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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem selbststeuernden Druckbehälter zur hydraulischen Entkopplung bei einem Wasserversorgungs-Direktanschluss.
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Es existiert eine Vielzahl von abgelegenen Häusern, Aussiedlerhöfen, Weilern und kleineren Teilgemeinden, die nicht an ein Wassernetz eines Wasserversorgungsdienstleisters angeschlossen sind, sondern auf eine eigene Wasserversorgung angewiesen sind. Theoretisch könnten solche Kleinabnehmer direkt an die nächstgelegene Leitung eines Fernwasserversorgungsnetzes (Fernwasserleitung) angeschlossen werden. Es bestehen aber Vorbehalte gegen solche Direktanschlüsse. Allgemein sind sie deshalb unerwünscht, weil eine direkte hydraulische Kopplung einer Kleinabnehmerstelle an eine Fernleitung die Trinkwasserhygiene im Fernwasserleitungsnetz gefährden kann, wenn z. B. bei transienten Strömungsvorgängen mit entsprechendem Druckabfall und einem „Rücksaugen" aus dem System des Kleinabnehmers mit Keimen belastetes Wasser in die Fernleitung eingetragen wird. Auch sollen Druckstoßeffekte nicht in das jeweils andere System rückkoppeln.
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Andererseits sind Direktanschlüsse gerade im Außenbereich von Siedlungen wirtschaftlich interessant, da sie zumeist günstiger herzustellen sind als eine Erschließung über das Wassernetz der jeweiligen Belegenheitsgemeinde. Um die Gefahren einer Kontamination des Fernwasserleitungsnetzes und von Druckstoßeffekten auszuschließen, wird bei Direktanschlüssen deshalb eine Einspeisung über der freien Wasseroberfläche gefordert. Eine solche hydraulische Trennung bedingt jedoch, dass in der Regel Fremdenergie für eine Druckerhöhung beim Kleinabnehmer notwendig wird und der Vordruck aus der Fernwasserleitung nicht genutzt werden kann. Der Vorteil der Anbindung an ein Fernwasserleitungsnetz wird durch die Nachteile des zusätzlichen Bedarfs von elektrischer Energie an der Übergabestelle und der Investitions- und Betriebskosten eines Wasserbehälters mit Druckerhöhungsanlage meist deutlich geschmälert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einem Direktanschluss eines Kleinabnehmers an ein Fernwasserleitungsnetz diese Nachteile zu vermeiden und einen mikrobiologisch unbedenklichen, energiewirtschaftlich sinnvollen und hydraulisch unproblematischen Direktanschluss zu ermöglichen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur hydraulischen Entkopplung bei einem Wasserversorgungs-Direktanschluss und umfasst einen Zulauf und einen Druckbehälter. Der Zulauf ist an ein Wasserversorgungsnetz anschließbar und mündet über einen freien Auslauf in den Druckbehälter. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst darüber hinaus einen Injektor zum Einspeisen von Luft in den Zulauf.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die bisherigen Nachteile eines Direktanschlusses mit hydraulischer Trennung durch einen Druckbehälter überwunden werden können, der selbsttätig Druck aufbauen und die dazu erforderliche Luft in den Druckbehälter ohne Fremdenergie einbringen kann. Mit einem solchen Druckbehälter werden einerseits die hygienischen Anforderungen eingehalten, da dank des in den Druckbehälter mündenden freien Auslaufs eine hydraulische Trennung vom Fernwasserleitungsnetz vorliegt. Auch Druckstoßeffekte sind aufgrund dieser Entkopplung unterbunden. Andererseits ist aber keine separate, elektrisch betriebene Druckerhöhungsanlage notwendig, um den Verlust des Vordrucks aus dem Fernleitungsnetz auszugleichen.
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Der Druckaufbau im Druckbehälter erfolgt ohne Fremdenergie durch die automatische Einspeisung von Wasser mit dem aus dem Fernwasserleitungsnetz verfügbaren Vordruck und Luft in den Druckbehälter, während dieser befüllt wird. Hierfür ist gemäß der Erfindung der sogenannte Injektor vorgesehen, der die Strömungsenergie des aus dem Fernwasserleitungsnetz unter Druck stehenden Wassers ausnutzt, um Außenluft anzusaugen und in den Zulauf einzuspeisen. Mit dieser Luft wird im Druckbehälter ein Luftpolster aufgebaut bzw. im laufenden Betrieb aufrechterhalten. Das unter Druck stehende Luftpolster kann insoweit kontrolliert werden, dass das Wasser aus dem Druckbehälter mit einem dem Vordruck des Fernwasserleitungsnetzes vergleichbaren Druck an den Kleinverbraucher abgegeben werden kann.
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Die Erfindung ermöglicht es somit insbesondere, abgelegene Häuser, Weiler und andere Kleinabnehmer, die bisher eine eigene Wasserversorgung hatten, an das nächstgelegene Wasserversorgungsetz anzuschließen. Besonders vorteilhaft daran ist, dass der Bau eines gesonderten Trinkwasserbehälters an der Übergabestelle durch das örtliche Versorgungsunternehmen (oder Dritte) entfallen kann, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung von einem regionalen Fernwasserversorger bereitgestellt wird. Hierbei ist zu beachten, dass ein gesonderter Trinkwasserbehälter sehr viel größer dimensioniert sein müsste als der Druckbehälter der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Somit ist die erfindungsgemäße Lösung nicht nur hinsichtlich der Energiekosten, sondern auch im Hinblick auf die Investitions- und Erschließungskosten ausgesprochen günstig.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Zulauf – stromaufwärts des Injektors – eine Einlaufarmatur vorgesehen, die in einem gesperrten Zustand den Zulauf blockiert und in einem geöffneten Zustand den Zulauf freigibt. Mittels einer Steuerung wird die Einlaufarmatur in Abhängigkeit des Wasserstands im Druckbehälter gesperrt bzw. geöffnet. Diese Konstruktion erlaubt eine regelmäßige automatische Befüllung des Druckbehälters, ohne dass ein manueller Eingriff erforderlich ist.
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Eine solche Steuerung ist vorzugsweise so eingerichtet ist, dass sie bei Unterschreiten eines ersten vorbestimmten Wasserstands die Einlaufarmatur öffnet. Dadurch wird sichergestellt, dass der Druckbehälter rechtzeitig vor einer vollständigen Entleerung wieder befüllt wird.
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In umgekehrter Hinsicht sollte die Steuerung so eingerichtet sein, dass sie bei Überschreiten eines zweiten vorbestimmten Wasserstands die Einlaufarmatur sperrt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Wasserzufuhr rechtzeitig gestoppt wird, bevor ein kritischer Innendruck des Druckbehälters überschritten wird. Dies ist für die Sicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Bedeutung.
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Wie bereits angedeutet ist eine Steuerung besonders vorteilhaft, die keine Fremdenergie benötigt und vor diesem Hintergrund nur mechanische und hydraulische Komponenten aufweist. Die Steuerung arbeitet dann also rein mechanisch und hydraulisch und kommt ohne elektrische Komponenten aus. Das erhöht nicht nur die energiewirtschaftliche Effizienz, sondern schafft auch eine Ausfallsicherheit der Wasserversorgung bei Störungen im Stromnetz.
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Die rein mechanisch-hydraulische Steuerung kann in einer bevorzugten Ausgestaltung ein Schwimmerventil aufweisen, das mit einer Steuereinrichtung zum Öffnen und Schließen der Einlaufarmatur zusammenarbeitet. Ein Schwimmerventil ist eine bewährte, nicht-elektrisch arbeitende Einrichtung, deren Schaltvorgänge ohne zusätzliche Maßnahmen unmittelbar an vorbestimmte Wasserpegel im Druckbehälter gekoppelt werden können.
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Zur tatsächlichen Ansteuerung der Einlaufarmatur, die den Zulauf zur Befüllung des Druckbehälters freigibt oder sperrt, kann die Steuereinrichtung mit der Einlaufarmatur durch Steuerleitungen verbunden sein. Die Steuerleitungen ermöglichen eine vorteilhafte räumliche Trennung bzw. einen räumlichen Abstand des Druckbehälters mit der Steuereinrichtung vom Zulauf mit der Einlaufarmatur.
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Um die Unbedenklichkeit der angesaugten und in das zur Befüllung des Druckbehälters vorgesehene Wasser eingespeisten Außenluft zu garantieren, ist gemäß einem besonderen Hygiene-Aspekt der Erfindung dem Injektor ein Luftfilter vorgelagert.
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Der Innendruck des Druckbehälters der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollte im Betrieb zwischen einem definierten minimalen und einem definierten maximalen Arbeitsdruck liegen. Wird beim Befüllen des Druckbehälters mit dem Wasser/Luft-Gemisch oder reiner Luft der maximale Arbeitsdruck überschritten, kann ein Überdruckventil Abhilfe schaffen, das in einem oberen Abschnitt des Druckbehälters angeordnet ist. Mithilfe des Überdruckventils wird bei Bedarf überschüssige Luft aus dem Druckbehälter abgeblasen.
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Zur Überwachung des Innendrucks des Druckbehälters kann ein Manometer vorgesehen sein, an dem der Innendruck jederzeit abgelesen werden kann.
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Für den Bezug von Wasser aus dem Druckbehälter durch den Kleinabnehmer ist vorzugsweise in einem unteren Abschnitt des Druckbehälters ein Ablauf angeordnet.
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Um sicherzustellen, dass der Druckbehälter bei einem längeren Bezug von Wasser durch den Kleinabnehmer nicht leerläuft, sollte der Strömungsquerschnitt des Ablaufs durch eine Blende oder eine Drossel einstellbar sein. Konkret sollte die Blende bzw. die Drossel so eingestellt sein, dass nicht mehr Wasser bezogen als durch den Zulauf nachgeliefert werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen schematisch:
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1 einen Direktanschluss ohne hydraulische Trennung;
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2 einen Direktanschluss mit hydraulischer Trennung (freier Zulauf);
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3 einen Direktanschluss mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem selbststeuernden Druckbehälter und hydraulischer Trennung;
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4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur hydraulischen Entkopplung bei einem Wasserversorgungs-Direktanschluss in einem ersten Betriebszustand;
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5 die Vorrichtung aus 4 in einem zweiten Betriebszustand;
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6 die Vorrichtung aus 4 in einem dritten Betriebszustand; und
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7 die Vorrichtung aus 4 in einem vierten Betriebszustand.
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1 ist eine Prinzipskizze, die einen möglichen Anschluss eines Kleinabnehmers an ein Wasserversorgungsnetz (Fernwasserleitungsnetz) zeigt. Der Anschluss ist als Direktanschluss ohne hydraulische Trennung ausgeführt. Aus den eingangs genannten Gründen ist ein solcher Anschluss energiewirtschaftlich zwar sinnvoll, in mikrobiologischer Hinsicht entspricht er aber nicht den Hygieneanforderungen und ist hydraulisch als gefährlich einzustufen. Hinzu kommt die mögliche Rückkoppelung von Druckstößen aus den gekoppelten Wasserversorgungsnetzen.
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2 zeigt in ähnlicher Darstellung einen alternativen Direktanschluss mit hydraulischer Trennung. Das Wasser des Fernwasserleitungsnetzes wird über einen freien Auslauf 10 in einen Wasserbehälter 12 eingespeist. Da das Wasser somit prinzipiell nicht vom Kleinabnehmer direkt zurück in das Fernwasserleitungsnetz gelangen kann, ist insoweit eine mikrobiologische Kontaminierung des Fernwasserleitungsnetzes durch den Kleinabnehmer ausgeschlossen. Diese auch in hydraulischer Hinsicht unproblematische Lösung ist aber energiewirtschaftlich ungünstig. Zwar mag der Druck im Fernwasserleitungsnetz ausreichen, den Behälter 12 zu füllen. Durch die Zwischenschaltung des Behälters 12 geht jedoch der Vordruck des Fernwasserleitungsnetzes verloren, sodass eine Druckerhöhungsanlage 14 (Pumpe) erforderlich ist, um das Wasser aus dem Behälter 12 mit ausreichendem Druck in die Wasserleitungen des Kleinabnehmers einzuspeisen. Die Kosten und der Platzbedarf für die Bereitstellung sowie für die Installation und den Betrieb des Behälters 12 mit der Druckerhöhungsanlage 14 sind gravierende Nachteile dieser Lösung.
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In 3 ist ein Direktanschluss dargestellt, bei dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem selbststeuernden Druckbehälter 16 zum Einsatz kommt. In 4 sind die einzelnen Komponenten für diesen Direktanschluss, die nachfolgend erläutert werden, im Detail dargestellt.
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Ein Zulauf 18 führt das Wasser aus der Fernwasserleitung zu einer Einlaufarmatur 20. Die Einlaufarmatur 20 wird über zwei Steuerleitungen 22, 24 angesteuert. Zwischen der Einlaufarmatur 20 und einem freien Auslauf 10, der oben in den Druckbehälter 16 mündet, ist ein Injektor 26 vorgesehen, mit dem Luft in den wasserführenden Zulauf 18 eingespeist werden kann. Dem Injektor 26 ist ein Luftfilter 28 vorgelagert.
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Am Druckbehälter 16 ist ein Manometer 30 angebracht, das den Innendruck des Druckbehälters 16 anzeigt. Außerdem ist der Druckbehälter 16 oben mit einem Überdruckventil 32 ausgestattet, das bei Erreichen eines bestimmten Innendrucks im Druckbehälter 16 öffnet, sodass Luft aus dem Druckbehälter 16 abgelassen werden kann.
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Die Vorrichtung verfügt über eine rein mechanisch-hydraulische Steuerung, die keine elektrische Energie benötigt. Zur Steuerung gehört ein im Druckbehälter 16 angeordnetes Schwimmerventil 34, das an eine Steuereinrichtung 36 gekoppelt ist. Zur Steuerung gehören des Weiteren die zwei bereits genannten Steuerleitungen 22, 24, die die Steuereinrichtung 36 mit der Einlaufarmatur 20 verbinden.
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Das Bezugszeichen 38 markiert einen Wasserstand im Druckbehälter 16, bei dem das Schwimmerventil 34 die Steuereinrichtung 36 in der Weise aktiviert, dass über die Steuerleitungen 22, 24 die Einlaufarmatur 20 geöffnet wird. Dieser Wasserstand wird der Einfachheit halber nachfolgend als Einschaltpunkt 38 bezeichnet. Entsprechend markiert das Bezugszeichen 40 einen Wasserstand im Druckbehälter 16, bei dem das Schwimmerventil 34 die Steuereinrichtung 36 mit den Steuerleitungen 22, 24 dazu veranlasst, die Einlaufarmatur 20 zu schließen. Beide Schaltvorgänge benötigen keine Fremdenergie.
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Unten am Druckbehälter 16 befindet sich ein Ablauf 42, an dem der Kleinabnehmer Wasser beziehen kann und der somit die eigentliche Übergabestelle darstellt. Der Ablauf 42 ist mit einer Blende 44 versehen, die die Durchflussmenge begrenzt. Anstelle der Blende 44 kann auch eine Drossel vorgesehen sein.
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Im drucklosen Zustand ist das Innere des Druckbehälters 16 über die im Betrieb geschlossenen Öffnungen 46 für die Montage und Wartungsarbeiten zugänglich.
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Nachfolgend wird anhand der 4 bis 7 die Funktionsweise der Vorrichtung mit dem selbststeuernden Druckbehälter 16 zur hydraulischen Entkopplung bei einem Wasserversorgungs-Direktanschluss erläutert.
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Es wird von einer Situation ausgegangen, in der sich der Wasserspiegel im Druckbehälter 16 zwischen dem Einschaltpunkt 38 und dem Ausschaltpunkt 40 befindet, und Wasser aus dem Ablauf 42 bezogen wird. Fällt im Verlauf des Wasserbezugs der Wasserspiegel unter den Einschaltpunkt 38, wie in 4 gezeigt, fällt der Innendruck im Druckbehälter 16 auf den unteren Betriebsdruck P1. Mit dem sinkenden Wasserspiegel sinkt auch der Schwimmer 34a des Schwimmerventils 34 unter den Einschaltpunkt 38 und aktiviert die Steuereinrichtung 36 derart, dass über die Steuerleitungen 22, 24 die Einlaufarmatur 20 geöffnet wird. Dieser Steuerungsvorgang erfolgt ohne jede Fremdenergie.
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Es kann nun Wasser aus dem Fernwasserleitungsnetz zum Druckbehälter 16 strömen, wobei im Zulauf 18 der Vordruck P4 aus dem Fernleitungsnetz herrscht. Dabei wird dem in Richtung Druckbehälter 16 strömenden Wasser vom Injektor 26 automatisch Luft zugefügt. Der Luftfilter 28 sorgt dafür, dass die angesaugte Außenluft hygienisch unbedenklich ist.
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Das Wasser/Luft-Gemisch strömt über den freien Auslauf 10, durch den das System des Kleinabnehmers hydraulisch vom Fernwasserleitungsnetz entkoppelt ist, in den Druckbehälter 16. Im Druckbehälter 16 bildet sich über dem Wasserspiegel ein unter Druck stehendes Luftpolster. Mit ansteigendem Wasserstand steigt über das komprimierte Luftpolster gemäß der thermodynamischen Zustandsgleichung (p·V = m·R·T) auch der Innendruck im Druckbehälter 16, was sich über das Manometer 30 nachverfolgen lässt.
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Bei gleichzeitigem Wasserbezug durch den Kleinabnehmer und Befüllen des Druckbehälters bei geöffneter Einlaufarmatur 20 muss die Blende 44 am Ablauf 42 sicherstellen, dass nicht mehr Wasser aus dem Druckbehälter 16 abfließen kann als über den Zulauf 18 zuströmt, um ein Leerlaufen des Druckbehälters 16 effektiv zu verhindern (siehe 5).
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Wenn der Wasserstand – und damit auch der Schwimmer 34a des Schwimmerventils 34 – den oberen Ausschaltpunkt 40 überschreitet, wie in 6 gezeigt, aktiviert das Schwimmerventil 34 die Steuereinrichtung 36 derart, dass über die Steuerleitungen 22, 24 die Einlaufarmatur 20 geschlossen wird. Dieser Steuerungsvorgang erfolgt wiederum ohne jede Fremdenergie. Nach dem Schließen der Einlaufarmatur 20 gelangt vorerst kein weiteres Wasser/Luft-Gemisch mehr in den Druckbehälter 16.
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Bei Überschreiten des Ausschaltpunkts 40 wird außerdem der Ansprechdruck P3 des Überdruckventils 32 erreicht, sodass dieses öffnet und so viel Luft aus dem Druckbehälter 16 abbläst, bis der obere Betriebsdruck P2 des Systems bei vorgegebener maximaler Füllung erreicht ist (siehe 7). Der Druck P2 ist etwas geringer als der Druck P3.
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Wird vom Kleinabnehmer bei geschlossener Einlaufarmatur 20 so viel Wasser entnommen, dass der Wasserstand im Druckbehälter 16 wieder unter den Einschaltpunkt 38 fällt, wiederholt sich der oben beschriebene Vorgang.
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Da infolge des Luftüberdrucks im Druckbehälter 16 immer etwas Luft in das Wasser eingast (die Partialdrücke von Wasser und Luft sind bestrebt, sich einander anzunähern) und mit dem Wasser über den Ablauf 42 abgeführt wird, muss über den Injektor 26 bei jedem Füllvorgang etwas Luft in den Druckbehälter 16 eingetragen werden, um das Luftpolster zu erhalten. Im tatsächlichen praktischen Betrieb erweist es sich als sinnvoll, mehr Luft einzutragen als in das Wasser eingast und die Überschussmenge, wie oben erläutert, über das Überdruckventil 32 abzublasen.
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Die Erstbefüllung des Druckbehälters 16 mit dem benötigten Luftpolster kann beschleunigt werden, indem über das Überdruckventil 32 mittels eines Kompressors Druckluft eingeblasen wird. Allgemein ist die Differenz zwischen dem oberen Betriebsdruck P2 und dem unteren Betriebsdruck P1 durch den entsprechend vorzugebenden Abstand zwischen dem Einschaltpunkt 38 und dem Ausschaltpunkt 40 bestimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- freier Auslauf
- 12
- Behälter
- 14
- Druckerhöhungsanlage
- 16
- Druckbehälter
- 18
- Zulauf
- 20
- Einlaufarmatur
- 22
- Steuerleitung
- 24
- Steuerleitung
- 26
- Injektor
- 28
- Luftfilter
- 30
- Manometer
- 32
- Überdruckventil
- 34
- Schwimmerventil
- 34a
- Schwimmer
- 36
- Steuereinrichtung
- 38
- Einschaltpunkt
- 40
- Ausschaltpunkt
- 42
- Ablauf
- 44
- Blende
- 46
- Öffnung
