DE202014001131U1 - Device for drinking water supply for cold and hot water with heat pump - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Trinkwassererwärmung und Trinkwasserkühlung in Verteilungsanlagen für mehrere Nutzer mit zentraler Trinkwassererwärmung die durch eine gemeinsame Warmwasserleitung und durch eine gemeinsame Kaltwasserleitung versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Warmwassersystem (1) als auch i m Kaltwassersystem (2) eine Zirkulationspumpe (7, 8) vorgesehen ist und mit einer Wärmepumpe (3) ausgerüstet ist, deren Verdampfer (4) im Kaltwassersystem (2) und deren Kondensator (6) im Warmwassersystem (1) so angeordnet ist, dass der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe (3) mit den Kompressor (5) und der Drossel (9) nach dem Gegenstromprinzip zum Kaltwassersystem (2) mit der Zirkulationspumpe (8) und dem Warmwassersystem (1) mit der Zirkulationspumpe (7) und zur Förderrichtung des Ventilators (19) in einem Luft-Leitsystem (18) erfolgt.Apparatus for drinking water heating and drinking water cooling in distribution systems for several users with central DHW heating which are supplied by a common hot water pipe and a common cold water pipe, characterized in that both in the hot water system (1) and in the cold water system (2) a circulation pump (7, 8) is provided and equipped with a heat pump (3), the evaporator (4) in the cold water system (2) and the condenser (6) in the hot water system (1) is arranged so that the refrigerant circuit of the heat pump (3) with the compressor (5 ) and the throttle (9) according to the counterflow principle to the cold water system (2) with the circulation pump (8) and the hot water system (1) with the circulation pump (7) and to the conveying direction of the fan (19) in an air-guiding system (18) ,
Description
Die Erfindung betrifft zentrale Trinkwasserversorgungssysteme für Klein- und Großanlagen mit mehreren Nutzereinheiten, in denen zwecks Einhaltung der aus hygienischen Gründen erforderlichen Mindesttrinkwarmwassertemperatur von 55°C bis 60°C in der Warmwasserleitung sowie zur Begrenzung der maximalen Kaltwassertemperatur von maximal 25°C in der Kaltwasserleitung Maßnahmen erforderlich sind. Hierzu gehören Anlagen in Hotelzimmer, Wohnungen, Seniorenwohnungen, Krankenhauszimmer in Gebäuden und auf Schiffen.The invention relates to central drinking water supply systems for small and large plants with several user units, where in order to comply with the required minimum hygienic reasons drinking water temperature of 55 ° C to 60 ° C in the hot water pipe and to limit the maximum cold water temperature of a maximum of 25 ° C in the cold water pipe measures required are. These include facilities in hotel rooms, apartments, senior housing, hospital rooms in buildings and on ships.
Die Warmwasserrohrsysteme werden aus Gründen der Temperaturpräsenz und aus hygienischen Gründen mit zusätzlichen Zirkulationsrohrsystemen versehen. Die Kaltwasserrohrsysteme werden Parallel zum Warmwassersystem, aber ohne Zirkulationssystem angeordnet.The hot water pipe systems are provided with additional circulation pipe systems for reasons of temperature presence and for hygienic reasons. The cold water pipe systems are arranged parallel to the hot water system, but without a circulation system.
Das WarmwassersystemThe hot water system
Die aus hygienischen- und Komfortgründen erforderliche Temperaturpräsens an jeder Stelle im Trinkwarmwassersystem wird normalerweise durch den Einbau eines zusätzlichen Zirkulationssystems mit Zirkulationspumpe erreicht. Es gibt auch Warmwassersysteme mit Ringleitungen und einer, im Scheitelpunkt der Leitung eingebauten Zirkulationspumpe zur Stagnationsvermeidung im Warmwasserverteilnetz von Mehrfamilienhäusern. Im Fachaufsatz:
Das KaltwassersystemThe cold water system
Die Verteilung von Kaltwasser erfolgt normalerweise durch einzelne Rohrleitungen nach einem Baumsystem mit einzelnen Asten. Es werden auch Kaltwasser-Ringleitungen ausgeführt, bisher jedoch ohne Zirkulationspumpe.The distribution of cold water is usually done by single piping to a tree system with individual branches. There are also cold water loops performed, but so far without circulation pump.
Die aus hygienischen Gründen erforderliche Trinkkaltwassertemperatur von weniger als 25°C an jeder Stelle im Kaltwasserverteilsystem wird nach den neuesten Bauvorschriften durch den Einbau von Rohrdämmschalen um die parallel zu den Warmwasser-Leitungen in Verbindung mit Mindestabständen zwischen den Rohrleitungen angestrebt, aber nicht sicher erreicht. Bei sinkendem Trinkwasserbedarf ist die Einhaltung der Temperaturgrenze von 25°C allerdings von der Stagnationsdauer abhängig und wird besonders zur Urlaubszeit einzelner Nutzer nicht mehr sicher erreicht. Als Folge der Kaltwasser-Stagnation und durch die erhöhte Umgebungstemperatur der Warmwasserleitungen steigt die Kaltwassertemperatur auf mehr als 25°C und damit das Risiko zur Besiedelung des Kaltwassersystems mit Legionellen. Aus diesem Grund wird den Nutzern von zentralen Wasserverteilsystemen nach längerer Abwesenheit eine kräftige Spülung der Rohrleitung empfohlen.The required for hygienic reasons Drinking water temperature of less than 25 ° C at each point in the cold water distribution system is sought after the latest building codes by the installation of pipe insulation around the parallel to the hot water lines in conjunction with minimum distances between the pipes, but not reached safely. However, if the drinking water requirement falls, adherence to the temperature limit of 25 ° C depends on the stagnation period and is no longer reliably achieved, especially at the holiday time of individual users. As a result of the cold water stagnation and the increased ambient temperature of the hot water pipes, the cold water temperature rises to more than 25 ° C and thus the risk of colonization of the cold water system with Legionella. For this reason, users of centralized water distribution systems are advised to use heavy flushing of the pipeline after a prolonged absence.
Stand der Technik:State of the art:
In Ein- und Zweifamilienhäusern sind zur Trinkwassererwärmung sogenannte Trinkwasserwärmepumpen mit 300 Liter Trinkwasserspeichervolumen üblich bei denen zur Trinkwassererwärmung die Abwärme aus Raumluft über einen Verdampfer zur Warmwasserbereitung genutzt wird. Die Temperaturerhöhung für einen Trinkwasser-Zirkulationskreis auf mehr als 50°C bis 60°C wird bei sinkender Jahresarbeitszahl von der Wärmepumpe, oder sogar über eine Elektrische Heizpatrone vorgenommen. Der wirtschaftliche Einsatz von mehreren Trinkwasserwärmepupen scheitert zum Beispiel in Mehrfamilienhäusern am zulässigen Trinkwasser-Speichervolumen von 400 Litern in Verbindung mit der für Großanlagen notwendigen Temperaturerhöhung auf 60°C.In one- and two-family houses so-called drinking water heat pumps with 300 liters of drinking water storage volume are common for drinking water heating, where the waste heat from indoor air is used for heating DHW via an evaporator for hot water preparation. The temperature increase for a drinking water circulating circuit to more than 50 ° C to 60 ° C is made with decreasing annual working number of the heat pump, or even an electric immersion heater. The economical use of several drinking water heat pumps fails, for example, in multi-family houses at the permissible drinking water storage volume of 400 liters in connection with the temperature increase necessary for large plants to 60 ° C.
Im Schweizer Fachjournal:
Die bisher bekannten Systeme zur Beschränkung der Legionellenproblematik in Kaltwasserleitungssystemen basieren neben der neuerdings vorgeschriebenen Wärmdämmung für diese Leitungen auch in dem Vorschlag, die Kaltwasserleitung an allen vorhandenen Zapfstellen eines Objektes über sogenannte Wandscheiben und als Ringleitung auch an wenig benutzten Zapfstellen vorbeizuführen. Die damit verbundene Vergrößerung der trinkwasserberührten Rohroberflächen und das damit verbundene Risiko hygienischer Probleme als Folge der Temperaturerhöhung im Kaltwassersystem werden hierbei in Kauf genommen. Für das parallel dazu vorhandene Warmwassersystem gleicher Bauweise kommt es sogar zur Erhöhung der Zirkulations-Wärmeverluste bis zum Dreifachen des Normalen.The previously known systems for limiting the Legionellenproblematik in cold tap water systems are based in addition to the recently prescribed thermal insulation for these lines in the proposal to pass the cold water pipe at all existing tapping points of an object on so-called wall plates and as a ring line and little-used taps. The associated enlargement of the drinking water-contacting pipe surfaces and the associated risk of hygienic problems as a result of the increase in temperature in the cold water system are accepted here. For the parallel existing hot water system of the same design, it even increases the circulation heat losses up to three times the normal.
Neue zusätzliche Aufgabenstellungen:
- • Für Anlagen mit Wärmepumpen.
- In Anlagen mit Wärmepumpen für Heizung und Warmwasserbereitung werden diese erhöhten Zirkulationswärmeverluste im Warmwassersystem sogar teilweise, oder ganz mit Hilfe von elektrischen Heizpatronen oder mittels elektrischer Rohrbegleitheizung, das heißt über teuere Primärenergie gedeckt. Es liegen Messungen vor, wonach in einem Mehrfamilienhaus mit Wärmepumpe die jährlich anfallenden Stromkosten für die elektrische Nachheizung von 50°C auf 60°C im Warmwasserbereiter doppelt so hoch sind wie in normalen Anlagen.
- • Vermeidung zusätzlicher Energie- und Wasserkosten wie in Zwangsspülungs-Systemen.
- Für Gebäude wie Krankenhäusern und ähnliche wird zur Stagnationsvermeidung auch die Zwangsspülung des Warm- und Kaltwassersystems bei Überschreiten der Kaltwassertemperatur von 25°C und bei Unterschreiten der Warmwassertemperatur von 60°C vorgeschlagen und in Form von computergesteuerten Zwangsspülungssystemen bei hohen Kosten auch eingebaut und betrieben. Die Aufgabenstellung „Kosten- und Energieeinsparung” wird für solche Anlagen auf die Forderung nach Wassereinsparung erweitert.
- • Neue Verhältnisse in Objekten mit hohem Trinkwasserwärmebedarf und geringem Heizungswärmebedarf.
- Durch die zunehmende Wärmedämmung an Gebäuden sinkt der Heizungswärmebedarf, der Trinkwasserwärmebedarf bleibt aber gleich, oder steigt wegen der, aus hygienischen Gründen erforderlichen Warmwassertemperaturen sogar an. Für Niedrigenergie-Häuser ist inzwischen der Trinkwasserwärmebedarf genau so groß wie der Heizungswärmebedarf. Darum müssen schon aus volkswirtschaftlichen Gründen alle Möglichkeiten zur Energie- und Wassereinsparung bei der zentralen Trinkwasserversorgung genutzt werden. Dazu gehören vor Allem die Wärmerückgewinnung aus dem warmen Abwasser, aus Abluft, aus Abgasen und die Redzierung der Bereitschaftswärmeverluste.
- • Eignung für alternative Energie von PV Anlagen, Wärmepumpen, thermische Solarenergie und Wärmerückgewinnung:
- Neue Systeme zur Trinkwasserversorgung sollten neben der Wirtschaftlichkeit und den hygienischen Anforderungen zur Stagnationsvermeidung, Erhöhung des Wasseraustausches auch für Brennwertkessel, in der Fernheizung und zur Verwendung von alternativer Energie, von Wärmepumpen, Heizkraftwerken, PV-Anlagen und thermischer Solarenergie besonders geeignet sein.
- Die Erfüllung der vorgenannten Aufgaben und Anforderungen muss aber zu geringen Kosten, bei geringem Primärenergiebedarf und ohne Nachteile für die Trinkwasserhygiene erfolgen.
- • For systems with heat pumps.
- In systems with heat pumps for heating and water heating, these increased circulation heat losses in the hot water system are even partially covered, or entirely by means of electric heating cartridges or by means of electrical pipe trace heating, that is over expensive primary energy. There are measurements showing that in a multi-family house with a heat pump, the annual electricity costs for the electric afterheating from 50 ° C to 60 ° C in the water heater are twice as high as in normal systems.
- • Avoiding additional energy and water costs, such as in forced flush systems.
- For buildings such as hospitals and similar stagnation prevention and the forced flushing of the hot and cold water system is proposed when the cold water temperature of 25 ° C and below the hot water temperature of 60 ° C and installed and operated in the form of computer-controlled forced flushing systems at high cost. The task "cost and energy saving" is extended for such plants to the demand for water savings.
- • New conditions in objects with high drinking water heat demand and low heat demand.
- Due to the increasing thermal insulation of buildings, the heating demand drops, the drinking water heat demand remains the same, or even increases due to the, for hygienic reasons required hot water temperatures. For low-energy houses, the drinking water heat demand is now just as large as the heat demand for heating. Therefore, for economic reasons, all options for saving energy and water in the central drinking water supply must be used. These include, above all, the recovery of heat from the warm wastewater, exhaust air, exhaust gases and the redesignation of the standby heat losses.
- • Suitability for alternative energy of PV systems, heat pumps, thermal solar energy and heat recovery:
- New systems for drinking water supply should be particularly suitable in addition to the economy and the hygienic requirements for Stagnationvermeidung, increase the water exchange for condensing boilers, in district heating and the use of alternative energy, heat pumps, heating plants, PV systems and thermal solar energy.
- However, the fulfillment of the aforementioned tasks and requirements must be carried out at low cost, with low primary energy requirements and without disadvantages for drinking water hygiene.
Problemlösung für Warmwasser:Problem solving for hot water:
Als Problemlösung für die Anforderungen nach Energieeinsparung, Legionellensicherheit, zur Stagnationsvermeidung und zur Erhöhung des Wasseraustausches im Warmwasserverteilnetz wird für Kleinanlagen und für Großanlagen die zentrale Trinkwassererwärmung mit Warmwasser-Verteilsystem mit Ringleitung und Zirkulationspumpe vorgeschlagen, sofern dies bei Neuanlagen oder im Falle der Renovierung möglich ist. Vorhandene Systeme mit Warmwasser-Zirkulationssystem müssen nach der Trinkwasserverordnung weiter bei Warmwassertemperaturen über 60°C betrieben werden. Hierzu besteht in Haushalten die Möglichkeit Wärmepumpen neuerdings mit dem Kältemittel R134a oder CO2 auch bei 60°C Trinkwassertemperatur zu betrieben.As a solution to the problem of energy conservation, legionella safety, stagnation prevention and increase the exchange of water in the hot water distribution network centralized DHW heating with hot water distribution system with loop and circulation pump is proposed for small plants and large facilities, if this is possible with new plants or in the event of renovation. Existing systems with hot water circulation system must continue to be operated according to the Drinking Water Ordinance at hot water temperatures above 60 ° C. For this reason, heat pumps can now be operated in households with the refrigerant R134a or CO2 even at 60 ° C drinking water temperature.
Problemlösung für Kaltwasser:Problem solution for cold water:
Als Problemlösung für die Anforderungen nach Legionellensicherheit, zur Stagnationsvermeidung und zur Erhöhung des Wasseraustausches im Kaltwasserverteilnetz wird für alle Anlagen die zentrale Trinkwasserversorgung ein Kaltwasser-Verteilsystem mit Ringleitung und einer dort bisher nicht übliche Zirkulationspumpe vorgeschlagen. In vorhandenen Kaltwasserverteilsystemen mit Steigleitungen fehlen allerdings zur Vermeidung von Stagnation noch die Kaltwasser-Zirkulationspumpe und die obere Verbindungsrohrleitung zu einer Ringleitung. Beim Auftreten von Legionellen in vorhandenen Systemen sollten diese zur Lösung aller Stagnationsprobleme mit der beschriebenen Verbindungsrohrleitung und einer Kaltwasser-Zirkulationspumpe nachgerüstet werden.As a solution to the problems of legionella safety, to prevent stagnation and to increase the exchange of water in the cold water distribution network, the central drinking water supply is proposed for all systems a cold water distribution system with a ring line and a circulation pump not usual there. In existing cold water distribution systems with risers, however, to avoid stagnation, the cold water circulation pump and the upper connecting pipe are still missing to a loop. When Legionella occur in existing systems, they should be retrofitted with the described connection piping and a cold water circulation pump to solve all stagnation problems.
Problemlösung für Warm- und Kaltwasser in Neu- und Altanlagen:Problem solution for hot and cold water in new and old plants:
Stagnationsvermeidung, die Erhöhung des Wasseraustausches und die Einhaltung aller hygienischen Anforderungen bei geringst möglichen Kosten und Energiebedarf für die Nutzer der zentralen Wasserversorgung sind die Aufgaben und Ziele, die mit der neuen Vorrichtung zur Trinkwasserversorgung mit Wärmepumpe zur kombinierten Kühlung von Kaltwasser und zur Erwärmung von Warmwasser erfüllt werden sollen. Dazu gehört auch der Einbau einer bisher nicht üblichen, aber handelsüblichen drehzahlgesteuerten Zirkulationspumpe in eine Kaltwasserringleitung. Als Problemlösung zur Energieeinsparung und zur Einhaltung aller hygienischen Anforderungen wird eine Vorrichtung zur Trinkwasserversorgung für Kalt- und Warmwasser mit Wärmepumpe und Ringleitungen vorgeschlagen. Die aus hygienischen Gründen erforderlichen Mindesttemperatur für Warmwasser von > 60°C und der maximal zulässigen Temperatur für Kaltwasser von < 25°C wird durch die neue Vorrichtung zur Trinkwasserversorgung mit Wärmepumpe erreicht, deren Verdampfer im Kaltwassersystem und deren Kondensator im Warmwassersystem angeordnet ist, wobei zur Stagnationsvermeidung in beiden Systemen Zirkulationspumpen vorgesehen sind. Die Wärmepumpe kann bei den vorliegenden günstigen Temperaturbedingungen eine Jahresarbeitszahl über 4 erreichen.Stagnation avoidance, increasing water exchange and compliance with all hygienic requirements at the lowest possible cost and energy requirements for the users of the central water supply are the tasks and goals, which meets with the new device for drinking water supply with heat pump for the combined cooling of cold water and warming of hot water should be. This includes the installation of a previously not customary, but commercially available speed-controlled circulation pump in a cold water ring line. As a solution to the problem of energy saving and compliance with all hygienic requirements, a device for drinking water supply for cold and hot water with heat pump and loop lines is proposed. The minimum required for hygienic reasons for hot water of> 60 ° C and the maximum allowable temperature for cold water of <25 ° C is the new device for Drinking water supply with heat pump achieved, the evaporator in the cold water system and its condenser is arranged in the hot water system, with circulation pumps are provided to stagnation prevention in both systems. The heat pump can reach an annual work rate over 4 under the present favorable temperature conditions.
Neue vorteilhafte Mehrwege Wärmeüberträger als Verdampfer und als Kondensator.New advantageous multi-way heat exchanger as evaporator and as a condenser.
Um die, zur Deckung der Zirkulationswärmeverluste erforderliche Leistung am Kondensator der Wärmepumpe zu erreichen ist es notwendig, dass dem Verdampfer außer dem Kreislauf für das Kaltwassersystem mit weiteren Kreisläufen, zum Beispiel aus der aus einem Abwasser-Wärmerückgewinnungskreis möglichst gleichzeitig und Im Gegenstrom zum Kältemittelkreis im Verdampfer zugeführt wird. Dazu ist es vorteilhaft, diese Wege mit gemeinsamen Wärmeleitenden Rippen Wärme leitend zu verbinden. Ein zusätzlicher Vorteil entsteht dann, wenn diese Rippen außerdem mit Luft oder Abluft beaufschlagt werden. Auf diese Weise wird die sicherheitstechnische Trennung von Kältemittel und Trinkwasser erreicht, wobei die Rippen sowohl als Heizflächen für die Luft, als auch zur Wärmeübertragung zwischen den Wegen dienen. Die Voreile, dass der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe am Kondensator und der Kreislauf für das Warmwassersystems zusammen mit weiteren Kreisläufen, zum Beispiel einem Heizwasserkreislauf, nebeneinander parallel im Gegenstrom zum Kältemittelkreis im Kondensator verlaufen, und mit gemeinsamen Wärmeleitenden Rippen Wärme leitend verbunden sind, kann sowohl mit Lamellen-Blockwärmeaustauschern erreicht werden, als auch zum Beispiel mit Aluminium-Strangpressprofilen. Dabei verläuft mindestens eine Wärmeleitende Rippe als Verbindung zwischen den Wegen parallel zur Längsachse, genau wie weitere Außenrippen und die beim Strangpressen leicht formbaren Innenrippen. Mehrwege-Wärmeaustauscher aus Strangpressprofilen können auch wendelförmig gewickelt in, oder um einen Speicher angeordnet werden, wobei der Verdampfer bei dieser Anordnung auch als stiller Verdampfer oder über einen Ventilator mit Luft oder Abluft beaufschlagt werden kann. Mit der vorgeschlagenen Ausführung und Anordnung von Mehrwege-Wärmeaustauschern ist für den Kondensator und den Verdampfer der Wärmepumpe die sicherheitstechnische Medien-Trennung von Kältemittel und Trinkwasser gegeben wobei die Rippen sowohl als Heizflächen für das umgebende Medium, als auch zur Wärmeübertragung zwischen den Wegen dienen.In order to achieve the power required to cover the circulation heat losses at the condenser of the heat pump, it is necessary that the evaporator except the circuit for the cold water system with other circuits, for example, from a wastewater heat recovery circuit as possible simultaneously and countercurrent to the refrigerant circuit in the evaporator is supplied. For this purpose, it is advantageous to heat conductively connect these paths with common heat-conducting fins. An additional advantage arises when these ribs are also exposed to air or exhaust air. In this way, the safety separation of refrigerant and drinking water is achieved, the ribs serve both as heating surfaces for the air, as well as for heat transfer between the paths. The Voreile that the refrigerant circuit of the heat pump to the condenser and the circuit for the hot water system along with other circuits, for example a Heizwasserkreislauf, side by side parallel in countercurrent to the refrigerant circuit in the condenser, and are heat-conductively connected to common heat-conducting fins, can both with fins Block heat exchangers are achieved, as well as, for example, with aluminum extrusions. In this case, at least one heat-conducting rib runs as a connection between the paths parallel to the longitudinal axis, just like other outer ribs and the easily molded during extrusion inner ribs. Multi-way heat exchangers made of extruded profiles can also be helically wound in, or arranged around a memory, wherein the evaporator can be acted upon in this arrangement as a silent evaporator or a fan with air or exhaust air. With the proposed embodiment and arrangement of multi-way heat exchangers, the safety-related media separation of refrigerant and drinking water is given for the condenser and the evaporator of the heat pump wherein the ribs serve both as heating surfaces for the surrounding medium, as well as heat transfer between the paths.
Der Materialverbrauch, die Kosten und der Energiebedarf sind für die vorgeschlagene Vorrichtung auf einem Minimum. Der erzielbare Nutzen der Vorrichtung ist die Erfüllung aller Anforderungen der Trinkwasserverordnung, wie Stagnationsvermeidung, Hygiene, Temperaturpräsenz und die Einhaltung der Grenztemperaturen für Kalt- und Warmwasser. Es wird also mit minimalem Aufwand ein Maximaler Nutzen erreicht.Material consumption, cost and energy requirements are at a minimum for the proposed device. The achievable benefit of the device is the fulfillment of all requirements of the Drinking Water Ordinance, such as stagnation prevention, hygiene, temperature presence and compliance with the limit temperatures for cold and hot water. It is thus achieved with minimal effort a maximum benefit.
Die Neuerung ist in folgenden Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:The innovation is shown in the following drawings. Show it:
Beschreibung zu den Zeichnungen:Description of the drawings:
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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„Legionellenfreies Warmwasser” in der SBZ 01/02.2014 auf Seite 19 im Bild 3 [0003] "Legionella-free hot water" in SBZ 01 / 02.2014 on
page 19 in Figure 3 [0003] -
„Planer + Installateur” ist in der Ausgabe 6/7 2012 auf den Seiten 40 bis 43 [0007] "Planner + Installer" can be found in the
issue 6/7 2012 on pages 40 to 43 [0007]
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