NL2001108C2 - Zonneboilersysteem met thermische desinfectie. - Google Patents

Description

P83496NL00

Titel: Zonneboilersysteem met thermische desinfectie

De uitvinding heeft betrekking op een zonneboilersysteem. In Nederland gebruikelijke zonneboiler systemen bevatten een voorverwarmer. Een dergelijk systeem bevat een opslagvat met leidingwater dat direct of indirect met zonnewarmte wordt op gewarmd.

5

De temperatuur in het vat varieert naar gelang het zonaanbod en tapvraag. Naarmate er meer zon is zal het water in het vat warmer zijn en naarmate er vaker warm water afgetapt wordt zal het water kouder zijn. Het is bekend om met behulp van naverhitting, bijvoorbeeld met een gasbrander 10 het water op de gewenste tap temperatuur te brengen.

Er bestaat een risico dat het water in het zonneboilersysteem besmet raakt met bacteriën zoals legionella bacteriën. Afhankelijk van het temperatuursverloop van het water in het opslagvat wisselen perioden van 15 groeikans (T tussen 25 en 50 C), en perioden van afsterfte (T boven 50 C) van de legionella bacterie elkaar af. ISSO publicatie 55.1 stelt dat, om “Legionella risico neutraal” te zijn, de perioden tussen 25 en 50 C niet langer mogen zijn dan totaal een bepaald aantal dagen mag zijn.

20 Bij onvoldoende zonlicht bestaat het gevaar dat legionella, of andere microorganismen in gevaarlijke hoeveelheden in het water aanwezig zijn.

Dit probleem kan worden opgelost met een thermische desinfectiestap, dat wil zeggen door het tapwater gedurende een voldoende tijd boven 60 C te verhitten, het gebruik van gas of electriciteit voor deze thermische 25 desinfectie stap doet echter een deel van de energiewinst van de zonneboiler teniet.

2

Het is onder meer een doel van de uitvinding om te voorzien in een zonneboiler systeem waarin het risico van besmetting van het water verminderd wordt, zonder dat daardoor het energieverbruik sterk verhoogd hoeft te worden.

5

Er wordt voorzien in een zonneboilersysteem volgens conclusie 1. Hierin detecteert een besturingseenheid of een tijdsverloop van een temperatuur in een opslagvat voorafgaand aan het detecteren voldoet aan een voorafbepaald criterium. Dit criterium is gekozen om een risico op 10 ontwikkeling en aanwezig blijven van bacteriën, zoals legionella, vast te stellen. Daarvoor kan bijvoorbeeld gedetecteerd worden of de temperatuur gedurende meer dan een voorafbepaalde tijdsduur teruggaand van het tijdstip van detectie in een bereik heeft gelegen waarin de bacteriën tot ontwikkeling kunnen komen. Er kan echter bijvoorbeeld ook gebruik 15 gemaakt worden van een model, dat een voorspelde hoeveelheid bacteriën als functie van het termperatuursverloop berekent, waarbij het criterium is of de voorspelde hoeveelheid boven een drempel ligt. In response op detectie dat aan het criterium voldaan is schakelt de besturingseenheid het systeem van een vrijgavestand naar een desinfectiestand. In de vrijgave stand wordt 20 water van de uitgang van het opslagvat naar een tapwater uitgang gevoerd. In de desinfectiestand wordt een bypass gerealiseerd waarin water van de wateraanvoer naar de tapwater uitgang gevoerd wordt zonder door het opslagvat te passeren. Dit maakt het haalbaar om het water in het opslagvat uitsluitend met zonne-energie op te warmen. In de 25 desinfectiestand kan het water in het opslagvat onder invloed van de zonnecollector verder opgewarmd worden om besmetting te verwijderen.

Korte beschrijving van de tekeningen

Deze en andere doelen en voordelen zullen blijken uit een beschrijving van uitvoeringsvormen aan de hand van bijgaande figuur 1 die een zonneboiler systeem toont.

3 5 Gedetailleeerde beschrijving van uitvoeringsvormen Figuur 1 toont een zonneboilersysteem

Figuur 1 toont een zonneboilersysteem voorzien van een zonnecollector 10, 10 een wateraanvoer 11, een opslagvat 12, een besturingseenheid 14, een driewegklep 16 en een naverwarmer 17.

Zonnecollector 10 is via een verwarmingscircuit aan opslagvat 12 gekoppeld. Het verwarmingscircuit omvat een verwarmingsspiraal 120 in opslagvat 12 en een pomp 124 om water door verwarmingsspiraal 120 en zonnecollector 15 10 te pompen. Hoewel bij wijze van voorbeeld een verwarmingsspiraal getoond wordt kunnen ook andere manieren gebruikt worden om water met zonne-energie te verwaren. Naverwarmer 17 is bijvoorbeeld gas of electrisch gestookt.

Wateraanvoer 11 is bijvoorbeeld aan een drinkwaterleidingnet aangesloten. 20 Wateraanvoer 11 is via achtereenvolgens een eerste en tweede terugslagklep 190, 194 aan een aanvoer onder in opslagvat 12 gekoppeld. Een afvoer boven in opslagvat 12 is aan een eerste aansluiting van driewegklep 16 gekoppeld. Een tweede aansluiting van driewegklep 16 is aan een verbinding tussen eerste en tweede terugslagklep 190,194 25 gekoppeld en een derde aansluiting van driewegklep 16 is aan een ingang van naverwarmer 17 gekoppeld. Een uitgang van naverwarmer 17 is aan tapwaterkranen 18 gekoppeld. Afvoerkleppen 192, 196 zijn aan sifons (niet getoond) naar het riool gekoppeld vanaf respectievelijk de verbinding tussen eerste en tweede terugslagklep 190, 194 en de verbinding tussen tweede 30 terugslagklep 194 en opslagvat 12.

4

Besturingseenheid 14 heeft een ingang die aan een temperatuursensor 122 in opslagvat 12 gekoppeld is en een uitgang die aan een besturingsingang van driewegklep 16 gekoppeld is. Besturingseenheid 14 bevat bijvoorbeeld een microcomputer en is ingericht om driewegklep 16 te schakelen tussen 5 een vrijgave stand waarin water uit opslagvat 12 naar naverwarmer 17 gevoerd wordt en een desinfectie stand waarin water uit wateraanvoer 11 naar naverwarmer 17 gevoerd wordt zonder door opslagvat 12 te passeren. Besturingseenheid 14 is ingericht om driewegklep 16 tussen de vrijgave stand en de desinfectie stand afhankelijk van een criterium dat indicatief is 10 voor de ontwikkeling van legionella bacteriën, als functie van het tijdsverloop van de temperatuur die door temperatuursensor wordt aangegeven. Daartoe kan de microcomputer bijvoorbeeld zijn voorzien met een opgeslagen programma met instructies om het criterium periodiek te evalueren en afhankelijk van het resultaat van de evaluatie tussen de 15 verschillende standen te schakelen.

Temperatuursensor 122 is bijvoorkeur bovenin opslagvat 12 aangebracht, ongeveer ter hoogte van vat het aftappunt voor water dat naar driewegklep 16 stroomt. Dit aftappunt zit bovenin, bijvoorbeeld op minder dan 10% van de maximale hoogte van opslagvat 12. Zoals getoond steekt 20 temperatuursensor 122 in opslagvat 12, maar temperatuursènsor 122 kan ook op opslagvat 12 geplaatst zijn. Het is niet nodig dat de temperatuur van het tapwater direct gemeten wordt. Elke meting die informatie geeft over de temperatuur is bruikbaar, zoals bijvoorbeeld een meting van de temperatuur van de binnenwand van opslagvat 12.

25 Besturingseenheid 14 kan worden voorzien van regelprint met een 230V AC uitgang die direkt een 230 V klepmotor in driewegklep 16 kan aansturen. Uiteraard kan driewegklep 16 ook op een andere manier worden aangestuurd.

5

In normaal bedrijf wordt water uit opslagvat 12 via drie wegklep 16 en naverwarmer 17 naar tapkranen 18 gevoerd. Zonodig wordt naverwarmer 17 geactiveerd om het water op een gewenste temperatuur te brengen.

In bedrijf wordt gebruik gemaakt van thermische desinfectie, dat wil zeggen 5 van desinfectie door water gedurende minstens een voorafbepaalde tijd boven een voorafbepaalde temperatuur te houden. Een beveiliging om intrinsiek “Legionella risico neutraal” te blijven wordt bereikt volgens het volgende werkingsprincipe. Indien na laatste thermische desinfectie opslagvat 12 in totaal 5 (of 7) dagen tussen 25 en 50 C is geweest schakelt 10 besturingseenheid 14 driewegklep 16 om naar de desinfectie stand.

Zodoende functioneert driewegklep 16 als onderdeel van een bypass waarmee koud water uit wateraanvoer 11 naar naverwarmer 17 gevoerd wordt, waarbij opslagvat gebypassed wordt. Driewegklep 16 blokkeert nu de afvoer uit opslagvat 12. Omdat opslagvat 12 verder afgesloten is stroomt er 15 dan ook geen water meer naar het opslagvat 12 vanuit wateraanvoer 11. Zolang het vat wordt gebypassed, vindt er geen afkoeling van het opslagvat 12 plaats als gevolg van verversing, daardoor kan de temperatuur in opslagvat 12 oplopen zonder geremd te worden door verversing met koud water. Zodoende wordt meteen een veilige situatie gecreëerd, terwijl ook 20 thermische desinfectie met de beschikbare zonnewarmte direct kan beginnen. Als gedurende deze tijd water getapt wordt via tapkranen 18, dan wordt naverwarmer 17 geactiveerd om het water op de benodigde tapwater temperatuur te brengen.

Besturingseenheid 14 detecteert de oplopende temperatuur nadat het water 25 in opslagvat 12 gedurende een voorafbepaaide tijd boven een drempelwaarde is geweest (bijvoorbeeld boven 60 C gedurende minstens één uur, of een andere combinatie van tijd en temperatuur die geschikt is voor desinfectie) schakelt besturingseenheid 14 terug naar de vrijgave stand en gaat de warmwatervoorziening weer via het zonneboiler vat.

6

Bij voorkeur moet de thermische desinfectie voorziening voldoen aan de volgende eisen: intrinsiek veilig, geen comfortverlaging, dus naverwarmer 17 moet altijd tapwater kunnen leveren, desinfectie systeem moet zelf een zo gering mogelijk extra energiegebruik hebben, en bij voorkeur met zonne-5 energie worden uitgevoerd. In het systeem is de beveiliging volgens het genoemd principe en eisen gerealiseerd door (zie figuur) de voorverwarmer uit te rusten met een bypass leiding tussen tapwater-in en tapwater-uit van opslagvat 12 en een 2 standen-driewegklep die wordt aangestuurd op basis van tijd en temperatuur in de tank.

10 De driewegklep kent twee standen met de volgende beoogde werking. In de vrijgave stand is sprake van normaal zonneboiler-bedrijf en het tapwater kan vrij door het zonneboiler-tank stromen, de bypass AB is dan dicht. In de desinfectie stand kan geen tapwater via het zonneboilervat stromen, maar wordt direct via bypass AB koud water naar de naverwarmer 15 gestuurd. De tank wordt dan verwarmd door zonnewarmte, en niet meer uitgekoeld door tappen. Thermische desinfectie gebeurt dan als volgt: na passeren van grenstemperatuur van ca 60 C zal daadwerkelijke afdoding optreden en na voldoende tijd boven 60 C (ca 1 hr) is de desinfectie voltooid, en kan normaal bedrijf hervat.

20 De sturing van de klep door besturingseenheid 14 geschiedt als volgt: Temperatuursensor 122 moet de temperatuur aanwijzen van de meest Legionella-kritische zone bijvoorbeeld bovenin in opslagvat 12. Besturingseenheid 14 telt de totale de tijd tso dat temperatuursensor 122 een temperatuur onder 50 C aangeeft (startend vanaf tijd 0 na laatste 25 desinfectie). Als tussentijds een desinfectie optreedt, dat wil zeggen als de temperatuur gedurende een voorafbepaalde tijd boven een drempel waarde blijft (bijvoorbeeld minstens één uur boven 60 graden C) dan wordt de telling van tso teruggezet op nul. Optioneel wordt tijd onder 25 C niet mee geteld te worden want dan is er geen significante Legionellagroei mogelijk.

30 Besturingseenheid 14 handhaaft kiepstand "vrijgave” tot tso< N, waarin N

7 een voorafbepaald aantal dagen is, bijvoorbeeld 5 of 7 dagen, en schakelt om naar de desinfectie stand als tso> N dagen.

Na omschakelen naar “desinfectie”, telt besturingseenheid 14 een tijdsduur t6o waarvoor geldt Tsensor>60 C. Vanuit de stand desinfectie schakelt 5 besturingseenheid 14 om naar de vrijgave stand indien t6o> 60 min.

Hoewel specifieke criteria genoemd zijn zal het duidelijk zijn dat de nodige variatie in het criterium mogelijk is. Zo is het mogelijk om een cirterium te gebruiken dat vaker dan beschreven tot schakelen naar de desinfectiestand leidt. De veiligheid wordt zodoende niet gecompromitteerd, maar het 10 energieverbruik kan zodoende hoger worden. Zo kan bijvoorbeeld als vroeger geschakeld worden, voordat de grens van legionellagevaar bereikt wordt. Bijvoorkeur wordt het energieverbruik geminimaliseerd. Dit gebeurt bijvoorbeeld door de tijdsduur dat het water onder 25 C is niet mee te tellen. Zodoende kan minder vaak naar de desinfectiestand geschakeld worden, 15 zonder vermindering van de veiligheid. Wel meetellen van deze tijdsduur dat het water onder 25 C is kan ook, maar vergt meer energie. Iets vergelijkbaars geldt voor het criterium om terug te schakelen van de desinfectiestand naar de vrijgave stand: langer in de desinfectiestand blijven is geen probleem uit het oogpunt van veiligheid, maar om het 20 energieverbruik te minimaliseren heeft een zo kort mogelijke tijd in de desinfectiestand te prefereren.

Een andere mogelijkheid is om in besturingseenheid 14 gebruik te maken van een rekenmodel voor groeigedrag en sterfgedrag van de legionella en/of temperatuurafhankelijke decimaaltijden voor groei en afdoding. Hiermee 25 kan besturingseenheid 14 een voorspelde hoeveelheid bacteriën berekenen als functie van het gemeten termperatuursverloop. Door deze voorspelling met een drempelwaarde te vergelijke kan besturingseenheid 14 het moment waarop desinfectie gewenst is, of kan afgebroken kan worden, ook berekenen volgens dergelijke modellen en zo een veilige situatie creeeren 30 met minimaal energieverbruik door zo weinig mogelijk 8 desinfectiemomenten. Uit de literatuur zijn modellen voor groeigedrag en sterfgedrag van de legionella als functie van de temperatuur op zich bekend. Het criterium met tso is in feite een toepassing van een simpel model, waarin de vergelijking impliciet wordt uitgevoerd door tso met een drempel 5 te vergelijken.

Naast temperatuursensor 122 kan gebruik gemaakt worden van verdere sensoren, om een nauwkeuriger voorspelling te maken. Zo kunnen bijvoorbeeld meerdere temperatuursensoren op verschillende plaatsen in opslagvat 12 aan besturingseenheid 14 gekoppeld worden, of kan gebruik 10 gemaakt worden van een stromingssensor in opslagvat 12, of een stromingssensor voor stroming naar of van in opslagvat 12, of optische doorzichtigheidsmetingen enzovoort. Daarbij kan gebruik gemaakt worden van een rekenmodel dat de voorspelling van de hoeveelheidbacteriën mede als functie van stromingsgegevens berekent.

15 Optioneel kan gebruik gemaakt worden van een terugstroom beveiliging.

Als gevolg van het verwarmen van het water, zal dat uitzetten, en zal er een paar cc water willen terugstromende aanvoerleiding in. Dit is in principe ongewenst, en in diverse landen verboden. Een terugstroom beveiliging kan op verschillende manieren worden uitgevoerd. Hieraan worden in 20 verschillende landen uiteenlopende eisen gesteld.

In het voorbeeld van de figuur zijn twee inlaatcombinaties opgenomen met kleppen 192, 194, 196 om terugstroom naar aanvoer 11 te voorkomen. De toegevoegde waarde van de kleppen tussen aanvoer 11 en punt A is beperkt pl beperkt, en deze kan eenvoudig weggelaten worden. Het zal echter 25 duidelijk zijn dat de uitvoering van de terugstroombeveiliging optioneel is en geen invloed heeft op thermische desinfectie.

Howel een driewegklep getoond wordt, zal het duidelijk zijn dat ook andere klepstelsels gebruikt kunnen worden, zoals afsluiters in combinatie met T-stukken om éénzelfde functie re realiseren. Waar het om gaat is dat het 30 water uit opslagvat 12 in de desinfectiestand niet, of tenminste niet met een 9 wezenlijke stroming, wegstroomt voor gebruik als tapwater, maar dat in plaats daarvan water gebruikt wordt dat buiten het opslagvat gebruikt wordt. Dit geeft de zonnecollector de tijd om zelfs met weinig zonlicht het water voldoende op te warmen voor thermische desinfectie. Zolang niet een 5 wezenlijke hoeveelheid water uit opslagvat 12 stroomt, in die zin dat er niet zoveel uitstroomt dat het effect van opwarming met zonnecollector 10 teniet gedaan wordt, maakt dit thermische desinfectie mogelijk. In een voorkeursuitvoeringsvorm wordt B de grens voor een wezenlijke hoeveelheid hoger gelegd, bijvoorbeeld dat niet meer dan de helft van het genoemde 10 effect ongedaan gemaakt wordt, of dat niet meer dan een fractie van bijvoorbeeld 10% van het tapwater in de desinfectiestand uit opslagvat 12 stroomt. De grens wordt minstens zo gekozen dat een voldoende opwarmeffect voor thermische desinfectie in opslagvat 12 in stand blijft en wordt voorkomen dat de bacterieconcentratie in het uiteindelijke tapwater 15 boven een veilige drempel kan stijgen.

Hoewel driewegklep 16 op positie B getoond wordt kan deze ook op punt A worden opgenomen, dat wil zeggen in de verbinding tussen aanvoer 11 en opslagvat 12, met een aftakking naar een T-stuk in de verbinding tussen opslagvat 12 en naverwarmer 17. In de desinfectiestand wordt dan de 20 doorvoer naar opslagvat 12 geblokkeerd en doorvoer naar het T stuk mogelijk gemaakt. Omdat opslagvat 12 verder een gesloten systeem vormt kan er dan geen wezenlijke hoeveelheid water uit opslagvat 12 naar naverwarmer 17 stromen. Uiteraard kunnen daarbij aanvullende kleppen gebruikt worden. In de vrijgavestand laat de driewegklep in deze uitvoering 25 water naar opslagvat door. Driewegklep 16 op positie B heeft het voordeel dat door inzet van een inlaatcombinatie in de leiding tussen A en de tank, kan worden voorkomen worden dat er water uit de tank terugloopt, (in de desinfectiefase kan, door expansie bij temperatuurstijging in de tank, enkele 1 water uit de tank worden gedrukt, dit “expansiewater” moet bij 30 voorkeur niet terechtkomen in de tap waterleidingen).

10

Standaard is bij de zonneboiler altijd een inlaatcombi (kleppen 190, 192) geplaatst in de koudwater leiding met aflaatdruk PI (meestal 8 BAR). Door opnemen van de extra inlaatcombi (met aflaatdruk P2 lager dan PI, bijvoorbeeld 6 BAR) wordt nu een veilige afvoer gegeven aan het 5 “expansie water”.

Bij een defect aan driewegklep 16 of diens aansturing moet bij voorkeur de driewegklep 16 blijven staan in de Veilige stand “desinfectie”. Dit kan onder meer worden bereikt door een motorklep met automatisch terugloop dmv veer en/of een eindschakelaar op driewegklep 16 die waarmee alarmfunktie 10 wordt getriggerd indien klep niet de desinfectiestand bereikt.

Uit het voorgaande zal blijken dat voorzien wordt in een voorverwarmer voor tapwater die intrinsiek legionella veilig is, door bij een onveilige situatie (temperatuur-tijd curven) direct met de 3-weg klep om te schakelen naar een veilige situatie. Thermische desinfectie kan met het toevoeren van 15 uitsluitend zonnewarmte gerealiseerd worden. Alternatief kan een verwarmer in opslagvat gebruikt worden, bijvoorbeeld op basis van electriciteit of gas, om opwarming met zonnecollector 10 te ondersteunen. Verhinderen van wezenlijke afvoer uit opslagvat 12 maakt het mogelijk om de verwarming alleen met zonnecollector te realiseren. Door alleen 20 thermisch desinfecteren als dat nodig is (tijd-temp curve) en dit alleen met de zonnecollector, wordt de opbrengst van de zonneboiler minimaal aangetast.

Claims (11)

1. Zoimeboilersysteem, voorzien van - een opslagvat voor tapwater met een ingang en uitvoer voor het tapwater; - een zonnecollector die aan het opslagvat gekoppeld is voor het verwarmen van het tapwater; 5. een wateraanvoer gekoppeld aan de ingang van het opslagvat; - een tapwater uitgang; - een klepstelsel met aansluitingen gekoppeld aan de wateraanvoer, de uitgang van het opslagvat en de tapwater uitgang, en schakelbaar naar een vrijgave stand en een desinfectiestand, waarbij in de vrijgave stand water 10 van de uitgang van het opslagvat naar de tapwater uitgang gevoerd wordt en in de desinfectiestand een bypass gerealiseerd wordt waarin water van de wateraanvoer naar de tapwater uitgang gevoerd wordt zonder door het opslagvat te passeren en wezenlijke stroming van water uit het opslagvat verhinderd wordt; 15. een temperatuursensor voor meten van informatie over een temperatuur van het tapwater in het opslagvat; - een besturingseenheid ingericht om te detecteren of een tijdsverloop van de temperatuur voldoet aan een voorafbepaald criterium en in response op detectie dat voldaan is aan het criterium het klepstelsel van de 20 vrijgavestand naar de desinfectiestand te schakelen.

2. Zonneboiler volgens conclusie 1 ingericht om het tapwater in het opslagvat uitsluitend met de zonnecollector te verwarmen.

3. Zonneboiler volgens conclusie 1 of 2, waarin het criterium is dat een tijdsduur, waarin de temperatuur onder een voorafbepaaide 25 drempelwaarde is geweest, boven eén maximum uitgekomen is.

4 Zonneboiler volgens conclusie 3 waarin de tijdsduur herzet wordt in response op detectie dat het temperatuursverloop aan een verder criterium voldoet.

5 Zonneboiler volgens conclusie 3 of 4 waarin in de tijdsduur periodes 5 waarin de temperatuur onder een verdere drempelwaarde ligt niet worden meegeteld.

6. Zonneboiler volgens conclusie 1 of 2, waarin de besturingseenheid bij de evaluatie van het criterium gebruik maakt van een rekenmodel voor voorspelling van een hoeveelheid bacteriën als functie van het tijdsverloop 10 van de temperatuur.

7. Zonneboiler volgens één der voorafgaande conclusies, waarin de besturingseenheid ingericht is om verder te detecteren of het temperatuurverloop na het omschakelen van de vrijgavestand naar de desinfectiestand voldoet aan een verder criterium en in response op detectie 15 van voldoen aan het verdere criterium afhankelijk van het detecteren van de desinfectiestand naar de vrijgavestand te schakelen.

8. Zonneboiler volgens conclusie 7 waarin het verdere criterium is dat een verdere tijdsduur waarin de temperatuur boven een verdere voorafbepaalde drempelwaarde is geweest boven een verder maximum 20 uitgekomen is.

9. Zonneboiler volgens één der voorafgaande conclusies, met een verbinding tussen de wateraanvoer en de ingang van het opslagvat, waarin een ingang van het klepstelsel aan de wateraanvoer gekoppeld is via een aftakking van genoemde verbinding.

10. Zonneboiler volgens één der voorafgaande conclusies, voorzien van een terugslagklep tussen de wateraanvoer en de ingang van het opslagvat.

11. Werkwijze voor het leveren van tapwater, omvattende - verwarmen van het tapwater in een opslagvat met een zonnecollector; - detecteren of een tijdsverloop van een temperatuur van het tapwater in 30 her opslagvat voldoet aan een voorafbepaald criterium; - in response op detectie dat voldaan is aan het criterium van een vrijgavestand naar de desinfectiestand schakelen, waarbij in de vrijgave stand water van een uitgang van het opslagvat naar een tapwater uitgang gevoerd wordt en in de desinfectiestand een bypass gerealiseerd wordt 5 waarin water van de wateraanvoer naar de tapwater uitgang gevoerd wordt zonder door het opslagvat te passeren en wezenlijke stroming van water uit het opslagvat verhinderd wordt.