DE102008016191A1

DE102008016191A1 - Vorrichtung zum Erwärmen und Speichern von Trinkwasser

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Publication number: DE102008016191A1
Application number: DE102008016191A
Authority: DE
Inventors: Rolf Schulze; Michael Berlin; Wolf-Hagen Drechsler; Dietmar Zueckner; Martina Tannhaeuser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen von Trinkwasser und zum Speichern von Wärmeenergie in Form von Heizungswasser und erwärmten Trinkwasser, mit einer ersten Anordnung aus einer Heizwasserzuleitung 1, einer Heizwasserableitung 2, einem Heizwasserspeicher 3, einer Pumpe Heizwasserspeicher 4 und einem Mischpunkt Heizwasser 5, verbunden mit einer zweiten Anordnung aus einer Trinkkaltwasserzuleitung 6, einer Trinkwarmwasserableitung 7, einem Trinkwasserspeicher 8, einer Pumpe Trinkwasserspeicher 9, einem Mischpunkt Trinkwasser 10, einer Zirkulationswasserzuleitung 11 und einem Mischpunkt Zirkulationswasser 12 über eine dritte Anordnung aus einer Pumpe Wärmetauscher 13 und einem Wärmetauscher 14.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen und Speichern von Trinkwasser.
Aus dem Stand der Technik bekannt sind Vorrichtungen, die das Trinkwasser in einem Speicher mit integrierter Heizfläche erwärmen.
Weiterhin bekannt sind Vorrichtungen, die das Trinkwasser im Durchfluss über einen Wärmetauscher erwärmen. Derartige Vorrichtungen können ihren Spitzenbedarf bekannter weise auch aus einem Speicher auf der Primärseite decken.
Bekannt sind auch Vorrichtungen, die in einem Ladekreis, bestehend aus Ladepumpe, Wärmetauscher und Speicher das Trinkwasser erwärmen und speichern.
So beschreibt die DE 41 36 959 C2 eine Vorrichtung, die ebenfalls Trinkwasser erwärmt und speichert. Bei Zapfruhe bildet diese Vorrichtung einen Wasserkreislauf, in dem Ladepumpe, Trinkwassererwärmer und Speicher im hohen Temperaturbereich betrieben werden.
Die Kaltwasserzuleitung mündet dort an der Ladepumpe und gleichzeitig am Kaltwassereingangs-/Ladeausgangsanschluss des Speichers. Das erwärmte Trinkwasser wird am Warmwasseranschluss des Speichers entnommen. In dieser Vorrichtung hat das entnommene Warmwasser allerdings eine hohe Temperatur und kann nicht direkt an die Zapfstellen geführt werden.
Bekannt ist auch die Integration verschiedener Speicherbereiche, wie Desinfektionsbereich und Spitzenbereich, in einen Kombispeicher. Die funktionell verschiedenen Bereiche sind aber auch dort konstruktiv getrennt angeordnet.
In DE 42 35 038 C2 wird eine Vorrichtung beschrieben, die zusätzlich zur Funktion von DE 41 36 959 C2 noch die notwendige Abkühlung des entnommenen Warmwassers beinhaltet.
Das dem Kreislauf aus Ladepumpe, Trinkwassererwärmer und Speicher entnommene Warmwasser wird vom einströmenden Kaltwasser über einen Vorwärmer/-rückkühler auf Zapftemperatur abgekühlt.
Beschrieben sind dort die Einbindungen der Zirkulation. Diese Vorrichtungen bestimmen in verschiedenen Variationen, besonders die Gestaltung die Zirkulation betreffend, den Stand der Technik für Trinkwassererwärmung.
In DE 10 2005 034 021 wird eine Vorrichtung beschrieben, die wie in DE 42 35 038 C2 Trinkwasser hoch erwärmt, die notwendige Abkühlung auf Zapftemperatur aber vor der Spitzenspeicherung durchführt.
Aus dem Stand der Technik sind auch Vorrichtungen bekannt, die das erwärmte Trinkwasser in zwei verschiedene Temperaturzonen bringen und dort speichern. Eine Temperaturzone liegt dabei im Desinfektionsbereich, die andere unterhalb oder gleich der Zapftemperatur. Beide Speicherbereiche befinden sich auf der sekundären Seite.
In DE 100 34 513 C2 wird eine Vorrichtung beschrieben, deren Zirkulationswasser separat vorgewärmt und erwärmt wird, dann in den Ladekreis vor dem Speicher einmündet und nach dem Speicher teilweise rückgekühlt wird.
2 und 3 zeigen beispielhaft übliche Vorrichtungen gemäß des bekannten Standes der Technik.
In 2 erfolgt die Trinkwassererwärmung auf Zapftemperatur im Speicherladeverfahren, in 3 über das Durchflussverfahren. Im Durchflussverfahren wird häufig die Wärmeenergie für den Spitzenbedarf aus Heizwasserspeicher gedeckt. Beide Verfahren sind Stand der Technik.
In 2 entsteht bei Zapfung und ausgeschalteter Pumpe 9 ein vom externem Wasserdruck angetriebener Zapfvolumenstrom über die Strecke Trinkkaltwasserzuleitung 6, Mischpunkt Trinkwasser 10, zum Trinkwasserspeicher 8B und 8C, zur Warmwasserableitung 7 und weiter zu den externen Zapfstellen. Dabei schiebt einströmendes Trinkkaltwasser im Trinkwasserspeicher 8 gespeichertes Trinkwarmwasser über die Warmwasserableitung 7 zu den externen Zapfstellen.
Bei Abkühlung des Trinkwasserspeichers 8 schaltet sich die Pumpe 9 ein. Es entsteht ein Ladevolumenstrom von Pumpe 9A über Wärmetauscher 14A, 4B und über den Speicher 8C und 8B, über den Mischpunkt Trinkwasser 10 zurück zur Pumpe 9B. Dieser Ladevolumenstrom überlagert den Zapfvolumenstrom.
Ist der Zapfvolumenstrom größer als der Ladevolumenstrom, wird der Trinkwasserspeicher durch einströmendes Trinkkaltwasser entladen, im umgekehrten Fall wird er durch Trinkwarmwasser geladen.
Die Erwärmung des Trinkkaltwassers im Ladevolumenstrom erfolgt über den Wärmetauscher 14. Die Wärmeenergie bezieht der Wärmetauscher aus Heizungswasser, welches über die Heizwasserzuleitung von einer externen Wärmequelle über die Pumpe 13A und 13B durch den Wärmetauscher 14C, 14D zur Heizwasserableitung 2 und zurück zur externen Wärmequelle strömt.
Auf Grund der integrierenden Funktion des Trinkwasserspeichers 8 für den Wärmeleistungsbedarf können die externe Wärmequelle, die primären Bauteile Pumpe 13, Wärmetauscher 14 und die sekundäre Pumpe 9 für einen geringeren mittleren Wärmeleistungsbedarf über einen Zeitraum ausgelegt werden, als es der kurzzeitige Spitzenbedarf fordert.
Das Zirkulationswasser, angetrieben von der Pumpe Zirkulation 15, bindet am Eingang Zirkulationswasser 12 ein, und bildet über Trinkwasserspeicher 8B und 8C, Trinkwarmwasserableitung 7 und externem Trinkwassernetz einen Volumenstromkreislauf zurück zur Zirkulationspumpe 15.
Die gleiche Funktion hat die Anordnung nach 3. Die Speicherung der Wärmeenergie für den Spitzenbedarf erfolgt hier allerdings über einen Heizwasserspeicher.
Bei Zapfung entsteht ein vom externem Wasserdruck angetriebener Zapfvolumenstrom über die Strecke Trinkkaltwasserzuleitung 6, Mischpunkt Trinkwasser 10, Wärmetauscher 14A und 14B, Warmwasserableitung 7 und weiter zu den externen Zapfstellen. Dabei wird das einströmende Trinkkaltwasser im gesamten Leistungsbereich bis Spitzenzapfung im Wärmetauscher 14 fortlaufend erwärmt und über die Warmwasserableitung 7 zu den externen Zapfstellen geführt.
Die Wärmeenergie bezieht der Wärmetauscher aus dem Heizvolumenstrom, angetrieben von Pumpe 13B über Wärmetauscher 14C und 14D zum Heizwasserspeicher 3B und 3C zurück zur Pumpe 13A.
Bei Abkühlung des Heizwasserspeichers 3 schaltet sich die Pumpe 4 ein. Es entsteht ein Ladevolumenstrom von Pumpe 4A über die externe Wärmequelle zum Heizwasserspeicher 3A und 3B zurück zur Pumpe 4B. Dieser Ladevolumenstrom überlagert den Heizvolumenstrom.
Ist der Heizvolumenstrom größer als der Ladevolumenstrom, wird der Heizwasserspeicher 3 durch über den Anschluss 3B einströmendes Heizkaltwasser aus dem Wärmetauscher 14D entladen, im umgekehrten Fall wird er durch über den Anschluss 3A einströmendes Heizwarmwasser aus der externen Wärmequelle geladen.
Auf Grund der integrierenden Funktion des Heizwasserspeichers 3 für den Wärmeleistungsbedarf können die externe Wärmequelle und die Pumpe 4 für einen geringeren mittleren Wärmeleistungsbedarf über einen Zeitraum ausgelegt werden, als es der kurzzeitige Spitzenbedarf fordert. Pumpe 13 und Wärmetauscher 14 müssen für Spitzenbedarf ausgelegt werden.
Das Zirkulationswasser, angetrieben von Pumpe Zirkulation 15A, bindet im Mischpunkt Zirkulationswasser 12 ein, und bildet über Wärmetauscher 14A und 14B, Trinkwarmwasserableitung 7 und externem Trinkwassernetz einen Volumenstromkreislauf zurück zur Zirkulationspumpe 15B. Dieser Zirkulationsvolumenstrom überlagert den Zapfvolumenstrom.
Alle diese Vorrichtungen besitzen unterschiedliche Nachteile. Die Vorrichtung nach 2 benötigt große Trinkwasserspeicher, um den gesamten Wärmeenergiebedarf für die Spitzenbelastung zu speichern. Diese Speicher verursachen auf Grund der Material- und Hygieneanforderung hohe Investitions- und Betriebskosten.
Die Vorrichtung nach 3 erzeugt hohe Druckverluste im Trinkwasser, weil der Spitzenvolumenstrom über den Wärmetauscher geführt wird. Außerdem bedingen der große Variationsbereich und schnelle Änderungen des Zapfvolumenstromes höhere Anforderung an die Regeltechnik und erzeugen unerwünschte Temperaturschwankungen. Weiterhin erzeugt der für Spitzenbedarf ausgelegte große Wärmetauscher hohe Investitions- und Betriebskosten.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die im erheblich ökonomischeren Betrieb hinsichtlich sowohl Investitions- als auch Betriebskosten Trinkwasser erwärmt und speichert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 gelöst. Nachfolgend soll diese Vorrichtung anhand des Ausführungsbeispiels und der 1 näher erläutert werden.
Der grundlegende Gedanke der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, die gemäß dem Stand der Technik bekannte Auffassung, das man Trinkwasser entweder in Speicherladeschaltung oder im Durchfluss mit eventuellen Heizwasserspeichern erwärmt, zu durchbrechen. Dies geschieht, indem die Baugruppen, welche die unterschiedlichen positiven Funktionen der beiden bekannten Vorrichtungen erzeugen, in einer neuen erfindungsgemäßen Vorrichtung sinnvoll vereint werden.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 entsteht bei Zapfung und ausgeschalteter Pumpe 9 ein vom externem Wasserdruck angetriebener Zapfvolumenstrom über die Strecke Trinkkaltwasserzuleitung 6, Mischpunkt Trinkwasser 10, durch den Trinkwasserspeicher 8B/8C, zur Warmwasserableitung 7 und weiter zu den externen Zapfstellen. Dabei schiebt einströmendes Trinkkaltwasser im Trinkwasserspeicher 8 gespeichertes Trinkwarmwasser über die Warmwasserableitung 7 zu den externen Zapfstellen.
Bei Abkühlung des Trinkwasserspeichers 8 schaltet sich die Pumpe 9 ein. Es entsteht ein Ladevolumenstrom von Pumpe 9A, durch den Wärmetauscher 14A/14B, durch den Speicher 8C/8B, über den Mischpunkt Trinkwasser 10 zurück zur Pumpe 9B. Dieser Ladevolumenstrom überlagert den Zapfvolumenstrom.
Ist der Zapfvolumenstrom größer als der Ladevolumenstrom, wird der Trinkwasserspeicher durch über Anschluss 85 einströmendes Trinkkaltwasser entladen, im umgekehrten Fall wird er durch über Anschluss 8A einströmendes Trinkwarmwasser geladen.
Die Erwärmung des Trinkkaltwassers im Ladevolumenstrom erfolgt über den Wärmetauscher 14. Die Wärmeenergie bezieht der Wärmetauscher aus Heizungswasser, welches über die Pumpe 13B durch den Wärmetauscher 14C/14D, durch den Heizwasserspeicher 3B/3C zurück zur Pumpe 13A strömt.
Auf Grund der integrierenden Funktion des Trinkwasserspeichers 8 für den Wärmeleistungsbedarf können der Heizwasserspeicher 3, die primären Bauteile Pumpe 13, Wärmetauscher 14 und die sekundäre Pumpe 9 für einen geringeren mittleren Wärmeleistungsbedarf über einen Zeitraum ausgelegt werden, als es der kurzzeitige Spitzenbedarf des Zapfvolumenstromes fordert.
Bei Abkühlung des Heizwasserspeichers 3 schaltet sich die Pumpe 4 ein. Es entsteht ein Ladevolumenstrom von Pumpe 4A über die externe Wärmequelle zum Heizwasserspeicher 3A/3B zurück zur Pumpe 4B. Dieser Ladevolumenstrom überlagert den Heizvolumenstrom.
Ist der Heizvolumenstrom größer als der Ladevolumenstrom, wird der Heizwasserspeicher 3 durch über den Anschluss 3B einströmendes Heizkaltwasser aus dem Wärmetauscher 14D entladen, im umgekehrten Fall wird er durch über den Anschluss 3A einströmendes Heizwarmwasser aus der externen Wärmequelle geladen.
Auf Grund der integrierenden Funktion des Heizwasserspeichers 3 für den Wärmeleistungsbedarf können die externe Wärmequelle und die Pumpe 4 für einen geringeren mittleren Wärmeleistungsbedarf über einen Zeitraum ausgelegt werden, als es der kurzzeitige Spitzenbedarf des Heizvolumenstromes fordert. Pumpe 13 und Wärmetauscher 14 werden für den bereits geringeren mittleren Wärmebedarf ausgelegt, den die auf der Trinkwasserseite befindliche Baugruppe benötigt.
Diese Vorrichtung weist alle erwarteten Vorteile auf und vermeidet alle unerwünschten Nachteile. Der Druckverlust dieser Vorrichtung, gebildet aus Trinkkaltwasserzuleitung 6, Trinkwasserspeicher 8 und Trinkwarmwasserableitung 7, ist sehr niedrig.
Die Anforderung an die Regeltechnik sind gering und die Temperaturschwankungen der Trinkwarmwasserableitung sind gering, weil der von Pumpe 9 getriebene Ladevolumenstrom einen geringen Variationsbereich aufweist und während des Betriebs keinen schnellen Änderungen unterliegt.
Der Trinkwasserspeicher 8 ist klein, weil Energie für den Spitzenbedarf im Heizwasserspeicher 3 gespeichert wird. Die Spitzenbelastung der externen Wärmequelle ist auf Grund der integrierenden Funktion der Speicher 3 und 8 gering, was zu geringeren Investitionskosten führt.
Die Dimensionierung der Bauteile Pumpe 9, Wärmetauscher 14 und Pumpe 13 lässt sich über die Dimensionierung des Verhältnisses der Speicher 3 und 8 optimieren, was zur günstigen Bauteilauswahl und damit zu geringen Investitions- und Betriebskosten beiträgt.
Bei gleicher Funktion lassen sich mehrere Vorrichtungselemente innerhalb der Vorrichtung abweichend anordnen.
So ist es möglich, die Pumpe Wärmetauscher 13 auch zwischen Wärmetauscher 14D und Mischpunkt Heizwasser 5 anzuordnen.
Der Mischpunkt Zirkulationswasser 12 kann sich ebenso zwischen den Anschlüssen Wärmetauscher 14B und Trinkwasserspeicher 8A oder zwischen Pumpe Trinkwasser 9A und Wärmetauscher 14A oder im Speicher Trinkwasser 8 zwischen den Anschlüssen 8B und 8C befinden oder er kann ganz entfallen.
Weiterhin möglich ist eine Anordnung der Pumpe Heizwasserspeicher 4 zwischen Heizwasserzuleitung 1 und Speicher Heizwasser 3A.
Die Pumpe Trinkwasserspeicher 9 kann auch zwischen Wärmetauscher 14B und Speicher Trinkwasser 8A angeordnet werden.
Für Funktionserweiterung Trinkwasserdesinfektion und/oder Abwärmenutzung können zwischen Wärmetauscher 14 und Trinkwasserspeicher 8 Baugruppen zur Vorwärmung, Desinfektion und Rückkühlung angeordnet sein.
In weiteren Formen der Ausgestaltung dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung können mehrere Vorrichtungselemente wie beispielsweise Speicher 3 oder 8 mehrfach eingesetzt werden, ohne dass dadurch der grundlegende Vorrichtungsaufbau verändert wird.
Solche Lösungen sind als dem Erfindungsgedanken zugehörig zu betrachten.

1: Heizwasserzuleitung
2: Heizwasserableitung
3: Heizwasserspeicher
4: Pumpe Heizwasserspeicher
5: Mischpunkt Heizwasser
6: Trinkkaltwasserzuleitung
7: Trinkwarmwasserableitung
8: Speicher Trinkwasser
9: Pumpe Trinkwasserspeicher
10: Mischpunkt Trinkwasser
11: Eingang Zirkulationswasser
12: Mischpunkt Zirkulationswasser
13: Pumpe Wärmetauscher
14: Wärmetauscher
15: Pumpe Zirkulation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4136959 C2 [0005, 0008]
- DE 4235038 C2 [0008, 0011]
- DE 102005034021 [0011]
- DE 10034513 C2 [0013]

Claims

Vorrichtung zum Erwärmen und Speichern von Trinkwasser, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mindestens einer Heizwasserzuleitung (1), mindestens einer Heizwasserableitung (2), mindestens einem Heizwasserspeicher (3), mindestens einer Pumpe Heizwasserspeicher (13), mindestens einem Mischpunkt Heizwasser (5), mindestens einer Trinkkaltwasserzuleitung (6), mindestens einer Trinkwarmwasserableitung (7), mindestens einem Trinkwasserspeicher (8), mindestens einer Pumpe Trinkwasserspeicher (9), mindestens einem Mischpunkt Trinkwasser (10), mindestens einer Pumpe Wärmetauscher (13) und mindestens einem Wärmetauscher (14) besteht, wobei eine erste Anordnung aus Heizwasserzuleitung (1), Heizwasserableitung (2), Heizwasserspeicher (3), Pumpe Heizwasserspeicher (4) und Mischpunkt Heizwasser (5) mit einer zweiten Anordnung aus Trinkkaltwasserzuleitung (6), Trinkwarmwasserableitung (7), Trinkwasserspeicher (8), Pumpe Trinkwasserspeicher (9), Mischpunkt Trinkwasser (10) über eine dritte Anordnung aus einer Pumpe Wärmetauscher (13) und einem Wärmetauscher (14), in sich verbunden über ihre Anschlüsse (13B) und (14C), verbunden sind, wobei die Verbindung der Anordnungen über die Anschlüsse Heizwasserspeicher (3C) zu Pumpe Wärmetauscher (13A), Mischpunkt Heizwasser (5) zu Wärmetauscher (14D), Wärmetauscher (14B) zu Trinkwasserspeicher (8A) und Wärmetauscher (14A) zu Trinkwasserspeicher (9A) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Anordnung zwischen dem Anschluss Trinkwasserspeicher (8B) und dem Mischpunkt Trinkwasser (10) ein Mischpunkt (12) gebildet wird, in welchen eine Zirkulationswasserzuleitung (11) einbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Anordnung die Pumpe Wärmetauscher (13) zwischen Anschluss (14D) des Wärmetauschers und Mischpunkt Heizwasser (5) angeordnet ist, wobei dann die Anschlüsse Wärmetauscher (14D) mit Pumpe Wärmetauscher (13A), Pumpe Wärmetauscher (13B) mit Mischpunkt Heizwasser (5) und Heizwasserspeicher (3C) mit Wärmetauscher (14C) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Mischpunkt Zirkulationswasser (12) zwischen den Anschlüssen Wärmetauscher (14B) und Trinkwasserspeicher (8A) oder zwischen Trinkwasserspeicher (8C) und Warmwasserableitung (7) oder zwischen Pumpe Trinkwasser (9A) und Wärmetauscher (14A) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Mischpunkt Zirkulationswasser (12) zwischen Trinkwasserspeicher (8C) und Warmwasserableitung (7) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Mischpunkt Zirkulationswasser (12) zwischen Pumpe Trinkwasser (9A) und Wärmetauscher (14A) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe Heizwasserspeicher (4) zwischen Heizwasserzuleitung (1) und Speicher Heizwasser (3A) angeordnet ist, wobei dann die Anschlüsse Heizwasserzuleitung (1) zu Pumpe Heizwasserspeicher (4B), Pumpe Heizwasserspeicher (4A) zu Speicher Heizwasser (3A) und Mischpunkt Heizwasser (5) zu Heizwasserableitung (2) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe Heizwasserspeicher (4) durch ein Ventil ersetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe Trinkwasserspeicher (9) zwischen den Anschlüssen Wärmetauscher (14B) und Trinkwasserspeicher (8A) angeordnet ist, wobei dann die Anschlüsse Wärmetauscher (14B) zu Pumpe Trinkwasser (9B)/(9A) zu Trinkwasserspeicher (8A) und Mischpunkt Trinkwasser (10) zu Wärmetauscher (14A) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Wärmetauscher (14) und Trinkwasserspeicher (8) eine Baugruppe zur Desinfektion, Rückkühlung und/oder Vorwärmung des Trinkwassers befindet.