DE102009012513A1 - Verfahren zur Einsparung von Heizenergie - Google Patents

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Christian Bauch
Birgit Urschel
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BAUCH, CHRISTIAN, DE
URSCHEL, BIRGIT, DR., DE
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Abstract

Es werden ein Verfahren zur Einsparung von Heizenergie sowie Vorrichtungen zu dessen Durchführung beschrieben, mit dem Ziel, die Menge an Heizenergie, welche zur Bereitstellung von Warmwasser benötigt wird, zu reduzieren, um eine Kostenreduktion zu erreichen. Hierzu wird vorgesehen, die Wärmeenergie von Abwasser durch ein selbstregulierendes Verfahren direkt zu nutzen, um Kaltwasser vorzuwärmen, wodurch die Menge an Heizenergie, welche benötigt wird, um die gewünschte Temperatur zu erreichen, reduziert wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einsparung von Heizenergie mittels effizienter Nutzung der Wärmeenergie von Warmwasser sowie Vorrichtungen zu dessen Durchführung.
  • Ziel des Verfahrens ist es, die Menge an benötigtem Heißwasser (Frischwasserh (Frischwasserheiß)) der Temperatur Th (Temperaturheiß) und/oder an benötigter Heizenergie zu reduzieren, um eine Kostenreduktion zu erreichen.
  • Hierzu wird vorgesehen, die Wärmeenergie des Abwassers durch ein selbstregulierendes Verfahren direkt zu nutzen, um das Kaltwasser (Frischwasserk (Frischwasserkalt)) der Temperatur Tk (Temperaturkalt), welches zur Erzeugung von Warmwasser dient, vorzuwärmen. D. h., die Wärmemenge des Warmwassers wird zweifach genutzt, erstens für den eigentlichen Gebrauchszweck, und zweitens wird die Restwärme zum Vorwärmen des Kaltwassers verwendet.
  • Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Methoden bekannt, nach denen Warmwasser einer bestimmten Temperatur Tw (Temperaturwarm) erzeugt wird.
    • • Erstens kann durch Erhitzen (z. B. per Gas- oder Ölbrenner) eine größere Menge Kaltwasser auf die gewünschte Temperatur Tw gebracht und bei Bedarf entnommen werden.
    • • Eine zweite Methode sieht vor, Kaltwasser bei Bedarf nach dem Prinzip des Durchlauferhitzers z. B. elektrisch auf die Solltemperatur zu Erhitzen.
    • • Die am weitesten verbreitete Methode, welche besonders im nichtindustriellen Bereich verwendet wird, sieht vor, eine größere Menge Heißwasser der Temperatur Th zu erzeugen und zu bevorraten. Bei Bedarf wird dieses Heißwasser dann mit Kaltwasser der Temperatur Tk auf die gewünschte Temperatur Tw abgemischt. Diese Methode ist am flexibelsten, da Tw prinzipiell frei zwischen Th und Tk eingestellt werden kann.
  • Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Wärmerückgewinnungssysteme (z. B. Wärmetauscher) bekannt, um Abwärme für andere Prozesse nutzbar zu machen. Man unterscheidet hier drei Klassen Tabelle 1: Abkürzungen und Synonyme
    Abkürzungen
    Th Temperaturheiß
    Tk Temperaturkalt
    Tw Temperaturwarm; Solltemperatur
    Tm Temperaturmedium
    TAW Temperatur des Abwassers
    Frischwasserh Heißwasser
    Frischwasserk Kaltwasser
    Frischwasserm vorgewärmtes Kaltwasser
    Wärmetauscher = Wärmeüberträger
    • • Direkte Wärmeübertragung ist eine kombinierte Wärme- und Stoffübertragung, die anwendbar ist bei Stoffströmen, die sich spontan trennen. Hierunter fallen z. B. Rieseltürme zur Luftkühlung.
    • • Bei indirekter Wärmeübertragung sind die Stoffströme räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt. Solche Wärmetauscher (Wärmeübertrager) werden Rekuperatoren genannt. Ein Beispiel hierfür ist der Liebigkühler.
    • • Halbdirekte Wärmeübertragung funktioniert mit Hilfe eines Wärmespeichers, der mit beiden Stoffen zeitversetzt in Kontakt gebracht wird. Der Wärmespeicher wird abwechselnd durch den wärmeren Stoff erwärmt und anschließend durch den kälteren Stoff wieder abgekühlt. Dadurch wird die thermische Energie vom wärmeren auf den kälteren Stoff übertragen. Solche Wärmetauscher werden Regeneratoren genannt. Anwendung finden diese z. B. in Stirling-Motoren.
  • Das Ergebnis der Wärmeübertragung ist weiterhin von der geometrischen Führung der Stoffströme zueinander abhängig. Hier werden wiederum drei Varianten unterschieden.
    • • Im Gegenstrom werden die Stoffe entgegenkommend aneinander vorbeigeführt. Im Idealfall werden die Temperaturen der Stoffströme vollständig getauscht, das heißt, dass der ursprünglich kalte Stoffstrom die Temperatur des ursprünglich warmen Stoffstroms annimmt und umgekehrt, vorausgesetzt, beide Stoffströme sind gleich groß, die Stoffe haben identische Wärmekapazitäten, der Wärmetauscher hat einen Wirkungsgrad von 100 Prozent und es gibt keine Wärmeverluste an die Umgebung, was in realen Systemen nicht möglich ist. Daher kann in der Praxis dieser Wirkungsgrad nie ganz erreicht werden.
    • • Im Gleichstrom werden die Stoffe nebeneinander in gleicher Richtung geführt. Im (nie ganz erreichbaren) Idealfall werden beide Stofftemperaturen angeglichen und liegen daher immer zwischen den Ausgangstemperaturen.
    • • Im Kreuzstrom werden die Stoffe so geführt, dass sich ihre Richtungen kreuzen. Je nach Intensität des Wärmeübergangs können Ergebnisse erhalten werden, die zwischen Gegen- und Gleichstromführung liegen.
  • Bei keinem der Verfahren zur Warmwassererzeugung ist vorgesehen, die Restwärme von Abwasser zu nutzen, um Kaltwasser vorzuwärmen, damit ein Teil der Heizenergie eingespart werden kann.
  • Es ist deshalb ein Verfahren zu entwickeln, mit dem bei geringem Material- und Kostenaufwand und minimalem Platzbedarf und Regelaufwand, die Wärme des Abwassers zur Bereitung von Warmwasser nutzbar gemacht werden kann.
  • Insbesondere, aber nicht ausschließlich, ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch anwendbar ist, wenn keine geschlossenen Kreisläufe vorliegen, wie es im häuslichen Bereich überwiegend der Fall ist. In diesem Fall findet also keine Rückführung des Wassers statt, sondern nur eine Recyclierung der Wärmeenergie.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Einsparung von Heizenergie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Einsparung von Heizenergie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 25 gelöst.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Menge an Heißwasser, welche zudosiert werden muss (Ausführungsbeispiel 1) oder die Heizenergie, welche in der Heizvorrichtung für Heißwasser (18) aufgewendet werden muss (Ausführungsbeispiel 2), um die gewünschte Temperatur Tw (Temperaturwarm) zu erreichen, reduziert. Dies spart Energieträger und -kosten bei der Heißwasserbereitung und trägt dadurch zusätzlich zum Schutz des Klimas und der Umwelt bei. Im Unterschied zum Stand der Technik wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Erreichen einer gewünschten Endtemperatur Tw des Warmwassers welche über eine Temperatureinstellvorrichtung (3), z. B. einen Thermostaten (oder manuell etc.), eingestellt wird, eine geringere Menge Heißwasser benötigt (vgl. Ausführungsbeispiel 1) als durch herkömmliches Mischen von Heiß- und Kaltwasser ohne Wärmetauscher, da ein signifikanter Teil der benötigten Wärme bereits im vorgewärmten Kaltwasser 14 (Frischwasserm (Frischwassermedium)) enthalten ist. Die Temperatur des Heißwassers Th liegt dabei bevorzugt im Bereich von 40°C bis 95°C, besonders bevorzugt im Bereich von 50°C bis 80°C.
  • Für die technische Realisierung des Wärmetauschers (4) kommen verschiedene Lösungen in Frage, aus denen im Folgenden eine auf das vorliegende Problem optimierte Variante ausgewählt wird. Da für das erfindungsgemäße Verfahren eine räumliche Trennung der Stoffströme erforderlich ist, können als Wärmetauscher nur entweder Rekuperatoren oder Regeneratoren (vgl. Stand der Technik) eingesetzt werden. Bevorzugt werden Rekuperatoren eingesetzt, da sie ohne Ventile, Zwischenspeicher und zu diesen gehöriger Regelung eingesetzt werden können, welche für den bestimmungsgemäßen Betrieb unter Verwendung eines Regenerators erforderlich wären. Jedoch können auch Regeneratoren für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden. Da weiterhin ein möglichst vollständiger Wärmetausch vom vorher wärmeren Abwasser auf das vorher kältere Kaltwasser erfolgen soll, werden die Stoffströme bevorzugt im Gegenstrom geführt, wobei aber eine Gleichstromführung oder eine Kreuzstromführung ebenfalls technisch möglich sind.
  • Ein Beispiel für eine technische Ausführung des Wärmetauschers (4) ist in Zeichnung 4 dargestellt und sieht vor, dass das Abwasser (6) zuerst durch ein Abwassersieb fließt, wo z. B. Haare zurückgehalten werden. Dann durchfließt das Abwasser den Bereich des Geruchsverschlusses, wo ein vergrößerter Querschnitt vorgesehen ist, um die Fließgeschwindigkeit zu reduzieren. Wie der Fachmann leicht erkennt, kann der Wärmetauscher 4 auch in einem anderen Bereich der Abwasserführung 10 installiert werden, um das erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren, wobei auch dann ein möglichst guter thermischer Kontakt des Abwassers 6 mit den Gefäßwandungen sinnvoll ist. Weiterhin kann in diesem Bereich die Wärmeaustauschoberfläche durch geeignete Einbauten (22) erhöht werden, wozu Wärmeleitbleche, die von den Wänden nach innen ragen, vorgesehen sind. Das Kaltwasser wird zweckmäßigerweise in einem koaxialen Außenrohr im Gegenstrom geführt, wobei der Spalt zwischen Außen- und Innenrohr möglichst eng sein sollte, um einen innigen Kontakt mit dem Kaltwasser zu ermöglichen. Idealerweise besitzt das Abwasserrohr bis zum Ende des Außenrohres zur Vermeidung von Wärmeverlusten noch eine wärmeisolierende Ummantelung. Auch andere Einbauten oder Veränderungen der Geometrien von Abwasserleitung 10 und/oder Kaltwasserleitung 7 können verwendet werden, um den Wärmeaustausch zwischen Abwasser 6 und Kaltwasser 13 zu optimieren. Eine im technischen Bereich häufig verwendete Lösung ist der Rohrbündelwärmetauscher.
  • Um einen möglichst guten Wärmeübergang vom Abwasser in das Kaltwasser zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, den Wärmetauscher der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Materialien zu realisieren, welche eine hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wie z. B. Kupfer, Messing, Aluminium etc. Zur Vermeidung von Verstopfungen im Wärmetauscherbereich ist es sinnvoll, diesen durch eine geeignete Filtervorrichtung, z. B. ein Abwassersieb (5), vor groben Verunreinigungen zu schützen.
  • Um Verstopfungen des Wärmetauschers durch Verkalkung zu verhindern, ist es vorteilhaft, die medienführenden Teile des Wärmetauschers (4), besonders kaltwasserseitig, zu beschichten, um eine Belegung mit Kalk oder anderen schwerlöslichen Stoffen durch die temporäre oder permanente Wasserhärte zu verhindern. Hierfür eignen sich z. B. verschiedene Lacke oder Kunststoffe, auf deren Oberflächen sich nur schlecht Kalkbeläge bilden und/oder haften bleiben.
  • Eine ähnliche Beschichtung kann abwasserseitig eine Belegung des Wärmetauschers mit Schleimstoffen, die z. B. durch Bakterien entstehen, und/oder mit Feststoffen, die vom Abwasser mitgeführt werden, verhindern. Diese Maßnahmen sind jedoch für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht zwingend erforderlich.
  • Ein für die breite Anwendbarkeit, z. B. im privaten Bereich für Dusche oder Waschbecken, wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass keine Steuerung der Wasserführung nötig ist, obwohl bei Bedarf auch zusätzliche Steuereinrichtungen vorgesehen werden können. Das liegt daran, dass ein selbstregulierendes Verfahren vorliegt, welches ohne Wärmespeicher betrieben werden kann. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass keine doppelte Leitungsführung im Sinne alternativer Wasserführungen bei verschiedenen Betriebszuständen nötig ist, weder für Kaltwasser/Heißwasser noch für Abwasser, wie es bei einem Verfahren mit Wärmespeicher nötig wäre, um Warmwasser in allen Temperaturbereichen erzeugen zu können, da ein Wärmespeicher nur dann mit dem Abwasser Wärme austauschen darf, solange TAW (Temperatur des Abwassers) größer als die Temperatur im Wärmespeicher ist. Sobald TAW geringer als die Temperatur im Wärmespeicher ist (kaltes Abwasser) muss durch Regelung des Abwasserstromes oder des Wärmeträgerstromes der Wärmeaustausch unterbunden werden, da sonst der Wärmespeicher wieder auskühlte. Außerdem wird kein separates Wärmeträgermedium und/oder separater Wärmeträgerkreislauf benötigt, um die Wärme des Abwassers auf das Kaltwasser zu übertragen. Auch Ventile, Umwälzpumpen und Ähnliches werden für das erfindungsgemäße Verfahren im Unterschied zu industriellen Wärmetauscheranlagen nicht benötigt. Überdies kann die Führung des Abwassers (6) und/oder Warmwassers (16) und/oder Kaltwassers (13) und/oder Heißwassers (15) und/oder vorgewärmten Kaltwassers (14) drucklos erfolgen, in dem Sinne, dass kein technisch üblicher Pumpen- oder Leitungsdruck von ca. 1 bis 6 bar für das erfindungsgemäße Verfahren benötigt wird, sondern optional auch mit Niederdruck und/oder Schwerkraftsystemen (z. B. Heißwasserboiler) für die einzelnen Stoffströme gearbeitet werden kann.
  • Weiterhin weist das erfindungsgemäße Verfahren eine bessere Ausnutzung der Wärme des Abwassers gegenüber Systemen auf, bei denen das Abwasser einen Wärmespeicher heizt, da im erfindungsgemäßen Verfahren das Kaltwasser direkt vorgewärmt wird, wodurch der Temperaturunterschied immer maximal ist, da immer gegen die tiefstmögliche Temperatur Tk (Temperatur des vorzuwärmenden Kaltwassers vor dessen Eintritt in den Wärmetauscher) gearbeitet wird. Dies ermöglicht außerdem, dass das Verfahren immer Energie einsparen kann, unabhängig von der gewünschten Solltemperatur Tw, solange TAW größer ist als Tk, was fast immer gegeben ist, da das Abwasser im Normalfall immer wärmer ist als das Kaltwasser aus der Leitung. In diesem Sinne arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren also permanent und nicht erst ab einer Schwelltemperatur, die z. B. durch die Temperatur eines Wärmespeichers vorgegeben ist.
  • Im Unterschied zu herkömmlichen Wärmespeichersystemen, bei denen eine größere Menge warmes Wasser oder ein Wärmespeichermedium (z. B. eine Salzschmelze) bevorratet wird, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren automatisch immer nur genau soviel Kaltwasser vorgewärmt, wie auch in der Mischvorrichtung (2) zum Abmischen mit Heißwasser (15) (Ausführungsbeispiel 1) oder mit Kaltwasser (13) (Ausführungsbeispiel 2) benötigt wird. Dadurch wird eine Regelung der Wasserführung überflüssig, da diese implizit durch Wahl der Solltemperatur Tw an der Entnahmestelle (1) erfolgt.
  • Wie der Fachmann leicht erkennt, kann das erfindungsgemäße Verfahren durch Einsatz zusätzlicher Bauteile, wie
    • • Ventilen zur direkten Regelung von Stoffströmen,
    • • Pufferspeichergefäßen mit variablem oder festem Volumen zur zeitversetzten Wärmespeicherung/Wärmeabgabe,
    • • Bypassleitungen zur Erzwingung bestimmter Betriebszustände, z. B. zur Umgehung des Wärmetauschers bei Wartungsarbeiten oder als Rückspülleitung, um den Wärmetauscher bei Verstopfungen freizuspülen,
    ergänzt werden, ohne dabei das zugrundeliegende offenbarte Funktionsprinzip zu verlassen.
  • Das neue erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einsparung von Heizenergie werden an unterschiedlichen bestimmungsgemäßen Wärmerecyclierungsvorrichtungen (s. Zeichnungen 1, 2, 3) und an den folgenden Ausführungsbeispielen dargestellt.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Anhand der Zeichnung 1 wird eine Ausführungsform des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung beschrieben.
  • Das Kaltwasser (13) wird über den Kaltwasserzulauf (7) zum Wärmetauscher (4) geleitet, wo es einen Teil der Wärme des Abwassers (6) aufnimmt. Dabei wird vorgewärmtes Kaltwasser (14) erhalten, welches durch die Leitung für vorgewärmtes Kaltwasser (12) zur Mischvorrichtung (2) geleitet und dort mit Heißwasser (15) auf die gewünschte Temperatur Tw abgemischt wird. Die Regelung erfolgt dabei über die Temperatureinstellvorrichtung (3), welche bevorzugt in Form eines Thermostaten ausgeführt wird. Dabei wird Warmwasser (16) der gewünschten Temperatur Tw erhalten und über die Warmwasserleitung (11) zur Entnahmestelle (1) geleitet. Nach Nutzung des Warmwassers (16), z. B. zum Duschen, wird das Warmwasser (16), welches noch einen erheblichen Teil seiner Wärmeenergie besitzt, im Auffangbecken (9), welches z. B. eine Duschwanne, eine Badewanne oder ein Waschbecken sein kann, aufgefangen und fließt als Abwasser (6) zum Bodenablauf und/oder zum Überlauf (17). Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher (4) werden grobe Verunreinigungen mittels des Abwasserfilters (5) abgetrennt. Das Abwasser (6) gibt dann im Wärmetauscher (4) einen Teil seiner Wärme an das Kaltwasser (13) ab, wodurch sich der Wärmecyclus schließt. In diesem Ausführungsbeispiel wird also eine Wärmerecyclierung mit einem Wärmetauscher (4) beschrieben.
  • Die Effiziens des Verfahrens hängt von verschiedenen Faktoren ab. Besonders wichtig sind
    • • eine niedrige Fließgeschwindigkeit bei möglichst hoher Turbulenz von Kaltwasser (13) und Abwasser (6) im Wärmetauscher (4).
    • • ein guter Wärmeübergang im Wärmetauscher (4), weshalb dieser in Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgeführt werden sollte. Hier bieten sich z. B. Kupfer, Aluminium oder Messing an.
    • • eine hohe innere Oberfläche des Wärmetauschers (4), wobei andererseits die Kanäle nicht zu eng sein dürfen, da das Abwasser (6) drucklos abfließen soll und Verstopfungen auftreten könnten. Eine mögliche Ausführungsform eines Wärmetauschers ist in Zeichnung 4 dargestellt, wobei der Wärmeaustausch verbessert wird, indem Wärmeleitvorrichtungen (22) vorgesehen sind und die Führung des Kaltwassers im Doppelmantel 23 nach dem Gegenstromprinzip erfolgt.
  • Die selbstregulierenden Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens werden an folgenden Fallbeispielen verdeutlicht.
    • • Durch Erhöhung der Solltemperatur Tw: Über die Mischvorrichtung (2) wird mehr Heißwasser (15) zudosiert, wodurch sich die Temperatur des Warmwassers erhöht. Dadurch ist auch das Abwasser wärmer und gibt im Wärmetauscher (4) bedingt durch den größeren Temperaturunterschied ΔT zwischen TAW und Tk eine größere Wärmemenge an das Kaltwasser ab, wodurch das vorgewärmte Kaltwasser eine höhere Temperatur besitzt. Dadurch wird ein geringerer Anteil Heißwasser benötigt, um Warmwasser der Temperatur Tw zu erzeugen. Die Heißwassermenge kann also zurückgeregelt werden. Optimal ist hier die Verwendung eines Thermostaten in der Mischvorrichtung (2), die Regelung kann aber auch problemlos manuell (z. B. per Einhandhebelmischer) erfolgen. Je höher also die eingestellte Solltemperatur Tw ist, umso größer ist auch der Wärmeübergang aus dem Abwasser in das Kaltwasser, da der Temperaturunterschied zwischen Abwasser und Kaltwasser steigt.
    • • Durch Reduzierung der Solltemperatur Tw: Über die Mischvorrichtung (2) wird weniger Heißwasser (15) zudosiert, wodurch sich die Temperatur des Warmwassers reduziert. Dadurch ist auch das Abwasser kälter und gibt im Wärmetauscher (4) eine geringere Wärmemenge an das Kaltwasser ab, wodurch das vorgewärmte Kaltwasser eine niedrigere Temperatur besitzt. Durch diesen selbstverstärkenden Effekt kann die niedrigere Solltemperatur schnell eingeregelt werden.
    • • Durch Konstanthalten der Solltemperatur Tw wird ceteris paribus auf ein konstantes Verhältnis von Heißwasser (15) und vorgewärmtem Kaltwasser (14) eingeregelt und zu Warmwasser (16) abgemischt. Dabei ist der Anteil an Heißwasser umso geringer, je effektiver der Wärmetauscher (4) arbeitet und je weniger Wärmeverlust im gesamten Kreislauf auftritt.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Anhand der Zeichnung 2 wird eine weitere Ausführungsform des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung beschrieben.
  • Das Kaltwasser (13) wird über den Kaltwasserzulauf (7) zum Wärmetauscher (4) geleitet, wo es einen Teil der Wärme des Abwassers (6) aufnimmt. Dabei wird vorgewärmtes Kaltwasser (14) erhalten, welches durch die Leitung für vorgewärmtes Kaltwasser (12) in die Heizvorrichtung für Heißwasser (18) geleitet wird, wobei es sich z. B. um einen Durchlauferhitzer oder einen Heizkessel handelt. In diesem wird das vorgewärmte Kaltwasser (14) auf die gewünschte Temperatur Th, welche am Thermostat für Heißwasserbereitung (19) vorgewählt werden kann, erhitzt. Das erzeugte Heißwasser (15) wird dann zur Mischvorrichtung (2) geleitet und dort mit Kaltwasser (13) auf die gewünschte Temperatur Tw abgemischt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist der Kaltwasserzulauf (7) hier direkt an die Mischvorrichtung (2) angeschlossen, wodurch der Temperaturwechsel von warm nach kalt sehr schnell erfolgen kann.
  • Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Leitung für Heißwasser sehr kurz gehalten werden kann, wodurch weniger Wärmeverluste auftreten und Installationskosten und Wärmeisolationsmaterial gespart werden können.
  • Ausführungsbeispiel 3
  • Anhand der Zeichnung 3 wird eine weitere Ausführungsform des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung beschrieben.
  • Das Kaltwasser (13) wird über den Kaltwasserzulauf (7) zum Wärmetauscher (4) geleitet, wo es einen Teil der Wärme des Abwassers (6) aufnimmt. Dabei wird vorgewärmtes Kaltwasser (14) erhalten, welches durch die Leitung für vorgewärmtes Kaltwasser (12) in die Heizvorrichtung für Heißwasser (18) geleitet wird, wobei es sich z. B. um einen Durchlauferhitzer oder einen Heizkessel handelt. In diesem wird das vorgewärmte Kaltwasser (14) auf die gewünschte Temperatur Th, welche am Thermostat für Heißwasserbereitung (19) vorgewählt werden kann, erhitzt. Das erzeugte Heißwasser (15) wird dann zur Mischvorrichtung (2) geleitet und dort mit Kaltwasser (13) auf die gewünschte Temperatur Tw abgemischt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist der Kaltwasserzulauf (7) hier direkt an die Mischvorrichtung (2) angeschlossen, wodurch der Temperaturwechsel von warm nach kalt sehr schnell erfolgen kann. Weiterhin ist im Unterschied zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Wärmetauscher (4) nicht an einer einzelnen Entnahmestelle für Warmwasser, z. B. einer Dusche, installiert, sondern versorgt indirekt mehrere Entnahmestellen, indem die zentrale Heizvorrichtung (18) vom Wärmetauscher (4) mit vorgewärmtem Kaltwasser (14) versorgt wird. Nicht eingezeichnet ist die Verteilung des Kaltwassers zu den verschiedenen Entnahmestellen.
  • Ein Beispiel für eine konkrete Ausführungsform sieht so aus, dass der Wärmetauscher (4) im Keller eines Hauses an eine zentrale Abwasserleitung angeschlossen ist und dass der Heizkessel 18 mehrere Entnahmestellen mit Heißwasser versorgt. Dies wird in Zeichnung 3 durch die Heißwasserleitung 24 angedeutet. Bei Entnahme von Warmwasser (16) irgendwo im Haus, wird gleichzeitig Heißwasser (15) aus dem Heizkessel 18 entnommen, welches sofort durch vorgewärmtes Kaltwasser (14), welches vom Wärmetauscher (4) kommt, ersetzt wird. Im Heizkessel (18) muss dann nur noch soviel Energie aufgewendet werden, um das vorgewärmte Kaltwasser (14) von der Temperatur Tm auf die Temperatur Th zu erwärmen, was einen geringeren Energiebedarf bedeutet als ohne das erfindungsgemäße Verfahren, da Tm größer als Tk ist. In dieser Ausführungsform muss der Wärmetauscher in seinen Dimensionen dem größeren Abwasserrohr (10) angepasst werden. Um einen guten Wärmeaustausch zu erhalten, ist es zweckmäßig, die Fließgeschwindigkeit des Abwassers (6), welches aus den oberen Stockwerken kommt, im Bereich des Wärmetauschers (4) zu reduzieren, indem z. B. das Gefälle reduziert wird und/oder der Querschnitt der Leitung 10 vergrößert wird, und/oder ein Geruchsverschluss eingebaut wird.
  • Vorteil dieser Ausfürungsform ist, dass nur eine Vorrichtung für das ganze Haus benötigt wird. Nachteilig ist, dass die Effiziens der Wärmerückgewinnung durch die größeren Längen der Abwasserleitungen (Wärmeverluste) und die Zumischung von kaltem Abwasser (z. B. von anderen Entnahmestellen) sinkt.
  • Optimal ist daher eine Kombination von lokaler Wärmerückgewinnung (Ausführungsbeispiel 1), die z. B. für alle Duschen und Waschbecken vorgesehen wird, und zentraler Wärmerückgewinnung (Ausführungsbeispiel 3).
    • 1
    Entnahmestelle
    2
    Mischvorrichtung
    3
    Temperatureinstellvorrichtung
    4
    Wärmetauscher
    5
    Abwasserfilter
    6
    Abwasser
    7
    Kaltwasserzulauf
    8
    Heißwasserzulauf
    9
    Auffangbecken mit Bodenablauf, z. B. Dusche, Badewanne, Waschbecken
    10
    Abflussleitung
    11
    Warmwasserleitung
    12
    Leitung für vorgewärmtes Kaltwasser
    13
    Kaltwasser
    14
    Vorgewärmtes Kaltwasser
    15
    Heißwasser
    16
    Warmwasser
    17
    Bodenablauf oder Überlauf
    18
    Heizvorrichtung für Heißwasser
    19
    Thermostat für Heißwasserbereitung
    20
    Zwischendecke
    21
    Abwasser von weiterer Entnahmestelle
    22
    Wärmeleitvorrichtung
    23
    Doppelmantel zur Kaltwasserführung
    24
    Heißwasserleitung zu weiterer Entnahmestelle

Claims (34)

  1. Verfahren zur Einsparung von Heizenergie, welche für die Erzeugung von Warmwasser der Solltemperatur Tw benötigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Wärmeenergie von Abwasser der Temperatur TAW, wobei Tw größer als TAW ist, zur Vorwärmung von Kaltwasser der Temperatur Tk genutzt wird, (b) Abwasser der Temperatur TAW und Kaltwasser der Temperatur Tk, wobei TAW größer als Tk ist, über einen Wärmetauscher geführt werden, (c) Abwasser der Temperatur TAW über einen Wärmetauscher einen Teil seiner Wärme an das Kaltwasser abgibt, wodurch vorgewärmtes Kaltwasser (Frischwasserm) der Temperatur Tm erhalten wird, (d) Frischwasserm zu mindestens einer Mischvorrichtung und/oder Heizvorrichtung geleitet wird, wo es mit Heißwasser und/oder Wärme beaufschlagt wird, (e) das Verfahren selbstregulierend ist, so dass sich der Wärmeübergang vom Abwasser in das Kaltwasser verfahrensbedingt automatisch der gewünschten Temperatur Tw anpasst, in dem Sinne, dass bei einer Erhöhung der Solltemperatur ein erhöhter Wärmeübergang stattfindet und bei einer Reduzierung der Solltemperatur sich der Wärmeübergang ebenfalls reduziert, (f) Abwasser jeder Temperatur nutzbar ist, solange TAW größer als Tk ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Bereitung von Warmwasser mit einer einstellbaren Temperatur Tw insbesondere für den Einsatz in Bädern und/oder Küchen und/oder Sänitärbereichen eingesetzt wird.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie von Warmwasser der Temperatur Tw genutzt wird, um die Menge an Heizenergie, welche für die Erzeugung des Warmwassers der Solltemperatur Tw benötigt wird, zu reduzieren, indem die Restwärme von Abwasser genutzt wird, um Heizenergie und/oder Wasser einzusparen.
  4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Heizenergie und/oder an Heißwasser der Temperatur Th, welche zur Einstellung der Solltemperatur Tw des Warmwassers nötig ist, reduziert wird.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen Verfahrensschritt beinhaltet, der in einem zur Atmosphäre hin offenen Bereich abläuft.
  6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium nicht im Kreis geführt wird.
  7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass kein separates Wärmeträgermedium und/oder separater Wärmeträgerkreislauf zur Übertragung der Restwärme des Abwassers auf das Kaltwasser verwendet wird.
  8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwasser und das Kaltwasser im Wärmetauscher nach dem Gegenstromprinzip geführt werden.
  9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Solltemperatur Tw im Temperaturbereich von Tk bis Th frei wählbar ist.
  10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass keine Regelung der Abwasserführung und/oder Kaltwasserführung und/oder Heißwasserführung verwendet wird.
  11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Warmwasser (16), Abwasser (6), Kaltwasser (13), Heißwasser (15) und vorgewärmtes Kaltwasser (14) als Wärmeträgermedien unabhängig voneinander aus der Gruppe Trinkwasser, Brauchwasser, Regenwasser, Flusswasser, Meerwasser, Prozesswasser, Salzwasser ausgewählt werden.
  12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Solltemperatur Tw des Warmwassers durch mindestens eine Mischvorrichtung manuell erfolgt.
  13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Solltemperatur Tw des Warmwassers durch mindestens eine automatische Mischvorrichtung erfolgt.
  14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmengen von Abwasser und Kaltwasser im Wärmetauscher und Heißwasser mittels der Mischvorrichtung (2) geregelt werden.
  15. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißwasser eine Temperatur Th von 40°C bis 95°C aufweist.
  16. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmetauscher in Kombination mit mindestens einer Mischvorrichtung verwendet wird.
  17. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie des Abwassers oder ein Teil der Wärmeenergie des Abwassers direkt für das Vorwärmen des Kaltwassers genutzt wird.
  18. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung des Abwassers (6) und/oder Warmwassers (16) und/oder Kaltwassers (13) und/oder Heißwassers (15) und/oder vorgewärmten Kaltwassers (14) drucklos erfolgt.
  19. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass 10% bis 80% der Heizenergie, die für die Bereitung des Warmwassers (16) aufgebracht werden muss, bereits im vorgewärmten Kaltwasser (14) enthalten ist und daher eingespart wird.
  20. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwasser durch mindestens eine Filtervorrichtung geleitet wird, bevor es in den Wärmetauscher eintritt.
  21. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzung der Wärme des Abwassers (6) zeitgleich mit der Entnahme des Warmwassers erfolgt.
  22. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie des Abwassers nicht zwischengespeichert wird.
  23. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass es im privaten und/oder häuslichen Bereich angewendet wird.
  24. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 17 und 19 bis 23 dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Kaltwassers (13) im Wärmetauscher (4) höher ist als der Druck des Abwassers (6).
  25. Vorrichtung zur Einsparung von Heizenergie mit einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Bereitstellung von Warmwasser (16) der Solltemperatur Tw dient und • mindestens einen Kaltwasserzulauf (7), • mindestens einen Heißwasserzulauf (8), • mindestens einen Wärmetauscher (4), • mindestens eine Leitung für vorgewärmtes Kaltwasser (12), • mindestens eine Mischvorrichtung (2), • mindestens eine Temperatureinstellvorrichtung (3), • mindestens eine Leitung für Warmwasser (16), • mindestens eine Entnahmevorrichtung (1), • mindestens eine Auffangvorrichtung (9), • mindestens einen Ablauf und/oder Überlauf (17), • mindestens eine Abflussleitung (10), enthält.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) für einen Betrieb nach dem Gegenstromprinzip ausgelegt ist.
  27. Vorrichtung nach Ansprüchen 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, dass kein Wärmespeicherbehälter für vorgewärmtes Kaltwasser (14) vorgesehen ist.
  28. Vorrichtung nach Ansprüchen 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Behälter für Heißwasser (15) vorgesehen ist.
  29. Vorrichtung nach den Ansprüchen 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine Mischvorrichtung mit Thermostat zur Erzeugung von Warmwasser der Temperatur Tw enthält.
  30. Vorrichtung nach den Ansprüchen 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine manuell betriebene Mischvorrichtung, zur Erzeugung von Warmwasser der Temperatur Tw enthält.
  31. Vorrichtung nach den Ansprüchen 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine Filtervorrichtung (5) zur Abtrennung von groben Verunreinigungen, enthält.
  32. Vorrichtung nach den Ansprüchen 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Materialien realisiert wird, die eine hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
  33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien aus der Gruppe Kupfer, Messing, Bronze, Aluminium, Edelstahl, Stahl, Eisen ausgewählt werden.
  34. Vorrichtung nach den Ansprüchen 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) und/oder die Leitung für vorgewärmtes Kaltwasser (12) und/oder die Mischvorrichtung (2) mit einer Beschichtung zur Vermeidung von Ablagerungen versehen wird.
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DE102022110626A1 (de) 2022-05-02 2023-11-02 Vaillant Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung zur Warmwasserbereitstellung, Computerprogramm, Regel- und Steuergerät, Einrichtung zur Warmwasserbereitstellung sowie Verwendung eines Temperatursignals

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