DE102008018826A1

DE102008018826A1 - Anlage und Verfahren zur Gewinnung von Energie

Info

Publication number: DE102008018826A1
Application number: DE102008018826A
Authority: DE
Inventors: Falk Rottluff
Original assignee: STADTWERKE CHEMNITZ AG
Current assignee: EINS ENERGIE IN SACHSEN GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2028-04-12
Also published as: DE102008018826B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Gewinnung von Energie zur Heizung oder Kühlung für wenigstens einen Verbraucher mit wenigstens einer Trinkwasserversorgungseinrichtung, die über wenigstens eine Trinkwasserentnahmeleitung und wenigstens eine Trinkwasserrückführleitung mit wenigstens einem Wärmetauscher gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Gewinnung von Energie zur Heizung oder Kühlung für wenigstens einen Verbraucher, wobei wenigstens einer Trinkwasserversorgungseinrichtung Trinkwasser entnommen wird, diesem Trinkwasser mittels eines Wärmetauschers Energie entzogen und das Trinkwasser wieder in die Trinkwasserversorgungseinrichtung zurückgeführt wird. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlage und ein Verfahren zur Gewinnung von Energie zur Heizung oder Kühlung für wenigstens einen Verbraucher unter Nutzung einer Trinkwasserversorgungsanlage zur Verfügung zu stellen, wobei die Trinkwasserqualität beibehalten werden kann, die Systemleistungen sowohl für die Trinkwasserversorgung als auch für die Löschwasservorhaltung aufrechterhalten werden können und darüber hinaus eine Funktionssicherung der Energiegewinnungsanlage unter den Fließ- und Temperaturbedingungen in der öffentlichen Trinkwasserversorgung gewährleistet werden kann. Diese Aufgabe wird einerseits durch eine Anlage der oben genannten Gattung gelöst, bei welcher die wenigstens eine Trinkwasserentnahmeleitung und die wenigstens eine ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Gewinnung von Energie zur Heizung oder Kühlung für wenigstens einen Verbraucher mit wenigstens einer Trinkwasserversorgungseinrichtung, die über wenigstens eine Trinkwasserentnahmeleitung und wenigstens eine Trinkwasserrückführleitung mit wenigstens einem Wärmetauscher gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Gewinnung von Energie zur Heizung oder Kühlung für wenigstens einen Verbraucher, wobei aus wenigstens einer Trinkwasserversorgungseinrichtung Trinkwasser entnommen, diesem Trinkwasser mittels eines Wärmetauschers Energie entzogen und das Trinkwasser wieder in die Trinkwasserversorgungseinrichtung zurückgeführt wird.
Im Sog der Veränderungen, insbesondere innerhalb der Europäischen Energiemärkte sowie der öffentlichen Diskussion zwischen kommunaler Verantwortung und wirtschaftlicher Leistungsfähigkeit steht die Wasserversorgung im Fokus von Politik und Wirtschaft. Die öffentlichen und privaten Wasserversorger müssen deshalb mehr denn je beweisen, dass sie dem Komplex von Ansprüchen aus Verantwortung, Wirtschaftlichkeit und Innovationsfähigkeit gerecht werden können. Infrastrukturelle Kompetenzen werden häufig gebündelt, so dass verschiedene Unternehmen nicht nur eine Versorgung mit Trinkwasser gewährleisten sondern beispielsweise auch Strom erzeugen, Kunden mit Wärme und Kälte versorgen, Gas verteilen und/oder Anlagen der Stadtbeleuchtung und/oder der Entwässerung einschließlich zentraler Kläranlagen betreiben. Ziel ist es, dadurch eine ökologisch verantwortungsvolle sowie qualitativ hochwertige und preiswerte Versorgung der Verbraucher zu ermöglichen. Aus diesen Synergien ergeben sich auch neue Möglichkeiten in Form von Interaktionen zwischen den einzelnen Versorgungsaufgaben.
Der Bedarf der Deutschen an Trinkwasser ist innerhalb der letzten Jahrzehnte erheblich zurückgegangen. Verantwortlich sind neue wassersparende Technologien in Gewerbe und Industrie rückläufige Bevölkerungszahlen, resultierend aus Abwanderung und demografischem Wandel sowie ein durch das gestiegene Umweltbewusstsein geprägter sparsamer Umgang mit Trinkwasser. Für die Träger der öffentlichen Trinkwasserversor gung verringern sich dadurch erheblich die finanziellen Einnahmen aus dem Wasserverkauf, aus dem der Betrieb der Erhalt und der Umbau der Anlagen und Netze finanziert wird. Innerhalb der Trinkwasserversorgung sind ca. 85% der gesamten Unterhaltskosten fix, das heißt unabhängig von der abgesetzten Trinkwassermenge. Zur Anpassung der Infrastruktur an die aktuellen Gegebenheit sind erhebliche Mittel und Aufwände notwendig, welche unter den Bedingungen des Rückganges nur beschränkt aus der eigenen Kraft der Wasserversorger umzusetzen sind. Eine sich auch künftig im internationalen Vergleich wettbewerbsfähig präsentierende deutsche Wasserwirtschaft wird sich deshalb flexibel an diese Anforderungen anpassen müssen. Die bedeutet schlanke Strukturen, klare Rückbaustrategien sowie, und dies ist einer der wesentlichen Hintergründe dieser Erfindung, Potentiale die über den Wasserverkauf hinausgehen zu erkennen, zu entwickeln und im Einklang mit der Versorgung mit Trinkwasser und der Verantwortung für den Umweltschutz am Markt anzubieten.
Bereits in der ferneren Vergangenheit wurden Wärmepumpenanlagen in einigen Varianten als Stand der Technik mehr oder weniger anwendbar und praktikabel beschrieben.
So beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift DE 28 34 442 eine Anlage und ein Verfahren der oben genannten Gattung zur Gewinnung von Haushaltswärme nach dem Wärmepumpensystem. Hierbei wird aus einem Rohrleitungsnetz einer zentralen Wasserversorgung eine Wasserteilmenge entnommen, dieser Wassermenge Wärme entzogen und anschließend wieder in das Leitungsnetz zurückgeführt. Dabei sind eine Entnahmeleitung und eine Rückführleitung für die Wasserteilmenge über einen Wärmetauscher miteinander verbunden, der in einem mit einer Wärmepumpe verbundenen Wasserspeicher angeordnet ist.
Obwohl die Druckschrift DE 28 34 442 den Grundgedanken der Wärmegewinnung aus Wasserverteilungsnetzen enthält, ist die darin beschriebene Lehre unvollständig bzw. teilweise nicht realisierbar. Insbesondere wird in der Druckschrift nicht berücksichtigt, dass an das Lebensmittel Trinkwasser besondere Anforderungen gestellt werden, wobei die Qualität des Trinkwassers auch dann, wenn das Trinkwasser als Energieträger genutzt wird, gewahrt werden muss. Ferner geht die Druckschrift nicht auf die ungerichteten Fließverhältnisse und -richtungen in Trinkwasserverteilungssystemen ein, welche strangspezifisch differenziert sind und je nach Verbrauchssituation auch wechseln können.
Darüber hinaus ist die thermische Situation im Rohrnetz für die Trinkwasserversorgung abhängig vom Material, den Isoliereigenschaften der Rohre, der Verlegetiefe, der Fließgeschwindigkeit und der Strömungsart, welche laminar oder turbulent sein kann. Insofern kann mit der bekannten Anordnung, welche dies nicht berücksichtigt, keine stabile, kontinuierliche Energieversorgung gewährleistet werden.
Zusätzlich besitzen die in der Druckschrift DE 28 34 442 aufgezeigten Einbauten, wie der Rückführungsschlauch innerhalb der Hausanschlussleitung, die verwendeten Injektoren nebst Krümmer und Propeller hydraulischen Einfluss auf die Versorgungsanlage und reduzieren deren Leistungsfähigkeit. Dies kann vor allem unter Berücksichtigung einer bedarfsgerechten Auslegung des Trinkwasserverteilungssystems zu Engpässen in der eigentlichen Versorgung führen. Werden mehrere solcher Anlagen miteinander kombiniert, wird diese Wirkung weiter verstärkt, so dass sich insbesondere auch Probleme in der Löschwasservorhaltung ergeben können.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlage und ein Verfahren zur Gewinnung von Energie zur Heizung oder Kühlung für wenigstens einen Verbraucher unter Nutzung einer Trinkwasserversorgungsanlage zur Verfügung zu stellen, wobei die Trinkwasserqualität beibehalten werden kann, die Systemleistung sowohl für die Trinkwasserversorgung als auch für die Löschwasservorhaltung aufrechterhalten werden kann und darüber hinaus eine Funktionssicherung der Energiegewinnungsanlage unter den Fließ- und Temperaturbedingungen der öffentlichen Trinkwasserversorgung gewährleistet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Anlage der oben genannten Gattung gelöst, bei welcher die wenigstens eine Trinkwasserentnahmeleitung und die wenigstens eine Trinkwasserrückführleitung einen Trinkwasserkreislauf ausbilden, in welchem wenigstens ein Steuerorgan vorgesehen ist, mit welchem eine Menge an Trinkwasser, das zu dem Wärmetauscher fließt, einstellbar ist, und wobei an der Trinkwasserversorgungseinrichtung eine Anschlussarmatur vorgesehen ist, die eine Anschlussverbindung an die Trinkwasserversorgungseinrichtung, einen Anschluss für die Trinkwasserentnahmeleitung, einen Anschluss für die Trinkwasserrückführleitung und eine zumindest punktuelle Leitungsquerschnittsverringerung im Bereich der Anschlussverbindung an die Trinkwasserversorgungseinrichtung aufweist.
Mit dieser Anlage ist es möglich, der Trinkwasserversorgungseinrichtung eine definierte Trinkwassermenge zu entnehmen, wobei durch die vorgesehene Anschlussarmatur eine gerichtete Wasserentnahme erfolgen kann. Dies wird zum Einen durch das verwendete Steuerorgan, durch welches das der Trinkwasserversorgungseinrichtung entnommene Trinkwasser in einer, durch das Steuerorgan vorgegebenen Richtung durch den Trinkwasserkreislauf gebracht und wieder in die Trinkwasserversorgungseinrichtung eingebracht wird, realisiert. Ferner wird durch die punktuelle Leitungsquerschnittsverringerung der Anschlussverbindung an die Trinkwasserversorgungseinrichtung eine Venturi-Wirkung erzielt, wodurch einerseits die Fließrichtung des Trinkwassers in dem Trinkwasserkreislauf beeinflusst werden kann und andererseits eine Änderung der Fließgeschwindigkeit des durch die Anschlussarmatur fließenden Trinkwassers erzeugt wird. Dies führt zu einer besseren Durchmischung des Trinkwassers, sowohl hinsichtlich seiner Inhaltsstoffe als auch seiner Temperatur. Entsprechend können Sedimentationsprozesse in der Trinkwasserversorgungseinrichtung reduziert werden und darüber hinaus ein Temperaturausgleich zwischen der Energiegewinnungsanlage, der Trinkwasserversorgungsanlage und den umgebenden Medien erzielt und optimiert werden. Im Ergebnis steht erfindungsgemäß eine Energiegewinnungsanlage unter Nutzung des Mediums Trinkwasser zur Verfügung, welche die qualitäts- und mengengerechte Bereitstellung von Trink- und Löschwasser nicht beeinträchtigt. In Abhängigkeit verschiedenster Versorgungsbedingungen in Trinkwassernetzen ergeben sich angepasste Auslegungen der Energiegewinnung.
Die Erfindung bietet ergo eine komplexe Lösung für eine komplexe Aufgabe an, da eine Betrachtung ausschließlich einzelner System- und/oder Funktionskomponenten, wie in der Druckschrift DE 28 34 442 , eine störungs- bzw. fehlerfreie Funktion der Energiegewinnungsanlage unter den Bedingungen einer gesicherten Trink- und Löschwasserversorgung ausschließt.
Die erfindungsgemäße Anlage kann sowohl zur Heizung bzw. Heizungsunterstützung und zur weiteren Verwendung gewonnener Wärme- oder Kühlenergie als auch zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden.
Die Trinkwasserversorgungseinrichtung kann eine Trinkwasserversorgungsleitung oder ein Trinkwasserversorgungsbehälter sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist an dem Anschluss für die Trinkwasserentnahmeleitung und/oder dem Anschluss für die Trinkwasserrückführleitung wenigstens eine Steuerarmatur vorgesehen. Durch diese Armatur, welche in der Regel ein Ventil ist, an dem Anschluss für die Trinkwasserentnahmeleitung und/oder dem Anschluss für die Trinkwasserrückführleitung kann, je nach Bedarf, die Verbindung zwischen Trinkwasserversorgungseinrichtung und Trinkwasserentnahmeleitung bzw. Trinkwasserrückführleitung geöffnet, teilgeöffnet oder -gesperrt werden, wodurch die Höhe der Trinkwasserentnahme aus der Trinkwasserversorgungseinrichtung bzw. der Trinkwasserrückführung in die Trinkwasserversorgungseinrichtung gesteuert werden kann. Hierdurch ist eine wärmebedarfsspezifische Trinkwasserentnahme und -rückführung unabhängig von den durch die Trink- und Löschwasserversorgung entstehenden Fließverhältnissen im Trinkwassernetz möglich.
In einer bevorzugten Variante der vorliegenden Erfindung ist die Leitungsquerschnittsverringerung an einem Bereich des Anschlusses für die Trinkwasserrückführleitung vorgesehen. Entsprechend bewirkt der durch die Leitungsquerschnittsverringerung erzeugte Venturi-Effekt eine Sogwirkung an dem Anschluss für die Trinkwasserrückführleitung, wodurch das Trinkwasser aus dem Trinkwasserkreislauf zurück in die Trinkwasserversorgungseinrichtung gesogen wird. Hierdurch wird die Wirkung des Steuerorgans unterstützt.
In einem weiteren geeigneten Beispiel der Erfindung ist die Leitungsquerschnittsverringerung zwischen den Anschlüssen für die Trinkwasserentnahmeleitung und die Trinkwasserrückführleitung vorgesehen, an der Leitungsquerschnittsverringerung ist ein Strömungswächter vorgesehen und das Steuerorgan ist in Abhängigkeit von den Messsignalen des Strömungswächters steuerbar. Diese Ausführungsvariante eignet sich insbesondere für solche Anlagen, bei welchen in einer als Trinkwasserversorgungseinrichtung dienenden Trinkwasserversorgungsleitung ein Wechsel der Fließrichtung des Wassers auftreten kann. Hier wird die Leitungsquerschnittsverringerung insbesondere auch dazu genutzt, eine bessere Durchmischung des Trinkwassers zu erzielen, wobei das Trinkwasser in zwei unterschiedlichen Richtungen durch die Anschlussarmatur, in Abhängigkeit von der Fließrichtung des Trinkwassers in der Trinkwasserversorgungsleitung, fließen kann. Durch den Strömungswächter wird die dort deutlichere Strömung im Bereich der Leitungsquerschnittsverringerung erfasst, wodurch das Steuerorgan in dem Trinkwasserkreislauf entsprechend geregelt werden kann, so dass die Fließgeschwindigkeit und die Fließrichtung des Trinkwassers in der Anschlussarmatur und dem Trink wasserkreislauf an die jeweiligen Verhältnisse in der Trinkwasserversorgungsleitung bzw. dem Wasserversorgungsnetz angepasst werden können. Entsprechend ist unabhängig von der Fließrichtung des Trinkwassers in der Trinkwasserversorgungsleitung eine zuverlässige Trinkwasserentnahme und Trinkwasserrückführung für eine geeignete Energiegewinnung aus dem Trinkwasser möglich. Der Strömungswächter kann alternativ zentral im Versorgungsstrang installiert werden und per Datenverbindung alle Steuerorgane aller an einem Versorgungsstrang angeschlossenen Energiegewinnungsorgane regeln.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Steuerorgan eine Zirkulationspumpe, mit welcher das Trinkwasser in dem Trinkwasserkreislauf entsprechend einer durch die Zirkulationspumpe vorgegebenen Fließrichtung und Menge gepumpt wird. Anstelle einer Zirkulationspumpe kann auch ein steuerbares Ventil oder eine sonstige steuerbare Vorrichtung zur Beeinflussung von Fließrichtung und -menge des durch den Trinkwasserkreislauf geführten Trinkwassers eingesetzt werden.
Bei dieser Ausführungsvariante ist es besonders von Vorteil, wenn zwischen der Trinkwasserentnahmeleitung und der Trinkwasserrückführleitung wenigstens zwei Leitungsverbindungsabschnitte mit jeweils wenigstens zwei Ventilen vorgesehen sind und die Leitungsverbindungsabschnitte durch eine das Steuerorgan aufweisende Querverbindung zwischen den Ventilen miteinander verbunden sind. Somit kann durch Öffnen bzw. Schließen der jeweiligen Ventile in Verbindung mit der Wirkung des Steuerorgans, unabhängig von der Fließrichtung des Trinkwassers in einer Trinkwasserversorgungsleitung, ein Kanal für die Trinkwasserentnahme als auch ein Kanal für die Trinkwasserrückführung zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus kann die Fließgeschwindigkeit des Trinkwassers in dem Trinkwasserkreislauf durch die Verwendung des Steuerorgans und der Ventile gezielt gesteuert werden.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Anschlussarmatur einen Rückflussverhinderer in der Anschlussverbindung an die Trinkwasserversorgungseinrichtung auf. Der Rückflussverhinderer kann beispielsweise in Form einer Kugel ausgebildet sein, welche bei Änderung der Fließrichtung in einer als Trinkwasserversorgungseinrichtung dienenden Trinkwasserversorgungsleitung gegen eine Dichtung gedrückt wird. Vorteil dieser Technologie ist ein im Vergleich geringes Verschleißverhalten und eine hohe Zuverlässigkeit. Durch den Rückflussverhinderer wird erreicht, dass das Trinkwasser die Anschlussarmatur nur in einer Richtung durchströmt, wodurch eine definierte Energiegewinnung aus dem Trinkwasser entsprechend der vorgegebenen Fließrichtung ermöglicht wird und es zu keiner Durchmischung des in die Trinkwasserversorgungsleitung rückgeführten, energiereduzierten Trinkwassers mit frischem Trinkwasser aus der Trinkwasserversorgungsleitung kommt. Eine mögliche Zirkulationspumpe unterstützt diesen Effekt.
Beispielweise weist die Leitungsquerschnittsverringerung eine Blende mit einer oder mehreren Durchtrittsöffnungen oder ein Formteil mit reduziertem Durchmesser auf. Eine solche Blende bzw. ein solches Formteil kann punktuell in der Trinkwasserversorgungseinrichtung für eine Querschnittsverringerung sorgen, wobei es bei einem Durchfließen des Trinkwassers durch die Durchtrittsöffnungen zu Verwirbelungseffekten kommt, die einer guten Durchmischung des Trinkwassers dienen. Ferner tritt durch die durch die Blende bzw. das Formteil bewirkte Leitungsquerschnittsverringerung ein Venturiähnlicher Effekt auf, der zur Beeinflussung des Fließverhaltens in dem Trinkwasserkreislauf eingesetzt werden kann.
In einer anderen Variante der Erfindung ist es auch möglich, dass die Leitungsquerschnittsverringerung eine Rohrverengung mit einer sich anschließenden Rohraufweitung aufweist. Auf diese Weise entstehen zwei gegeneinander gerichtete Konen, die an der Stelle ihres geringsten Durchmessers vereint sind. Fließt durch die Leitungsquerschnittsverringerung Trinkwasser, so ist an der engsten Stelle der dynamische Druck bzw. der Staudruck maximal und der statische Druck bzw. der Ruhedruck minimal. Die Geschwindigkeit des die Leitungsquerschnittsverringerung durchfließenden Trinkwassers steigt im Verhältnis der Querschnitte beim Durchströmen des eingeschnürten Teils der Trinkwasserversorgungseinrichtung an, weil überall dieselbe Menge durchfließt. Wird an der Leitungsquerschnittsverringerung ein Rohr, wie die Trinkwasserrückführleitung, platziert, entsteht in der Trinkwasserrückführleitung ein Unterdruck bzw. ein Sog, durch welchen Trinkwasser aus der Trinkwasserrückführleitung geeignet in die Trinkwasserversorgungsleitung abgeführt werden kann. Zusätzlich entstehen an der Leitungsquerschnittsverringerung Verwirbelungseffekte sowie eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit, was einer guten Durchmischung des Trinkwassers dient.
In einer vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung ist der Trinkwasserkreislauf über einen Wärmetauscher mit wenigstens einer Abwasserleitung des Verbrauchers gekoppelt. Auf diese Weise kann die Energie der Abwasserleitung dazu genutzt werden, die Temperatur des Trinkwassers in dem Trinkwasserkreislauf zu erhöhen. Wird die Abwasserleitung im Bereich der Trinkwasserentnahmeleitung mit dem Trinkwasserkreislauf gekoppelt, kann die Temperatur des Trinkwassers vor seiner Wechselwirkung mit dem Wärmetauscher erhöht werden, wodurch aus dem Trinkwasser eine höhere Energiemenge entnommen werden kann. Ferner kann die Abwasserleitung auch mittels des Wärmetauschers mit der Trinkwasserrückführleitung des Trinkwasserkreislaufs energetisch gekoppelt werden, wodurch die Temperatur des in die Trinkwasserversorgungseinrichtung rückgeführten Trinkwassers erhöht werden kann, so dass das rückgeführte Trinkwasser in der Trinkwasserversorgungseinrichtung relativ rasch wieder seine Ursprungstemperatur erreichen kann, um eine geeignete Energiegewinnung aus dem Trinkwasser für weitere Verbraucher zur Verfügung stellen zu können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Variante ist der Wärmetauscher ein Rohrbündelwärmetauscher. Ein solcher Wärmetauscher eignet sich insbesondere bei der vorliegenden Anwendung, da hier die Medien, zwischen welchen die Wärmeübertragung erfolgt, nicht vermischt werden. Die Übertragung der Wärme ist bei einem Gegenstromrohrbündelwärmetauscher am günstigsten.
In einer günstigen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist der Anschlussarmatur eine geothermische Wärmeversorgungsanlage vorgeschaltet, durch die eine Trinkwasserversorgungsleitung geführt ist. Auf diese Weise kann die Temperatur des Trinkwassers in der Trinkwasserversorgungsleitung angehoben werden, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht. Zudem können durch diese spezifische Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise jahreszeitlich bedingte Schwankungen der Trinkwassertemperatur ausgeglichen werden.
Es ist besonders günstig, wenn die geothermische Wärmeversorgungsanlage eine geothermische Kaskade aufweist, deren Kaskadenstufen über steuerbare Ventile oder sonstige geeignete Armaturen zuschaltbar sind. So kann das Trinkwasser in unterschiedliche Tiefen geführt werden, so dass je nach Wärmebedarf eine bestimmte Kaskadenstufe zugeschaltet werden kann, um hierdurch dem Trinkwasser definiert Energie zuführen zu können. Auf diese Weise kann dem Verbraucher, unabhängig von Energieschwankungen im Trinkwassernetz, kontinuierlich Trinkwasser mit etwa gleicher Energie zugeführt werden.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist der Anschlussarmatur eine regenerativ energetisch gestützten Wärmeversorgungsanlage zur Erwärmung einer Trinkwasserteilmenge vorgeschaltet, wobei die erwärmte Trinkwasserteilmenge der Trinkwasserversorgungsleitung zuführbar ist. Somit kann das Trinkwasser beispielsweise schon unmittelbar im Aufbereitungsprozess mit Energie angereichert werden, um daraufhin zum Verbraucher geführt zu werden.
Eine weitere Möglichkeit zusätzlicher Energiegewinnung ergibt sich durch eine Kopplung oder einen Betrieb der Anlage mit oder über eine geothermisch genutzte Brunnenanlage, aus welcher der Trinkwasserversorgungseinrichtung Trinkwasser beimischbar oder zuführbar ist oder über die die Trinkwasserversorgung gesichert wird.
In einer anderen, vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein mit einer oder mehreren erfindungsgemäßen Anlagen ausgestattetes Trinkwasserversorgungsnetz wenigstens eine Zirkulationspumpe und wenigstens einen Rückflussverhinderer zur Erzeugung von Trinkwasserversorgungsteilnetzen mit definierten Trinkwasserfließrichtungen auf. Indem Trinkwasserversorgungsteilnetze mit klaren Fließverhältnissen geschaffen werden, ergeben sich optimale Voraussetzungen für die Anschlüsse von mehreren Verbrauchern an die erfindungsgemäßen Energiegewinnungsanlagen. Dabei wird durch die Verwendung der wenigstens einen Zirkulationspumpe immer ein konstanter Durchfluss durch die Pumpe gewährleistet, wodurch den Verbrauchern vordefinierte Fließverhältnisse und somit Energiemengen zugeführt werden können.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren der oben genannten Gattung gelöst, bei welchem das Trinkwasser in einem Trinkwasserkreislauf in einer Menge zu dem Wärmetauscher geführt wird, die durch ein Steuerorgan in dem Trinkwasserkreislauf bestimmt wird, wobei das Trinkwasser mittels einer an der Trinkwasserversorgungseinrichtung vorgesehenen Anschlussarmatur entnommen und in diese zurückgeführt wird, und wobei durch eine Leitungsquerschnittsverringerung im Bereich einer Anschlussverbindung der Anschlussarmatur an die Trinkwasserversorgungseinrichtung eine Änderung der Fließgeschwindigkeit des durch die Anschlussarmatur fließenden Trinkwassers erzeugt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Erdkollektorwirkung in Trinkwassernetzen, um aus diesen Energie zu entziehen. Dabei wird der Trinkwasserversorgungseinrichtung, die eine Trinkwasserversorgungsleitung oder ein Trinkwasserversorgungsbehälter sein kann, eine bestimmte Menge an Trinkwasser entzogen und in einen von dem eigentlichen Heiz- bzw. Kühlkreislauf separaten Trinkwasserkreislauf geleitet. Entsprechend kommt es zu keiner Vermischung des Trinkwassers mit einem anderen Medium. Das Trinkwasser wird zudem nur kurz in den Trinkwasserkreislauf geführt, so dass darin nur kurze Verweilzeiten entstehen und damit das Trinkwasser seine Qualität nicht ändert.
Zusätzlich wird durch das Steuerorgan und die im Bereich der Anschlussverbindung der Anschlussarmatur an die Trinkwasserversorgungseinrichtung vorgesehene Leitungsquerschnittsverringerung erreicht, dass es zu einer ständigen Durchmischung des durch die Anschlussarmatur fließenden Trinkwassers kommt. Sedimentationsprozesse können hierdurch weitgehend verhindert werden, so dass die Trinkwasserqualität auch auf dem Weg zum Kunden erhalten und im Vergleich zu statisch betriebenen Leitungsnetzen verbessert werden kann.
Ferner kann durch die Anschlussarmatur gezielt die Entnahme und Rückführung von Trinkwasser aus dem bzw. in das Trinkwasserversorgungsnetz gesteuert werden, um in Abhängigkeit des Netzverbrauches, der daraus resultierenden Versorgungsverhältnisse und dem spezifischen Bedarf an Energie- bzw. Trink- oder Löschwasser die Trinkwasserentnahme steuern zu können. Im Ergebnis bleibt durch das erfindungsgemäße Energiegewinnungsverfahren die Trinkwasserqualität sowie die Systemleistung des Wasserversorgungsnetzes sowohl für die Trinkwasserversorgung als auch für die Löschwasservorhaltung unbeeinträchtigt. Zudem kann durch die Anschlussarmatur eine gezielte Wasserentnahme und -rückführung unter den wechselnden Fließ- und Temperaturbedingungen der öffentlichen Trinkwasserversorgung gewährleistet werden.
Als zusätzliche Sicherheit gegen eine Beeinflussung der Trinkwasserqualität innerhalb der indirekten Kopplung zwischen Trinkwasser- und Wärmetauscherkreis wird der Wärmetauscherkreislauf in dem einen Verdichter des Wärmetauscherkreislaufs abgewandten Teil mit geringerem Druck betrieben als der Trinkwasserkreislauf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird wenigstens ein an dem Anschluss für die Trinkwasserentnahmeleitung und/oder dem Anschluss für die Trinkwasserrückführleitung vorgesehenes Ventil in Abhängigkeit von Wärmeversorgungserfordernissen des Verbrauchers und/oder Erfordernissen eines Wasserversorgungsnetzes geöffnet oder geschlossen. Durch das wenigstens eine Ventil lässt sich die Trinkwasserentnahmeleitung und/oder die Trinkwasserrückführleitung teilweise oder ganz öffnen oder schließen, wodurch gezielt die Trinkwasserentnahme und/oder Trinkwasserrückführung beeinflusst werden kann.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Steuerorgan eine Zirkulationspumpe, mit der das Trinkwasser durch den Trinkwasserkreislauf gepumpt wird. Anstelle einer Zirkulationspumpe kann auch ein steuerbares Ventil oder eine sonstige steuerbare Vorrichtung eingesetzt werden, die es ermöglicht, eine definierte Fließrichtung innerhalb des Trinkwasserkreislaufes auszubilden und den Durchsatz von Trinkwasser durch den Trinkwasserkreislauf zu steuern.
Vorzugsweise wird gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung mit einem Rückflussverhinderer eine Du rchflussrichtung für das Trinkwasser in der Anschlussarmatur festgelegt. Durch den Rückflussverhinderer kann ein Rückfließen von energiereduziertem Trinkwasser in die Anschlussarmatur und damit den Trinkwasserkreislauf verhindert werden. Somit wird gewährleistet, dass dem Trinkwasserkreislauf stets energiereiches, frisches Trinkwasser zugeführt wird, so dass ein hoher Wirkungsgrad bei der Energiegewinnung erzielt wird.
Entsprechend einer geeigneten Fortbildung der vorliegenden Erfindung wird der Trinkwasserkreislauf über eine Abwasserleitung des Verbrauchers mit Energie versorgt. Hierbei besteht keine körperliche Verbindung zwischen den beiden Systemen. Somit kann die in der Abwasserleitung des Verbrauchers enthaltene Energie vorteilhaft genutzt werden, um die Energie des Trinkwassers in dem Trinkwasserkreislauf, sowohl in der Trinkwasserentnahmeleitung als auch in der Trinkwasserrückführleitung, zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Effektivität der Energiegewinnung gesteigert werden. Darüber hinaus ergibt sich hierdurch die Möglichkeit, die Temperatur des energiereduzierten, rückgeführten Trinkwassers vor der Rückführung in die Trinkwasserversorgungseinrichtung zu erhöhen, so dass das rückgeführte Trinkwasser relativ schnell wieder seine ursprüngliche Temperatur erreichen kann und somit nachfolgende Verbraucher das rückgeführte Trinkwasser rasch für eine erneute Energiegewinnung nutzen können.
Bei einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Trinkwasser vor dem Durchfließen der Anschlussarmatur durch eine geothermische Wärmeversorgungsanlage fließt. Hier kann das Trinkwasser noch vor seinem Eintritt in den Trinkwasserkreislauf mit zusätzlicher Energie versorgt werden.
In dieser Variante der Erfindung ist es besonders von Vorteil, wenn die geothermische Wärmeversorgungsanlage mehrere, in unterschiedlicher Tiefe vorgesehene Kaskadenstufen aufweist, wobei das Trinkwasser gesteuert über eine dieser Kaskadenstufen fließt. Somit kann dem Trinkwasser gezielt Wärme zugeführt werden, so dass der Verbraucher stets Trinkwasser in einem definierten Temperaturbereich erhält, welchem definiert Energie entzogen oder zugeführt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Trinkwasserteilmenge des Trinkwassers durch eine regenerativ energetisch gestützte Wärmeversorgungsanlage erwärmt und die erwärmte Trinkwasserteilmenge der Trinkwasserversorgungseinrichtung vor der Anschlussarmatur zugeführt. Hierdurch ist es möglich, das Trinkwasser noch vor seinem Eintritt in den Trinkwasserkreislauf mit Energie anzureichern.
In einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung wird der Trinkwasserversorgungsleitung Trinkwasser aus einer geothermisch genutzten Brunnenanlage zugeführt oder beigemischt. Somit können Energieschwankungen im Trinkwassernetz durch die Zuführung weiterer Energie ausgeglichen werden.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in einem mit einer oder mehreren erfindungsgemäßen Anlagen ausgestatteten Wasserversorgungsnetz durch wenigstens eine Zirkulationspumpe und wenigstens einen Rückflussverhinderer Trinkwasserversorgungsteilnetze mit definierten Trinkwasserfließrichtungen erzeugt, Hierdurch kann jedes der Trinkwasserversorgungsteilnetze definiert aus einer daran angeschlossenen erfindungsgemäßen Anlage mit Energie versorgt werden, wobei durch die Zirkulationspumpe nicht nur die Trinkwasserfließrichtung sondern auch die über die Pumpe fließende Trinkwassermenge gezielt gesteuert und dem jeweiligen Bedarf an Wasser und Wärme angepasst werden kann.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau und Funktion werden im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnungen näher erläutert, wobei
1 schematisch eine Prinzipskizze eines Anschlusses einer erfindungsgemäßen Energiegewinnungsanlage an ein öffentliches Trinkwassernetz zeigt;
2 schematisch eine erste Variante einer Anschlussarmatur für die erfindungsgemäße Anlage zur Gewinnung von Energie zeigt;
3 schematisch eine zweite Variante einer Anschlussarmatur für die erfindungsgemäße Anlage zur Gewinnung von Energie zeigt;
4 schematisch eine dritte Variante einer Anschlussarmatur für die erfindungsgemäße Anlage zur Gewinnung von Energie zeigt;
5 schematisch eine Prinzipskizze einer Variante zum Anschluss der erfindungsgemäßen Anlage zur Gewinnung von Energie an ein Abwassersystem am Beispiel eines Hausanschlusses zeigt;
6 schematisch eine Prinzipskizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung von Energie unter Nutzung thermodynamischer Eigenschaften von Trinkwassernetzen unter Anpassung dynamischer Fließverhältnisse zeigt;
7 schematisch eine Prinzipskizze einer Variante der erfindungsgemäßen Anlage zur Gewinnung von Energie zeigt, wobei eine zusätzliche Energiegewinnung unter Nutzung einer geothermisch gestützten Wärmeversorgung erfolgt;
8 schematisch eine Prinzipskizze einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Anlage zur Gewinnung von Energie zeigt, wobei eine zusätzliche Energiegewinnung durch die Nutzung einer regenerativ energetisch gestützten Wärmeversorgungsanlage erfolgt;
9 schematisch eine Prinzipskizze einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Anlage zur Gewinnung von Energie zeigt, wobei eine zusätzliche Energiegewinnung unter Nutzung einer geothermisch genutzten Brunnenanlage erfolgt;
10 schematisch eine Prinzipskizze einer weiteren Option zur Anwendung erfindungsgemäßer Anlagen in einem Trinkwasserversorgungsnetz mit Trinkwasserversorgungsteilnetzen mit definierten Fließverhältnissen zeigt;
11 schematisch eine Prinzipskizze einer weiteren Verwendungsmöglichkeit erfindungsgemäßer Anlagen in einem Trinkwasserversorgungsnetz zeigt;
12 schematisch eine Prinzipskizze einer Variante einer Steuerarmatur in einer Seitenansicht in Fließrichtung des Trinkwassers zeigt;
13 schematisch die Steuerarmatur aus 12 in einer Vorderansicht, 90° zur Fließrichtung des Trinkwassers zeigt;
14 schematisch die Steuerarmatur aus den 12 und 13 in einer Draufsicht zeigt; und
15 schematisch eine Trinkwasserentnahme aus einem Trinkwasserbehälter anhand mehrerer Varianten zeigt.
Die erläuterten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und können auf geeignete Art und Weise modifiziert und/oder miteinander kombiniert werden.
1 zeigt schematisch eine Prinzipskizze des Anschlusses einer erfindungsgemäßen Anlage 1 zur Gewinnung von Energie an ein öffentliches Trinkwassernetz 60 mit einer als Trinkwasserversorgungseinrichtung verwendeten Trinkwasserversorgungsleitung 2. Wie durch die um die Trinkwasserversorgungsleitung 2 schematisch angedeuteten Wellenlinien 44 veranschaulicht, wirkt das Trinkwasserversorgungsnetz bzw. die dargestellte Trinkwasserversorgungsleitung 2 im geothermischen Sinne als ein Erdkollektor und ist somit in der Lage, über die Rohrwand der Trinkwasserversorgungsleitung 2 dem umgebenden Erdreich 45 Energie bzw. Wärme zu entziehen, die im Medium Trinkwasser gespeichert und zu einem Verbraucher 46 transportiert werden kann. Ebenso ist es auch möglich, dass das Erdreich 45 dem in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 enthaltenen Trinkwasser 43 Energie bzw. Wärme entziehen kann.
In Abhängigkeit von der Temperatur der Umgebung bzw. des Erdreiches 45 weist das Trinkwasser 43 in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 in Deutschland in Abhängigkeit von der Jahreszeit und der Herkunft des Rohwassers eine durchschnittliche natürliche Temperatur zwischen etwa 4°C und etwa 15°C auf. In dem in 1 gezeigten Beispiel besitzt das Trinkwasser 43 in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 eine mit den Pfeilen A, A' gekennzeichnete Fließrichtung.
In der Fließrichtung A durchfließt das Trinkwasser 43 eine Anschlussarmatur 9, die mit der Trinkwasserversorgungsleitung 2 gekoppelt ist. Die Anschlussarmatur 9 weist einen Anschluss 10 für eine sich darin anschließende Trinkwasserentnahmeleitung 3 auf. An dem Anschluss 10 wird der Trinkwasserversorgungsleitung 2 eine Teilmenge an Trinkwasser 43 entnommen.
An der Anschlussarmatur 9 ist ein Ventil 16 vorgesehen, mit Hilfe dessen die Trinkwasserentnahmeleitung 3 geöffnet oder gesperrt werden kann, so dass das der Trinkwasserversorgungsleitung 2 entnommene Trinkwasser 43 entsprechend der durch den Pfeil C gekennzeichneten Fließrichtung in der Trinkwasserentnahmeleitung 3 fließen kann. Die Fließrichtung C wird durch eine in der Trinkwasserentnahmeleitung 3 vorgesehenes Steuerorgan 12, welches eine Zirkulationspumpe oder ein Magnet- oder Steuerventil oder beides aufweist, bestimmt. Diese pumpt und regelt den Trinkwasserstrom 43 zu einem Wärmetauscher 5 und daraufhin in eine Trinkwasserrückführleitung 4 entsprechend der durch den Pfeil D gekennzeichneten Fließrichtung.
In der in 1 gezeigten Ausführungsvariante ist das Vorsehen der Zirkulationspumpe dann optional, wenn klare Fließrichtungen in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 vorhanden sind. Dann reicht die durch die definierte Fließrichtung in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 erzielbare Injektorwirkung, um die Fließrichtung des Trinkwassers 43 in dem Trinkwasserkreislauf 6 zu definieren. In einem solchen Fall ist lediglich ein Steuerorgan 12 notwendig, das die Menge an Trinkwasser 43 definiert, die durch den Wärmetauscher 5 fließt. Bei ungerichteten Fließverhältnissen in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 ist als Steuerorgan 12 eine Pumpe und ein direkt steuerbares bzw. fernwirktechnisch bedientes Ventil erforderlich.
An der Anschlussarmatur 9 ist ferner ein Ventil 17 vorgesehen, durch welches die Zuführung von Trinkwasser 43 aus der Trinkwasserrückführleitung 4 in die Trinkwasserversorgungsleitung 2 geöffnet oder gesperrt werden kann. Sie dient gemeinsam mit dem Ventil 16 der Abstellung der Gesamtanlage im Wartungs- oder Reparaturfall. Die Ventile können auch innerhalb einer Absperrarmatur, wie in den 12 bis 14 gezeigt, zusammengefasst werden. Die Trinkwasserrückführleitung 4 mündet an einem Anschluss 11 in die Trinkwasserversorgungsleitung 2. Von dem Anschluss 11 fließt das rückgeführte Trink wasser 43 entsprechend der durch den Pfeil A gekennzeichneten Fließrichtung weiter in der Trinkwasserversorgungsleitung 2.
Zwischen den Anschlüssen 10, 11 für die Trinkwasserentnahmeleitung 3 und die Trinkwasserrückführleitung 4 ist in der Anschlussarmatur 9 eine Leitungsquerschnittsverringerung 13 vorgesehen. Die Leitungsquerschnittsverringerung 13 der Trinkwasserversorgungsleitung 2 führt zu einer Änderung der Fließgeschwindigkeit des Trinkwassers 43 des durch die Anschlussarmatur 9 fließenden Trinkwassers 43 und damit zu einer Durchmischung des Trinkwassers 43 an der querschnittsverringerten Stelle.
Die Trinkwasserentnahmeleitung 3 und die Trinkwasserrückführleitung 4 bilden einen Trinkwasserkreislauf 6 aus, der über den Wärmetauscher 5 sowie eine Wärmepumpe 50 mit einem Heiz- bzw. Kühlkreislauf 8 des Verbrauchers 46 energetisch gekoppelt ist, wobei der Trinkwasserkreislauf 6 und der Heiz- bzw. Kühlkreislauf 8 separate Kreisläufe sind.
Vorzugsweise liegt das Druckniveau in dem Trinkwasserkreislauf 6 über dem Druckniveau des Arbeitsmediums in dem Wärmetauscher 5. Hierdurch wird erreicht, dass das Arbeitsmedium aus den Wärmetauscher 5 nicht in den Trinkwasserkreislauf 6 gelangt und das Trinkwasser 43 in dem Trinkwasserkreislauf 6 verunreinigt.
Der Heiz- bzw. Kühlkreislauf 8 versorgt den Verbraucher 46, welcher in dem gezeigten Beispiel ein Haus ist, mit Wärme oder Kälte.
Hierfür wird dem über den Wärmetauscher 5 geführten Trinkwasser 43 über ein geeignetes Arbeitsmittel Wärme entzogen. Nach den bekannten Prinzipien der Absorption oder der Kompression oder weiteren wird das Arbeitsmittel in dem in 1 gezeigten Beispiel durch einen Verdichter bzw. Kompressor 47 nach thermodynamischen Kreisprozessen komprimiert und durch den hohen Druck in seinen Eigenschaften maßgeblich zustandseitig, das heißt vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand, und in dessen Folge auch temperaturseitig verändert. Innerhalb eines weiteren Wärmetauschers 48 im Hochdruckteil der Wärmepumpe 50 wird die Temperatur an den Heiz- bzw. Kühlkreislauf 8, direkt oder über einen Pufferspeicher, abgegeben. Im weiteren Verlauf wird das Arbeitsmittel über ein Expansionsventil 49 geführt und abgekühlt und somit in die Lage versetzt, an dem Wärmetauscher 5 neue Wärme aus dem Trinkwasserkreislauf 6 aufzunehmen. Dieses Prinzip ist sowohl als links- als auch als rechtsgerichteter Kreislaufpro zess realisierbar, das heißt, dass sowohl eine Kühlfunktion als auch eine Heizfunktion über den Trinkwasserkreislauf 6 gewährleistet werden kann.
Der mit dem Wärmetauscher 48 gekoppelte Heiz- bzw. Kühlkreislauf 8 weist in dem in 1 gezeigten Beispiel einen Wärmepufferspeicher 7, eine Zirkulationspumpe 51 und mehrere Heizgeräte 52 auf, über welche dem Verbraucher 46 an verschiedenen Stellen Wärme bzw. Kälte zugeführt werden kann. Der Wärmepufferspeicher 7 kann innerhalb aller aufgezeigten Varianten der erfindungsgemäßen Energiegewinnungsanlage 1 Anwendung finden.
Die Heizgeräte 52 sind hier vorzugsweise Niedrigtemperaturheizungen, welche beispielsweise in einem Temperaturbereich um 40°C betrieben werden. Hierfür bieten sich beispielsweise Fußbodenheizungen an.
In dem in 1 gezeigten Beispiel ist an die Trinkwasserrückführleitung 4 die eigentliche Trinkwassereinspeisung 53 für den Verbraucher 46 angekoppelt, welche mit Hilfe von Ventilen 54, 55 geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Die Menge verbrauchten Trinkwassers 43 wird hier über einen Wasserzähler 56 erfasst. Der Trinkwasserhausanschluss im eigentlichen Sinne unterstützt die Kreislauffunktion des Wasser-Wärme-Anschlusses.
2 zeigt schematisch eine erste Variante einer Anschlussarmatur 91 für die erfindungsgemäße Anlage 1 zur Gewinnung von Energie zur Heizung oder Kühlung für einen Verbraucher 46. Diese Variante kann universell für verschiedene Versorgungszustände eingesetzt werden.
Die Anschlussarmatur 91 weist einen Anschluss 10 für eine Trinkwasserentnahmeleitung 3 mit einem darin vorgesehenen Ventil 16, einen Anschluss 11 mit einem darin vorgesehenen Ventil 17 für die Trinkwasserrückführleitung 4 an die Trinkwasserversorgungsleitung 2 sowie eine in einer Anschlussverbindung 59 zwischen den Anschlüssen 10, 11 vorgesehene Leitungsquerschnittsverringerung 13 auf. In dem gezeigten Beispiel ist die Leitungsquerschnittsverringerung 13 durch eine zwischen den Anschlüssen 10, 11 vorgesehene Blende oder Steckscheibe realisiert, welche ein oder mehrere Durchtrittsöffnungen für das durch die Anschlussarmatur 91 fließende Trinkwasser 43 aufweist. Anstelle der Blende kann in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch eine Venturi-Anordnung oder ein Formteil mit reduziertem Durchmesser verwendet werden.
In dem in 2 dargestellten Trinkwasserkreislauf 6 gelangt das gemäß dem Pfeil A oder dem Pfeil B durch die Trinkwasserversorgungsleitung 2 fließende Trinkwasser 43 beginnend ab einem Flansch 57 in die Anschlussarmatur 91, wird dann bei geöffnetem Ventil 16 mittels eines Steuerorgans 25, bestehend aus mindestens einer Zirkulationspumpe und/oder einem Beipass mit Regelventil, in die Trinkwasserentnahmeleitung 3, durch einen Wärmetauscher 5 in die Trinkwasserrückführleitung 4 und von dort bei geöffnetem Ventil 17 zurück in die Trinkwasserversorgungsleitung 2 gepumpt, wo es den Flansch 58 durchtritt und damit die Anschlussarmatur 91 verlässt, um daraufhin entsprechend dem Pfeil A' in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 weiterzufließen.
Durch die in der Anschlussarmatur 91 vorgesehene Steckscheibe 13, welche in anderen Beispielen auch durch eine Blende, ein Venturi oder eine Leitungseinengung realisiert werden kann, wird punktuell der Leitungsquerschnitt verringert, wodurch sich an dieser Stelle die Fließgeschwindigkeit des Trinkwassers 43 erhöht. Es entsteht nachfolgend eine turbulente Strömung, welche eine gute Durchmischung des Trinkwassers 43 bewirkt, die den dynamischen Fließprozess des Wassers unterstützt und somit Stagnationserscheinungen verhindert. Der Effekt wird durch Mehrfachinstallationen verstärkt. Infolge dessen können auch Sedimentationsvorgänge in der Anschlussarmatur 91 sowie in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 verhindert werden.
Außerdem verursacht die punktuelle Querschnittsverringerung 13 in der Versorgungsleitung 2', 2'' eine Sogwirkung, die je nach Fließgeschwindigkeit unabhängig von der Fließrichtung den Transportprozess in den Wasser-Wärme-Kreislauf unterstützt.
Mit Hilfe der Zirkulationspumpe und dem Regelventil, die von dem Steuerorgan 12 in dem gezeigten Beispiel umfasst werden, ist eine Regelung der Trinkwasserentnahme aus der Trinkwasserversorgungsleitung 2 möglich, welche in Abhängigkeit von Entnahmespitzen und entnahmeschwachen Zeiten eingestellt werden kann. Entsprechend kann der Volumenstrom in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 reduziert oder erhöht werden. Ferner ist es mit Hilfe des Steuerorgans 12 möglich, dem Verbraucher 46 immer eine stabile Trinkwassermenge und damit eine stabile Energieversorgung zur Verfügung zu stellen.
Die Zirkulationspumpe sorg für eine ausreichende Durchströmung der Anlage bei geringen Fließverhältnissen im Netz. Bei höheren Fließgeschwindigkeiten schaltet die Pumpe ab und das Regelventil 94 übernimmt die Aufgabe der Steuerung. Dadurch kann zusätzlich Energie gespart werden.
Bei der Anschlussarmatur 91 sind die Trinkwasserentnahmeleitung 3 und die Trinkwasserrückführleitung 4 über zwei Leitungsverbindungsabschnitte 19, 20 miteinander verbunden, in welchen jeweils zwei Ventile 21, 22 bzw. 23, 24 vorgesehen sind. Die Leitungsverbindungsabschnitte 19, 20 sind durch ein Steuerorgan 25 mit einer Zirkulationspumpe aufweisende Querverbindung 26 zwischen jeweils zwei Ventilen 21, 22 bzw. 23, 24 miteinander verbunden. Somit kann in Abhängigkeit von einem Öffnen oder Schließen der Ventile 21, 22, 23, 24 die Fließrichtung des Trinkwassers 43 in dem Trinkwasserkreislauf 62 links- oder rechtsgerichtet eingestellt werden.
Darüber hinaus ist an der etwa mittig zwischen den Anschlüssen 10, 11 für die Trinkwasserentnahmeleitung 3 und die Trinkwasserrückführleitung 4 bei der Anschlussarmatur 91 ein Strömungswächter 18 vorgesehen. Durch den Strömungswächter 18 wird insbesondere die Fließrichtung des Trinkwassers 43 durch die Leitungsquerschnittsverringerung 13 erfasst, wobei die Signale des Strömungswächters 18 von einer Steuerung erfasst werden, über welche die Ventile 21, 22, 23 und 24 so geregelt werden, dass sich die Fließrichtung der Wärmegewinnungsanlage an die Fließverhältnisse im Rohrnetz anpasst. Auf diese Weise können wechselnde Fließrichtungen in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 berücksichtigt werden, wobei die installierte Zirkulationspumpe für eine ausreichende Durchströmung vor allem dann sorgt, wenn bei Fließrichtungswechseln im Versorgungsnetz nur geringe Fließgeschwindigkeiten vorherrschen.
Die Fließrichtung A verursacht über den Strömungswächter 18 und die Steuerung eine Öffnung der Ventile 22 und 23 und schließt gleichzeitig die Ventile 21 und 24. Die Wasserentnahme erfolgt daher nahe des Ventils 16, die Wasserrückführung in das Leitungssystem am Ventil 17. Die Fließrichtung B verursacht über das vorgenannte Prinzip eine Schließung der Ventile 22 und 23 und öffnet die Ventile 21 und 24. Die Wasserentnahme erfolgt dann am Ventil 17, die Rückübertragung am Ventil 16.
Der Strömungswächter 18 kann sowohl die eigentlichen Fließprozesse beispielsweise über magnetisch induktive Erfassung überwachen als auch über den an der Leitungsquerschnittsverringerung 13 erfassten Differenzdruck die Fließrichtung bestimmen.
Der Strömungswächter 18 kann ebenfalls zentral im Rohrleitungsabschnitt des Wasserversorgers untergebracht sein, welcher die hydraulischen Daten der Fließgeschwindigkeit und der Fließrichtung für eine Reihe von Wärmegewinnungsanlagen zur Verfügung stellt.
3 zeigt schematisch eine zweite Variante einer Anschlussarmatur 92 für die erfindungsgemäße Anlage 1 zur Gewinnung von Energie zur Heizung oder Kühlung für wenigstens einen Verbraucher 46.
Die Anschlussarmatur 92 weist einen Anschluss 10 für eine Trinkwasserentnahmeleitung 3 mit einem darin vorgesehenen Ventil 16, einen Anschluss 11 mit einem darin vorgesehenen Ventil 17 für die Trinkwasserrückführleitung 4 in die Trinkwasserversorgungsleitung 2 sowie eine Leitungsquerschnittsverringerung 14 in einer Anschlussverbindung 59 zwischen den Anschlüssen 10, 11 auf. Die Leitungsquerschnittsverringerung 14 ist hier so ausgebildet, dass sie eine allmähliche Rohrverengung 28 mit einer sich anschließenden allmählichen Rohraufweitung 29 aufweist. Damit besitzt die Leitungsquerschnittsverringerung 14 zwei gegeneinander gerichtete Konen, die an der Stelle ihres geringsten Durchmessers vereint sind.
In dem Beispiel von 3 ist an der Stelle des geringsten Durchmessers der Leitungsquerschnittsverringerung 14 der Anschluss 11 für die Trinkwasserrückführleitung 4 vorgesehen. An der querschnittsverringerten Stelle erfolgt durch den Venturi-Effekt eine Durchmischung des die Anschlussarmatur 92 durchfließenden Trinkwassers 43. Ferner entsteht an der querschnittsverringerten Stelle eine Sogwirkung, durch welche zusätzlich zu der Steuerwirkung des Steuerorgans 12, das hier eine Zirkulationspumpe oder ein gesteuertes Ventil mit einer entsprechenden Steuerung sein kann, das in der Trinkwasserrückführleitung 4 befindliche Trinkwasser 43 zurück in Richtung der Leitungsquerschnittsverringerung 14 gesogen wird, woraufhin das rückgeführte Trinkwasser 43 entsprechend der mit dem Pfeil A' gekennzeichneten Fließrichtung in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 weitertransportiert werden kann. Diese Variante gilt als Vorzugsvariante für zentral gesteuerte Trinkwasserversorgungsanlagen, in denen die Fließprozesse bereits orientiert sind.
4 zeigt schematisch eine dritte Variante einer Anschlussarmatur 93 für die erfindungsgemäße Anlage 1 zur Gewinnung von Energie zur Heizung oder Kühlung für wenigstens einen Verbraucher 46.
Die Anschlussarmatur 93 ist hinsichtlich des verwendeten Trinkwasserkreislaufs 6 und der Ausbildung der Leitungsquerschnittsverringerung 14 im Wesentlichen wie die Anschlussarmatur 92 aus 3 aufgebaut. Zusätzlich ist zwischen der Trinkwasserentnahmeleitung 3 und der Trinkwasserrückführleitung 4 ein Rückflussverhinderer 27 vorgesehen.
In dem in 4 gezeigten Beispiel ist der Rückflussverhinderer 27 eine Kugel, die bei einem Wechsel der Fließrichtung A' in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 gegen eine Dichtung 65 innerhalb der Rohrverengung 28 gedrückt wird und damit bei einem Fließrichtungswechsel ein Rückfließen des Trinkwassers 43, zurück in die Anschlussarmatur 93 bzw. den Trinkwasserkreislauf 6 verhindert. Somit sichert der integrierte Rückflussverhinderer 27 bei ungerichteten Fließverhältnissen in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 im Bereich der Anschlussverbindung 59 der Anschlussarmatur 93 eine klare Definition von Zu- und Rücklauf und trägt zur Steuerung der vorgelagerten Fließverhältnisse bei.
Anstelle der Verwendung einer Kugel als Rückflussverhinderer 27, welche Technologie bereits bei Hydranten als Rohrbruchsicherung seit vielen Jahrzehnten störungsfrei angewandt wird, sind andere Technologien, wie Klappen, Membranen oder federbetriebene Rückflussverhinderer ebenfalls einsetzbar.
5 zeigt schematisch eine Prinzipskizze zum Anschluss der erfindungsgemäßen Anlage zur Gewinnung von Energie an ein Abwassersystem am Beispiel eines Hausanschlusses.
Im Beispiel von 5 findet eine Energiegewinnungsanlage Anwendung, die mit der Energiegewinnungsanlage 1 aus 1 vergleichbar ist. Entsprechend der in 5 verwendeten Bezugszeichen wird daher auf die Beschreibung der zugehörigen Funktionsmerkmale der Anlage 1 in 1 verwiesen. Zusätzlich zu den in 1 gezeigten Merkmalen ist die Anlage 1 im Beispiel von 5 mit einer Abwasserleitung 31 des Verbrauchers 46 über einen eine Zirkulationspumpe 69 aufweisenden Wärmeaustauschkreislauf 66 mit einem Wärmetauscher 30 energetisch gekoppelt. In der gezeigten Ausführungsvariante ist der Wärmetauscher 30 ein Rohrbündelwärmetauscher. Durch die energetische Kopplung des Trinkwasserkreislaufes 6 mit der Abwasserleitung 31 kann die Energie der Abwasserleitung 31 dazu benutzt werden, die Temperatur des Trinkwas sers 43 in den Trinkwasserkreislauf 6 zu erhöhen. Dies kann im Bereich der Trinkwasserentnahmeleitung 3 als auch im Bereich der Trinkwasserrückführleitung 4 erfolgen. Somit kann die Energie der Abwasserleitung 31 dazu genutzt werden, die Temperatur des Trinkwassers 43 in dem Trinkwasserkreislauf 6 vor Eintritt in den Wärmetauscher 5 zu erhöhen, um die Effizienz der Wärmegewinnung durch die Anlage 1 heraufzusetzen, oder die Temperatur des in der Trinkwasserrückführleitung 4 rückfließenden Trinkwassers 43 vor seinem Rückfließen in die Trinkwasserversorgungsleitung 2 zu erhöhen, so dass die Temperatur des energiereduzierten Trinkwassers 43 rasch wieder an seine Ursprungstemperatur in der Trinkwasserleitung 2 angepasst werden kann.
Innerhalb öffentlicher Trinkwassersysteme herrschen grundlegend und strangspezifischverschiedenste Fließzustände, welche sich entweder stationär oder dynamisch in Abhängigkeit verschiedenster Einflüsse, wie Verbrauch, Dimension, Druck usw. verhalten. Neben einer Vielzahl von Fließgeschwindigkeiten einschließlich Fließrichtungswechseln, welche dezentral regelbar sind, ist der „Nullverbrauch” und die daraus resultierende Stagnation beispielsweise nachts innerhalb eines Anschlusses nicht praktikabel regelbar. Es müssen deshalb innerhalb der Leitungsnetze Voraussetzungen für eine im allgemeinen und insbesondere flächige Anwendung der Erfindung geschaffen werden.
6 zeigt schematisch eine Prinzipskizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung von Energie unter Nutzung thermodynamischer Eigenschaften von Trinkwassernetzen unter Anpassung dynamischer Fließverhältnisse.
In dem Beispiel von 6 wird Trinkwasser 43 durch die Trinkwasserversorgungsleitung 2 in ein Trinkwasserversorgungsnetz 60 eingespeist, das aus mehreren Trinkwasserversorgungsteilnetzen zur Versorgung mehrerer Verbraucher 46 aufgebaut ist. Die Verbraucher 46 können hierbei unterschiedlichste Verbraucher, wie Einfamilienhäuser, mehrere Mehrfamilienhäuser, Wohnblocks, Lagerhallen, Schulen, Einkaufszentren oder sonstige Verbraucher sein. Diese haben unterschiedliche Anforderungen an die Trinkwasser- und Wärmeversorgung.
Durch die im Beispiel von 6 vorgesehene zentrale Zirkulationspumpe 61 ist es möglich, in dem Trinkwasserversorgungsnetz 60 eine Hauptdurchflussrichtung für das durch die Trinkwasserversorgungsleitung 2 eingebrachte Trinkwasser 43 sowie eine definierte Menge an Trinkwasser 43 für die Verbraucher 46 zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich wird durch in den Verbindungsleitungen zwischen den Trinkwasserversorgungsteilnetzen vorgesehene Rückflussverhinderer 63 das Fließverhalten des Trinkwassers 43 in dem Trinkwasserversorgungsnetz 60 konkret an die Bedürfnisse der Verbraucher 46 angepasst. Darüber hinaus kann durch Venturi-Anordnungen 67 bei Abzweigungen der Verbindungsleitungen für eine jeweilige Wärmeversorgung eines Verbrauchers 46 eine Fließrichtungsfestlegung einer jeweiligen Trinkwasserteilmenge für den jeweiligen Verbraucher 46 vorgenommen werden. Der Rückflussverhinderer 63 kann auch durch strömungsabhängige Steuerventile ersetzt oder ergänzt werden, um im Bedarfsfall eine Fließrichtung sperren oder öffnen zu können.
7 zeigt schematisch eine Prinzipskizze einer Variante der erfindungsgemäßen Anlage 1 zur Gewinnung von Energie, wobei eine zusätzliche Energiegewinnung unter Nutzung einer geothermisch gestützten Wärmeversorgung erfolgt.
Die im Beispiel von 7 genutzte geothermische Wärmeversorgungsanlage 32 weist eine geothermische Kaskade auf, deren Kaskadenstufen 33, 34, 35, 36 über Ventile 37, 38, 39, 40 zuschaltbar sind. Das Trinkwasser 43 führt aus der Trinkwasserversorgungsleitung 2 in die geothermische Kaskade, wo es in den unterschiedlichen Tiefen der Kaskade auf bestimmte Temperaturen bzw. Temperaturbereiche erwärmt oder abgekühlt werden kann, um an dem Dreiwegeventil 37 wieder in die Trinkwasserversorgungsleitung 2 zurückgeführt zu werden. Um die Anforderungen, die an das Medium Trinkwasser gestellt werden, erfüllen zu können, sollte das Trinkwasser 43, das der geothermischen Kaskade entnommen wird, eine Temperatur aufweisen, die nicht höher als 15°C beträgt oder den definierten Anforderungen der geltenden Trinkwasseranforderungen entspricht. Durch die geothermische Kaskade kann sowohl eine Erwärmung als auch eine Kühlung des durch die Kaskade hindurchgeführten Trinkwassers 43 erfolgen. Ein solches System kann innerhalb von Neuerschließungen durch Isolierung der Rohrleitungen weiter optimiert werden, da es durch die Bodentemperaturen zu einem Temperaturaustausch zwischen Boden und Wasser kommt, der beispielsweise in den Wintermonaten zu Wärmeverlusten führen kann. Ebenso ist eine Kopplung des Trinkwasser-Wärmesystems mit Fernwärmeverteilungsnetzen möglich.
8 zeigt schematisch eine Prinzipskizze einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Anlage 1 zur Gewinnung von Energie, wobei eine zusätzliche Energiegewinnung durch die Nutzung einer regenerativ energetisch gestützten Wärmeversorgungsanlage 41 erfolgt.
Bei dem in 8 gezeigten Beispiel wird eine Trinkwasserteilmenge aus der Trinkwasserversorgungsleitung 2 über eine separate Leitung durch einen Wärmetauscher 68 in einer Wärmeversorgungsanlage bzw. einem Heizwerk geführt und daraufhin die erwärmte Trinkwasserteilmenge über ein Ventil 37 wieder in die Trinkwasserversorgungsleitung 2 zurückgeführt. Das Heizwerk ist in dem in 8 gezeigten Beispiel ein Biomasseheizwerk, kann aber in anderen Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung ein anderes auf Kraft-Wärme-Kopplung basierendes Heizwerk sein. Da durch den Wärmetauscher 68 nur eine geringe Trinkwasserteilmenge aus der Trinkwasserversorgungsleitung 2 durchgeführt wird, kann die Temperatur dieses Trinkwassers 43 auf einen geeigneten Wert erhöht werden, welcher auch über 15°C liegen kann. Durch die nur kurzfristige Erwärmung der Trinkwasserteilmenge und die kurzfristige Durchführung durch das Heizwerk ist die Gefahr einer Verkeimung dieser Trinkwasserteilmenge gering. Durch das Beimischen der erwärmten Trinkwasserteilmenge in das Trinkwasser 43 der Trinkwasserversorgungsleitung 2 wird die Temperatur des Trinkwassers 43 in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 erhöht, so dass mittels der Anlage 1 zur Energieversorgung eines Verbrauchers 46 eine größere Energiemenge aus dem zugeführten Trinkwasser 43 entnommen und dem Verbraucher 46 zugeführt werden kann.
9 zeigt schematisch eine Prinzipskizze einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Anlage 1 zur Gewinnung von Energie, wobei eine zusätzliche Energiegewinnung unter Nutzung einer geothermisch genutzten Brunnenanlage 42 erfolgt. Aus der Brunnenanlage 42 kann Trinkwasser 64 mit einer erhöhten Temperatur gewonnen und dem Trinkwasser 43 in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 beigemischt werden. Die Mischbedingungen sind im Vorfeld genau zu spezifizieren. Daraufhin kann das so erwärmte Trinkwasser 43 in der Anlage 1 zur Gewinnung von Energie für einen Verbraucher 46 genutzt werden. Es ist auch eine Trinkwasserversorgung ausschließlich aus der Brunnenanlage 47 in Verbindung mit der entsprechenden Aufbereitungstechnologie möglich.
10 zeigt schematisch ein Wasserversorgungsnetz 60 mit mehreren Trinkwasserversorgungsteilnetzen zur Versorgung von mehreren Verbrauchern 46 mit Hilfe erfindungsgemäßer Energiegewinnungsanlagen 1 mit Energie.
Hierfür ist in dem Wasserversorgungsnetz 60 eine zentrale Zirkulationspumpe 61 und eine Reihe von Rückflussverhinderern 63 vorgesehen, durch welche in dem Wasserversorgungsnetz definierte Trinkwasserfließrichtungen erzeugt werden, so dass für jeden der unterschiedlichen Verbraucher 46 konstante Mindestdurchflussmengen an Trinkwas ser 43 mit definierten Fließrichtungen zur Verfügung stehen, um eine geeignete Energieversorgung für die Verbraucher 46 zur Verfügung stellen zu können. Stagnationserscheinungen sind damit ausgeschlossen.
Die zentrale Zirkulationspumpe 61 wirkt steuerungsseitig immer dann, wenn die natürlichen Fließverhältnisse den Wärmebedarf nicht abdecken bzw. zuführen können. Zur Steuerung wird ein Strömungssensor verwendet. Die beschriebenen Rückflussverhinderer 63 können auch durch alternative Strömungsrichter, Ventile, Pumpen, Regler, mechanisch, mechatronisch und/oder elektronisch ersetzt werden.
11 zeigt schematisch ein Energieversorgungsnetz für mehrere Verbraucher 46 unter Nutzung von mehreren erfindungsgemäßen Energiegewinnungsanlagen 1, welche zur Temperaturoptimierung mit zusätzlichen Energieversorgungsmechanismen gekoppelt sind. Beispielsweise ist hier bei mehreren Verbrauchern 46 die jeweilige Energiegewinnungsanlage 1 mit einer geothermischen Wärmeversorgungsanlage 32 mit Kaskadenstufen gekoppelt. Anstelle der Kaskaden können auch einfache geothermische Tiefenbohrungen zum Einsatz kommen, um das Trinkwasser 43 in der jeweiligen Trinkwasserversorgungsleitung 2 mit Energie anzureichern. Im Unterschied zu dem in 7 gezeigten Beispiel, in welchem die Energieanreicherung des Trinkwassers 43 in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 zentral erfolgt, zeigt das Beispiel aus 11, dass auch eine dezentrale zusätzliche Versorgung des Trinkwassers 43 nahe dem eigentlichen Verbraucher 46 mit Energie möglich ist. Grundsätzlich ist über dieses Prinzip auch eine Kühlung des Trinkwassers 43 zur Gewinnung von Kühlenergie für die jeweiligen Verbraucher 46 möglich.
Zusätzlich oder in Kombination mit den oben beschriebenen Prinzipien ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Energiegewinnungsanlage 1 mit Fernwärmenetzen zur zentralen Verteilung erzeugter Wärmeenergie zu koppeln. Dafür ist eine mehrstufige Wärmepumpenanlage notwendig, welche die üblichen Vorlauftemperaturen > 90°C erzeugen kann. Grundsätzlich kann jedoch das Grundprinzip der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Energiegewinnungsanlage 1 verwendet werden.
Die in den 1 bis 11 gezeigten Anschlussvarianten bzw. Energiegewinnungsverfahren können spezifisch für unterschiedliche Fließverhältnisse in der Trinkwasserversorgungsleitung 2 angewendet werden. So eignet sich beispielsweise die in 3 gezeigte Anschlussarmatur 92, wenn eine natürlich eindeutige Fließrichtung in der Trinkwasserver sorgungsleitung 2 mit guten Fließverhältnissen vorliegt. In diesem Fall ist keine Netzanpassung erforderlich. Die Anschlussvariante aus 3 kann beispielsweise in Verbindung mit den in den 6 oder 10 gezeigten Netzen Anwendung finden.
Liegen natürlich unterschiedliche Fließrichtungen bei guten Fließverhältnissen vor, eignet sich insbesondere die in 2 gezeigte Anschlussarmatur 91, welche beispielsweise auch in dem in 6 gezeigten Versorgungsnetz verwendet werden kann. Tritt bei dieser Anwendungsvariante eine Stagnation der Trinkwasserversorgung auf, kann eine als Steuerorgan 25 verwendete Zirkulationspumpe wirksam werden, die über den Strömungswächter 18 geregelt wird.
Bei natürlich eindeutigen Fließrichtungen, aber begrenzten Fließverhältnissen ist die in 4 gezeigte Anschlussarmatur 93 vorzugsweise zur Vermeidung von ungewollten Vermischungen zwischen Vor- und Rücklaufwasser sowie zur Dynamisierung des gesamten Versorgungsprozesses durch die Zirkulationspumpen der Einzelanlagen zu verwenden.
Liegt eine Stagnation in der Trinkwasserversorgung vor, eignen sich die in den 6 bis 11 gezeigten Versorgungsnetze in Verbindung mit den in den 2 oder 3 dargestellten Anschlussarmaturen 91, 92.
Die in den 6 bis 11 gezeigten Wasserversorgungsnetze stellen jeweils Hauptverteilungsnetze mit darin ausgebildeten Trinkwasserversorgungsteilnetzen aus. Die Hauptverteilungsnetze bilden innerhalb einer städtischen Versorgungsstruktur das Rückgrat für die Versorgung selbst, vor allem aber die Basis einer komplexen Verteilungsarchitektur. Die Bildung der Trinkwasserversorgungsteilnetze ist deshalb notwendig, da die Ausrichtung der weiteren Versorgungsbedingungen innerhalb des gesamten Rohrnetzes nicht komplett zentral möglich ist. Dies ist dadurch begründet, da innerhalb des Hauptverteilungsnetzes unterschiedliche Drücke und Höhen bestehen, unterschiedliche Wässer vorhanden sein können, die Komplexität des Systems und somit auch die Vielzahl von Wechselwirkungen mit zunehmender Netzlänge zunimmt und somit die Steuerung aufwendiger wird und Einschränkungen im freien und unabhängigen Netzbetrieb entstehen, natürliche Versorgungszonen bestehen und ein wirtschaftlicher Anspruch besteht, der keine pauschale Lösung für alle Netzabschnitte unabhängig vom Vermarktungspotential zulässt.
Die ausgebildeten Trinkwasserversorgungsteilnetze können in Abhängigkeit von der jeweiligen Netzgröße, des Verbrauchs, der Temperatur im Jahresverlauf, der vorhandenen Leitungsdimensionen, dem Temperaturindex im Bereich der Leitungszone, dem Wärmebedarf und dem transportierten Wasservolumen individuell geplant und ausgelegt werden. Bei einfachen, örtlich begrenzten Verteilungsnetzen kann der Ablauf zusammengefasst werden.
Bei stark vermaschten und komplexen Trinkwasserversorgungsteilnetzen können Fernsteuerungsmöglichkeiten der Rohrnetze sinnvoll sein, da dadurch ein optimaler Netzbetrieb auch und vor allem wegen der Wechselwirkungen zwischen Fließrichtung, Fließgeschwindigkeit und Leistungsfähigkeit der Rohrleitungen idealisiert umgesetzt werden kann.
Entsprechend können mit Hilfe der verschiedenen Varianten der erfindungsgemäßen Energiegewinnungsanlagen 1 und den damit verbundenen Systemen verschiedenste Verbraucher 46 in Abhängigkeit von deren Anforderungen mit Energie versorgt werden, wobei das verwendete Trinkwasser 43 in Abhängigkeit von der topografischen und geologischen Herkunft des Wassers saisonal unterschiedliche Temperaturverhältnisse und Temperaturdifferenzen aufweisen kann. So besitzen beispielsweise Grundwasservorkommen relativ konstante Temperaturen, während die Vorkommen an Oberflächenwasser größeren Schwankungen unterliegen.
Die erfindungsgemäße Anlage 1 besitzt den Vorteil, dass konventionelle öffentliche Trinkwasserversorgungsanlagen in der heutigen zentralen Form ohne Weiteres genutzt werden können. Derartige Trinkwasserversorgungsanlagen sind lediglich zur Bereithaltung von Trink- und Löschwasser konzipiert und berücksichtigen keine Anforderungen an eine Wärmegewinnung. Dennoch ist es möglich, konventionelle Trinkwasserversorgungsanlagen, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, für die Energiegewinnung zu nutzen. Mit Hilfe des in der erfindungsgemäßen Anlage 1 zur Gewinnung von Energie vorgesehenen Steuerorgans kann in der Anlage 1 eine Mindestfließgeschwindigkeit hergestellt werden, welche neben einer klaren Fließrichtung die Vermischung und den Transport des wärmegenutzten Trinkwassers 43 sichert. Dies wird unterstützt durch die vorgeschlagene Anschlussarmatur 9 mit der darin vorgesehenen Leitungsquerschnittsverringerung 13, 14, 15. Die vorgeschlagene Anschlussarmatur 9 stellt dabei nur einen geringfügigen Eingriff in den bereits bestehenden Anlagenbestand vorhandener Trinkwasserversorgungs-systeme dar.
Die erfindungsgemäße Anlage 1 zur Gewinnung von Energie hat ferner den Vorteil, dass sie sehr kompakt und dynamisch gestaltet werden kann. Dies wird durch die gerichtete Wasserentnahme für die sanitäre Nutzung als auch durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Armatur 9 und der darin vorgesehenen Venturi-Wirkung sowie durch das Steuerorgan 12, 25, wie die beispielsweise vorgeschlagene Zirkulationspumpe, ermöglicht.
Da für die erfindungsgemäße Anlage 1 zur Energiegewinnung und Abgabe definierter Wärme- bzw. Kühlmengen lineare Fließbedingungen günstig sind, ist es bei den vorgeschlagenen Anlagenvarianten zusätzlich von Vorteil, wenn eine Regeltechnik als prozessunterstützender Faktor eingebaut wird. Steuerorgane 12, 25 wie die vorgeschlagenen Zirkulationspumpen und/oder Ventile garantieren definierbare Fließverhältnisse und unterstützen zudem den Gesamtprozess eines dynamischen Versorgungsbetriebes.
In komplexen Netzen dient jede einzelne erfindungsgemäße Energiegewinnungsanlage 1 innerhalb eines komplexen Versorgungsbetriebes zur besseren Durchmischung des Trinkwassers 43, sowohl hinsichtlich seiner Inhaltsstoffe zur Vermeidung von Sedimentationsprozessen, als auch in Bezug auf den Temperaturausgleich zwischen Wärmegewinnungsanlage, Wärmeversorgungsanlage und den umgebenden Medien, beispielsweise zwischen Rohr und Boden, Behälter und Boden, Geothermie und Brunnen bzw. Luft und Wasser.
Im Ergebnis steht eine Energiegewinnungsanlage 1 zur Verfügung, mit welcher eine ökologisch verantwortungsvolle, qualitativ hochwertige und preiswerte Versorgung von Verbrauchern 46 mit Energie möglich ist.
Zur Gewinnung von Wärme aus Trinkwassernetzen ist die vorliegende Erfindung im Komplex zu betrachten. Die Schaffung einer realen effektiven Verbindung zwischen den Aufgaben der Trinkwasserversorgung und der Wärmegewinnung in Trinkwassersystemen ist nur durch die Verbindung zentraler Systemsteuerungen mit den aufgezeigten Anschlussvarianten nachhaltig realisierbar.
Die 12 bis 14 zeigen schematisch eine Variante einer in der Anlage 1 verwendbaren Steuerarmatur 71. Die Steuerarmatur 71 stellt eine Bedieneinheit dar, mit welcher sowohl der Trinkwasserzulauf in die Trinkwasserentnahmeleitung 3 als auch der Trinkwas serablauf aus der Trinkwasserrückführleitung 4 steuerbar ist. Die Steuerarmatur 71 ist im Wesentlichen ein Doppelabsperrventil, in welchem die beispielsweise in 1 dargestellten Ventile 16 und 17 in einer Armatur miteinander kombiniert sind. Dabei stellt 12 eine Ansicht der Steuerarmatur 71 in Fließrichtung des Trinkwassers 43, 13 eine Vorderansicht der Steuerarmatur 71, 90° zur Fließrichtung des Trinkwassers 43 und 14 eine Draufsicht auf die Steuerarmatur 71 von oben dar.
Wie in 14 gezeigt, sind an jeder Seite der Steuerarmatur 71 in Fließrichtung A, B des Trinkwassers 43 jeweils zwei Anschlüsse mit Flanschen 76 vorgesehen. Ferner weist die Steuerarmatur 71 eine Spindel 72, eine Stopfbuchse 73, ein Gegengewinde 74, ein Gehäuse 75, zwei Ventilteller 77 mit Dichtflächen 78 und ein sich aufgabelndes Verbindungsstück 79 zwischen den Ventiltellern 77 und der Spindel 72 auf. Somit können über eine Spindel 72 zwei Ventilteller 77 gesteuert werden. Hierdurch wird eine einfachere Bedienung der Steuerarmatur 71 sowie eine günstigere Produktion dieser Steuerarmatur 71 gewährleistet.
15 zeigt schematisch eine Trinkwasserentnahme und -rückleitung aus einem bzw. in einen Trinkwasserversorgungsbehälter 70. In anderen Ausführungsvarianten kann anstelle des Trinkwasserversorgungsbehälters 70 auch ein Regenwasserbehälter zum Einsatz kommen.
Der Trinkwasserversorgungsbehälter 70 weist in dem gezeigten Beispiel zwei Behälterkammern 80, 81 auf. In anderen Varianten der Erfindung kann grundsätzlich auch ein Trinkwasserversorgungsbehälter 70 mit nur einer Behälterkammer oder mehr als zwei Behälterkammern verwendet werden. in dem gezeigten Beispiel werden die beiden Behälterkammern 80, 81 insbesondere aus Wartungsgründen für die Trinkwasserreinigung verwendet.
In der Darstellung von 15 sind verschiedene Varianten des Zulaufs vom Trinkwasser 43 zu einer Wärmepumpe bzw. einem Wärmetauscherkreislauf 50 und des Rücklaufs vom Trinkwasserkreislauf 6 in den Trinkwasserversorgungsbehälter 70 gezeigt.
Gemäß einer ersten Variante kann entsprechend dem Bezugszeichen 82 der ersten Behälterkammer 80 Trinkwasser entnommen und entsprechend dem Bezugszeichen 83 der zweiten Behälterkammer 81 verbrauchtes Trinkwasser 43 aus dem Trinkwasserkreislauf 6 zugeführt werden.
Entsprechend einer zweiten Variante ist es auch möglich, dass die Trinkwasserentnahme 84 und die Trinkwasserrückführung 85 nur an einer Behälterkammer 80 oder 81 erfolgt.
In einer dritten Variante kann die Trinkwasserentnahme 86 und die Trinkwasserrückführung 87 an Leitungen 88, 89 vorgenommen werden, die als Trinkwasserentnahmeleitung bzw. Trinkwasserrückführleitung dienen.
An den in 15 beispielhaft dargestellten Zulaufleitungen 83, 85, 87 ist jeweils ein Steuerorgan 12, 25, welches in der Abbildung nicht dargestellt ist, in Form einer Zirkulationspumpe und/oder eines Steuerventils installiert. Dieses Steuerorgan 12, 25 sorgt für eine definierte Menge an Trinkwasser 43, welche nach den oben beschriebenen Prinzipien über einen Wärmetauscher geführt und anschließend wieder dem Trinkwasserversorgungsbehälter 70 am hydraulisch größten Abstand zur Entnahme abgegeben wird.
Durch eine Entnahme des Trinkwassers 43 nahe einer Abgangsleitung 89, 90 des Trinkwasserversorgungsbehälters 70 und eine Rückspeisung des Trinkwassers 43 nahe der Behälterzuläufe 88, 99, wird eine bessere Durchmischung des Trinkwassers 43 erreicht. Zudem hat das Trinkwasser 43 mehr Zeit, seine Temperatur mit der Umgebungstemperatur auszugleichen.
Somit ist es, wie in 15 gezeigt, auch möglich, eine Wasserentnahme zur Wärmegewinnung aus dem Trinkwasserversorgungsbehälter 70 vorzunehmen. Grundsätzlich können hierfür auch Regenwassernutzungsanlagen zum Einsatz kommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2834442 A [0005]
- DE 2834442 [0006, 0008, 0012]

Claims

Anlage (1) zur Gewinnung von Energie zur Heizung oder Kühlung für wenigstens einen Verbraucher (46), mit wenigstens einer Trinkwasserversorgungseinrichtung (2, 70), die über wenigstens eine Trinkwasserentnahmeleitung (3) und wenigstens eine Trinkwasserrückführleitung (4) mit wenigstens einem Wärmetauscher (5) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Trinkwasserentnahmeleitung (3) und die wenigstens eine Trinkwasserrückführleitung (4) einen Trinkwasserkreislauf (6) ausbilden, in welchem wenigstens ein Steuerorgan (12, 25) vorgesehen ist, mit welchem eine Menge an Trinkwasser (43), das zu dem Wärmetauscher (5) fließt, einstellbar ist, und dass an der Trinkwasserversorgungseinrichtung (2, 70) eine Anschlussarmatur (9) vorgesehen ist, die eine Anschlussverbindung (59) an die Trinkwasserversorgungseinrichtung (2, 70), einen Anschluss (10) für die Trinkwasserentnahmeleitung (3), einen Anschluss (11) für die Trinkwasserrückführleitung (4) und eine zumindest punktuelle Leitungsquerschnittsverringerung (13, 14, 15, 67) im Bereich der Anschlussverbindung (59) an die Trinkwasserversorgungseinrichtung (2, 70) aufweist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trinkwasserversorgungseinrichtung eine Trinkwasserversorgungsleitung (2) oder ein Trinkwasserversorgungsbehälter (70) ist.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Anschluss (10) für die Trinkwasserentnahmeleitung (3) und/oder dem Anschluss (11) für die Trinkwasserrückführleitung (4) wenigstens eine Steuerarmatur (16, 17, 71) vorgesehen ist.
Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsquerschnittsverringerung (13, 14, 15, 67) an einem Bereich des Anschlusses (11) für die Trinkwasserrückführleitung (4) vorgesehen ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungs-querschnittsverringerung (13, 14, 15, 67) zwischen den Anschlüssen (10, 11) für die Trinkwasserentnahmeleitung (3) und die Trinkwasserrückführleitung (4) vorgesehen ist, an der Leitungsquerschnittsverringerung (13, 14, 15, 67) ein Strömungswächter (18) vorgesehen ist und das Steuerorgan (25) in Abhängigkeit von den Messsignalen des Strömungswächters (18) steuerbar ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerorgan (12, 25) eine Zirkulationspumpe umfasst.
Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Trinkwasserentnahmeleitung (3) und der Trinkwasserrückführleitung (4) wenigstens zwei Leitungsverbindungsabschnitte (19, 20) mit jeweils wenigstens zwei Ventilen (21, 22, 23, 24) vorgesehen sind und die Leitungsverbindungsabschnitte (19, 20) durch eine die Zirkulationspumpe aufweisende Querverbindung (26) zwischen den Ventilen (21, 22, 23, 24) miteinander verbunden sind.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussarmatur (9) einen Rückflussverhinderer (27) in der Anschlussverbindung (59) an die Trinkwasserversorgungseinrichtung (2, 70) aufweist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsquerschnittsverringerung (13) eine Blende mit einer oder mehreren Durchtrittsöffnungen oder ein Formteil mit reduziertem Durchmesser aufweist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsquerschnittsverringerung (14, 15) eine Rohrverengung (28) mit einer sich anschließenden allmählichen Rohraufweitung (29) aufweist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trinkwasserkreislauf (6) über einen Wärmetauscher (30) mit wenigstens einer Abwasserleitung (31) des Verbrauchers (46) gekoppelt ist.
Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (30) ein Rohrbündelwärmetauscher ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussarmatur (9) eine geothermische Wärmeversorgungsanlage (32) vorgeschaltet ist, durch die eine Trinkwasserversorgungsleitung (2) geführt ist.
Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die geothermische Versorgungsanlage (32) eine geothermische Kaskade aufweist, deren Kaskadenstufen (33, 34, 35, 36) über Ventile (37, 38, 39, 40) zuschaltbar sind.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussarmatur (9) eine regenerativ energetisch gestützte Wärmeversorgungsanlage (41) zur Erwärmung einer Trinkwasserteilmenge vorgeschaltet ist, wobei die erwärmte Trinkwasserteilmenge der Trinkwasserversorgungseinrichtung (2, 70) zuführbar ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (1) mit einer geothermisch genutzten Brunnenanlage (42) gekoppelt ist, aus welcher der Trinkwasserversorgungseinrichtung (2, 70) Trinkwasser (64) beimischbar oder zuführbar ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer oder mehreren Anlagen (1) ausgestattetes Trinkwasserversorgungsnetz (60) wenigstens eine Zirkulationspumpe (61) und wenigstens einen Rückflussverhinderer (63) zur Erzeugung von Trinkwasserversorgungsteilnetzen mit definierten Trinkwasserfließrichtungen aufweist.
Verfahren zur Gewinnung von Energie zur Heizung oder Kühlung für wenigstens einen Verbraucher (46), wobei wenigstens einer Trinkwasserversorgungseinrichtung (2, 70) Trinkwasser (43) entnommen wird, diesem Trinkwasser (43) mittels eines Wärmetauschers (5) Energie entzogen und das Trinkwasser (43) wieder in die Trinkwasserversorgungseinrichtung (2, 70) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Trinkwasser (43) in einem Trinkwasserkreislauf (6) in einer Menge zu dem Wärmetauscher (5) geführt wird, die durch ein Steuerorgan (12, 25) in dem Trinkwasserkreislauf (6) bestimmt wird, und dass das Trinkwasser (43) mittels einer an der Trinkwasserversorgungseinrichtung (2, 70) vorgesehenen Anschlussarmatur (9) entnommen und in diese zurückgeführt wird, wobei durch eine Leitungsquerschnittsverringerung (13, 14, 15, 67) im Bereich einer Anschlussverbindung (59) der Anschlussarmatur (9) an die Trinkwasserversorgungseinrichtung (2, 70) eine Änderung der Fließgeschwindigkeit des durch die Anschlussarmatur (9) fließenden Trinkwassers (43) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Wärmetauscher (5) gekoppelter Wärmetauscherkreislauf (50) mit einem geringeren Druck als der Trinkwasserkreislauf (6) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine an dem Anschluss (10) für die Trinkwasserentnahmeleitung (3) und/oder dem Anschluss (11) für die Trinkwasserrückführleitung (4) vorgesehene Anschlussarmatur (16, 17) in Abhängigkeit von Wärmeversorgungserfordernissen des Verbrauchers (46) und/oder Erfordernissen eines Wasserversorgungsnetzes (60) teilweise oder ganz geöffnet oder geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerorgan (12, 25) eine Zirkulationspumpe umfasst, mit der das Trinkwasser (43) durch den Trinkwasserkreislauf (6) gepumpt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Rückflussverhinderer (27) eine Durchflussrichtung (A, B) für das Trinkwasser (43) in der Anschlussarmatur (9) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Trinkwasserkreislauf (6) über eine Abwasserleitung (31) des Verbrauchers (46) mit Energie versorgt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Trinkwasser (43) vor dem Durchfließen der Anschlussarmatur (9) durch eine geothermische Wärmeversorgungsanlage (32) fließt.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die geothermische Wärmeversorgungsanlage (32) mehrere, in unterschiedlicher Tiefe, vorgesehene Kaskadenstufen (33, 34, 35, 36) aufweist, wobei das Trinkwasser (43) über eine dieser Kaskadenstufen (33, 34, 35, 36) fließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trinkwasserteilmenge des Trinkwassers (43) durch eine regenerativ energetisch gestützte Wärmeversorgungsanlage (41) erwärmt wird und die erwärmte Trinkwasserteilmenge der Trinkwasserversorgungseinrichtung (2, 70) vor der Anschlussarmatur (9) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Trinkwasserversorgungseinrichtung (2, 70) Trinkwasser (64) aus einer geothermisch genutzten Brunnenanlage (42) zugeführt oder beigemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass in einem mit einer oder mehreren Anlagen (1) ausgestatteten Wasserversorgungsnetz (60) durch wenigstens eine Zirkulationspumpe (61) und wenigstens einen Rückflussverhinderer (63) Trinkwasserversorgungsteilnetze mit definierten Trinkwasserfließrichtungen erzeugt werden.