DE3006119A1 - Waermeaustauscher mit waermepumpe zur rueckgewinnung der waermeenergie von abwasser - Google Patents

Waermeaustauscher mit waermepumpe zur rueckgewinnung der waermeenergie von abwasser

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DE3006119A1 DE19803006119 DE3006119A DE3006119A1 DE 3006119 A1 DE3006119 A1 DE 3006119A1 DE 19803006119 DE19803006119 DE 19803006119 DE 3006119 A DE3006119 A DE 3006119A DE 3006119 A1 DE3006119 A1 DE 3006119A1
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Description

Anmelder: Herr Hans Luka
Boltestraße 5 5810 Witten/Ruhr
Bezeichnung: Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe zur
Rückgewinnung der Wärmeenergie von Abwasser
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher mit einer Wärmepumpe zur Rückgewinnung der Wärmeenergie von bisher üblicher Weise nutzlos in die Kanalisation geführtem warmen Abwasser.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe soll' es dabei ermöglicht werden, über 50% der bisher an die Kanalisation abgegebenen Wärmemengen zurückzugewinnen.
Die Vorrichtung eignet sich dabei insbesondere bei Einrichtungen, wo größere Mengen an Warmwasser in die Kanalisation gegeben werden .Al so insbesondere bei Brauseeinrichtungen in Frei- und Hallenbädern, Turnhallen, bei Badeeinrichtungen in Kranken- und Kurmittelhäusern, bei Mehrfamilienhäusern, also überall da, wo größere Mengen Wärme an die Kanalisation abgegeben werden.
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•j
Um nun einen hohen Anteil der an die Kanalisation üblicherweise abgegebenen.Wärmemengen des Abwassers zurückzugewinnen, isterfindungsgemäß eine Vorrichtung aus Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Wärmeaustauscher aus mindestens zwei über Verbindungsrohrleitungen mit Ventilen zum Zu- und Abschalten an einen Warmwassersammeizufluß und*einen Wasserabfluß untereinander verbundenen Sammelbecken besteht, in denen jeweils Verdampfereinheiten bzw. Sprialrohre des Wärmepumpenaggregates, angeordnet sind, und daß die Verdampfereinheiten über gleichzeitig oder wechselseitig zuschaltbare Leitungen mit dem Wärmepumpenaggregat in Verbindung stehen.
* gegebenenfalls
Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, daß dann ein hoher. Anteil der Wärmemengen des Abwassers sich zurückgewinnen läßt, wenn man das Abwasser zunächst getrennt als Warmwasser und Kaltwasser abführt und dabei das Warmwasser in ein Auffangbecken leitet, das sich je nach Größe des Abwasseranfalles und der Abkühlgeschwindigkeit durch die Wärmepumpe auslegen läßt. Zur Auslegung dient dabei die Aufteilung des Auffangbeckens in mehrere Sammelbecken mit geeignetem begrenzten Volumen.
In dem Warmwassersammelzufluß werden dabei die Leitungen von solchen Wasserverbrauchsstellen zusammengeführt, bei denen üblicherweise Warmwasser verbraucht wird. Insofern kommen also insbesondere die Abflußleitungen von Brausbädern, Wannenbädern, Waschtischen, Handwaschbecken, Spülsteinen, Geschirrspülmaschinen und Waschmaschinen in Frage. Dagegen werden die Abflußleitungen von solchen Verbrauchsstellen, wo üblicherweise Kaltwasser anfällt, getrennt direkt in die Kanalisation abgeführt, also beispielsweise das Ab-
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wasser von Toiletten, Ausgüssen und Gullys,
Die in den einzelnen Sammelbecken angelegten Verdampfereinheiten bzw .Schlangenrohre des getrennt aufgestellten Wärmepumpenaggregates werden dabei gleichzeitig oder wechselseitig dem Wärmepumpenaggregat zugeschaltet, wodurch erreicht wird, daß das Arbeitsmittel der Wärmepumpe, welches die Verdampfereinheit durchläuft, zu einem Großteil nur an heißem Wasser vorbeigeführt wird, wobei die Wärmeenergie des gesamten Abwassers optimal bis zur jeweiligen minimalen Arbeitstemperatur des Wärmepumpenaggregates bzw. Arbeitsmediums abziehbar ist.
Die Aufteilung des Auffangbeckens in mehrere Sammelbecken hat dabei den weiteren Vorteil, daß in das Auffangbecken ansich zulaufendes Warmwasser sich nicht zwangsläufig mit schon in einem Sammelbecken befindlichem durch die Wärmepumpe abgekühlten Abwasser vermengt, aus dem beispielsweise bis zu einer Temperatur von 60C noch weiter Wärme mittels der Wärmepumpe abziehbar ist.
Um in geeigneter Weise nachfließendes Abwasser, dessen Wärmeenergie zurückgewonnen werden soll, den Sammelbecken zuführen zu können, ist dabei vorgesehen, daß die Leitung des Warmwassersammelzuflusses verzweigt in einzelne Zuleitungen für die einzelnen Sammelbecken aufgeteilt wird und daß in diesen Zuleitungen Schnellschlußventile angeordnet sind.
Der Einlauf in die einzelnen Sammelbecken ist dabei jeweils im oberen Abschnitt dieser Becken in der Behälterwandung vorgesehen, und der Ablauf der Sammelbecken zu dem Wasserabfluß bzw. zu der Kanalisation im Boden der Sammelbehälter. Auf diese Weise ist es möglich die Einheiten der Sammelbecken
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kompakt in relativ kleiner Größenordnung im Vergleich mit dem in den Sammelbecken aufnehmbaren max. Wasservolumen auszubilden.
Eine kompakte Bauart des Auffangbeckens ist auch dann noch gegeben, wenn neuerungsgemäß der Wasserabfluß des Auffangbeckens als mit der Kanalisation verbindbare Abflußleitung a dem Wärmeaustauscher selbst ausgebildet ist, wobei in diesen Leitung die Abflußleitungen der einzelnen Sammelbecken gefüt sind. Unmittelbar am Anfang der Abflußleitungen der Sammelbecken sind dabei Schnellschlußventile angeordnet, so daß de jeweils über Schwimmereinrichtungen gemessene Wasserstand ir den einzelnen Sammelbecken voll abziehbar ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform erfolgt dabei der Anschluß der Verdampfereinheiten bzw. Schlangenrohre zum Wärmepumpenaggregat parallel zueinander, so daß über ein einziges Wärmepumpenaggregat je nach optimalen Betriebsbedingungen die Verdampfereinheiten gleichzeitig oder wechselseitig betrieben werden können.
Obwohl zur Regulierung der Füllhöhen in den einzelnen Sammelbecken Schwimmervorrichtungen in diesen vorgesehen sind, die ihrerseits Schnellschlußventile im Ein- bzw. Ablauf regulieren, sind als zusätzliche Sicherungsmaßnahme jeweils offene Verbindungen bzw. Überläufe zwischen zwei benachbarten Sammelbecken vorgesehen, wobei zumindest das letzte der in Reihe hintereinander geschalteten Sammeibecke] einen weiteren überlauf aufweist, der als Ablauf zur Kanalisation ausgebildet ist.
Zum Abschalten der Wärmepumpe nach Abzug der in dem Abwasse: vorhandenen Wärmemengen, bzw. Erreichung der niedrigst
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möglichen Arbeitstemperatur des-Arbeitsmediums der Wärmepumpe sind am Boden der Sammelbecken jeweils Thermostate vorgesehen, wobei über diese Thermostate auch ein öffnen in der im Abfluß der einzelnen Sammelbecken vorhandenen Schnellschlußventile erfolgt.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt: " ~
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Neuerung aus einem Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe, wobei die Darstellung teilweise als Schnitt und als Seitenansicht wiedergegeben ist.
In der Fig. 1 erkennt man den Wärmeaustauscher W, der ein Auffangbecken für in einer getrennten Abflußleitung abzuführendes warmes Abwasser darstellt. Das Auffangbecken ist dabei in zwei Sammelbecken A und B aufgeteilt, wobei das Warmwasser in diese Sammelbecken über den Warmwasserzufluß bzw. dessen Leitung 12 und Verzweigungen 13, 14 je nach Stellung des Schnellschlußventils 1, 3 in die Sammelbecken A oder B führbar ist. Das Volumen und die Anzahl der einzelnen Sammelbecken werden dabei je nach der zu erwartenden durchschnittlichen Menge an abfließenden Warmwasser ausgelegt. Zum Abfließen des durch das Wärmepumpenaggregat 7 abgekühlten Wassers in den einzelnen Sammelbecken dienen in den Böden der Sammelbecken angeordnete Abläufe, die über Abflußleitungen 15 und 16 mit der zur Kanalisation führenden Abflußleitung 8 in Verbindung stehen.
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'·---- ·■■'·-■ 30Q6119
Zur Regulierung des Abflusses dienen dabei die in den Abflußleitungen 15 und 16 angeordneten Schnellschlußventile 2, 4.
Die Schnellschlußventile 1, 2, 3 und 4 und das Wärmepumpenaggregat 7 werden dabei über.Schwimmervorrichtungen 5, 6 in den einzelnen Sammelbecken A, B und Thermostate 9, 10 gesteuert, wozu außerdem noch ein zentrales Steuergerät mit S teuer leitungen .11 vorgesehen ist, über die die Schnellschlußventile 1 - 4 und die Zuschaltungen der in den Sammelbecken A, B befindlichen Verdampfereinheiten 20,21 bzw. deren Anschluß leitungen 22, 23; 24,. 25 gesteuert werden.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist es dabei möglich, die beiden Sammelbecken A, B mit einem einzigen Wärmepumpenaggregat zu betreiben, wobei die Verdampfereinheiten parallel zueinander geschaltet sind, d.h. daß die Leitungen 22, 24 und 23, 25, in denen einzelne über die Steuerleitungen 11 regelbare Sperrventile vorgesehen sind, miteinander verbundnen sind.
Die Funktionsweise, der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einem Wärmeaustauschar mit Wärmepumpe ist wie folgt:
Während die "Kaltabflüsse11 direkt der Kanalisation zugeführt werden, fließt das Abwasser von Verbrauchsstellen von Warmwasser in das. wärmeisolierte Auffangbecken, dessen Größe bzw. Anzahl der Sammelbecken dem zu erwartenden Abwasseranfall und der Abkühlgeschwindigkeit durch die Wärmepumpe angepaßt ist. Die Füllhöhe der Sammelbecken A, B wird dabei . jeweils über Schwimmervorrichtungen 5, 6 in Verbindung mit den Schnellschlußventilen 1-4 geregelt.
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COPT·*
Zuerst läßt man das Becken A vollaufen. Hat der Wasserstand und der Schwimmer 5 im Becken A.den höchsten Stand erreicht, wird über ein Relais das Ventil 1.geschlossen und das Ventil 3 des Sammelbeckens B geöffnet, so daß das Becken B volläuft.
Da die Wärmepumpe 7 bei Erreichung einer geeigneten Füllhöhe des Sammelbeckens A eingeschaltet ist, entzieht dabei die Wärmepumpe dem Becken A die Wärme bis auf beispielsweise eine Temperatur von +60C.
Ist diese Temperatur· erreicht, gibt das Thermostat 9 im Sammelbecken A einen öffnungsimpuls an das dortige Ventil 2 und das Wasser des Sammelbeckens A fließt somit in die Kanalisation. Mit Absinken des Wasserspiegels fällt im Sammelbecken A auch der Schwimmer 5 und löst auf dem dort vorgesehenen niedrigsten .Stand einen Impuls aus, der das Ventil 2 schließt und das Ventil 1 wieder öffnet.
Entsprechend erfolgt die Arbeitsweise in dem Sammelbecken B.
Die Überläufe 18 und 19, wobei der letztere über eine Abflußleitung 17 in die in die Kanalisation führende Abflußleitung mündet, verhindert dabei einen Rückstau in die Gebäudeabflußleitungen.
Anhand zweier Beispiele läßt sich leicht erkennen, daß der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wärmetauschersystems bei mindestens 50% der bisher an die Kanalisation abgegebenen Wärmemenge liegt.
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COPY
3QQ6119
Beispiel 1:
Für ein Wannebad mit 11O.Liter Inhalt
werden benötigt: werden zurückgewonnen;
Einlauftemperatur: 42° C Ablauftemperatur: 320C
Leitungswassertemperatür: 10° C Abkühltemperatur: 60C
Wirkungsgrad d.Anlage: 75% Verlust in Abfluß-
leitung: 10%
(42°C-100QxIIOltr.xi00 = (32oC-6°C-3°C)x110 ltr.=
75
4693 kcal 2530 kcal
Rückgewinnung:. 2530 kcal χ 100
4693 kcal = ca. 54%
Beispiel 2:
Eine Brause in einem Hallenbad mit 420 Liter Wasserverbrauch
in einer Stunde benötigt: werden zurückgewonnen:
Einlauftemperatür 420C Ablauftemperatur: 350C
Leitungswassertemperatur: 100C Abkühltemperatur: 6 0C
Wirkungsgrad d. Anlage: 75% Verlust in Abflußleitung: 10%
(42°C-10°C)x420 ltr. X 100 35°C-6°C-4°C = 25°C
75 25°C χ 420 ltr. = 10500 kc 17920 kcal ========
Rückgewinnung: 10500 kcal χ 100 =
-=«-=-=="=- 17920 kcal ca. 58%
130034/0602 =======
Es ergibt sich insofern eine äußerst günstige Rentabilität der neuerungsgemäßen Vorrichtung, wobei weder durch Solarzellen noch durch Erdwärme der Energiebedarf eines Hauses in einem solch hohen Umfang abgedeckt werden kann.
Im folgenden sei die Arbeitsweise eines neuerungsgemäßen Wärmeaustauschers mit Wärmepumpe schematisch dargestellt, wobei das Auffangbecken in zwei Sammelbecken aufgeteilt ist und dem diesen Becken zugeführten Abwasser gleichzeitig oder nacheinander durch die Wärmepumpe Energie entzogen wird.
Arbeitsweise der Anlage Anfangszustand:
Becken A . Becken B
Ventil 1 offen Ventil 3 geschlossen
Ventil 2 geschlossen Ventil 4 geschlossen Schwimmer 5 unten Schwimmer 6 unten Wärmepumpe 7 ausgeschaltet Wärmepumpe 7 ausgeschaltet
Jetzt läuft Wasser insBecken ./.
"A"
Schwimmer 5 steigt ./.
Bei 1/2 Wasserstand
Impuls an W.-Pumpe 7 zum
einschalten ./.
Während des Wassereinlaufes entzieht 7 dem Becken
"A" die Wärmeenergie bis +60C ./. Hat Wasserstand somit Schwimmer
5 den höchsten vorgegebenen
Stand erreicht, wird über
Impuls:
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sowohl:
Ventil 1 geschlossen
Pumpe 7 läuft
liegt Temperatur bei +60C:Impuls von Thermostat 9 zum
a)W.-Pumpe 7 ausschalten b)Ventil 2 öffnen Das kalte Wasser fließt in Kanalisation 8
Hat Schwimmer 5 untersten Stand erreicht, Impuls an
a) Ventil 2 schließen
b) Ventil 1 öffnen
Wasser fließt wieder ein Vorgang wiederholt sichi als auch:
Ventil 3 geöffnet
überschüssiges Wasser läuft jetzi in Becken "B"
Schwimmer 6 steigt
Bei 1/2 Wasserstand Impuls an
Pumpe 7 zum einschalten; Pumpe
entzieht Wärme in Becken "B";
Fällt mehr Wasser an, wie Becken fassen kann, fließt Mehrmenge üb« Sicherheitsüberlauf in Kanalisat:
Pumpe 7 läuft
/K
und:
c) Ventil 3 schließen;
Hat Pumpe 7 Becken "B" die Wärme entzogen, dann Impuls von Thermostat 10 .an:
a) Pumpe .7 ausschalten
b) Ventil 4 öffnen
Kaltes Wasser fließt in Kanalisation 8
Hat der Schwimmer 6 untersten St« erreicht, Impuls an:
Ventil 4 schließen
Vorgang wiederholt sich!
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Claims (1)

  1. Postfach 2448
    Witten/Ruhr
    Patentansprüche :
    1J Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe, dadurch g e k e η nzeichnet, daß der Wärmeaustauscher W aus mindestens zwei über Verbindungsrohrleitungen (13 -19) mit Ventilen (1 - 4) zum Zu- und Abschalten an einen Warmwasserzufluß (12) und .gegebenenfalls an einen Wasserabfluß (8)untereinander verbundenen Sammelbecken (A, B) besteht, in denen jeweils Verdampfereinheiten bzw. Schlangenrohre (20, 21) des Wärmepumpenaggregates (7) angeordnet sind, und daß diese Verdampfereinheiten über gleichzeitig oder wechselseitig zuschaltbare Leitungen mit dem Wärmepumpenaggregat (7) in Verbindung stehen.
    Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Warmwasserzufluß (12) aus einer Falleitung gebildet wird, welche
    ,_ sich in einzelne Zuleitungen (13,14) für die einzelnen Sammelbecken (A,B) verzweigen, und daß in diesen Zuleitungen (13,14) Schnellschlußventile 1,3 angeordnet sind.
    3. Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserabfluß (8) als mit der Kanalisation verbindbare Abflußleitung ausgebildet ist, wobei in diese Leitung die Abflußleitungen (15,16,17) der Sammelbecken (A,B) geführt sind.
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    4. Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abflußleitung des Wasserabflusses (8) ein Rückschlagventil für den Fall einer Überflutung des Vorfluters der Kanalisation angeordnet ist.
    5. Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassereinlauf in den Sammelbecken (A, B) jeweils im oberen Abschnitt der Sammelbecken angelegt ist und der Wasserablauf unmittelbar im Boden der Sammelbecken.
    6. Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abflußleitungen (15,16) der Sammelbecken (A, B) Schnellschlußventile (2,4) angelegt sind.
    7. .Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfereinheiten bzw.Schlangehrohre (20,21) der Sammelbecken (A, B), welche aus dem Wärmepumpenaggregat (7) geführt sind, untereinander parallel geschaltet sind.
    8. Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 7, dadurch g e k e η η ζ e ichnet, daß zur Begrenzung der Wasserstände in den einzelnen Sammelbecken (A, B) offene Verbindngen (18) bzw. Überläufe zwischen jeweils zwei angrenzenden Sammelbecken vorgesehen sind, und daß zumindestens in einem der Sammelbecken ein als Überlauf ausgebildeter Ablauf (19) zum Wasserabfluß un-
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    mittelbar in die Kanalisation beim überschreiten des Fassungsvermögens der Sammelbecken (A,B) vorgesehen ist.
    9. Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelbecken (A, B) unmittelbar aneinander als eine Behältereinheit gebaut sind. ,
    10. Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe.nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß Schwimmervorrichtungen (5,6) in den einzelnen Sammelbecken (A, B) zur Registrierung des minimalen und maximalen Wasserstandes und damit zur Stellung der Schnellschlußventile (1 - 4) und zum Einschalten des Wärmepumpenaggregates vorgesehen sind.
    11. Wärmeaustauscher, mit Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -10, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils im unteren Bereich der Sammelbecken (A, B) Thermostate (9,10) zum Abschalten der Wärmepumpe bei Abkühlung des in den Sammelbehältern (A bzw. B) befindlichen Wassers und öffnen der Abflußleitungen (15,16) des Sammelbeckens (A bzw. B) vorgesehen sind.
    12. Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelbecken (A, B) innen mit einer wärmeisolierenden Schicht versehen sind.
    130034/0602
    3006113
    13. Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelbecken (A, B) jeweils oben mit Reinigungsdeckeln versehen sind.
    14. Wärmeaustauscher mit Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Wärmeaustauscher (Erdwärmeaustauscher, Dachwärme- oder Fassadenwärmeabsorber) wahlweise statt des Austauschers (W) mit Wärm!wasser mit der Wärmepumpe (7.) über Rohrleitungen mit Ventilen verbunden ist, wobei die Zuschaltung insbesondere bei geringem Warmwasseranfall erfolgt.
    30034/0602
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