in diesem Betriebszustand die Wärmeka- pazität des Zisternenwassers inklusive zumindest eines Teiles der Latentwärme desselben und bei in der Erde versenkt angeordneter Zisterne die durch die Erdwärme der Zisterne (11) zugeführte Wärme zur Erwärmung der Sole od. dgl. der Wärmepumpe (24) (Primär- kreis) herangezogen wird.
12. Verfahren zum Betrieb einer Heizungs- und Warmwasserbereitungsanlage nach Patentan- spruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass im Sommerbetrieb, insbes. bei abgeschalteter Wärmepumpe (24) die Förderpumpe (15) eingeschaltet wird, wobei das über die Dachhaut (1,2) laufende, kühlere Zisternenwasser direkt und zusätzlich durch Verdunstung eine Kühlung des Daches (1,2) bewirkt, wobei bei im Erdreich versenkter Zisterne (11) durch das vergleichsweise warme Zisternenwas- ser das umgebende Erdreich erwärmt wird, welches zusätzlich Wärme im Wärmepumpen- betrieb teilweise zur Erwärmung des Zisternenwassers zur Verfügung stellt.
13. Verfahren zum Betrieb einer Heizungs- und/ oder Warmwasserbereitungsanlage nach einem der Patentansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass über einen, inbes. von Hand betätigbaren Schalter (36) die Berieselung der Dachfläche einschaltbar ist, so dass bei Schneelage bzw. Schneefall am Dach (1,2) gezielt der Ab- gang einer Dachlawine ausgelöst bzw. bei Schneefall sofort abgetaut und das Dach (1,2) damit von Schnee befreit wird.