WO2003074941A1 - Wärmeaustauscher und vorrichtung zur rückgewinnung der im abwasser eines gebäudes gespeicherten wärmeenergie - Google Patents

Abstract

Es werden ein Wärmeaustauscher (33) und eine mit dem Wärmeaustauscher (33) versehene Vorrichtung beschrieben. Der Wärmeaustauscher (33) enthält einen mit einem Zulauf (42), einem Auslauf (46) und einem Überlauf (43) versehen, zur Aufnahme einer vorgewählten maximalen Menge des Abwassers bestimmten Sammelbehälter (40). Der Auslauf (46) ist mit einem steuerbaren Ventil (47) und der Sammelbehälter (40) mit wenigstens einem Temperatursensor (48) zur Steuerung des Ventils (47) in Abhängigkeit von der Temperatur des Abwassers versehen.

Description

Wärmeaustauscher und Vorrichtung zur Rückgewinnung der im Abwasser eines Gebäudes gespeicherten Wärmeenergie

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher und eine Vorrichtung der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6 angegebenen Gattungen.

Bekannte Wärmeaustauscher und Vorrichtungen dieser Art (DE 34 27 205 AI) dienen insbesondere der Benutzung der in Haushalten anfallenden Abwässer zur Toilettenspülung, um dadurch den Verbrauch an Trinkwasser einzuschränken. Das aus Waschbecken, Duschen, Bädern usw. abfließende Abwasser wird dazu in einen mit einem Zulauf und einem Auslauf versehenen Sammelbehälter emgeführt und von dort über den Auslauf unter Druck in einen Druckwasserkessel gepumpt. Von dort wird das Abwasser je nach Bedarf zu einem Spülkasten oder einem Druck-Spülventil weitergeleitet. Mittels eines Überlaufs des Sammelbehälters kann überschüssiges Abwasser direkt in die Kanalisation gelangen. Außerdem ist eine Rückgewinnung der im Abwasser enthaltenen Wärme dadurch vorgesehen, daß in dem Sammelbehälter eine von einem Wärmeaustauschmedium durchströmte, je einen Eingang und Ausgang für dieses aufweisende Rohrschlange angeordnet wird. Dabei wirkt der Sammelbehälter als ein Wärme abgebender Abschnitt und die Rohrschlange als ein Wärme auf- nehmender Abschnitt eines Wärmeaustauschers.

Ein im Hinblick auf die Wärmerückgewinnung bestehendes Problem besteht bei der bekannten Vorrichtung darin, daß die Verweildauer des Abwassers im Sammelbehälter von der für die laufende Toilettenspülung benötigten Wassermenge abhängig und daher nicht kontrollierbar ist. Es bleibt daher dem Zufall überlassen, ob in den Sammelbehälter einfließendes warmes Abwasser mehr für die Wärmerückgewinnung oder mehr für die Toilettenspülung verwendet wird. Zur zusätzlichen Erwärmung von Brauchwasser in Gebäuden, beispielsweise für Heizungsanlagen, Waschmaschinen od. dgl. , sind derartige Wärmeaustauscher daher nur bedingt geeignet.

Daneben werden zur Gewinnung von Wärmeenergie in Gebäuden zunehmend Wärmepumpen eingesetzt. Als Wärmequellen für die Wärmepumpen dienen dabei z.B. Wasser, Luft oder Erdwärme. Besonders zweckmäßig ist in diesem Zusammenhang die Nutzung der Latentwärme von Wasser bzw. die in einem Wasserspeicher beim Übergang vom Wasser auf Eis entstehende, als Latentwärme bezeichnete Umwandlungswärme, da die sich hierbei ergebende Speicherdichte mit 84,4 kWh m³ erheblich größer als die Speicherdichte von Wasser ist (z.B. DE 26 37 784 C2, DE 27 17 075 AI, DE 198 39 867 AI, US-PS 5 207 075). Da die Leistungszahl einer üblichen Wärmepumpe nicht nur von der Temperaturdifferenz zwischen ihrem Vorlauf und Rücklauf abhängt, sondern auch weitgehend linear mit der Höhe der Rücklauftemperatur ansteigt, könnte die aus dem Abwasser eines Gebäudes zurück gewonnene Wärmeenergie ein sinnvolles Mittel zur Erhöhung der Rücklauftemperatur darstellen. Auch für einen solchen Anwendungszweck sind die bekannten Wärmeaustauscher bzw. Vorrichtungen der eingangs bezeichneten Gattungen allerdings nur wenig geeignet, da nicht siehergestellt werden kann, daß bei Bedarf ausreichend warmes Abwasser zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Wärmeaustauscher und die Vor- richtung der eingangs bezeichneten Gattungen so auszubilden, daß sie eine verbesserte Rückgewinnung der im Abwasser enthaltenen Wärmeenergie ermöglichen und daher sowohl zur Erwärmung von Kaltwasser als auch zur Erwärmung des auf der kalten Seite einer Wärmepumpe fließenden Wärmeaustauschmediums wirksam eingesetzt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der Ansprüche 1 und 6.

Die Erfindung bringt den wesentlichen Vorteil mit sich, daß mit Hilfe des Temperatursensors und des von ihm gesteuerten Ventils die Verweildauer des Abwassers im Sammelbehälter gesteuert werden kann. Dadurch ist es möglich, warmes Abwasser möglichst lange im Sammelbehälter zur Verfügung zu halten, bis eine effektive Wäraieriickgewinnung stattgefunden hat, im Sammelbehälter befindliches Abwasser dagegen zumindest dann ablaufen zu lassen, wenn seine Temperatur einen für den jeweils gewünschten Anwendungszweck zu kleinen Wert besitzt oder erreicht hat.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schalt- und Funktionsdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher für die Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 einen schematischen Schnitt längs der Linie A - A der Fig. 1;

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 3;

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher zur zusätzlichen Nutzung der in Brauchwasser enthaltenen Wärmeenergie; und

Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch den Wärmeaustauscher nach Fig. 5 in Höhe eines Überlaufs.

Nach Fig. 1 enthält eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wärmeenergie unter beispielsweiser Nutzung der Latentwärme von Wasser hauptsächlich eine Wärmepumpe 1 und eine Wärmequelle in Form eines Wasserspeichers 2. Die Wärmepumpe 1 kann irgendeine her- kömmliche, z. B. mit einem Kompressor und einer Umwälzpum- pe 3 versehene Wärmepumpe sein, die je einen nicht dargestellten Verdampfer (kalte Seite) und Kondensator (warme Seite) aufweist. Die Wärmepumpe 1 hat auf der kalten Seite je einen Vorlauf 4 und Rücklauf 5. Der Vorlauf 4 ist mit dem Eingang eines Wärmeaustauschabschnitts 6 eines Wärmeaustauschers 7 verbunden, der am Boden des Wasserspeichers 2 angeordnet ist, während der Ausgang des Wärmeaustauschab- Schnitts 6 an den Rücklauf 5 angeschlossen ist. Der genannte Kreislauf wird von einem geeigneten Wärmeaustauschmedium, z. B. Wasser, durchströmt. Der Wärmeaustauscher 7 entzieht dem im Wasserspeicher 2 befindlichen Wasservorrat Wärmeenergie und führt dem Rücklauf 5 daher wärmeres Wasser zu, als ihm vom Vorlauf 4 zuströmt, wodurch die erforderliche Verdampfungswärme für das Arbeits- bzw. Kältemittel der Wärmepumpe 1 aufgebracht wird. Außerdem hat die warme Seite der Wärmepumpe 1 je einen Vor- und Rücklauf 8 bzw. 9, die beide mit einem Warmwasserspeicher 10 verbunden sind und den darin befindlichen Wasservorrat erwärmen, der in einem Gebäude als Warmwasser oder als Heizwasser für eine Wand- oder Fußbodenheizung 11 verwendet werden kann.

Der Wasserspeicher 2 kann in bekannter Weise als eine mehrere Kubikmeter fassende, z. B. aus Beton hergestellte Zisterne ausgebildet sein, die in ausreichender Tiefe eines Gebäudes oder im Erdreich angeordnet ist, so daß der in ihr befindliche Wasservorrat durch Wärmeaustausch mit der umgebenden Erde, wie durch Pfeile 12 angedeutet ist, stets auf einer ausreichend hohen Temperatur gehalten wird, die oberhalb von 0 °C liegt und meistens größer als die Temperatur des vom Vorlauf 4 her zuströmenden Wassers ist.

Das vom Vorlauf 4 kommende Wasser, das vorzugsweise mit einer ausreichenden Menge an Gefrier- bzw. Frostschutzmittel wie z. B. Glykol vermischt ist und z. B. eine Temperatur von -10 °C annehmen kann, hat an denjenigen Flächen des Wärmeaustauschers 7, die mit dem im Wasserspeicher 2 befindlichen Wasservorrat in Berührung stehen, die Bildung von Eis zur Folge. Je dicker diese Eisschicht wird, umso schlechter ist der Wärmeübergang vom Wasserspeicher 2 zu dem im Wärmeaustauschabschnitt 6 fließenden Wasser, da die Eisschicht als Isolator wirkt. Es ist daher erforderlich, die Eisbildung zu vermeiden, wie dem Fachmann allgemein bekannt ist und nicht näher erläutert werden braucht (z. B. DE 30 11 840 AI, DE 44 05 991 Cl, DE 198 39 867 AI).

Erfindungsgemäß sind zur Vermeidung der Eisbildung bzw. zur Ablösung von bereits gebildeten Eisschichten die nachfolgend erläuterten Maßnahmen vorgesehen.

Zunächst wird der Wärmeaustauscher 7 erfindungsgemäß entsprechend Fig. 2 und 3 ausgebildet. Danach enthält der Wärmeaustauschabschnitt 6 einen ersten Abschnitt 6a, der vorzugsweise als hohlzylindrisches Rohr mit gerader Achse 14 ausgebildet ist und einen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Das untere Ende des Abschnitts 6a ist flüssigkeitsdicht auf einem Standfuß 15 befestigt, der z. B. aus einer senkrecht zur Achse 14 angeordneten, planparallelen Platte besteht. An dem Abschnitt 6a sind mehrere Wärmeleitelemente 16 befestigt, die mit glatten, im wesentlichen radial zur Achse 14 und einander gegenüberliegend angeordneten Wärmeaustauschflächen 16a versehen sind. Vorzugsweise bestehen die einzelnen Wärmeleitelemente 16 aus planparallelen Platten, die die Achse 14 entsprechend Fig. 2 sternförmig umgeben. Die Wärmeleitelemente 16 sind dabei vorzugsweise teils an der Außenseite und teils an der Innenseite des Mantels des Abschnitts 6a angeordnet, so daß sie von diesem teilweise radial nach außen abstehen und teilweise nach innen in den Abschnitt 6a hineinragen. Die Herstellung des Wärmeaustauschers 7 aus einem gut wärmeleitenden Material wie z. B. Aluminium kann daher z. B. dadurch erfolgen, daß die plattenför- migen Wärmeleitelemente 16 in parallel zur Achse 14 verlaufende Schlitze des rohrförmigen Abschnitts 6a eingesetzt und dann mit diesem durch Löten oder Schweißen verbunden werden. Alternativ kann die gesamte Einheit aber auch aus einem durch Strangpressen hergestellten Aluminiumprofil durch Ablängen erhalten werden. Die Wärmeaustauschflächen 16a werden dabei jeweils durch die einander gegenüberliegenden Breitseiten der plattenförmigen Wärmeleitelemente 16 gebildet, wodurch äußere und innere Kammern 17a und 17b (Fig. 2) entstehen.

Am unteren, dem Standfuß 15 zugeordneten Ende weist der Abschnitt 6a in seiner Mantelfäche eine Einlaßöffnung 18 auf, mit der von außen her ein zweiter Abschnitt 6b des Wärmeaustauschabschnitts 6 wasserdicht verbunden ist. Der Abschnitt 6b besteht vorzugsweise aus einem hohlzylindrischem Rohr, das an seinem unteren Ende entsprechend gekriimmt und in die Einlaßöffnung 18 eingesetzt ist. Dieses Rohr ist im übrigen zweckmäßig in einer der Kammern 17a zwischen zwei der Wärmeleitelemente 16 und parallel zur Achse 14 angeordnet, so daß der gesamte Wärmeaustauscher 7 eine kompakte Baueinheit bildet.

Die Wärmeleitelemente 16 sind in ihren unteren und in den Abschnitt 6a ragenden Bereichen vorzugweise mit Ausnehmungen 19 versehen, damit sie dem Standfuß 15 mit einem gewissen axialen Abstand gegenüber stehen, der größer als der axiale Abstand der Einlaßöffnung 18 vom Standfuß 15 ist. Dadurch wird ein Verteilerraum geschaffen, mittels dessen durch den Abschmtt 6b zuströmendes Wasser ohne wesentlichen Druckverlust auf die inneren Kammern 17b verteilt wird.

Auf dem oberen Ende der in den Abschnitt 6a ragenden Teile der Wärmeleitelemente 16 ist eine koaxiale, kreisrunde Abdeckplatte 20 wasserdicht befestigt, die einen zylindrischen Raum 21 abdeckt, an dem sich die inneren Ränder der Wärmeleitelemente 16 radial gegenüber stehen. Der Außenquerschnitt der Abdeckplatte 20 ist kleiner als der Innenquerschnitt des Abschnitts 6a, so daß zwischen dem äußeren Rand der Abdeckplatte 20 und dem Innenmantel des Abschnitts 6a Zwischenräume 6c verbleiben. Das obere Ende des Abschnitts 6a ist an einer oberhalb der Abdeckplatte 21 befindlichen Stelle mit einer weiteren Abdeckplatte 22 abgedeckt, die eine Auslaßöffnung aufweist, mit der ein Anschlußstutzen 23 wasserdicht verbunden ist. Außerdem ist ein aus dem Wärmeaustauscher 7 herausragendes Ende des Abschnitts 6b des Wärmeaustauschabschnitts 6 als Anschlußstutzen 24 ausgebildet.

Weiterhin wird der anhand der Fig. 2 und 3 beschriebene Wärmeaustauscher 7 gemäß Fig. 1 mit seinem Standfuß 15 am Boden des Wasserspeichers 2 angeordnet, so daß die Achse 14 und die Wärmeaustauschflächen 16a vertikal angeordnet sind. Die Wärmeaustauschflächen 16a kommen dadurch in innigen wärmeleitenden Kontakt mit dem im Wasserspeicher 2 befindlichen Wasservorrat, der bis zu einem schematisch angedeuteten Wasserspiegel 2a reicht. Die Anschlußstutzen 23, 24 werden über wasserdichte Leitungen mit dem Rücklauf 5 bzw. Vorlauf 4 verbunden.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, den Vorlauf 4 mit einem zweiten Kreislauf zu verbinden, der zur Erwärmung des den Wärmeaustauschabschnitt 6 durchfließenden Wassers dient. Diese zweite Kreislauf enthält eine erste Strömungsleitung 25, die am Ausgang eines Wärmeaustauschers 26 beginnt und an einer Verzeigung 27 endet, die in der vom Vorlauf 4 zum Anschluß- Stutzen 24 führenden Leitung vorgesehen ist, und eine zweite Strömungsleitung 28, die von einer Verzweigung 29 ausgeht, die in der vom Anschlußstutzen 23 zum Rücklauf 5 führenden Leitung angeordnet ist und am Eingang des Wärmeaustauschers 26 endet. Der Wärmeaustauscher 26 kann ein Luft/Luft- Wärmeaustauscher sein, der mit der umgebenden Atmosphäre wechselwirkt, besteht aber vorzugsweise aus einem auf dem Dach eines Gebäudes od. dgl. montierten Solarabsorber bzw. -kollektor, der ins- besondere bei Sonneneinstrahlung das in den Strömungsleitungen 25, 28 fließende Wasser erwärmt, das wie das von der Wärmepumpe 1 kommende Wasser mit einem Frostschutzmittel angereichert ist. In die Strömungsleitung 28 ist außerdem eine Umwälzpumpe 30 geschaltet. Um zu verhindern, daß das in den Strömungsleitungen 25, 28 zirkulierende Wasser durch den Vorlauf 4 zur Wärmepumpe 1 gelangt, ist zwischen diesem und der Verzweigung 27 ein Rückschlagventil 31 vorgesehen. Zur zusätzlichen Erwärmung des im Wasserspeicher -2 befindlichen Wassers kann Regenwasser dienen, das über eine Zulaufrinne 32 in den oben offenen Behälter des Wasserspeichers 2 eingeleitet wird.

Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, in der Leitung zwischen dem Anschlußstutzen 23 und dem Rücklauf 5 einen weiteren, der Wärmerückgewinnung dienenden Wärmeaustauscher 33 anzuordnen, dem mittels einer Leitung 34 warmes Abwasser von Duschen, Spülmaschinen od. dgl. aus einem Gebäude od. dgl. zugeführt wird, um das der Wärmepumpe 1 zugeführte Wasser zusätzlich zu erwärmen.

Schließlich ist es möglich, in der Strömungsleitung 25 wenigstens ein Dreiwegeventil 35, 36 vorzusehen, um das im Luft/Luft- oder Solarkreislauf erwärmte Wasser direkt einem Wärmeaustauscher 37 zuzuführen, der zur Zubereitung von Warmwasser und/oder Heiz- zwecken dient und im Warmwasserspeicher 10 angeordnet ist.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet im wesentlichen wie folgt:

Beim normalen Betrieb der Vorrichtung im Winter wird die Wärmepumpe 1 immer dann eingeschaltet, wenn Bedarf an Wärmeenergie für den Warmwasserspeicher 10 besteht. Dabei wird am Ausgang der kalten Seite, d. h. am Vorlauf 4, z. B. Wasser von -10 °C abgegeben, das beim Anschlußstutzen 24 in den Abschnitt 6b eintritt, dann durch die Einlaßöffnung 18 in den Abschnitt 6a gelangt, diesen durch die Öffnungen 6c und den Anschlußstutzen 23 hindurch verläßt und schließlich durch den Rücklauf 5 zurück zur Verdampferseite der Wärmepumpe 1 strömt. Dabei wird das Wasser im Wasserspeicher 2 erwärmt, so daß es im Rücklauf z. B. eine Temperatur von 0 °C besitzt.

Während des Betriebs der Wärmepumpe 1 bildet sich an den Wärmeaustauschflächen 16a (Fig. 2) eine Eisschicht, deren Dicke davon abhängt, wie häufig die Wärmepumpe 1 eingeschaltet wird. Die sich bildende Eisschicht ist in Fig. 2 durch zwischen den Wärmeleitelementen 16 bzw. in den äußeren Kammern 17a entstehende, stabförmige Eisklötze 38 angedeutet. Die Eisbildung wird einerseits dazu genutzt, die beim Übergang von Wasser zu Eis freiwerdende Latentwärme von 84 kWh/m³ zu nutzen und vergleichsweise kleine Wasserspeicher verwenden zu können. Andererseits behindert aber der den Wärmeaustauscher 7 umgebende Eispanzer den Übergang der Wärme von außen liegenden Wasserschichten in den Wärmeaustauschabschnitt 6. Normalerweise würde die Wärmepumpe 1 daher automatisch abschalten, sobald die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf 4,5 nicht mehr ausreichend groß ist. Erfindungsgemäß wird dies dadurch vermieden, daß parallel zum Wärmepumpenkreislauf ein Kreislauf durch den Wärmeaustauscher 26 vorgesehen ist.

Bei sonnigem, kaltem Wetter ist auch im Winter die Temperatur im Kreislauf des Wärmeaustauschers 26 zumindest tagsüber ausreichend groß, um bei eingeschalteter Umwälzpumpe 30 das vom Vorlauf 4 kommende Wasser durch Mischung im Bereich der Abzweigung 27 auf eine Temperatur oberhalb von 0 °C zu erwärmen, bevor es in den Wärmeaustauschabschnitt 6 eintritt. Dadurch wird erreicht, daß der Abschnitt 6a des Wärmeaustauschabschnitts 6 Wärme an die Wandung des ihn bildenden Rohrs und damit von innen her auch an die Wärmeleitelemente 16 abgibt. Als Folge davon wird zwischen den Wärmeaustauschflächen 16a und den Eisklötzen 38 ein dünner Wasserfilm gebildet, der bewirkt, daß das Eis von den Wärmeaustaüschflächen 16 abgelöst bzw. abgesprengt wird und sofort aufgrund des Auftriebs bis zum Wasserspiegel 2a des Wasserspeichers 1 nach oben steigt, wie in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 39 angedeutet ist. Zu diesem Zweck wird die Höhe des zweckmäßig oben offenen Speicherbehälters 2 vorzugsweise zumindest um so viel größer als die Höhe des Wärmeaustauschers 7 gewählt, daß die Wärmeaustauschflächen 16a bei voll mit Wasser gefülltem Wasserspeicher 2 auch dann weitgehend eisfrei bleiben oder automatisch eisfrei gemacht werden, wenn sich die gebildeten Eisstücke 39 nicht sofort durch die Erdwärme oder sonstwie wieder in Wasser umwandeln. Mit anderen Worten wird oberhalb des Wärmeaustauschers 7 ein Wasservorrat vorgesehen, der ausreichend groß ist und alles gebildete Eis oberhalb des Wärmeaustauschers 7 auf- schwimmen zu lassen. In den Pausen zwischen aufeinander folgenden Betriebszyklen der Wärmepumpe 1 reicht normalerweise bereits die Temperatur des Wassers, das den Wärmeaustauscher 26 und auch den Wärmeaustauschabschnitt 6 durchfließt, zum vollständigen Ablösen von gebildeten Eisschichten aus, so daß diese nach oben aufsteigen und die Wärme- pumpe 1 bereits beim erneuten Einschalten wieder mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten kann. Dagegen werden die Eisstücke 39 in der Regel allmählich durch die mittels der Erdwärme in den Wasserspeicher 2 eingeführte Wärmeenergie wieder aufgetaut. Es wäre aber auch möglich, die Schicht der Eisstücke 39 in kalten Tagen, z. B. während des Winters, immer stärker anwachsen zu lassen, um sie dann im Sommer mit Hilfe der Erdwärme oder des Wärmeaustauschers 26 allmählich wieder zu beseitigen. Dadurch kann das Auftauen der Eisschicht auf einen späteren Zeitpunkt verlegt und die dazu erforderliche Wärme aus sonst nutzlos verbrauchter Energie gewonnen werden.

Unabhängig davon, wann die Eisschicht 39 aufgetaut wird, werden die Wärmeaustauschflächen 16a weitgehend automatisch eisfrei gehalten, so daß der Wärmeübergang vom Wasserspeicher 2 zum Abschnitt 6a des Wärmeaustauschabsehnitts 6 stets ausreichend gut ist. Dabei ist es nicht erforderlich, die volle Umwandlungsenergie von 84 kWh/m³ aufzubringen. Vielmehr reicht ein sehr kleiner Teil davon aus, um dünne Wasserfilme zu bilden und dadurch die Eisklötze 38 dort, wo sie in den Kammern 17a an den Wärmeaustauschflächen 16a haften, abzulösen.

Für den beschriebenen Automatismus sind keinerlei aufwendige Regel- oder Steuermechanismen erforderlich. Dadurch kann die gesamte Vorrichtung preisgünstig herge- stellt und störunanfällig betrieben werden. Außerdem kann die vom Wärmeaustauscher 26 erzeugte Wärme immer dann, wenn sie nicht zum Ablösen der Eisklötze 38 benötigt wird, über die Dreiwegeventile 35, 36 direkt zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Dies gilt insbesondere für die wärmeren Jahreszeiten, in denen die Wärmepumpe 1 bei entsprechender Dimensionierung der Gesamtvorrichtung praktisch nicht benötigt wird. Die automatisch erfolgende Ablösung der Eisklötze 38 wird hauptsächlich dadurch erreicht, daß diese im wesentlichen nur in dünnen Zonen aufgetaut werden, die zwischen ihnen und den vertikal angeordneten, möglichst glatten Wärmeaustauschflächen 16a angeordnet sind. Im unteren Bereich des Wärmeaustauschers 7, wo das Wasser im Wasserspeicher 2 durchweg oberhalb von 0 °C liegt, findet ohnehin keine oder nur eine kurzzeitige Eisbildung statt. Die Bildung eines dünnen Wasserfilms reicht daher aus, um die Eisklötze 38 völlig abzutrennen und nach oben aufsteigen zu lassen. Wegen der speziellen Gestaltung des Wärmeaustauschers 7 weisen die Eisklötze 38 außerdem keine die Wärmeleitelemente 16 ringförmig umgebenden Bereiche auf, und auch sonst sind keine das Hochsteigen der Eisklötze 38 behindernden Bauteile od. dgl. vorhanden. Das gilt selbst dann, wenn die Eisbildung auch in den inneren Kammern 17b (Fig. 2) stattfinden sollte. Da schließlich die Wärmeleitelemente 16 radial von innen nach außen angeordnet sind, wachsen die Eisklötze 38 ebenfalls von innen nach außen mit der Folge, daß sie bei passender Dimensionierung die radial äußeren Enden der Wärmeleitelemente 16 niemals erreichen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Wärmepumpe 1 meistens in einem sehr günstigen Leistungsbereich betrieben werden kann, da die Temperatur im Rücklauf 5 vergleichsweise groß ist. Dies gilt insbesonde- re dann, wenn zusätzlich Abwärme (Wärmeaustauscher 33) oder Regenwasser (Zulaufrinne 32) genutzt werden, um das der Wärmepumpe 1 zugeführte Wasser vorzuwärmen. Aber selbst bei ausschließlicher Anwendung eines Wärmeaustauschers 26 in Form eines Solarabsorbers ist die Erwärmung des in den Leitungen 25, 28 strömenden Wassers auch bei fehlender Sonneneinstrahlung aufgrund der Nutzung von Diffusstrahlung, Regen oder Wind ausreichend groß.

Im übrigen kann vorgesehen sein, dem Wärmeaustauscher 26 und dem Wasserspeicher 2 Temperaturfühler zuzuordnen und eine Steuerung derart vorzusehen, daß der Wärmeaustauscher 26 nur eingeschaltet wird, wenn das die Leitungen 25, 28 durch- strömende Wasser z. B. um wenigstens 5 °C wärmer als das im Wasserspeicher 2 befindliche Wasser ist. Da die Leistungszahl einer üblichen Wärmepumpe nicht nur von der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf abhängt, sondern auch weitgehend linear mit der Höhe der Rücklauftemperatur ansteigt, wird der Wärmeaustauscher 33 erfindungsgemäß insbesondere zur Vergrößerung der Rücklauftemperatur der Wärmepumpe 1 verwendet. Hierzu weist der Wärmeaustauscher 33 gemäß Fig. 5 und 6 als Wärme abgebenden Abschnitt einen beispielsweise 150 1 bis 300 1 fassenden Sammelbehälter 40 auf, in dem eine den Wärmeaustauscher 7 mit dem Vorlauf 4 und/oder Rücklauf 5 verbindende Leitung 41 angeordnet ist und in den alles in einem Gebäude entstehende Abwasser, vor allem warmes Brauchwasser, gesammelt wird, das z.B. über eine Leitung 42 zufließt. Dabei wird unter Brauchwasser insbesondere warmes, von

Fäkalien freies und normalerweise ungenutzt in einem Abfluß gelangendes Leitungswasser, ferner Bade- oder Duschwasser sowie Abwasser von Waschmaschinen oder Geschirrspülern verstanden. Damit der Sammelbehälter 40 nicht überläuft, ist er am oberen Ende mit einem Überlauf 43 versehen, der über eine Leitung 44 zu einem Abwasserkanal 45 führt.

Zur Erzielung eines guten Wärmeaustauschs ist die mit dem Vorlauf 4 und/oder dem Rücklauf 5 verbundene, einen Wärme aufnehmenden Abschnitt des Wärmetauschers 33 bildende Leitung 41 innerhalb des Sammelbehälters 40 vorzugsweise wendel- oder schlangenlimenförmig verlegt, wodurch eine große Wärmeaustauschfläche erhalten wird. Außerdem besteht zumindest der im Sammelbehälter 40 befindliche Teil dieser Leitung 41 aus einem gut wärmeleitenden Material, insbesondere einem Metall.

Am Boden ist der Sammelbehälter 40 zweckmäßig mit einem ebenfalls in den Ab- wasserkanal 45 mündenden Auslauf 46 versehen, in dem ein z.B. elektrisch oder elektromagnetisch steuerbares Ventil 47 angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, den Sammmelbehälter 40 von Zeit zu Zeit zu entleeren, z.B. zum Zwecke der Reinigung bzw. Spülung oder zum Ablassen von Brauchwasser, das sich bereits zu stark abgekühlt hat. Mit besonderem Vorteil wird der Sammelbehälter 40 außerdem mit einem automatisch arbeitenden Temperatursensor 48 versehen, der beim Erreichen einer voreingestellten, vergleichsweise tiefen Temperatur ein elektrisches Signal abgibt, das über eine geeignete Steuervorrichtung ein automatisches Öffnen des Ventils 47 bewirkt. Dabei wird der Temperatursensor 48 vorzugsweise so eingestellt, daß das Ventil 47 zumindest dann öffnet, wenn sich das im Sammelbehälter 40 befindliche Wasser in der Nähe des Gefrierpunkts befindet. Hierdurch wird verhindert, daß das in den Sammelbehälter 40 gelangende Wasser gefriert und der Wärmeaustauscher 33 damit weitgehend unbrauchbar wird. Im übrigen ist der Sammelbehälter 40 zweckmäßig mit einer guten Wärmeisolierung, mit einem oberen Deckel und bei Bedarf mit einer Revisionsöffnung versehen, um Reinigungs- und Wartungsarbeiten durchführen zu können.

Mit besonderem Vorteil dient der Sammelbehälter 40 zur Erwärmung des den Vorlauf 4 durchströmenden Wärmeaustauschmediums. Dadurch wird bereits das in den Wärmeaustauscher 7 nach Fig. 1 einströmende Medium in der beschriebenen Weise vorgewärmt und dadurch der Vereisung des Wassers im Wärmaustauscher 7 vor- gebeugt. Außerdem ist es dann möglich, das vorgewärmte Wärmeaustauschmedium zusätzlich durch den Wärmeaustauscher 26 strömen zu lassen. Möglich wäre aber auch, nur eine mit dem Rücklauf 5 verbundenen Leitung im Sammelbehälter 40 anzuordnen, um dadurch gezielt die Rücklauftemperatur des Wärmeaustauschmediums anzuheben und die Leistungszahl der Wärmepumpe 1 zu vergrößern.

In jedem der beschriebenen Fälle trägt der zusätzliche, durch den Sammelbehälter 40 und die Leitung 41 gebildete Wärmeaustauscher 33 wesentlich zur Steigerung der Leistungszahl der Wärmepumpe 1 und zur Rückgewinnung der in einem Gebäude oder dgl. zur Erwärmung des Brauchwassers verwendeten Ernergie bei.

Alternativ kann der Wärmeaustauscher nach Fig. 5 und 6 auch für andere Zwecke verwendet werden. Insbesondere wäre es möglich, die Leitung 41 in eine normale Kaltwasserleitung zu schalten, um das in dieser strömende Kaltwasser auf seinem Weg durch die Leitung 41 vorzuwärmen. Mit besonderem Vorteil kann die Leitung 41 vor dem Eintritt des Leitungswassers in den Heißwasserbehälter einer Heizungsanlage angeordnet sein, um das Heizungswasser vorzuwärmen und Heizenergie einzusparen. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden könnten. Das gilt insbesondere für die spezielle Gestaltung des Wärmeaustauschers 7. Es ist lediglich darauf zu achten, daß die Wärmeleitelemente 16 so konstruiert sind, daß sie selbst bzw. ihre Wärmeaustausch- flächen 16a keine Hindernisse bilden, die das Aufsteigen der gebildeten Eisklötze 38 verhindern. Erst recht muß verhindert werden, daß die Eisklötze 38 die Wärmeleitelemente 16 ringförmig und so umschließen, daß sie praktisch vollständig aufgelöst werden müssen, bevor die Wärmeleitelemente 16 wieder eisfrei sind. Weiterhin ist es im Prinzip gleichgültig, aus welchem Material der Wärmeaustauscher 7 hergestellt wird, sofern es sich nur um ein ausreichend gut wärmeleitendes Material handelt. Daher kann der Wärmeaustauscher 7 gegebenenfalls auch aus Kunststoff und durch Extrudieren anstatt aus Metall, insbesondere Aluminium, hergestellt werden. Dasselbe gilt für den Wärmeaustauscher 33 und dessen Teile. Auch die Querschnitte der Abschnitte 6a, 6b können anders als kreisrund, insbesondere z.B. quadratisch, rechteckig oder oval sein. Dabei können die Abschnitte 6a, 6b auch eine andere Lage im Wärmeaustauscher 7 einnehmen. Insbesondere könnte der Abschnitt 6b radial innerhalb statt außerhalb des Abschnitts 6a angeordnet sein, in welchem Fall die Einlaßöffnung 18 entfallen würde. Abgesehen davon, kann der Wärmetauscher 7 durch einen anderen Wärmeaustauscher ersetzt werden, da die Wirkung des Sammel- behälters 40 unabhängig davon ist, mit welcher Wärmequelle die Wärmepumpe 1 betrieben wird. Auch der Wärmeaustauscher 26 kann mit einer anderen Energiequelle als der Sonne betrieben werden und insbesondere ein Luft/Luft- Wärmeaustauscher sein, bei dem das in den Leitungen 25, 28 strömende Wasser durch die Luft der äußeren Atmosphäre erwärmt wird. Diese Luft könnte außerdem zusätzlich durch Erdwärme vorgewärmt werden, indem sie durch eine ausreichend lange und ausreichend tief im Erdboden verlegte Leitung angesaugt wird (Erdwärmetauscher). Weiterhin ist auch der Wärmeaustauscher 33 nur als Beispiel aufzufassen, von dem zahlreiche Abwandlungen möglich sind, insbesondere im Hinblick auf die Lage und/oder Ausbildung der Leitung 41. Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den dargestellten und beschriebenen Kombinationen angewendet werden können.

Claims

Ansprflche

1. Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung der im Abwasser eines Gebäudes gespeicherten Wärmeenergie mit einem Wärme abgebenden Abschnitt und einem mit diesem in Wechselwirkung stehenden, Wärme aufnehmenden Abschnitt, wobei der Wärme abgebende Abschnitt einen mit einem Zulauf (42), einem Auslauf (46) und einem Überlauf (43) versehenen, zur Aufnahme einer vorgewählten maximalen Menge des Abwassers bestimmten Sammelbehälter (40) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslauf (46) mit einem steuerbaren Ventil (47) und der Sammelbehälter (40) mit wenigstens einem Temperatursensor (48) zur Steuerung des Ventils in Abhängigkeit von der Temperatur des Abwassers versehen ist.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslauf (46) am Boden des Sammelbehälters (40) angeordnet ist.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (47) und der Temperatursensor (48) derart in eine Steuerschaltung geschaltet sind, daß das Ventil (47) öffnet, wenn das Abwasser eine vorgewählte Temperatur erreicht.

4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme aufnehmende Abschnitt eine im Sammelbehälter (40) angeordnete wendel- oder scUangenlinienförmige Leitung (41) mit je einem Eingang und Ausgang für ein die Leitung (41) durchströmendes Medium aufweist.

5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (40) mit einer Wärmeisolierung versehen ist.

6. Vorrichtung zur Rückgewinnung der im Abwasser eines Gebäudes gespeicherten Wärmeenergie mit einem Wärmeaustauscher (33), dadurch gekennzeichtet, daß der Wärmeaustauscher (33) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspmch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Wärme- pumpe (1) versehen ist, die auf der kalten, von einem Wärmeaustauschmedium durchströmten Seite mit einem Vorlauf (4) und einem Rücklauf (5) versehen ist und der Sammelbehälter mit seinem Wärme aufnehmenden Abschnitt in eine mit dem Vorlauf (4) und/oder Rücklauf (5) verbundene Leitung geschaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspmch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (40) mit seinem Wärme aufnehmenden Abschnitt in eine mit dem Vorlauf (4) der Wärmepumpe (1) verbundene Leitung geschaltet und zwischen dem Sammelbehälter (40) und dem Rücklauf (5) der Wärmepumpe (1) wenigstens ein weiterer, zur Wechselwirkung mit einer weiteren Wärmequelle bestimmter Wärmeaustauscher (7, 26) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspmch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wärmeaustauscher (26) ein Luft/Luft- Wärmeaustauscher oder Solarabsorber ist.

10. Vorrichtung nach Anspmch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wärmeaustauscher (7) am Boden eines Wasserspeichers (2) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme aufnehmende Abschnitt des Wärmeaustauschers (33) in eine Kaltwasserleitung geschaltet ist und zur Vorwärmung des Kaltwassers dient.

12. Vorrichtung nach Anspmch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltwasserleitung zum Heißwasserbehälter einer Heizungsanlage führt.