Abwasserwärmerückgewinnung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Warmwasserbereitung durch Abwasserwärmerückgewinnung mittels einer einen Kompressor sowie einen Verdampfer aufweisenden Wärmepumpe, insbesondere mittels einer Klein-Wärmepumpe für Haushaltsanwendungen, mit einem Warmwasserspeicher, der durch den Verdampfer der Wärmepumpe mit Wärmeenergie gespeist wird.

Die Rückgewinnung von Abwasserwärme wird bei aus der Praxis bekannten Vorrichtungen meist durch Nassdampfkreisprozesse realisiert. Der hierbei eingesetzte Kompressor erwärmt sich im Betrieb in der Regel auf Temperaturen im Bereich zwischen etwa 70°C und 90°C, die somit meist erheblich höher sind als die bei maximal 60 Grad liegende Temperatur des Warmwasserspeichers. Aufgrund dieser erhöhten Temperatur gibt der Kompressor nennenswerte Wärme an die Umgebung ab, die ohne Weiteres mehr als 50 Watt betragen kann. Diese Kompressorwärme geht somit verloren, so dass die Klein-Wärmepumpe keine ausreichend hohe Effizienz für einen wirtschaftlichen Betrieb erreicht.

Aus der EP 0 1 14 583 A2 ist bereits eine Lösung bekannt, bei welcher der Kompressor direkt mit dem Warmwasserbehälter verbunden ist. Damit wird zwar erreicht, dass während des Betriebs des Kompressors Wärme vom Kompressor an den Warmwasserspeicher abgegeben wird; in der meist längeren Stehzeit des Kompressors fließt dann jedoch in umgekehrter Richtung Wärme aus dem Warmwasserbehälter in den jetzt kälteren Kompressor ab, wodurch Nutzwärme in nennenswertem Umfang verloren geht. Um dies zu vermeiden, befindet sich der Kompressor bei einer Vorrichtung gemäß US-Patent 4,448,347 sogar innerhalb des Warmwasserspeichers, wodurch zwar eine bessere Abwärmenutzung ermöglicht wird, dafür jedoch der Aufbau deutlich aufwendiger und somit kostenintensiver ist. Zusätzlich vergrößern sich hierdurch die Oberfläche des Warmwasserspeichers und damit der Wärmeverlust an die Umgebung. Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Abwärme des Kompressors auf eine einfache und wirtschaftliche Weise zu nutzen, um somit eine effizientere Arbeitsweise bei der Abwasserwärmerückgewinnung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass der Warmwasserspeicher mit dem Kompressor der Wärmepumpe über wenigstens eine Heatpipe in thermischer Verbindung steht, wobei der Warmwasserspeicher oberhalb des Kompressors angeordnet ist und wobei die wenigstens eine Heatpipe einem Abführen von beim Betrieb des Kompressors anfallender Abwärme hin zum Warmwasserspeicher dient. Die hierdurch erreichten Vorteile bestehen im Wesentlichen darin, dass zusätzlich zu der mittels des Verdampfers übertragenen Wärmemenge auch die beim Betrieb des Kompressors der Wärmepumpe an diesem entstehende Abwärme übertragen werden kann, wobei, wie bekannt, diese Heatpipes oder auch Wärmerohre bei geeigneter Anordnung und Ausführung große Wärmemengen transportieren können, soweit sich die Wärmequelle, hier also der Kompressor, am tieferen Ende der Heatpipe und die Wärmesenke, hier also der Warmwasserspeicher, am höheren Ende befindet. Diese Heatpipes sind üblicherweise mit einer leicht verdampfenden Flüssigkeit gefüllt, welche sich im Bereich des unteren Endes sammelt. Wird dieser Bereich erwärmt, so verdampft die Flüssigkeit und der Dampf verteilt sich im gesamten Rohr; im kälteren oberen Bereich kondensiert der Dampf und das Kondensat läuft aufgrund des Gefälles wieder nach unten. Durch Verdampfen und Kondensieren werden - ohne äußeren Antrieb - große Wärmeströme transportiert.

Wird dagegen das obere Ende erwärmt, so kann ein Wärmetransport nur aufgrund der Wärmeleitung in der dünnen Rohrwand erfolgen; da die Flüssigkeit sich unten befindet, findet keine Verdampfung und somit auch keine Kondensation statt. Damit ist der Wärmestrom vom oberen zum unteren Ende erheblich kleiner, so dass in der Folge bei ausgeschaltetem Kompressor die Wärme im Warmwasserspeicher verbleibt. Um einen möglichst optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, schlägt die Erfindung weiter vor, dass die Heatpipe im guten Wärmekontakt mittels einer einseitig oder beidseitig unlösbaren Verbindung durch Verkleben, Schweißen oder Löten mit dem Warmwasserspeicher bzw. dem Kompressor verbunden ist. Es ist im Rahmen der Erfindung jedoch ebenso möglich, dass die Heatpipe in gutem Wärmekontakt mittels einer einseitig oder beidseitig lösbaren Verbindung über fest am Warmwasserspeicher bzw. dem Kompressor angeschlossene Klemmstücke oder vergleichbare Anschlussmittel verbunden ist. Diese Lösung erlaubt flexiblere Aufbaumöglichkeiten der Vorrichtung; insbesondere ist auch eine leichtere Demontage zu Zwecken der Wartung möglich.

Weiter ist es von Vorteil, wenn die Heatpipes aus zumindest bereichsweise elastisch ausgebildeten Rohren bestehen. Dies erlaubt zunächst eine weitgehend freie Wahl der Positionen von Warmwasserspeicher und Kompressor, wobei lediglich vorausgesetzt wird, dass der Kompressor tiefer angeordnet ist als der Warmwasserspeicher. Durch die elastische Ausbildung der Rohre der Heatpipes können die im Betrieb auftretenden Vibrationen des Kompressors leichter abgefangen werden, so dass diese nicht auf den Speicher übertragen werden. Dies ermöglicht insgesamt einen leiseren Betrieb der Vorrichtung.

Um des Weiteren Wärmeverluste an die Umgebung zu vermeiden, empfiehlt es sich, dass der Kompressor, die Heatpipes sowie der Warmwasserspeicher von einer gemeinsamen Isolierung umschlossen sind.

Hierbei ist es insbesondere weiter vorteilhaft, dass die Isolierung mit einer Infrarotstrahlung reflektierenden Beschichtung versehen ist, so dass keine Strahlungswärme durch die Isolierung verloren gehen kann. Als Material für die Beschichtung bietet sich insbesondere Aluminium an.

Um darüber hinaus bereits eine Abstrahlung der im Kompressor entstehenden Wärme gering zu halten, empfiehlt es sich weiter, dass der Kompressor eine metallisch glänzende, strahlungsarme Oberfläche aufweist. Diese Oberfläche besteht zweckmäßigerweise aus korrosionsbeständigem Material wie Aluminium oder Chrom. Im Folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung nach der Erfindung in schematischer Darstellung.

Die in der Zeichnung nur schematisch wiedergegebene Vorrichtung dient zur Warmwasserbereitung, wobei mittels einer Wärmepumpe eine Wärmerückgewinnung aus dem vorzugsweise bei Haushaltsanwendungen entstehenden Abwasser erfolgt. Diese Wärmepumpe besteht in üblicher Weise aus einem Kompressor 1 sowie einem im einzelnen nicht wiedergegebenen Verdampfer, ferner aus einem in der Zeichnung ebenfalls nicht näher dargestellten Kondensator sowie einer Drossel. Solche in Form einer Klein-Wärmepumpe ausgebildeten Vorrichtungen sind insbesondere für Haushaltsanwendungen einsetzbar.

Weiter ist ein Warmwasserspeicher 2 vorgesehen, der durch den Verdampfer der Wärmepumpe mit Wärmeenergie gespeist wird. Der Warmwasserspeicher 2 ist mit in der Zeichnung ebenfalls nur angedeuteten Anschlüssen 3 für das Wasser einerseits sowie den Kältekreislauf andererseits eingerichtet, wobei die Anschlüsse 3 in der Zeichnung der Übersichtlichkeit wegen nicht im Einzelnen verbunden sind.

Der Warmwasserspeicher 2 steht mit dem Kompressor 1 der Wärmepumpe über zwei sog. Heatpipes 4 in thermischer Verbindung, wobei die Anordnung so gewählt ist, dass der Warmwasserspeicher 2 oberhalb des Kompressors 1 angeordnet ist. Diese Heatpipes 4 oder auch Wärmerohre sind mit einer leicht verdampfenden Flüssigkeit gefüllt, die sich im unteren Bereich sammelt. Wird dieser untere Bereich erwärmt, hier durch den Kompressor 1 , so verdampft die Flüssigkeit und der Dampf verteilt sich im gesamten Rohr, wobei dieser Dampf im kälteren oberen Bereich wieder kondensiert und dort die Kondensationswärme abgibt.

Diese Art der Wärmeübertragung sorgt dafür, dass ein Wärmetransport im Wesentlichen von unten nach oben erfolgt, da sich im oberen Bereich keine Flüssigkeit befindet, die verdampfen könnte. Ein Wärmetransport von oben nach unten findet daher nur über Wärmeleitung durch das Wärmerohr statt. Dieser Anteil ist jedoch vergleichsweise sehr gering. Dies führt im Ergebnis dazu, dass der im Betrieb sich über der Temperatur des Warmwasserspeichers 2 befindende Kompressor 1 Wärme an den Warmwasserspeicher 2 abgibt. Schaltet der Kompressor 1 dagegen ab, so wird wegen der im Wesentlichen unidirektionalen Wärmeübertragung durch die Heatpipes 4 verhindert, dass Wärme vom Warmwasserbehälter zu dem dann kühleren Kompressor 1 abströmen kann.

Um eine optimale Wärmeübertragung zu erreichen, stehen die beiden Heatpipes 4 im guten Wärmekontakt mit dem Warmwasserspeicher 2 bzw. dem Kompressor 1 , wobei dieser Wärmekontakt entweder in einer unlösbaren Verbindung durch Verkleben, Schweißen oder Löten bestehen kann oder aber auch in einer lösbaren Verbindung, wobei dann am Warmwasserspeicher 2 bzw. am Kompressor 1 fest angeschlossene Klemmstücke 5 oder vergleichbare Anschlussmittel vorgesehen sind, die das Ende der Heatpipes 4 in sich aufnehmen.

Die Heatpipes 4 können in in der Zeichnung nicht näher dargestellter Weise aus zumindest bereichsweise elastisch ausgebildeten Rohren bestehen, wodurch einerseits eine einfachere Montage sowie eine weitgehend freie Wahl der Position von Warmwasserspeicher 2 zum Kompressor 1 möglich ist. Zusätzlich können die elastischen Rohre die im Betrieb auftretenden Vibrationen des Kompressors 1 abfangen, so dass diese nicht auf den Speicher übertragen werden, wodurch ein insgesamt leiserer Betrieb möglich ist. In ebenfalls nicht näher dargestellter Weise werden der Kompressor 1 , die Heatpipes 4 sowie der Warmwasserspeicher 2 üblicherweise gegen Wärmeverlust mit einer Isolierung versehen sein, wobei diese Isolierung so ausgebildet sein kann, dass der Kompressor 1 , die Heatpipes 4 sowie der Warmwasserspeicher 2 gemeinsam von ihr umschlossen sind. Um auch die Strahlungswärme innerhalb der Isolierung abzuschirmen, kann diese Isolierung mit einer Infrarotstrahlung reflektierenden Beschichtung versehen sein. Für diese Beschichtung bietet sich insbesondere Aluminium an. Um darüber hinaus eine Emission von Infrarotstrahlung aus dem Kompressor 1 möglichst gering zu halten, sollte dieser nicht - wie üblich - schwarz lackiert sein, sondern eine metallisch glänzende, strahlungsarme Oberfläche aufweisen. Hierfür bietet sich insbesondere korrosionsbeständiges Material wie Aluminium oder Chrom an.