DE102006046149A1

DE102006046149A1 - Bivalente Nutzung von Regenwassertanks als Wasserreservoir und Wärmequelle für Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Tauschereinrichtung für den Energieeintrag in sowie Energienutzung aus dem Tank

Info

Publication number: DE102006046149A1
Application number: DE102006046149A
Authority: DE
Original assignee: KLIER TOBIAS
Current assignee: KLIER TOBIAS
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-04-24

Abstract

Verfahren und Vorrichtung für den bivalenten Einsatz von Regenwassernutzungsanlagen sowohl als Wasserhaushaltssystem wie als Kurzzeitenergiespeicher und Wärmequelle für Sole/Wasser-Wärmepumpen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Behälter Wasser gesammelt und aus dem Behälter wieder entnommen werden kann und dass das im Behälter befindliche Wasser durch ein über eine Tauschereinrichtung hydraulisch entkoppeltes Medium erwärmt oder abgekühlt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Regenwassertanks werden durch Einbau eines Wärmetauschers neben der Funktion zur Regenwasserspeicherung gleichzeitig als Kurzzeitspeicher für Solarenergie, energetische Gewinne aus Erdreichtemperaturen und in Vorrangfunktion als Wärmequelle für Sole/Wasser-Wärmepumpen genutzt.
Es ist bekannt, dass in Behältern Regenwasser gesammelt und zur Versorgung von WC-Spülungen und zur Bewässerung genutzt wird.
Es ist weiterhin bekannt, dass die Behälter für Regenwassernutzungssysteme zumeist aus Kunststoffmaterialien bestehen und als Erdtank-System ausgeführt werden.
Bekannterweise liegen die für Eigenheime eingesetzten Größen der Erdtanks in der Regel bei Volumina über 2000 Litern, die am häufigsten eingesetzten Größen zwischen 3000 und 5000 Litern.
Regenwasser zu nutzen ist sowohl ökologisch sinnvoll um die Ressourcen unseres wichtigsten Lebensmittels zu schonen als auch ökonomisch sinnvoll im Hinblick aufsteigende Wasser- und Abwasserpreise.
Bislang sind keine zusätzlichen Synergien in der Nutzung von Regenwassertmiks marktgängig bekannt. Somit bleibt eine relativ hohe Investition nur einseitig auf die Nutzung von Regenwasser beschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren mit entsprechenden Vorrichtungen zu schaffen um die monovalente Nutzung von Regenwasseranlagen auf die bivalente Nutzung sowohl als Regenwassernutzung als auch als Wärmequelle für Sole/Wasser-Wärmepumpen zu erweitern.
Aufgabe der Erfindung ist es, anstehende Energien aus Wärmequellen und hier besonders aus Solarkollektoren, die Wärme aus Strahlung oder Umwelt aufnehmen, in das im Regenwassertank befindliche Medium Wasser einzuspeichern und als Wärmequelle für Sole/Wasser-Wärmepumpen zur Verfügung zu stellen.
Aufgabe der Erfindung ist es auch, die bivalente Funktion innerhalb der Temperaturen, die für die Regenwassernutzung verträglich sind, zu begrenzen.
Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, durch die vorrangig betriebene Wärmequelle Regenwassertank die weiteren Wärmequellen, in der Regel Erdkollektoren, längstmöglich zu ersetzen und damit die totale Unterkühlung mit Eisbildung um die Kollektorrohre so lange wie möglich zu vermeiden.
Aufgabe der Erfindung ist es auch, mit der Regenwassernutzung einen Kurzzeitspeicher zu betreiben, der niederste Temperaturen aus Sonne oder Umwelt kontrolliert aufnehmen und wieder abgeben kann, während in Erdkollektoren niederste zufließende Temperaturen nur unkontrollierte Abflüsse haben.
Aufgabe der Erfindung ist es auch, im flüssigen Zustand des Regenwassers immer eine Energiemenge auf einem Temperatur-Niveau über 0°C zur Verfügung zu haben, mit der Sole/Wasser-Wärmepumpen zu Kennzahlen laufen können, die wesentlich höher liegen als bei Betrieb an vereisten Erdkollektoren.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und durch Vorrichtungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Regenwassertanks beinhalten idealerweise ein hohes Volumen an Wasser, das als Speichermedium genutzt werden kann.
Die kostenintensivste Investition für die Schaffung von Speichervolumen steht mit Einbau eines Regenwassertanks quasi kostenlos zur Verfügung.
Die Aufrüstung der Regenwassernutzung zum Energiespeicher ist nur noch mit relativ geringen Zusatzkosten verbunden.
Wegen der relativ hohen Volumina kann die Regenwassernutzung schon bei einem Entzug von 10 K durchaus als alleinige Wärmequelle für eine Wärmepumpe im Einfamilienhaus über einen Zeitraum von 6-8 Stunden in Spitzenheizlastzeiten dienen.
Für diese Zeit bleibt der Erdkollektor unbelastet. Es ist entsprechend Zeit, dass die während des vorausgegangenen Betriebszyklus des Erdkollektors entzogene Energie aus den angrenzenden Erdschichten wieder nachfließen kann.
Durch diese zeitweise Substitution des Erdkollektors durch den Regenwassertank kann eine dauerhafte Unterkühlung des Erdreiches mit Eisbildung um die Erdkollektorrohre, wie bei erdgekoppelten Wärmepumpenanlagen während der Spitzenheizzeiten üblich, sehr lange verzögert, eventuell sogar ganz vermieden werden.
Da die Wärmepumpe somit zu Spitzenheizzeiten lange an der Wärmequelle Regenwassertank mit weit höheren Temperatur-Niveaus als denen bei Erdreichunterkühlung oder Eisbildung von Erdkollektoren betrieben werden kann, wird die durchschnittliche Jahreskennzahl wesentlich höher als bei nur erdgekoppelten Wärmepumpenanlagen liegen.
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen
1: Schematische Darstellung eines bivalenten Regenwassertanks mit den entsprechenden Vorrichtungen für den Einsatz als Wasser- und Wärmespeicher
2: Ein hydraulisches Schema zur Einbindung des bivalenten Regenwassertanks als Wärmequelle für Sole/Wasser-Wärmepumpen.
3: Schaltplan für die Steuerung des bivalenten Regenwassertanks als Wasserspeicher und Energiespeicher innerhalb der thermischen Einsatzgrenzen und der Vorrangfunktion als Wärmequelle vor anderen Wärmequellen
Der Tank eines Regenwassernutzungssystems ist bekannterweise ausgerüstet mit Zulauf 1 A, Überlauf 1 B, Entnahmeleitung 1 C, Nachspeiseleitung 1 D, Wasserstandssignalgeber Schw 1 1 E.
Das anfallende Wasser wird über den Zulauf 1 A in den Tank eingeleitet und über den Überlauf 1 B die überschüssigen Mengen abgeleitet.
Über die Entnahmeleitung 1 C wird mittels saugender Pumpsysteme oder im Wasser eingebauter drückender Pumpsysteme das Wasser zur Nutzung entnommen und verteilt.
Bei Wassermangel wird über einen Wasserstandssignalgeber Schw 1 1 E eine Nachspeisung von der allgemeinen Wasserversorgung zum Tank angefordert.
Um den Regenwassertank gleichzeitig als Energiespeicher für Sole/Wasser-Wärmepumpenanlagen nutzen zu können, wird der Tank zusätzlich mit einem Rohrwärmetauscher 1 F, einem oberen Wasserstandssignalgeber 1 G und drei Temperaturfühlern 1: T2, T3, T4 und ausreichender Anzahl Kabeleinführungen 1 H für Schwimmer, Fühler, Stromversorgung ausgerüstet.
Für die Funktion als Energiespeicher und als Wärmequelle für den Solekreislauf von Sole/Wasser-Wärmepumpen sind Vor- und Rücklauf des Rohrwärmetauschers 2 A parallel zu Vor-/Rücklauf des Sole-Wärmetauschers 2 B, Vor- und Rücklauf einer Wärmequelle 2 C und Vor- und Rücklauf einer erdgekoppelten Wärmequelle 2 D eingebunden. Über ein elektromotorisch betriebenes 3-Wege-Umschaltventil V1 2 E wird in Abhängigkeit des energetischen Zustandes der Wärmequellen die Zuschaltung des Regenwassertanks oder des erdgekoppelten Systems als Wärmequelle für den Sole-Kreislauf der Wärmepumpe erfolgen, wobei der Regenwassertank immer Vorrangfunktion hat, solange die Temperaturbedingungen im Regenwassertank erfüllt sind.
Da bei Vorrangfunktion der Regenwassertank als alleinige Wärmequelle für den Solekreislauf der Wärmepumpe dient, ist der Rohrwärmetauscher so groß zu dimensionieren, dass der gesamte Nennvolumenstrom des Solekreislaufes bei einem maximalen R-Wert des Rohrwärmetauschers von 400 Pa/lfdm und einer Fliessgeschwindigkeit v < 1 m/s durchgesetzt werden kann.
Die Übertragungsleistung des Rohrwärmetauschers muss dabei betragen: Tauscherleistung Rohrwärmetauscher bei einer Temperaturspreizung von 5K > Wärmepumpen-Nennleistung in kw bei B0/W35.
Zur Absicherung des Regenwassertanks ist ein Fühler 2 T4 für die Maximaltemperaturbegrenzung, ein Fühler 2 T3 für die Minimaltemperaturbegrenzung und ein Fühler 2 T2a für die Temperaturdifferenzermittlung zwischen der Temperatur der Wärmequelle 2 C und der Temperatur des Wassers im Regenwassertank eingebaut.
Wird der Temperaturfühler T4 unter der maximal zugelassenen Temperatur und der Temperaturfühler T3 über der minimal zugelassenen Temperatur fühlen, wird der Stromkreis 3 A am Motor von Ventil V1 2 E geschlossen sein und der Motor das Ventil auf Durchgangsrichtung a 2 a stellen und damit den Rohrwärmetauscher 2 A parallel zum Vorlauf der Wärmequelle 2 C und zum Solevorlauf auf den Soletauscher der Wärmepumpe 2 F einbinden.
Entsprechend ist der Durchgang durch das Ventil in Richtung b 2 b geschlossen und der Durchfluss durch den Erdkollektor gesperrt.
Wird durch einen der hintereinandergeschalteten Fühler T3 oder T4 3 A der Stromkreis unterbrochen, schaltet das Ventil V1 2 E im stromlosen Zustand in die Durchgangsrichtung b 2 b und bindet den Solekreislauf durch den Erdkollektor parallel zum Vorlauf der Wärmequelle 2 C und zum Solevorlauf auf den Soletauscher der Wärmepumpe 2 F ein.
Entsprechend ist der Durchgang durch das Ventil in Richtung a 2 a geschlossen und der Durchfluss durch den Rohrwärmetauscher 2 A des Regenwassertanks gesperrt.
Ebenso wird die thermische Beladung des Regenwassertanks über das Ventil V1 2 E in Vorrang zur erdgekoppelten Wärmequelle erfolgen. Solange über die Fühler T3 und T4 3 A der Stromkreis am Motor des Ventils V1 2 E geschlossen ist und die Temperatur an T1 2 T1 um mindestens die in der Regelung eingestellte Temperaturdifferenz höher liegt als an T2a 2 T2a, wird der Durchgang durch das Ventil V1 2 E in Fliessrichtung a 2 a geöffnet sein und der Volumenstrom mittels Ladekreis der Wärmequelle 2 C zur Erwärmung des Regenwassers durch den Rohrwärmetauscher 2 A durchgesetzt.
Sollte die maximal zulässige Temperatur im Regenwassertank erreicht sein, wird der Stromkreis zum Motor des Ventils V1 2 E durch den Fühler T4 unterbrochen und das Ventil V1 lenkt im stromlosen Zustand den Volumenstrom des Ladekreises der Wärmequelle 2 C in die erdgekoppelte Wärmequelle 2 D.
Durch einen Fühler T5 wird für die PE-Rohr-Materialien der erdgekoppelten Wärmequelle 2 D eine Sicherheitstemperaturbegrenzung vorgesehen. Bei Erreichen der maximal zulässigen Temperatur ist über den Fühler T5 2 T5 in geeigneter Weise eine Unterbrechung des Ladekreises der Wärmequelle 2 C zu bewirken. Da wegen der Situation von Stillstandstemperaturen und hier speziell bei Solaranlagen als Wärmequelle eine interne Zirkulation im Kreislauf der Wärmequelle aufrecht erhalten werden sollte, ist als Sicherheits-Einrichtung zur Unterbrechung des Volumenstroms ein elektromotorisch betätigtes 3-Wege-Umschaltventil V2 2 G zu empfehlen, das über T5 stromlos geschaltet wird 3 B und den Volumenstrom durch die Umschaltung auf die Fließrichtung b 2 Gb innerhalb der Wärmequelle 2 C zirkulieren lässt.
Im Falle des Wärmepumpenbetriebes wird eine Soleumwälzpumpe 2 H den Volumenstrom des Solekreislaufes durch den Soletauscher der Wärmepumpe bewegen. Als Wärmequelle für den Solekreislauf der Wärmepumpe wird durch das Ventil V1 2 E der Regenwassertank in Vorrang zur erdgekoppelten Wärmequelle dienen. Solange über die Fühler T3 und T4 der Stromkreis am Motor des Ventils V1 geschlossen 3 A ist, wird das Ventil V1 3 E auf Durchgangsrichtung a geöffnet sein und der durch die Soleumwälzpumpe 2 H bewegte Volumenstrom den Rohrwärmetauscher durchfliessen und dabei über den Tauscher dem Wasser des Regenwassertanks Wärme entziehen.
Die Temperatur des erwärmten Volumenstromes wird im verdampferseitigen Prozeß bei Durchfliessen des Soletauschers gesenkt und fliesst abgekühlt zum Rohrwärmetauscher im Regenwassertank zurück.
Der Temperaturentzug aus dem Regenwasser wird solange fortgesetzt, bis über den Fühler T3 3 A nach Erreichen der Mindesttemperatur der Stromkreis am Motor von Ventil V1 2 E unterbrochen wird. Im stromlosen Zustand wird das Ventil V1 auf Fliessrichtung b 2 B umschalten und der Volumenstrom des Solekreislaufes durch die erdgekoppelte Wärmequelle fliessen.
Um bei Heizbetrieb die maximale Menge an Speichermedium in der Wärmequelle zur Verfügung zu haben, wird in der Heizperiode durch den Wasserstandssignalgeber Schw 2 1 G der Regenwassertank über die Nachspeisung weitestmöglich gefüllt gehalten.

Claims

Verfahren und Vorrichtung für den bivalenten Einsatz von Regenwassernutzungsanlagen sowohl als Wasserhaushaltssystem wie als Kurzzeitenergiespeicher und Wärmequelle für Sole/Wasser-Wärmepumpen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Behälter Wasser gesammelt und aus dem Behälter wieder entnommen werden kann und dass das im Behälter befindliche Wasser durch ein über eine Tauschereinrichtung hydraulisch entkoppeltes Medium erwärmt oder abgekühlt werden kann.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem für den Erdeinbau geeigneten Behälter die zur Speicherung von Regenwasser und zur Verwendung des Regenwassers im Wasserhaushalt notwendigen marktbekannten Komponenten, so Einlauf-, Filter-, Überlauf-, Pumpen-, Nachspeise- und Steuersysteme teilweise oder gesamt enthalten sind.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Rohrwärmetauscher, ein Wasserstandsgeber um den Tank gefüllt zu halten, ein Temperaturfühler für eine maximale Temperaturbegrenzung, ein Temperaturfühler für die minimale Temperaturbegrenzung und ein Temperaturfühler als Speicherfüler zur Temperaturdifferenzregelung des Ladekreises einer Wärmequelle eingebaut sind.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tauseher des Regenwassertanks einseitig mit dem bei am Motor eines 3-Wege-Ventils anliegender Spannung offenen Ausgang dieses 3-Wege-Ventils verbunden ist und anderseitig gemeinsam mit dem Rücklauf des Ladekreises einer Wärmequelle dem Rücklauf des Soletauscherkreises der Wärmepumpe und der einen Anschlussseite des Kreislaufes einer erdgekoppelten Wärmequelle zusammengebunden ist.
Anlage wie Anspruch 1 oder 2 und 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass am immer offenen Anschluss des 3-Wege-Ventils parallel zueinander der Vorlauf des Ladekreises einer Wärmequelle und der Vorlauf in Richtung Soleumwälzpumpe und Soletauscher der Wärmepumpe angebunden ist.
Anlage wie Anspruch 1 oder 2 und 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass ein am Motor des 3-Wege-Ventils angeschlossener Stromkreis über zwei in Reihe geschaltete Fühler geschlossen ist, solange die Temperatur im Medium des Regenwassertanks unterhalb des zulässigen Maximalwertes und oberhalb des zulässigen Minimalwertes liegt und damit die Verbindung über den bei geschlossenem Stromkreis offenen Ausgang des 3-Wege-Ventils zwischen dem Wärmetauscher des Regenwassertanks, dem Vorlauf des Ladekreises der Wärmequelle und dem Vorlauf auf den Soletauscher der Wärmepumpe hergestellt ist.
Anlage wie Anspruch 1 oder 2 und 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass ein am Motor des 3-Wege-Ventils angeschlossener Stromkreis über mindestens einen von zwei in Reihe geschalteten Fühlern unterbrochen ist, sobald die Temperatur im Medium des Regenwassertanks oberhalb des zulässigen Maximalwertes oder unterhalb des zulässigen Minimalwertes liegt und damit die Verbindung über den im spannungslosen Zustand offenen Ausgang des 3-Wege-Ventils zwischen der erdgekoppelten Wärmequelle, dem Vorlauf des Ladekreises der Wärmequelle und dem Vorlauf auf den Soletauscher der Wärmepumpe hergestellt ist.
Anlage wie Anspruch 1 oder 2 und 3-6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Wärmepumpen-Stillstand der Weg für den durch eine Pumpe angetriebenen Volumenstrom des Ladekreises der Wärmequelle mittels eines elektromotorisch angetriebenen Ventils freigegeben wird, sobald die Temperatur am Fühler der Wärmequelle um die in einer Regelung vorgegebene Differenz höher liegt als die Temperatur am Vergleichs-Fühler im Speichermedium des Regenwassertanks.
Anlage wie Anspruch 1 oder 2 und 3-5 und 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass über einen an der erdgekoppelten Wärmequelle anliegenden Fühler bei Überschreiten einer Maximaltemperatur der Volumenstrom des Ladekreises in die erdgekoppelte Wärmequelle mittels eines elektromotorisch angetriebenen 3-Wege-Ventils unterbrochen wird.
Anlage wie Anspruch 1 oder 2 und 3-6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Wärmepumpenbetrieb die Soleumwälzpumpe den Volumenstrom des Solekreislaufes durch den Wärmetauscher des Regenwassertanks und den Soletauscher der Wärmepumpe zirkuliert, wobei der Volumenstom im Durchfluss durch den Soletauscher der Wärmepumpe abgekühlt wird und im Durchfluss durch den Wärmetauscher des Regenwassertanks eine Temperaturerhöhung aus dem umgebenden Medium wieder aufnimmt.
Anlage wie Anspruch 1 oder 2 und 3-5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Wärmepumpenbetrieb die Soleumwälzpumpe den Volumenstrom des Solekreislaufs durch die Tauscherrohre der erdgekoppelten Wärmequelle und den Soletauscher der Wärmepumpe zirkuliert, wobei der Volumenstrom im Durchfluss durch den Soletauscher der Wärmepumpe abgekühlt wird und im Durchfluss durch die Tauscherrohre der erdgekoppelten Wärmequelle eine Temperaturerhöhung aus dem umgebenden Erdreich wieder aufnimmt.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Referenzfühler für die Temperaturdifferenzregelung ausgangsseitig des Soletauschers der Wärmepumpe eingebaut ist.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, 3, 12 dadurch gekennzeichnet, dass über ein Relais der Speicherfühler des Regenwassertanks oder der Referenzfühler am Ausgang des Soletauschers der Wärmepumpe alternierend mit der Temperaturdifferenzregelung verbunden ist und zwar so, dass bei Wärmepumpenstillstand der Speicherfühler und bei Wärmepumpenbetrieb der Referenzfühler am Soletauscherausgang der Wärmepumpe mit der Temperaturdifferenzregelung verbunden ist.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, 3-7, 9-13 dadurch gekennzeichnet, dass bei Wärmepumpenbetrieb der Weg für den durch eine Pumpe angetriebenen Volumenstrom des Ladekreises einer Wärmequelle mittels eines elektromotorisch angetriebenen Ventils freigegeben wird, sobald die Temperatur am Fühler der Wärmequelle um die durch eine Regelung vorgegebene Differenz höher liegt als die Temperatur am Referenzfühler am Ausgang des Soletauschers der Wärmepumpe.