DE102015012523A1

DE102015012523A1 - Apparatur zur Zwischenspeicherung und Nutzung des bei sanitären Warmwasserspendern anfänglich zu kaltem Mischwasser

Info

Publication number: DE102015012523A1
Application number: DE102015012523.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-09-26
Filing date: 2015-09-26
Publication date: 2017-03-30

Abstract

Im Sanitärbereich ist nach Ventilöffnung das in der Heißwasserleitung stehende abgekühlte Wasser anfangs zu kalt, bis heißes Wasser aus dem Heißwasserbehälter nachgeströmt ist. Das anfänglich entnommene zu kalte Mischwasser fließt ungenutzt in den Abfluß. Der Mischapparatur wird ein Umlenkventil nachgeschaltet und das anfangs kühle Wasser wird in einen mit Druck beaufschlagten Auffangbehälter umgeleitet. Wenn die gewünschte Mischtemperatur erreicht ist, dann wird das Ventil umgestellt und das Mischwasser strömt zum Verbraucher. Danach saugt eine in die Heißwasserleitung zwischengeschaltete Wasserstrahlpumpe das im Auffangbehälter gespeicherte Wasser an. Eine handelsübliche Thermostat-Mischbatterie mischt es dem genutzten Wasser derart zu, das weiterhin die gewünschte Mischtemperatur beim Verbraucher ankommt. Wichtig ist die Realisierung dieser Apparatur als integrierte Einheit im erweiterten Gehäuse einer Thermostat-Mischbatterie. Mit nur wenigen zusätzlichen Bauteilen und einem Auffangbehälter wird die Wassersparfunktion kaum mehr als 50 € gegenüber einer herkömmlichen Thermostat-Mischbatterie kosten. Abbildung: 1) Thermostatmischbatterie, 2) 3/2-Wege Ventil, 3) Rückschlagventil, 4) Sammelbehälter, 5) Wasserstrahlpumpe, 6) Heißwasser, 7) Kaltwasser, 8) Einstellung Menge, 9) Einstellung Mischtemperatur, 10) Verbraucher

Description

Bei allen sanitären Warmwasserversorgungen, bei denen das erhitzte Wasser in einem Kessel bereit gestellt wird, gibt es das Problem, dass ruhendes Wasser in den Heißwasserrohren abkühlt. Auch bei guter Isolation kühlt sich das Wasser in den Rohren nach einigen Stunden bis fast auf Umgebungstemperatur ab. Somit ist es unvermeidlich, dass ein Verbraucher, der den Heißwasserhahn öffnet, warten muss, bis das heiße Wasser in den Rohren vom Heißwasserbehälter nachgeströmt ist, wenn er das heiße Wasser nutzen will oder es dann so mit Wasser aus der Kaltwasserleitung mischt, damit er die gewünschte warme Mischung nutzen kann.
Als komfortable Lösung für dieses Problem ist der Stand der Technik, dass das heiße Wasser zwischen Kessel und Verbraucher-Abnahmepunkt in einer Ringleitung ständig umgepumpt wird. Wenn der Verbraucher dann den Wasserhahn der Heißwasserleitung aufdreht, erhält er sofort heißes Wasser. Die Wärmeverluste bei dieser Lösung sind immens hoch. Außerhalb der Heizperiode wird mit dieser Technik das Haus auch im Hochsommer praktisch beheizt – durch die unvermeidlichen Wärmeverluste zwischen Heißwasserleitung und Umgebung. Die übliche Alternative sind stufenlos regelbare moderne elektrische Durchlauferhitzer, die direkt am Wasserhahn des Verbrauchers angeschlossen sind.
In der Praxis werden die zwei vorstehend genannten Möglichkeiten häufig nicht genutzt, sondern an der Verbraucherstelle wird der Wasserhahn aufgedreht, um das Wasser so lange in den Abfluss laufen zu lassen, bis heißes Wasser vom Kessel in die Rohrleitung nachgeströmt ist. Man kann immerhin 200mal 5 Liter in den Abfluss laufen lassen, bis das heiße Wasser nachgeströmt ist, bis dann 1 Kubikmeter Wasser verschwendet ist. Bei den Preisen pro Kubikmeter Wasser in unseren Breiten (etwa 4 € Trink- & Schmutzwasser) bedarf es keiner Nachrechnung, um deshalb allen Ein-Familienhaus-Besitzern einer Heißwasserversorgung mit Ringleitung dringend zu empfehlen, die Zirkulation in der Ringleitung nur während der Heizperiode zu betreiben, da in dieser Zeit die Wärmeverluste zur Hausheizung beitragen und deshalb kaum als Verluste zu Buche schlagen.
Die hier beschriebene Erfindung erläutert eine Apparatur, bei dem das abgekühlte Wasser, welches anfangs nach Wasserhahnöffnung die Heißwasserleitung durchströmt, aufgefangen wird und dann wieder in die Wasserleitung eingespeist wird. Die obenstehende kurze Wirtschaftlichkeitsbetrachtung weist darauf hin, dass die gewerbliche Nutzung nur Sinn macht, wenn der Nutzen höher ist als der Aufwand. Der Bezug auf den genannten Wasserpreis ist ein deutlicher Hinweis, dass die technische Lösung nicht mit hohen Investitionskosten verbunden sein darf und Betriebskosten durch die Wasserrückspeisung ganz vermieden werden sollten.
Die wirtschaftliche Nutzung wird nachfolgend beschrieben. Sie besteht in der Erweiterung von handelsüblichen Thermostat-Mischbatterien mit den erforderlichen Komponenten zur Realisierung der mit dieser Erfindung beschriebenen Funktion.
Der Nutzen liegt in erster Linie in der Einsparung des verschwendeten Wassers, aber auch im gestiegenen Komfort durch Vermeidung des Körperkontakts mit unerwünscht kaltem oder heißem Wasser. Der durchschnittliche Wasserverbrauch pro Person und Tag liegt in Deutschland, je nach Region, zwischen 90 und 130 Litern. Wenn geschätzt jeder zweite täglich duscht, aber auch beim Händewaschen oder Zähneputzen viele Nutzer warten, bis das Wasser wohltemperiert ist, dann kann das tägliche Einsparpotential auf durchschnittlich 2–5 Liter Wasser geschätzt werden, d. h. mindestens 2% des Pro-Kopf Wasserverbrauchs. Wer das Wassermangelproblem in Deutschland als nicht akut ansieht, der sei auf den Nutzen der Erfindung in Regionen, bzw. Städten mit Wassermangel, wie Los Angeles oder Dubai verwiesen. Aber auch die Ablösung der vorstehend beschriebenen Ringleitungen mit ihren hohen Wärmeverlusten nach Einbau der erfindungsgemäßen erweiterten Thermostat-Mischbatterien mit der beschriebenen Kaltwasser-Rückgewinnung hat nochmals enormes Potential zur Energieeinsparung.
Prinzip ( ): Heißwasser und Kaltwasser strömen zur Thermostatmischbatterie (1) und das vermischte Wasser von dort in das 3/2-Wege Ventil (2). Dieses Ventil kann u. A. per Hand gesteuert werden. Wenn anfangs noch kaltes Wasser von der Heißwasserleitung kommt, wird es so geschaltet, daß das Wasser durch das Rohr in den Sammelbehälter (4) geleitet wird. Wenn nach einigen Sekunden dann warmes Wasser von der Thermostatmischbatterie kommt, dann wird das Ventil (2) umgeschaltet und der Verbraucher erhält das gewünschte warme Wasser. In diesem Betriebszustand saugt dann die Wasserstrahlpumpe (5) das im Sammelbehälter gesammelte Wasser ab und vermischt es mit dem zuströmenden heißen Wasser. Die Thermostatmischbatterie (1), die auf eine Zieltemperatur eingestellt wurde, regelt dann den Kaltwasserzustrom so, dass das heiße Wasser und das aus dem Sammelbehälter angesaugte abgekühlte Wasser auf der einen Seite und der Kaltwasserzustrom auf der anderen Seite die gewünschte Mischtemperatur ergeben. Wenn dann nach kurzer Zeit der Sammelbehälter leer gesaugt ist und von dort kein kaltes Wasser mehr nachströmt, dann erhöht die Thermostatmischbatterie den Kaltwasserzustrom, um die gewünschte Mischtemperatur konstant zu halten. Das kalte Wasser aus dem Sammelbehälter wurde somit vollständig genutzt.
Bezugszeichenliste
Komponenten in Abb. 1:

1: Thermostatmischbatterie
2: 3/2-Wege Ventil
3: Rückschlagventil
4: Sammelbehälter
5: Wasserstrahlpumpe
6: Heißwasser
7: Kaltwasser
8: Einstellung Menge
9: Einstellung Mischtemperatur
10: Verbraucher

Das Rückschlagventil (3) verhindert, daß bei niedriger Geschwindigkeit des zuströmenden Heißwassers dieses Wasser über die Rohrleitung am Ort von (3) in den Sammelbehälter zurückströmen kann.
Diskussion: das Heißwasser strömt in den üblichen Versorgungsnetzen mit einem Druck von etwa 4 bar. Die Wasserstrahlpumpe kann nur Differenzdrücke von etwa 1,5–1,8 bar überwinden. Somit muss im Sammelbehälter bei leerem Behälter ein Vordruck von etwa 2 bar eingestellt werden, d. h. es ist ein Sammelbehälter mit Membrane zu verwenden, damit im Gasdruckraum ein Gegendruck eingestellt werden kann. Er hat dann die Kapazität, etwa sein halbes Volumen an zuströmendem Wasser aufzunehmen, bis sich im Sammelbehälter der Druck auf 4 bar erhöht hat. Dann kann mangels Differenzdruck kein Wasser mehr nachströmen. Anschließend saugt die Wasserstrahlpumpe. Der Differenzdruck von 1,5 bar bedeutet, dass sie bei einem Innendruck im Sammelbehälter von etwa 2,5 bar nicht mehr ansaugen kann. Die Werte hängen aber stark von den sich einstellenden Drücken ab, die aufgrund der Druckverluste in den Rohrleitungen bei Durchströmung deutlich unter den 4 bar liegen können, die sich im Netz bei Strömungsstillstand einstellen.
Während der Befüllung des Sammelbehälters gibt es noch einen unerwünschten Effekt. Es stellt sich eine Sekundärströmung durch (3) und (5) ein. Die Wasserstrahlpumpe saugt aber nicht mehr als ein Drittel des Hauptstromes an. Außerdem hat der angesaugte Zustrom in der Wasserstrahlpumpe kavitationsunterdrückende Wirkung. Somit ist es sinnvoll, und spart zusätzlichen apparativen Aufwand, diese Sekundärströmung in Kauf zu nehmen.
Schluß: Je nach Größe des Sammelbehälter kann diese Vorrichtung somit mehrere Liter von kaltem Wasser, welches anfangs durch die Heißwasserleitung nachströmt, aufnehmen und durch die Wirkung der Wasserstrahlpumpe wird dieses Wasser danach während des Verbrauchens, z. B. einem Duschvorgang, wieder in den Wasserkreislauf zurück gesaugt. Der Gegendruck im Sammelbehälter ist entsprechend der Druckverluste in den Rohrleitungen vor Ort einzustellen. Mit einem Versuchsaufbau wurde die Funktion vor Patentanmeldung überprüft.
Realisierung einer wirtschaftlichen Lösung: die in gezeigte Anordnung lässt sich durch Erweiterung einer handelsüblichen Thermostatmischbatterie zu einer kompakten integrierten Einheit in einem gemeinsamen Gehäuse integrieren – wobei natürlich der Sammelbehälter über Verbindungsleitungen angeschlossen bleibt – oder auch als eine nochmalige Erweiterung des Gehäuses der Apparatur integriert werden kann, insbesondere dann, wenn die Apparatur als Einbaugerät in die Wand konzipiert ist.
Das 3/2-Wege Ventil wird hierbei entweder manuell (s. ) oder durch die Temperatur des durch die Elemente der Thermostatmischbatterie strömenden Wassers gesteuert. Die Temperatursteuerung setzt ein, wenn ein zusätzliches Thermostatelement von warmem Wasser umströmt wird, also dann, wenn nicht mehr kaltes, sondern das erste warme Wasser in den Ausdehnungsbehälter strömt und das 3/2-Wege Ventil dann umschaltet und das Wasser dann zum Verbraucher, z. B. zum Duschkopf strömt.
Bezugszeichenliste
Komponenten in Abb. 2:

1: Drehknopf zur Mengenregelung
2: Drehknopf zur Temperaturregelung
3: In diesem Bereich befinden sich die Komponenten einer handelsüblichen Thermostat-Mischbatterie
4: vom Ausdehnungsbehälter
5: Rückschlagventil
6: Wasserstrahlpumpe
7: manuell schaltbares 3/2-Wege Ventil
8: Heißwasseranschluß
9: Kaltwasseranschluß
10: zum Duschkopf
11: Warmwasser
12: zum Ausdehnungsbehälter
13: Temperaturanzeige mit Farbfeld

zeigt grob schematisch eine solche integrierte Einheit, bei der die Wasserstrahlpumpe, wie in , von Heißwasser durchströmt wird, um damit das in den Sammelbehälter anfangs nach Wasserhahnöffnung umgeleitete zuerst kalte Wasser wieder zurück zu saugen und zu nutzen. Von der Heißwasserleitung wird ein Teilstrom abgezapft, der durch ein Thermo-Dehnelement oder Bimetall-Element strömt, welches das Wasser dann zur Steuerung des 3/2-Wege Ventils öffnet, wenn eine voreingestellte Mindesttemperatur erreicht ist. Im 3/2 Wege Ventil ist ein Leckstrom eingestellt, derart, dass es durch Federkraft wieder auf Umlenkung in den Sammelbehälter umschaltet, wenn kein Wasser mehr strömt.
Bezugszeichenliste
Komponenten in Abb. 3:

1: Drehknopf zur Mengenregelung
2: Drehknopf zur Temperaturregelung
3: Dehnelement oder Bimetall-Element, welches zur Steuerung des 3/2-Wege Hahn öffnet, wenn das Wasser warm genug ist
4: vom Ausdehnungsbehälter
5: Rückschlagventil
6: Wasserstrahlpumpe
7: In diesem Bereich befinden sich die Komponenten einer handelsüblichen Thermostat-Mischbatterie
8: Heißwasseranschluß
9: Kaltwasseranschluß
10: zum Ausdehnungsbehälter
11: 3/2-Wege Ventil druckgesteuert
12: zum Duschkopf
13: Leckstrom, so daß das 3/2 Wege-Ventil wieder in den Ausdehnungsbehälter umleitet, wenn das Wasser einige Minuten abgestellt war
14: Warmwasser

zeigt eine alternative Anordnung, bei der das 3/2-Wege Ventil nicht mehr durch Warmwasser indirekt gesteuert wird, sondern das Mischwasser so lange zum Sammelbehälter leitet, bis eine voreingestellte Mindesttemperatur erreicht ist und das Thermoelement im Ventil das Mischwasser dann zum Verbraucher hin umlenkt, d. h. ein Dehnelement- oder Bimetall-gesteuertes Ventil funktioniert hierbei unmittelbar als 3/2-Wege Ventil. Nach Abkühlung wird es durch eine Feder wieder zurückgestellt, so daß das erste kühle Wasser nach späterer Wasserhahnöffnung wieder in den Auffangbehälter gelenkt wird.
Bezugszeichenliste
Komponenten in Abb. 4:

1: Drehknopf zur Mengenregelung
2: Drehknopf zur Temperaturregelung
3: In diesem Bereich befinden sich die Komponenten einer handelsüblichen Thermostat-Mischbatterie
4: vom Ausdehnungsbehälter
5: Rückschlagventil
6: Wasserstrahlpumpe
7: temperaturgesteuertes Dehnelement oder Bimetall-Element, welches zum Duschkopf umsteuert, wenn das Wasser warm genug ist
8: Heißwasseranschluß
9: Kaltwasseranschluß
10: zum Duschkopf
11: Warmwasser
12: zum Ausdehnungsbehälter

Claims

Thermostat-Mischbatterie mit nachgeschaltetem 3/2-Wege-Ventil, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Ventil nach dem Einschalten das anfangs kalte Wasser aus der Heißwasserleitung in einem Behälter speichert, damit es wieder in die Leitung eingespeist wird, sobald das heiße Wasser nachströmt, wobei das gespeicherte Wasser mit einer Pumpe wieder in die Rohrleitung zurück gepumpt wird.
Mischbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Pumpe eine Wasserstrahlpumpe in der Heißwasserleitung eingesetzt wird.
Mischbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das anfangs kalte Wasser aus der Heißwasserleitung in einen geschlossenen, mit Druck beaufschlagbaren Ausdehnungsbehälter strömt und dort zwischengespeichert wird. Im Ausdehnungsbehälter kann bei Bedarf ein Vordruck eingestellt werden, damit die Wasserstrahlpumpe, die nur max. etwa 1,5 bar Saugdruck erzeugen kann, den Behälter dann auch noch leer saugen kann.
Mischbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlagventil zwischen Pumpe und Ausdehnungsbehälter verhindert, dass das Wasser von der Pumpe Richtung Ausdehnungsbehälter strömt.
Mischbatterie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das nachgeschaltete 3/2-Wege Ventil durch Hand oder Fernsteuerung geschaltet wird.
Mischbatterie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das nachgeschaltete 3/2-Wege Ventil durch eine geeignete Steuerung derart gesteuert wird, dass die Umlenkung in den Ausdehnungsbehälter dann beendet wird, sobald das heiße Wasser in der Heißwasserleitung bis zum 3/2-Wegeventil nachgeströmt ist.
Mischbatterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das nachgeschaltete 3/2-Wege Ventil durch den Wasserdruck gesteuert wird. Hierzu wird ein zusätzliches Thermostatelement, z. B. bestehend aus einem Dehnelement oder einem Bimetall-Element parallel zu den Komponenten der Thermostat-Mischbatterie durchströmt. Dieses Thermostatelement öffnet bei Erreichen der Zieltemperatur und lenkt das warme Wasser in den Druckraum zum Umschalten des 3/2-Wegeventils derart, daß dann das warme Wasser von den Komponenten der Thermostat-Mischbatterie nicht mehr in den Ausdehnungsbehälter strömt, sondern zum Verbraucher, z. B. zum Duschkopf.
Mischbatterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das nachgeschaltete 3/2-Wege Ventil durch ein Dehnelement oder Bimetall- temperaturgesteuert wird, derart, daß unterhalb der Zieltemperatur das strömende Wasser zum Sammelbehälter gelenkt wird und bei Erreichen der Zieltemperatur das Ventil den Wasserstrom zum Verbraucher hin, z. B. zum Duschkopf, umleitet.
Einbau aller vorstehend genannten Komponenten, außer dem Ausdehnungsbehälter, in ein gemeinsames kompaktes Gehäuse, welches wie eine herkömmliche Thermostat-Mischbatterie direkt an die zwei nebeneinander angeordneten Heiß- und Kaltwasserrohrleitungen angeschlossen wird
oder eine ähnlich funktionierende Mischbatterie zum Wandeinbau, bei der auch der Ausdehnungsbehälter zum gemeinsamen Gehäuse gehören kann.