EP3601688B1 - Method for operating a circulation system, and circulation system - Google Patents
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- EP3601688B1 EP3601688B1 EP19729444.0A EP19729444A EP3601688B1 EP 3601688 B1 EP3601688 B1 EP 3601688B1 EP 19729444 A EP19729444 A EP 19729444A EP 3601688 B1 EP3601688 B1 EP 3601688B1
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Definitions
- the highest value permissible according to the design of the line system is preferably selected as the volume flow start value V z *. This value is reduced until the temperature of the circulating water is close to T setpoint , since the temperature of the circulating water increases with decreasing volume flow and therefore the temperature at the inlet port rises.
- equation 1 is used for the thermal resistance in equation 2 and thus the thermal resistance is determined.
- equation 3 is calculated. 1
- a water temperature can also be determined for any point in the pipe network under consideration.
- the iterative approximation method is preferably the known Excel target value search; see Excel and VBA: Introduction with practical applications in the natural sciences by Franz Josef Mehr, Maria Maria Maria Mehr, Wiesbaden 2015, Section 8.1.
- the calculated volume flow V z at which a target temperature Tb of 20 ° is reached at an inlet temperature T a of 15 ° C., is indicated in line MT4.
- a connection line is a line between a supply line and a drinking water installation or the circulation system.
- a consumption line is a line that supplies water from the main shut-off valve to the tapping connections and, if necessary, feeds it into apparatus.
- a collective feed line is a horizontal consumption line between the main shut-off valve and a riser.
- a rising (falling) line leads from floor to floor and from which the floor lines or individual feed lines branch off.
- a floor line is the line that branches off from the rising (falling) pipe within a floor and from which individual feed lines branch off.
- a single feed line is the line leading to an extraction point.
- At least one branch of the circulation line branches off from the at least one feed line.
- At least one branch of the at least one circulation line branches off from the at least one ring line.
- the at least one feed line comprises at least one riser and / or one floor line.
- the at least one feed line comprises a collective feed line which is connected to a connection to a water supply network.
- connection is connected to at least one connection line and / or at least one consumption line.
- At least one static or dynamic flow divider is arranged in the at least one feed line and / or the at least one ring line, with which a tapping point for water is preferably connected.
- a percentage distribution of the volume flows is preferably made 95% at the outlet and 5% at the passage.
- thermal energy is transferred from the circulating water to another material flow, preferably by means of a heat exchanger, thereby optimizing the cooling process suitable choice of the other material flow, for example propane, and a reduction in the energy required to operate the cooling device can be achieved.
- the cooling device is thermally coupled to a cold generator, preferably a heat pump, a cold water set or a cold supply network, whereby a reduction in the energy required for the cooling process can also be achieved.
- a cold generator preferably a heat pump, a cold water set or a cold supply network
- the determination of a consumption characteristic curve of the circulation pump as a function of the conveyed volume flow of the circulation pump and the determination of a consumption characteristic curve of the cooling device as a function of a water temperature at the output port and the setting of a volume flow rate V z and a water temperature T a at the output port so that the power consumption of the circulation pump and cooling device assumes a relative or absolute minimum value, which improves the energy efficiency of the method.
- the temperature T is a value of 20 ° C +/- to selected 5 ° C and selected for the water temperature T a at the output port a value of 15 ° C +/- 5 ° C becomes.
- At least a section of the line system is designed as an external circulation line, since external circulation lines are mostly built into already existing circulation systems.
- At least one section is designed as an inliner circulation line, since these are often built into newer or new circulation systems.
- the in Figure 1 The circulation system shown is a node K1 is connected to an output port 12b of a cooling device 12 via a flow line 4a.
- the cooling device 12 has connections on the refrigeration circuit side and a pump 13 on the refrigeration circuit side.
- a branch to a collecting line 4 a connection line to a connection 1 to a water supply network and a consumption line 3 is provided, the latter and the connection line not belonging to the circulation system. There is therefore no volume flow division at node K1.
- the collective feed line 4 is connected to a riser line 5 which opens into a node K2.
- the node K2 branches into a floor line 6 and a riser 5, which opens into a node K3 and at which a branch to a floor line 6 and a riser 5 takes place, is connected to a floor line 6 which opens into a node K4.
- the node K2 is connected to a node K6 via a floor line 6.
- the node K3 is connected to a node K5 via a floor line 6.
- Two sections TS1 and TS2 explicitly identified as such are connected via the node K4, TS1 section of the floor line 6 and TS2 representing a circulation line.
- node K4 there is also a branch via a single feed line 7 to an extraction point 9.
- the individual feed lines and tapping points connected to nodes K2 and K3 are not provided with reference symbols. Since the circulation system according to the invention for carrying out the method according to the invention is operated in a state in which there is no water withdrawal, those nodes that are assigned to withdrawal points are excluded from consideration in the following and, with the exception of node K4, are accordingly not shown in the drawings Provided with reference numerals.
- the section TS2 is connected to a vertical circulation line 10a which opens into the node K5.
- the node K5 is connected to a circulation line 10a which opens into the node K6.
- the node K6 is connected to a vertical circulation line 10a, which is connected to a horizontal circulation line 10a, which in turn is connected to the circulation pump 10b via a vertical circulation line.
- FIG. 2 The circulation system shown has a structure analogous to that of the Figure 1 , however, 6 ring lines are provided in the floor lines, whereby for simplification only in the uppermost in Figure 2 a reference numeral 8 is used.
- the ring line 8 is assigned an optional flow divider 8a. Ring lines are assigned to nodes K21 to K32. It goes without saying that systems in which only one ring line is present are also encompassed by the invention.
- FIG 3 a further system with nodes K31 to K34 is shown, in which, however, the circulation lines 10a opening into the nodes K34 and K35 are routed parallel to the floor lines 6 emanating from the nodes K32 and K33.
- an optional decentralized cooling device 14 with an input port 14a and an output port 14b is arranged in the uppermost floor line 6, connections of a cold-side circuit and a corresponding pump not being shown to simplify the illustration.
- the heat exchanger 12 can be omitted, in which case one cooling device 14 or several cooling devices 14 are mandatory.
- Figure 4 shows a system with nodes K41 to K51 as in FIG Figure 3 , however, ring lines 8 are provided in the floor lines.
- Figure 5 shows a system with nodes K51 to K55, in which circulation lines 10 are routed parallel to the risers 5 connected to nodes K52, K53.
- Figure 6 shows a system with the nodes K61 to K69b, with ring lines being provided between the nodes K63, K64, K66, K67 and K68, K69.
- Figure 7 shows a system with nodes K71 to K75, with risers 5 connected to nodes K72 and K73.
- Figure 8 shows a system with nodes K81 to K89b analogous to FIG Figure 7 but with ring lines arranged between nodes K89a, K89b, K88, K89 as well as K84 and K85.
- the inventive method is used in the systems of Figures 1 to 8 executed in the manner described above, based on a temperature start value T MA * ⁇ T soll and a volume flow start value V z * for the first section connected to the output port (12b) a temperature change of the water between the start area and end area according to a model the temperature change is determined.
- a temperature change of the water between the start area and the end area is calculated for each given further section according to the model of the temperature change determined, under the boundary condition that the water temperature in the start area of the given section is equal to the water temperature in the end area of the section to which the given section is connected.
- the value T a of the water temperature and the value V z of the volume flow at the output port 12b are selected in such a way that the water temperature T ME ⁇ T soll is in the end area of each section of the circulation system and the water temperature T b ⁇ T soll with T at the inlet port 12a should - T b ⁇ , where ⁇ > 0 is a predetermined value.
- circulation pump 10b is not always operated with a constant volume flow, that is to say regardless of whether the port inlet temperature 12a has exactly the set value or is even below it.
- the delivery volume flow of the circulation pump 10b could be reduced. This can take place automatically, for example, in a temperature-controlled manner. The result would be energy savings.
- the delivery volume flow of the pump 13 can also be reduced in a temperature-controlled manner.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Zirkulationssystems sowie ein Zirkulationssystem, jeweils gemäß den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a method for operating a circulation system and a circulation system, each according to the features of the preambles of the independent claims.
Um Mikrobenwachstum in Kaltwassernetzen zu verhindern, verlangen die DIN EN 806, sowie die VDI-Richtlinie 6023 für Trinkwasserinstallationen in Gebäuden, eine Begrenzung der Temperatur des kalten Trinkwasser (PWC) in allen Leitungen der Installationen jederzeit auf einen Wert von maximal +25°C. Nach der DIN EN 806-2,3.6 soll für Kaltwasserstellen die Wassertemperatur 30 Sekunden nach dem vollen Öffnen einer Entnahmestelle nicht +25°C übersteigen. Ferner ist um eine Stagnation des Wassers zu vermeiden, die Kaltwasserinstallation so auszulegen, dass unter normalen Betriebsbedingungen das Trinkwasser in allen Leitungen der Installation regelmäßig erneuert wird. Ähnlich ist auch in der VDI-Richtlinie 6023 die Empfehlung enthalten, die Temperatur des Trinkwassers möglichst unter +25°C zu halten. Es versteht sich, dass häufig auch für andere Wasserinstallationen eine Temperaturbegrenzung des Wassers als notwendig angesehen wird, beispielsweise für Installationen von industriellem Brauchwasser.In order to prevent the growth of microbes in cold water networks, DIN EN 806 and VDI guideline 6023 for drinking water installations in buildings require the temperature of the cold drinking water (PWC) in all pipes of the installations to be limited to a maximum of + 25 ° C at all times. According to DIN EN 806-2,3.6, the water temperature for cold water points should not exceed + 25 ° C 30 seconds after an extraction point has been fully opened. Furthermore, in order to avoid stagnation of the water, the cold water installation must be designed in such a way that the drinking water in all pipes of the installation is regularly renewed under normal operating conditions. Similarly, the VDI guideline 6023 also contains the recommendation to keep the temperature of the drinking water below + 25 ° C if possible. It goes without saying that a temperature limitation of the water is often seen as necessary for other water installations as well, for example for installations of industrial water.
Das Auftreten hoher PWC-Temperaturen wird durch das alleinige oder gemeinsame Auftreten verschiedener Gegebenheiten begünstigt, so unter anderem durch:
- hohe PWC-Temperaturen bereits am Hausanschluss,
- thermische Beeinflussung der Installationsbereiche durch z. B. die Lage und Ausrichtung des Gebäudes oder der Installationsbereiche innerhalb des Gebäudes,
- unzureichende Dämmung der PWC-Rohrleitungen gegen Wärmeeintrag,
- Installation von PWC-Rohrleitungen in Räumen und Technikzentralen mit Wärmequellen, in gemeinsamen Installationsbereichen wie beispielsweise in Schächten, Kanälen, Abhangdecken und Installationswänden mit wärmeabgebenden Medien (z. B. Heizungsrohrleitungen, Trinkwarmwasser (PWH) und Trinkwarmwasser-Zirkulationsanlagen (PWH-C), Zuluft- und Abluftkanäle, Lampen),
- Phasen der Stagnation in vorgenannten Installationsbereichen,
- weit verzweigte PWC-Installationen mit einhergehenden großen
Anlagenvolumina, - zu groß dimensionierte PWC-Rohrleitungen.
- high PWC temperatures at the house connection,
- thermal influence of the installation areas by z. B. the location and orientation of the building or the installation areas within the building,
- Insufficient insulation of the PWC pipes against heat input,
- Installation of PWC pipes in rooms and technical centers with heat sources, in common installation areas such as in shafts, ducts, suspended ceilings and installation walls with heat-emitting media (e.g. heating pipes, domestic hot water (PWH) and domestic hot water circulation systems (PWH-C), supply air and exhaust ducts, lamps),
- Phases of stagnation in the aforementioned installation areas,
- Widely branched PWC installations with accompanying large
Plant volumes, - PWC pipelines that are too large.
Bevorzugte Methode bei dem Versuch, die gesetzlichen Vorschriften in Stagnationsphasen zu erfüllen, ist bislang die Zwangsspülung der Anlagen um den bestimmungsgemäßen Betrieb in diesen Phasen nachzuahmen.The preferred method when trying to meet the legal requirements in stagnation phases has so far been the forced flushing of the systems in order to imitate the intended operation in these phases.
Um kaltes Trinkwasser zur Verfügung zu stellen sind für das Kaltwassernetz bereits verschiedene gekühlte Zirkulationssysteme vorgeschlagen worden.In order to make cold drinking water available, various cooled circulation systems have already been proposed for the cold water network.
Aus der
Aus der
Aus der
In der
Bei den bekannten Zirkulationssystemen mit Kühlung des Wassers ist zum Teil überhaupt nicht, oder jedenfalls nicht auf effektive Weise gewährleistet, dass für alle Teilstrecken und für alle Zeiten während des Betriebs des Zirkulationssystems die Wassertemperatur unter der gewünschten Temperatur bleibt.In the known circulation systems with cooling of the water, it is sometimes not guaranteed at all, or at least not in an effective manner, that the water temperature remains below the desired temperature for all sections and for all times during the operation of the circulation system.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher auf effektive Weise zu erreichen, dass für alle Teilstrecken und für alle Zeiten während des Betriebs eines Zirkulationssystems die Wassertemperatur unter der gewünschten Temperatur bleibt.The object of the present invention is therefore to achieve in an effective manner that the water temperature remains below the desired temperature for all sections and for all times during the operation of a circulation system.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.The object is achieved according to the invention with the features of the independent patent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf ein Zirkulationssystem mit einer Kühlvorrichtung mit einem Eingangsport und einem Ausgangsport zur Kühlung von Wasser und mit einem Leitungssystem mit mehreren Strängen, welche eine oder mehrere Teilstrecken mit gegebener Wärme - Kopplung mit einer Umgebung aufweisen und mittels Knoten verbunden sind, wobei eine oder mehrere der Leitungen des Leitungssystems als Vorlaufleitung ausgebildet sind, zumindest eine mit einer Entnahmestelle verbundene Einzelzuleitung und zumindest eine als Zirkulationsleitung ausgebildete Leitung mit der oder den Vorlaufleitungen verbunden ist.The method according to the invention relates to a circulation system with a cooling device with an input port and an output port for cooling water and with a line system with several strands, which have one or more sections with a given heat - coupling with an environment and are connected by means of nodes, with one or more of the lines of the line system are designed as a feed line, at least one individual feed line connected to an extraction point and at least one line designed as a circulation line is connected to the feed line or lines.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des Zirkulationssystem zeichnet sich dadurch aus, dass ausgehend von einem Temperatur - Startwert TMA* < Tsoll und einem Volumenstrom-Startwert Vz* für die erste an den Ausgangsport angeschlossene Teilstrecke eine Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangsbereich und Endbereich entsprechend einem Modell der axialen Temperaturänderung ermittelt wird, eine Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangsbereich und Endbereich für jede gegebene weitere, an die erste Teilstrecke angeschlossene Teilstrecke entsprechend dem Modell der Temperaturänderung ermittelt wird, unter der Randbedingung, dass die Wassertemperatur im Anfangsbereich der gegebenen Teilstrecke gleich der Wassertemperatur im Endbereich der Teilstrecke ist, an die die gegebene Teilstrecke in Fließrichtung des Wassers angeschlossenen ist und der Wert Ta der Wassertemperatur und der Wert Vz des Volumenstroms am Ausgangsport so gewählt werden, dass im Endbereich jeder Teilstrecke des Zirkulationssystems die Wasser - Temperatur TME < Tsoll beträgt und am Eingangsport die Wassertemperatur Tb < Tsoll mit Tsoll - Tb < θ ist, wobei θ>0 ein vorgegebener Wert ist.The method according to the invention for operating the circulation system is characterized in that, based on a temperature start value T MA * <T soll and a volume flow start value V z * for the first section connected to the output port, a temperature change of the water between the start area and the end area corresponds accordingly a model of the axial temperature change is determined, a temperature change of the water between the start area and the end area for each given further section connected to the first section is determined according to the model of the temperature change, under the boundary condition that the water temperature in the start area of the given section is equal to the water temperature is in the end area of the section to which the given section is connected in the direction of flow of the water and the value T a of the water temperature and the value V z of the volume flow at the output port are selected so that in the end area each section stretch of the circulation system the water temperature T ME <T soll and at the inlet port the water temperature T b <T soll with T soll - T b <θ, where θ> 0 is a predetermined value.
Vorzugsweise besteht das Ermitteln in einem Berechnen gemäß dem Modell der axialen Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangsbereich und Endbereich der Teilstrecke, also des entsprechenden Leitungsstücks, aufgrund von Wärmeaufnahme aus der Umgebung der Teilstrecke. Beginnend mit der ersten an die Kühlvorrichtung angeschlossenen Teilstrecke wird somit das sukzessiv das gesamte System der Teilstrecken durchlaufen und daher die Temperatur im gesamten System berechnet.The determination preferably consists of a calculation according to the model of the axial temperature change of the water between the start area and the end area of the section, that is, of the corresponding line section, due to the absorption of heat from the area surrounding the section. Starting with the first section connected to the cooling device, the entire system of sections is successively traversed and the temperature in the entire system is therefore calculated.
Erfindungsgemäß werden bei dem Verfahren, der Wert Ta der Wassertemperatur und der Wert Vz des Volumenstroms am Ausgangsport, bei denen erreicht wird, dass im Endbereich jeder Teilstrecke des Zirkulationssystems die Wasser - Temperatur TME < Tsoll beträgt und am Eingangsport die Wassertemperatur Tb < Tsoll mit Tsoll - Tb < θ ist, wobei θ>0 ein vorgegebener Wert ist, mittels einer Modellierung von Temperatur und Volumenströmen des im Leitungssystems zirkulierenden Wassers ermittelt, vorzugsweise berechnet. Vorzugsweise erfolgt dies für einen Zustand mit einem stationären Vz.According to the invention, in the method, the value T a of the water temperature and the value V z of the volume flow at the output port, in which it is achieved that the water temperature T ME <T soll in the end area of each section of the circulation system and the water temperature T at the input port b <T soll with T soll - T b <θ, where θ> 0 is a predetermined value, determined by modeling the temperature and volume flows of the water circulating in the pipe system, preferably calculated. This is preferably done for a state with a stationary Vz.
Die Kühlvorrichtung und ggfs. eine Zirkulationspumpe des Zirkulationssystems werden dann so eingestellt, dass die Wassertemperatur und der Volumenstrom die ermittelten Werte Ta und der Wert Vz annehmen.The cooling device and, if necessary, a circulation pump of the circulation system are then set in such a way that the water temperature and the volume flow assume the values T a and the value V z determined.
Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Temperatur an einem Ausgangsport eingestellt wird, darauf basierend Temperaturänderungen berechnet und zur Modellierung nach den Vorgaben des Kennzeichens des Anspruchs 1 verwendet werden.It is proposed according to the invention that a temperature is set at an output port, temperature changes are calculated based thereon and used for modeling in accordance with the specifications of the characterizing part of
Vorteil des Berechnens ist, dass kein Sensor benötigt wird, um etwas zu messen, und dass man Einflussgrößen bewerten und variieren kann und evtl. auch Vorhersagen treffen kann.The advantage of calculating is that no sensor is required to measure something and that influencing variables can be assessed and varied and possibly also made predictions.
Das Berechnen bietet im Verglich zu einer Zweipunktregelung und/oder einer unterlagerten Stockwerksregelung beziehungsweise Strangregelung, den Vorteil, dass weniger Messstellen benötigt werden und das System insgesamt weniger schwingungsanfällig ist.Compared to a two-point control and / or a subordinate floor control or string control, the calculation offers the advantage that fewer measuring points are required and the system is less susceptible to vibrations overall.
Die erfindungsgemäße Regelung erfolgt also im Vergleich zum Stand der Technik mittels eines Stelleingriffs am Ausgangsport, wobei dem Regler - Entwurf jedoch das gesamte Wasserleitungssystem mit verteilten Parametern mit einer Berechnung einer Vielzahl von Temperaturen TME zu Grunde liegt. Es sind also grundsätzlich nur ein Regler, und nur eine Temperatureinstellung zum Bereitstellen der Temperatur Ta erforderlich.In comparison to the prior art, the regulation according to the invention is carried out by means of an actuating intervention at the output port, but the regulator design is based on the entire water pipe system with distributed parameters with a calculation of a number of temperatures TME. So basically only one controller and only one temperature setting are required to provide the temperature Ta.
Ein ähnliches Problem wie für ein Kaltwassernetz besteht bei einem Warmwassernetz. Dabei ändern sich nur die Betriebstemperaturen, wobei statt einer Kühlvorrichtung ein Speicher oder Heizer eingesetzt wird. Die Temperaturen im Warmwassernetz liegen zwischen 60 °C am Speicheraustritt und 55 °C am Speichereintritt. Im Gegensatz zum Kaltwassernetz, bei dem es zu einer Temperaturerhöhung infolge von Wärmegewinnen aus der Umgebung kommt, führen Wärmeverluste zu einer Temperaturabnahme im Warmwassernetz.A problem similar to that for a cold water network exists with a hot water network. Only the operating temperatures change, with a storage tank or heater being used instead of a cooling device. The temperatures in the hot water network are between 60 ° C at the storage tank outlet and 55 ° C at the storage tank inlet. In contrast to the cold water network, where it If there is a temperature increase as a result of heat gains from the environment, heat losses lead to a temperature decrease in the hot water network.
Die nachfolgende Formel gilt sowohl für den Temperaturabfall in einem Warmwassernetz als auch für den Temperaturanstieg in einem Kaltwassernetz.
- q̇ = spezifischer Wärmestrom in W / m
- Δϑ = ϑMedium,Anfang - ϑMedium,Ende Warmwasser
- Δϑ = ϑMedium,Ende - ϑMedium,Anfang Kaltwasser
- q̇ = specific heat flow in W / m
- Δϑ = ϑ medium, start - ϑ medium, end of hot water
- Δϑ = ϑ medium, end - ϑ medium, beginning of cold water
Die Erfindung umfasst daher auch den analogen Fall eines Warmwassernetzes, wobei statt einer Kühlvorrichtung ein Speicher oder Heizer eingesetzt wird.The invention therefore also includes the analogous case of a hot water network, a storage tank or heater being used instead of a cooling device.
Ferner sind die o.g. Formel auch in einem Kaltwassernetz gültig, falls die Temperatur des Wassers höher als die Umgebungstemperatur ist.Furthermore, the above formula is also valid in a cold water network if the temperature of the water is higher than the ambient temperature.
Allgemein umfasst die Erfindung daher mit entsprechenden Anpassungen der zur Berechnung gemäß dem Modell eingesetzten Formeln den Fall, dass statt einer Kühlvorrichtung ein Wärmetauscher eingesetzt wird, der das Wasser erwärmen oder kühlen kann.In general, the invention therefore includes, with corresponding adaptations of the formulas used for calculation according to the model, the case that a heat exchanger is used instead of a cooling device, which can heat or cool the water.
Der Begriff Strang bezeichnet eine aus einer Teilstrecke oder mehreren Teilstrecken bestehende Leitung zwischen zwei Knoten, zwischen denen kein weiterer Knoten liegt.
Die Stränge sind über Knoten verbunden.The term “strand” refers to a line consisting of a section or several sections between two nodes, between which there is no other node.
The strands are connected by knots.
Vorzugsweise bezieht sich die Randbedingung, dass die Wassertemperatur im Anfangsbereich der gegebenen Teilstrecke gleich der Wassertemperatur im Endbereich der Teilstrecke ist, an die die gegebene Teilstrecke angeschlossenen ist, nur auf die Teilstrecken jeweils eines Stranges.The boundary condition that the water temperature in the start area of the given section is equal to the water temperature in the end area of the section to which the given section is connected preferably relates only to the sections of a line.
Die Temperatur und Größe des aus einem Knoten in eine anschließende Teilstrecke auslaufenden Volumenstroms hängt von den Temperaturen und Größen der einlaufenden Volumenströme ab. Von der Erfindung werden diese vorzugsweise als durch die Auslegung des Leitungssystem gegeben vorausgesetzt.The temperature and size of the volume flow leaving a node in a subsequent section depends on the temperatures and sizes of the incoming Volume flows from. The invention preferably assumes that these are given by the design of the line system.
Die Aufteilung der aus einem Knoten abfließenden Volumenströme auf die verschiedenen abgehenden Leitungen beziehungsweise Teilstrecken wird bei der Erfindung vorzugsweise als durch die Auslegung des Leitungssystems gegeben vorausgesetzt.The distribution of the volume flows flowing out of a node to the various outgoing lines or sections is preferably assumed in the invention to be given by the design of the line system.
Vorzugsweise werden Mischtemperaturen bei Strangvereinigung sowie die Temperaturen bei Strangteilung ausgehend von einer prozentualen Volumenstromaufteilung errechnet.Mixing temperatures in the case of strand unification and the temperatures in the case of strand division are preferably calculated on the basis of a percentage volume flow distribution.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Leitungssystem als gegeben vorausgesetzt, wobei es sich versteht, dass das Leitungssystem entsprechend den Vorgaben der DIN 1988-300 zur Auslegung von Rohrnetzen ausgelegt ist, wodurch insbesondere bestimmte Nennweiten der PWC - (Potable Water Cold) Leitungen und Werte thermischer Kopplung des zirkulierenden Wasser mit der Umgebung vorgeschrieben sind. Es versteht sich, dass generell auch die in anderen Ländern oder Regionen vorgeschriebenen oder empfohlenen Auslegungen des Rohrnetzes beachtet werden können.In the method according to the invention, the line system is assumed to be given, it being understood that the line system is designed in accordance with the specifications of DIN 1988-300 for the design of pipe networks, whereby in particular certain nominal widths of the PWC (Potable Water Cold) lines and thermal values Coupling of the circulating water with the environment are prescribed. It goes without saying that, in general, the pipe network designs prescribed or recommended in other countries or regions can also be observed.
Vorzugsweise wird als Volumenstrom- Startwert Vz* der höchste nach der Auslegung des Leitungssystems zulässige Wert gewählt. Dieser Wert wird solange herabgesetzt, bis die Temperatur des zirkulierenden Wassers nahe Tsoll liegt, da mit sinkendem Volumenstrom die Temperatur des zirkulierenden Wasser zunimmt und daher die Temperatur am Eingangsport steigt.The highest value permissible according to the design of the line system is preferably selected as the volume flow start value V z *. This value is reduced until the temperature of the circulating water is close to T setpoint , since the temperature of the circulating water increases with decreasing volume flow and therefore the temperature at the inlet port rises.
Vorzugsweise wird der Wert TMA* variiert und der höchste Wert Ta der Wassertemperatur gewählt, bei dem am Eingangsport die Wassertemperatur Tb < Tsoll mit Tsoll - Tb < θ ist, wobei θ>0 ein vorgegebener Wert ist.The value T MA * is preferably varied and the highest value T a of the water temperature is selected, at which the water temperature T b <T soll with T soll - T b <θ at the inlet port, where θ> 0 is a predetermined value.
Durch die Vorgabe Tsoll - Tb < θ wird gewährleistet, dass die Wassertemperatur im Zirkulationssystem nicht zu kalt eingestellt wird und das System energetisch ineffektiv betrieben wird. Typischerweise liegt θ in einem Bereich zwischen 1°C und 5°C, kann aber auch in einem anderen Bereich liegen.The specification T soll - T b <θ ensures that the water temperature in the circulation system is not set too cold and that the system is operated in an energetically ineffective manner. Typically θ lies in a range between 1 ° C. and 5 ° C., but can also lie in a different range.
Die Ermittlung der Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangs- und Endbereich jeder Teilstrecke kann entsprechend von Modellen erfolgen, die an sich bekannt sind, zum Beispiel durch Simulationsrechnungen oder auch entsprechenden bekannten Formeln.The determination of the temperature change of the water between the beginning and the end of each section can take place in accordance with models that are known per se, for example by means of simulation calculations or also corresponding known formulas.
Das Zirkulationssystem wird bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise in einem Zustand betrieben, in dem keine Wasserentnahme und keine Wasseraufnahme erfolgt, weil in diesem Zustand eine höhere Erwärmung des Wassers zu erwarten ist, als in einem Zustand in dem eine Wasserentnahme erfolgt und damit bei Verwendung der verfahrensgemäß ermittelten Parameter Ta und Vz ein Sicherheitsabstand zu einem Zustand mit unerwünscht hoher Wassertemperatur gewährleistet ist.When carrying out the method according to the invention, the circulation system is preferably operated in a state in which there is no water withdrawal and no water absorption, because in this state a higher heating of the water is to be expected than in a state in which water is withdrawn and thus when using the according to the method determined parameters T a and V z a safety margin to a condition with an undesirably high water temperature is guaranteed.
Die mittels des Verfahrens bestimmten Parameter Ta und Vz werden vorteilhaft verwendet, um ein gegebenes Zirkulationssystem, bei dem das Leitungssystem entsprechend den gesetzlichen Bestimmungen hinsichtlich Nennweiten und thermischer Kopplung des zirkulierenden Wasser mit der Umgebung ausgelegt ist, zu modellieren und so zu betreiben, dass die gesetzlichen Vorschriften hinsichtlich der Temperatur des Trinkwasser im Zirkulationssystem erfüllt werden. The parameters T a and V z determined by means of the method are advantageously used to model and operate a given circulation system in which the pipe system is designed in accordance with the statutory provisions with regard to nominal widths and thermal coupling of the circulating water with the environment the legal requirements regarding the temperature of the drinking water in the circulation system are met.
Simulationen der Anmelderin für bereits bestehende Anlagen haben ergeben, dass mit den erfindungsgemäß eingestellten Parametern a) die erwähnten gesetzlichen Vorschriften erfüllt werden und b) eine höhere Energieeffizienz des Betriebs der Anlage erreicht wird.Simulations by the applicant for already existing systems have shown that with the parameters set according to the invention a) the mentioned legal regulations are met and b) a higher energy efficiency of the operation of the system is achieved.
Die mittels des Verfahrens bestimmten Parameter Ta und Vz werden vorteilhaft verwendet um bei einem gegebenen Zirkulationssystem, bei dem das Leitungssystem entsprechend den gesetzlichen Bestimmungen hinsichtlich Nennweiten und thermischer Kopplung des zirkulierenden Wasser mit der Umgebung ausgelegt ist, die Auslegung der Kühlvorrichtung hinsichtlich ihrer Kühlleistung zu bestimmen. Ferner kann ggfs. die Auslegung eine Zirkulationspumpe hinsichtlich ihrer Pumpleistung bestimmt werden. The parameters T a and V z determined by means of the method are advantageously used to design the cooling device with regard to its cooling capacity for a given circulation system in which the line system is designed in accordance with the statutory provisions with regard to nominal widths and thermal coupling of the circulating water with the environment determine. Furthermore, the design of a circulation pump can be determined with regard to its pumping capacity, if necessary.
Folgende Begriffe werden in diesem Text mit einer spezifischen Bedeutung verwendet, wobei die Definition an der Norm DIN EN 806 orientiert ist.The following terms are used in this text with a specific meaning, the definition being based on the DIN EN 806 standard.
Als Zirkulationsleitung des Zirkulationssystems wird eine Leitung stromabwärts einer Entnahmestelle in dem Kreislauf bezeichnet, in dem Wasser von dem Ausgangsport einer Kühlvorrichtung zurück zum Eingangsport der Kühlvorrichtung läuft, falls an diese Leitung keine weitere Entnahmestelle angeschlossen ist.A line downstream of an extraction point in the circuit in which water runs from the outlet port of a cooling device back to the inlet port of the cooling device is referred to as a circulation line of the circulation system if no other extraction point is connected to this line.
Der Begriff Knoten wird für ein Leitungselement verwendet, an das Leitungen angeschlossen sind. In einen Knoten können entweder zumindest zwei Volumenströme einlaufen und genau ein Volumenstrom auslaufen oder genau ein Volumenstrom einlaufen und zumindest zwei Volumenströme auslaufen. Ein Knoten korrespondiert mit einer Verzweigung.The term node is used for a line element to which lines are connected. Either at least two volume flows can enter a node and exactly one volume flow can flow out, or precisely one volume flow can flow in and at least two volume flows can flow out. A node corresponds to a branch.
Vorzugsweise laufen in einen Knoten des Zirkulationssystems genau zwei Volumenströme ein und ein Volumenstrom aus oder es laufen genau ein Volumenstrom ein und genau zwei Volumenströme aus, wie beispielsweise bei einem T-Stück.Preferably exactly two volume flows enter and one volume flow into a node of the circulation system, or exactly one volume flow enter and exactly two volume flows exit, as is the case with a T-piece, for example.
Für die Knoten des Zirkulationssystems gilt in Analogie zu elektrischen Stromkreisen das 1. Kirchhoffsche Gesetz, wonach die Summe der zufließenden Volumenströme gleich der Summe der abfließenden Volumenströme ist.In analogy to electrical circuits, Kirchhoff's law applies to the nodes of the circulation system, according to which the sum of the inflowing volume flows is equal to the sum of the outflowing volume flows.
Vorzugsweise sind an jedem Knotenpunkt die auslaufenden Volumenströme in gleichgroße abgehende Volumenströme aufgeteilt. Es versteht sich, dass auch andere Aufteilungen möglich sind.The outgoing volume flows are preferably divided into equally large outgoing volume flows at each node. It goes without saying that other divisions are also possible.
Bei einem Knoten mit genau einem auslaufendem mit unterschiedlichen Temperaturen Volumenstrom und genau einem einlaufenden Volumenstrom wird vorzugsweise angenommen, dass die Temperatur tm und der Massenstrom mm des Mischwassers des auslaufenden Volumenstroms über die folgende Beziehung mit Temperatur tk und Massenstrom mk des kälteren bzw. Temperatur tw und Massenstrom mw des wärmeren Stroms zusammen hängen:
- tm = Temperatur Mischwasser (°C)
- tk = Temperatur kälteres Wasser (°C)
- tw = Temperatur wärmeres Wasser (°C)
- mm = Masse/Volumen (-strom) Mischwasser (kg; m3; kg/h; m3/h oder %)
- mk = Masse/Volumen (-strom) Kaltwasser (kg; m3; kg/h; m3/h oder %)
- mw = Masse/Volumen (-strom) Warmwasser (kg; m3; kg/h; m3/h oder %)
- t m = temperature of mixed water (° C)
- t k = temperature of colder water (° C)
- t w = temperature of warmer water (° C)
- m m = mass / volume (flow) mixed water (kg; m 3 ; kg / h; m 3 / h or%)
- m k = mass / volume (flow) cold water (kg; m 3 ; kg / h; m 3 / h or%)
- m w = mass / volume (flow) hot water (kg; m 3 ; kg / h; m 3 / h or%)
Für die Ermittlung der Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangs- und Endbereich einer Teilstrecke werden neben der Länge der Teilstrecke vorzugsweise folgende Parameter verwendet
- TLuft
- = Temperatur Umgebungsluft(°C)
- KR
- = Wärmedurchgangskoeffizient der Rohrleitung (W/(m*K))
- mM
- = Massenstrom des Wassers in der Teilstrecke (kg/ s)
- cp,m
- = spez. Wärmekapazität des Wassers (J/(kg*K)
- VM
- = Volumenstrom des Wassers in der Teilstrecke (m3/s)
- PM
- = Dichte des Wassers (kg/m3)
- T air
- = Ambient air temperature (° C)
- K R
- = Heat transfer coefficient of the pipe (W / (m * K))
- m M
- = Mass flow of water in the section (kg / s)
- c p, m
- = spec. Heat capacity of water (J / (kg * K)
- V M
- = Volume flow of the water in the section (m 3 / s)
- P M
- = Density of water (kg / m 3 )
Vorteilhaft kann für jede Teilstrecke des Zirkulationssystems bei einem stationärem Volumenstrom eine Temperaturänderung des Wassers zwischen ihrem Anfangsbereich und ihrem Endbereich ermittelt werden, wobei die Wassertemperatur im Endbereich einer gegebenen Teilstrecke gleich der Wassertemperatur im Anfangsbereich der in Strömungsrichtung des zirkulierenden Wassers nächsten an die gegebene Teilstrecke angeschlossenen Teilstrecke gewählt ist. Daher kann für jede Teilstrecke des Zirkulationssystems ausgehend von der Temperatur im Anfangsbereich, die Temperatur des Wassers im Endbereich der jeweiligen Teilstrecke bestimmt werden.A temperature change of the water between its starting area and its end area can advantageously be determined for each section of the circulation system with a steady volume flow, the water temperature in the end area of a given section being equal to the water temperature in the starting area of the section that is closest to the given section in the direction of flow of the circulating water is selected. Therefore, the temperature of the water in the end area of the respective section can be determined for each section of the circulation system based on the temperature in the initial area.
Vorteilhaft kann ausgehend von einer Temperatur am Ausgangsport bei einem stationärem Volumenstrom für jede Teilstrecke die Temperatur des zirkulierenden Wassers bestimmt werden, also auch ein Wert Ta der Wassertemperatur am Ausgangsport als Anfangstemperatur der an den Ausgangsport anschließenden Teilstrecke bestimmt werden, bei dem für die Endbereiche aller Teilstrecken die Wasser - Temperatur TME < Tsoll beträgt.The temperature of the circulating water can advantageously be determined on the basis of a temperature at the output port with a stationary volume flow for each section, i.e. also a value T a of the water temperature at the output port can be determined as the starting temperature of the section following the output port, in which for the end areas all Sections where the water temperature is T ME <T soll .
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Werte Ta und Vz in einem iterativen Näherungsverfahren bestimmt werden, bei dem ausgehend von einem Temperatur - Startwert TMA* < Tsoll und einem Volumenstrom - Startwert Vz* für die erste an den Ausgangsport angeschlossene Teilstrecke, für jede gegebene Teilstrecke die Wasser - Temperatur TME in ihrem Endbereich berechnet wird, wobei die Wasser - Temperatur TMA' im Anfangsbereich der nächsten angeschlossenen Teilstrecke gleich der Wasser - Temperatur TME im Endbereich der gegebenen Teilstrecke, als gewählt ist.In a further embodiment of the invention it is provided that the values T a and V z are determined in an iterative approximation method, in which starting from a temperature start value T MA * <T soll and a volume flow start value V z * for the first section connected to the output port, for each given section the water temperature T ME is calculated in its end area, with the water temperature T MA 'in the start area of the next connected section equal to the water temperature T ME in the end area of the given section as selected is.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Teilstrecken über die Länge zwischen ihrem Anfangsbereich und ihrem Endbereich hinsichtlich ihrer Wärme - Kopplung mit der Umgebung axial uniform ausgebildet sind, mithin sich axial nicht ändert. Dies ermöglicht eine Vereinfachung der Berechnungen.In a further embodiment of the invention, it is provided that the sections over the length between their starting area and their end area are designed to be axially uniform with regard to their thermal coupling with the environment, and therefore do not change axially. This enables the calculations to be simplified.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass im Endbereich zumindest einer Teilstrecke der Länge L die Wasser - Temperatur TME mittels der Formel
- L
- = Länge (m) der uniformen Teilstrecke (TS1)
- TMA
- = Wassertemperatur im Anfangsbereich (°C)
- TME
- = Wassertemperatur im Endbereich (°C)
- TLuft
- = Temperatur Umgebungsluft(°C)
- kR
- = Wärmedurchgangskoeffizient der Rohrleitung (W/(m*K))
- mM
- = Massenstrom des Wassers in der Teilstrecke (kg/ s)
- cp,m
- = spez. Wärmekapazität des Wassers (J/(kg*K)
- VM
- = Volumenstrom des Wassers in der Teilstrecke (m3/s)
- PM
- = Dichte des Wassers (kg/m3)
- L.
- = Length (m) of the uniform section (T S1 )
- T MA
- = Water temperature in the initial area (° C)
- T ME
- = Water temperature in the end area (° C)
- T air
- = Ambient air temperature (° C)
- k R
- = Heat transfer coefficient of the pipe (W / (m * K))
- m M
- = Mass flow of water in the section (kg / s)
- c p, m
- = spec. Heat capacity of water (J / (kg * K)
- V M
- = Volume flow of the water in the section (m 3 / s)
- P M
- = Density of water (kg / m 3 )
Diese Formel ermöglicht eine gute Näherung der Temperaturänderung für uniforme Teilstrecken.This formula allows a good approximation of the temperature change for uniform sections.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmedurchgangskoeffizient der Teilstrecken nach der Formel
- 1lkR
- = Wärmedurchgangswiderstand Rohrleitung (m∗K/W)
- αi
- = Wärmeübergangskoeffizient innen (W/(m 2∗K))
- 1/ΛR
- = Wärmedurchlasswiderstand (m∗K/W)
- aa
- = Wärmeübergangskoeffizient außen (W/(m2∗K))
- da
- = Außendurchmesser (m)
- di
- = Innendurchmesser (m)
- 1 lk R
- = Heat transfer resistance pipe ( m ∗ K / W )
- αi
- = W Ärm eübergangskoeffizient inside (W / (m 2 * K))
- 1 / ΛR
- = Thermal resistance ( m ∗ K / W )
- a a
- = Heat transfer coefficient outside ( W / (m 2 ∗ K ))
- d a
- = Outer diameter ( m )
- d i
- = Inside diameter ( m )
Zur Ermittlung der Temperaturveränderungen und des Wärmegewinns im Wasser infolge des Temperaturunterschieds zur Umgebung werden im Folgenden die Gleichungen 1-4 verwendet.In the following, equations 1-4 are used to determine the temperature changes and the heat gain in the water as a result of the temperature difference to the environment.
Dazu wird Gleichung 1 für den Wärmedurchlasswiderstand in Gleichung 2 eingesetzt und somit der Wärmedurchgangswiderstand ermittelt. Mit dem Kehrwert von Gleichung 2 wird der Wärmedurchgangskoeffizient Gleichung 3 berechnet. 1For this purpose,
Wärmedurchlasswiderstand
Wärmedurchgangswiderstand
Wärmedurchgangskoeffizient UR der isolierten Rohrleitung
Der Wärmedurchgangskoeffizient ist zentraler Bestandteil von Gleichung 4 zur Berechnung einer Temperatur am Ende einer Teilstrecke.The heat transfer coefficient is a central component of
Mithilfe von Gleichung 4 werden für alle relevanten Teilstrecken die jeweiligen Anfangs- und Endtemperaturen des Kaltwassers ermittelt. Die Herleitung der Formel für die axiale Erwärmung von Wasser in einer Rohrleitung beginnt mit Gleichung 5:
Über eine iterative Berechnung durch kleinteiliges/schrittweises Erhöhen des Volumenstroms wird jener Volumenstrom gesucht, der die Kaltwasser-Installation, mit einer angestrebten/vorgegebenen Spreizung von beispielsweise 5 K (15°C / 20°C), betreibt.An iterative calculation by increasing the volume flow in small parts / steps is used to find the volume flow that operates the cold water installation with a desired / specified spread of, for example, 5 K (15 ° C / 20 ° C).
Mit Hilfe dieses Lösungsansatzes lässt sich neben der im Vordergrund stehenden Ermittlung eines Volumenstroms der Zirkulationsanlage auch für jeden beliebigen Punkt im betrachteten Rohrnetz eine Wassertemperatur bestimmen.With the help of this approach, in addition to determining the volume flow of the circulation system, which is in the foreground, a water temperature can also be determined for any point in the pipe network under consideration.
Vorzugsweise ist das iterative Näherungsverfahren die an sich bekannte Excel-Zielwertsuche; siehe Excel und VBA: Einführung mit praktischen Anwendungen in den Naturwissenschaften von Franz Josef Mehr, Maria Teresa Mehr, Wiesbaden 2015, Abschnitt 8.1.The iterative approximation method is preferably the known Excel target value search; see Excel and VBA: Introduction with practical applications in the natural sciences by Franz Josef Mehr, Maria Teresa Mehr, Wiesbaden 2015, Section 8.1.
Erfindungsgemäß werden Eckdaten des Leitungssystems einschließlich der o.g. angegebenen Parameter der Teilstrecken in das Programm eingetragen und mittels der Zielwertsuche der Volumenstrom Vz bestimmt, bei die Trinkwasserzieltemperatur Tb erreicht wird; beispielsweise wie folgtAccording to the invention, key data of the pipeline system including the above-mentioned parameters of the sections are entered in the program and, by means of the target value search, the volume flow V z at which the target drinking water temperature T b is reached is determined; for example as follows
In diesem Beispiel ist der berechnete Volumenstrom Vz, bei dem bei einer Eingangstemperatur Ta von 15°C eine Zieltemperatur Tb von 20° erreicht wird, in der Zeile MT4 angegeben.In this example, the calculated volume flow V z , at which a target temperature Tb of 20 ° is reached at an inlet temperature T a of 15 ° C., is indicated in line MT4.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in das Zirkulationssystem eine Zirkulationspumpe integriert ist, womit ein gewünschter Volumenstrom eingestellt werden kann.In a further embodiment of the invention it is provided that a circulation pump is integrated into the circulation system, with which a desired volume flow can be set.
Es versteht sich, dass auch mehrere Kühlvorrichtungen und/oder Zirkulationspumpen vorgesehen sein können.It goes without saying that several cooling devices and / or circulation pumps can also be provided.
Im folgenden werden Ausführungsformen mit Leitungsstrukturen beschrieben, wie sie typischerweise bei Trinkwasserinstallationen in Gebäuden eingesetzt werden.In the following, embodiments with line structures are described, as they are typically used in drinking water installations in buildings.
Eine Anschlussleitung ist eine Leitung zwischen einer Versorgungsleitung und einer Trinkwasserinstallation beziehungsweise dem Zirkulationssystem.A connection line is a line between a supply line and a drinking water installation or the circulation system.
Eine Verbrauchsleitung ist eine Leitung, die Wasser von der Hauptabsperrarmatur bis zu den Anschlüssen der Entnahme stellen und gegebenenfalls in Apparate leitet. Eine Sammelzuleitung ist eine horizontale Verbrauchsleitung zwischen der Hauptabsperrarmatur und einer Steigleitung. Eine Steig- (Fall) Leitung führt von Stockwerk zu Stockwerk und von dem die Stockwerksleitungen oder Einzelzuleitungen abzweigen. Eine Stockwerksleitung ist die Leitung, die von der Steig- (Fall) Leitung innerhalb eines Stockwerks abzweigt und von der Einzelzuleitungen abzweigen. Eine Einzelzuleitung ist die zu einer Entnahmestelle führende Leitung.A consumption line is a line that supplies water from the main shut-off valve to the tapping connections and, if necessary, feeds it into apparatus. A collective feed line is a horizontal consumption line between the main shut-off valve and a riser. A rising (falling) line leads from floor to floor and from which the floor lines or individual feed lines branch off. A floor line is the line that branches off from the rising (falling) pipe within a floor and from which individual feed lines branch off. A single feed line is the line leading to an extraction point.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Vorlaufleitung mit mindestens einer Ringleitung verbunden ist.In one embodiment of the invention it is provided that at least one feed line is connected to at least one ring line.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Zweig der Zirkulationsleitung von der mindestens eine Vorlaufleitung abgeht.In a further embodiment of the invention it is provided that at least one branch of the circulation line branches off from the at least one feed line.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Zweig der mindestens einen Zirkulationsleitung von der mindestens eine Ringleitung abgeht.In a further embodiment of the invention it is provided that at least one branch of the at least one circulation line branches off from the at least one ring line.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Vorlaufleitung mindestens eine Steigleitung und/oder eine Stockwerksleitung umfasst.In a further embodiment of the invention it is provided that the at least one feed line comprises at least one riser and / or one floor line.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Vorlaufleitung eine Sammelzuleitung umfasst, die mit einem Anschluss an ein Wasserversorgungsnetz verbunden ist.In a further embodiment of the invention it is provided that the at least one feed line comprises a collective feed line which is connected to a connection to a water supply network.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anschluss mit mindestens einer Anschlussleitung und/oder mindestens einer Verbrauchsleitung verbunden ist.In a further embodiment of the invention it is provided that the connection is connected to at least one connection line and / or at least one consumption line.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in der mindestens einen Vorlaufleitung und/oder der mindestens einen Ringleitung mindestens ein statischer oder dynamischer Strömungsteiler angeordnet ist, womit vorzugsweise eine Entnahmestelle für Wasser verbunden ist. Vorzugsweise erfolgt eine prozentuale Aufteilung der Volumenströme 95% am Abgang und 5% am Durchgang.In a further embodiment of the invention it is provided that at least one static or dynamic flow divider is arranged in the at least one feed line and / or the at least one ring line, with which a tapping point for water is preferably connected. A percentage distribution of the volume flows is preferably made 95% at the outlet and 5% at the passage.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels der Kühlvorrichtung zur Kühlung des zirkulierenden Wassers thermische Energie von dem zirkulierenden Wasser zu einem anderen Stoffstrom, vorzugsweise mittels eines Wärmeüberträgers übertragen wird, wodurch eine Optimierung des Kühlungsprozesses durch geeignete Wahl des anderen Stoffstroms, beispielsweise Propan, und eine Verringerung der benötigten Energie zum Betrieb der Kühlvorrichtung erreicht werden kann.In a further embodiment of the invention it is provided that by means of the cooling device for cooling the circulating water, thermal energy is transferred from the circulating water to another material flow, preferably by means of a heat exchanger, thereby optimizing the cooling process suitable choice of the other material flow, for example propane, and a reduction in the energy required to operate the cooling device can be achieved.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlvorrichtung thermisch an einen Kälteerzeuger, vorzugsweise eine Wärmepumpe, einen Kaltwassersatz oder ein Kälteversorgungsnetz gekoppelt wird, womit ebenfalls eine Verringerung der für den Kühlungsprozess benötigten Energie erreicht werden kann.In a further embodiment of the invention it is provided that the cooling device is thermally coupled to a cold generator, preferably a heat pump, a cold water set or a cold supply network, whereby a reduction in the energy required for the cooling process can also be achieved.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Ermitteln einer Verbrauchs - Kennlinie der Zirkulationspumpe in Abhängigkeit vom geförderten Volumenstrom der Zirkulationspumpe und das Ermitteln einer Verbrauchs - Kennlinie der Kühlvorrichtung in Abhängigkeit von einer Wassertemperatur am Ausgangsport und das Einstellen eines Volumenstroms Vz und einer Wassertemperatur Ta am Ausgangsport so dass die Leistungsaufnahme von Zirkulationspumpe und Kühlvorrichtung einen relativen oder absoluten Minimalwert annimmt, vorgesehen, womit die Energieeffizienz des Verfahrens verbessert wird.In a further embodiment of the invention, the determination of a consumption characteristic curve of the circulation pump as a function of the conveyed volume flow of the circulation pump and the determination of a consumption characteristic curve of the cooling device as a function of a water temperature at the output port and the setting of a volume flow rate V z and a water temperature T a at the output port so that the power consumption of the circulation pump and cooling device assumes a relative or absolute minimum value, which improves the energy efficiency of the method.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass für die Temperatur Tsoll ein Wert von 20°C +/- 5°C gewählt und für die Wassertemperatur Ta am Ausgangsport ein Wert von 15°C +/-5°C gewählt wird.In a further embodiment of the invention is advantageously provided that the temperature T is a value of 20 ° C +/- to selected 5 ° C and selected for the water temperature T a at the output port a value of 15 ° C +/- 5 ° C becomes.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine Teilstrecke des Leitungssystem als Außen - Zirkulationsleitung ausgebildet ist, da insbesondere in bereits bestehende Zirkulationssysteme meistens Außen - Zirkulationsleitungen verbaut sind.In a further embodiment of the invention it is provided that at least a section of the line system is designed as an external circulation line, since external circulation lines are mostly built into already existing circulation systems.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine Teilstrecke als Inliner - Zirkulationsleitung ausgebildet ist, da diese häufig in neueren oder neuen Zirkulationssystemen verbaut sind.In a further embodiment of the invention it is provided that at least one section is designed as an inliner circulation line, since these are often built into newer or new circulation systems.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.Further advantages emerge from the following description of the drawings.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele in der Beschreibung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.In the drawings, exemplary embodiments are shown in the description. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.
Es zeigen beispielhaft:
- Figur 1:
- in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Zirkulationssystem
- Figur 2:
- eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Zirkulationssystem
- Figur 3:
- eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Zirkulationssystem, wobei ein weiterer Wärmetauscher vorgesehen ist
- Figur 4:
- eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Zirkulationssystem
- Figur 5:
- eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Zirkulationssystem
- Figur 6:
- eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Zirkulationssystem
- Figur 7:
- eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Zirkulationssystem
- Figur 8:
- eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Zirkulationssystem
- Figure 1:
- a schematic representation of a circulation system according to the invention
- Figure 2:
- another embodiment of a circulation system according to the invention
- Figure 3:
- a further embodiment of a circulation system according to the invention, wherein a further heat exchanger is provided
- Figure 4:
- another embodiment of a circulation system according to the invention
- Figure 5:
- another embodiment of a circulation system according to the invention
- Figure 6:
- another embodiment of a circulation system according to the invention
- Figure 7:
- another embodiment of a circulation system according to the invention
- Figure 8:
- another embodiment of a circulation system according to the invention
Die in den
Gleichartige Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Components of the same type are provided with the same reference symbols.
Bei dem in
Am Knoten K1 ist eine Verzweigung zu einer Sammelleitung 4, einer Anschlussleitung an einen Anschluss 1 an ein Wasserversorgungsnetz und einer Verbrauchsleitung 3 vorgesehen, wobei letztere und die Anschlussleitung nicht zum Zirkulationssystem gehören. Am Knoten K1 erfolgt daher keine Volumenstromaufteilung.At node K1, a branch to a
Die Sammelzuleitung 4 ist verbunden mit einer Steigleitung 5, die in einem Knoten K2 mündet. Der Knoten K2 verzweigt in eine Stockwerksleitung 6 sowie eine Steigleitung 5, die in einen Knoten K3 mündet und an dem eine Verzweigung zu einer Stockwerksleitung 6 und einer Steigleitung 5 erfolgt, mit einer Stockwerksleitung 6 verbunden ist, die in einen Knoten K4 mündet. Der Knoten K2 ist über eine Stockwerksleitung 6 mit einem Knoten K6 verbunden. Der Knoten K3 ist über eine Stockwerksleitung 6 mit einem Knoten K5 verbunden.The
Zwei explizit als solche gekennzeichnete Teilstrecken TS1 und TS2 sind über den Knoten K4 verbunden, wobei TS1 Teilstrecke der Stockwerksleitung 6 und TS2 eine Zirkulationsleitung darstellt.Two sections TS1 and TS2 explicitly identified as such are connected via the node K4, TS1 section of the
An Knoten K4 erfolgt ferner eine Verzweigung über eine Einzelzuleitung 7 zu einer Entnahmestelle 9 erfolgt. Zur Vereinfachung sind die mit den Knoten K2 bzw. K3 verbundenen Einzelzuleitungen und Entnahmestellen nicht mit Bezugszeichen versehen. Da das erfindungsgemäße Zirkulationssystem zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahren in einem Zustand betrieben wird, in dem keine Wasserentnahme erfolgt, sind im Folgendem solche Knoten, die Entnahmestellen zugeordnet sind von der Betrachtung ausgenommen und werden, mit Ausnahme von Knoten K4, entsprechend in den Zeichnungen nicht mit Bezugszeichen versehen.At node K4, there is also a branch via a
Die Teilstrecke TS2 ist angeschossen an eine vertikale Zirkulationsleitung 10a, die in den Knoten K5 mündet. Der Knoten K5 ist an eine Zirkulationsleitung 10a angeschlossen, die in den Knoten K6 mündet. Der Knoten K6 ist an eine vertikale Zirkulationsleitung 10a angeschossen, die mit einer horizontalen Zirkulationsleitung 10a verbunden ist, die wiederum über eine vertikale Zirkulationsleitung mit der Zirkulationspumpe 10b verbunden ist.The section TS2 is connected to a
Das in
In
Ferner ist in der obersten Stockwerksleitung 6 eine optionale dezentrale Kühlvorrichtung 14 mit einem Eingangsport 14a und einem Ausgangsport 14b angeordnet, wobei zur Vereinfachung der Darstellung vorhandene Anschlüsse eines kälteseitigen Kreislaufs sowie eine entsprechende Pumpe nicht dargestellt sind.Furthermore, an optional
Analog können weitere dezentrale Kühlvorrichtungen in den anderen Stockwerksleitungen angeordnet sein.Similarly, further decentralized cooling devices can be arranged in the other floor lines.
In einer weiteren Ausführungsform analog der
Analog der Ausführungsform der
Die in den Reinzeichnungen unter
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei den Systemen der
Ferner wird eine Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangsbereich und Endbereich für jede gegebene weitere Teilstrecke entsprechend dem Modell der Temperaturänderung ermittelt, unter der Randbedingung, dass die Wassertemperatur im Anfangsbereich der gegebenen Teilstrecke gleich der Wassertemperatur im Endbereich der Teilstrecke ist, an die die gegebene Teilstrecke angeschlossenen ist.Furthermore, a temperature change of the water between the start area and the end area is calculated for each given further section according to the model of the temperature change determined, under the boundary condition that the water temperature in the start area of the given section is equal to the water temperature in the end area of the section to which the given section is connected.
Vorzugsweise wird das oben beschriebene Modell der axialen Temperaturänderung verwendet, wonach sich im Endbereich einer Teilstrecke der Länge L die Wasser - Temperatur TME mittels der Formel
Der Wert Ta der Wassertemperatur und der Wert Vz des Volumenstroms am Ausgangsport 12b werden so gewählt, dass im Endbereich jeder Teilstrecke des Zirkulationssystems die Wasser - Temperatur TME < Tsoll beträgt und am Eingangsport 12a die Wassertemperatur Tb < Tsoll mit Tsoll - Tb < θ ist, wobei θ>0 ein vorgegebener Wert ist.The value T a of the water temperature and the value V z of the volume flow at the
Es versteht sich, dass die Zirkulationspumpe 10b nicht immer mit einem konstanten Volumenstrom betrieben wird, also unabhängig davon, ob die Porteingangstemperatur 12a exakt den eingestellten Wert hat oder gar darunter liegt.It goes without saying that the
Sollte die Porteingangstemperatur 12a aus verschiedenen Gründen z. B. bei 17°C liegen, z. B. max. 20°C sind vorgegeben, könnte der Fördervolumenstrom der Zirkulationspumpe 10b reduziert werden. Dieses kann beispielsweise temperaturgesteuert automatisch erfolgen. Im Resultat würden sich Energieeinsparungen ergeben.Should the
Ebenso kann in einem solchen Fall der Fördervolumenstrom der Pumpe 13, temperaturgesteuert reduziert werden.In such a case, the delivery volume flow of the
Sollte die Porteingangstemperatur aus verschiedenen Gründen z. B. bei 17°C liegen (z. B. max. 20°C sind vorgegeben), könnte ebenso die Vorlauftemperatur im Kältekreislauf angepasst werden. Im Resultat würden sich Energieeinsparungen ergeben.
- 11
- Anschluss an ein WasserversorgungsnetzConnection to a water supply network
- 22
- AnschlussleitungConnecting cable
- 33
- VerbrauchsleitungConsumption line
- 44th
- SammelzuleitungCollective feed line
- 55
- Steig- (Fall) LeitungRise (fall) lead
- 66th
- StockwerksleitungFloor management
- 77th
- EinzelzuleitungSingle lead
- 88th
- RingleitungRing line
- 8a8a
- statische oder dynamische Strömungsteilungstatic or dynamic flow division
- 99
- EntnahmestelleTapping point
- 1010
- ZirkulationssystemCirculation system
- 10a10a
- ZirkulationsleitungCirculation line
- 10b10b
- ZirkulationspumpeCirculation pump
- 1212th
- KühlvorrichtungCooling device
- 12a12a
- EingangsportInput port
- 12b12b
- AusgangsportOutput port
- 1414th
- WärmetauscherHeat exchanger
- 14a14a
- EingangsportInput port
- 14b14b
- AusgangsportOutput port
Claims (27)
- Method for operating a circulation system (10) having a cooling device (12, 14) with an input port (12a, 14a) and an output port (12b, 14b) for the cooling of water and having a pipeline system with multiple branches comprising one or more partial sections with given thermal coupling to the surroundings and being connected by means of nodes, wherein one or more of the lines of the pipeline system are configured as a flow pipe (4, 5, 6), at least one as a single supply line (7) connected to a tapping point (9), and at least one line configured as a circulation conduit (10a) connected to the flow pipe or pipes (4, 5, 6),
with the steps- setting a water temperature at the output port (12b, 14b) to a value Ta by means of the cooling device (12, 14)- setting a volume flow at the input port (12a) to a value Vz
characterized by the following steps- determining, in particular calculating, a temperature change of the water between the initial region and the end region according to a model of the axial temperature change for the first partial section connected to the output port (12b, 14b), starting from a temperature start value TMA* < Tsoll and a volume flow start value Vz*,- determining, in particular calculating, a temperature change of the water between the initial region and the end region for each further given partial section according to the model of the temperature change, under the boundary condition that the water temperature in the initial region of the given partial section is equal to the water temperature in the end region of the partial section to which the given partial section is connected, and- selecting the value Ta of the water temperature and the value Vz of the volume flow at the output port (12b, 14b) such that, in the end region of each partial section, the water temperature is TME < Tsoll and at the input port (12a, 14b) the water temperature is set at Tb < Tsoll with Tsoll - Tb < θ, where θ>0 is a given value. - The method according to claim 1, characterized in that the values Ta and Vz are determined in an iterative approximation procedure, wherein the temperature change of the water between the initial region and the end region is calculated starting from a temperature start value TMA* < Tsoll and a volume flow start value Vz* for the first partial section connected to the output port (12b, 14b) for each further given partial section under the boundary condition that the water temperature in the initial region of the given partial section is equal to the water temperature in the end region of the partial section to which the given partial section is connected.
- The method according to claim 1 or 2, characterized in that the partial sections are designed uniformly in regard to their thermal coupling to the surroundings along the length between their initial region and their end region.
- The method according to claim 3, characterized in that the water temperature TME in the end region of at least one partial section with length L is determined by means of the formulaL = the length of the uniform partial section (Ts1) (m)TMA = the water temperature in the initial region (°C)TME = the water temperature in the end region (°C)TLuft = the temperature of the ambient air(°C)kR = the heat transfer coefficient of the pipeline (W/(m*K))mM = the mass flow of the water in the partial section (kg/ s)cp,m = the spec. heat capacity of the water (J/(kg*K)VM = the volume flow of the water in the partial section (m3/s)pM = the density of the water (kg/m3)
- The method according to claim 4, characterized in that the heat transfer coefficient of the partial sections is determined by the formula1/kR = the heat transmission resistance of the pipeline (m * K/W)ot i = the inward heat transfer coefficient (W/(m2 * K))1/ΛR = the thermal resistance (m * K/W)αa = the outward heat transfer coefficient (W/(m2 * K))da = the outer diameter (m)
- The method according to one of the preceding claims, characterized in that a circulation pump (10b) is integrated in the circulation system (10).
- The method according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling device (12, 14) is used to cool the circulating water by transferring thermal energy from the circulating water to another material flow, preferably by means of a heat transfer agent.
- The method according to claim 7, characterized in that the cooling device (12, 14) is thermally coupled to a cold generator, preferably a heat pump, a water chiller or a cold supply network.
- The method according to one of claims 6 to 8, characterized by- determining a consumer characteristic of the circulation pump (10b) in dependence on a delivered volume flow of the circulation pump (10b)- determining a consumer characteristic of the cooling device (12, 14) in dependence on a water temperature at the output port (12b, 14b)- setting a volume flow Vz and a water temperature Ta at the output port (12b, 14b) such that the power consumption of the circulation pump (10b) and the cooling device (12, 14) takes on a relative or absolute minimum value.
- The method according to one of the preceding claims, characterized in that a value of 20° C +/- 5° C is chosen for the temperature Tsoll and a value of 15° C +/-5° C is chosen for the water temperature Ta at the output port (12b, 14b).
- A circulation system having a cooling device (12, 14) with an input port (12a, 14a) and an output port (12b, 14b) for the cooling of water and having a pipeline system with multiple branches comprising one or more partial sections with given thermal coupling to the surroundings and being connected by means of nodes,- wherein, for a given apportionment of the volume flows emerging from the nodes, a mixed water temperature is determinable from the volume flows emerging from the nodes in dependence on the volume flows entering the nodes,- wherein one or more of the lines of the pipeline system are configured as a flow pipe (4, 5, 6), at least one as a single supply line (7) connected to a tapping point (9), and at least one line configured as a circulation conduit (10a) connected to the flow pipe or pipes (4, 5, 6),
having- means of setting the water temperature at the output port (12b, 14b) to a value Ta by means of the cooling device (12, 14)- means of setting a stationary volume flow of circulating water at the input port (12a, 14a) to a value Vz
characterized by- device means for determining a temperature change of the water between the initial region and the end region of each partial section under the boundary condition that the water temperature in the end region of a given partial section is chosen equal to the water temperature in the initial region of the partial section connected to the given partial section in the flow direction of the circulating water and- device means for selecting the value Ta of the water temperature and the value Vz of the volume flow at the output port (12b, 14b) such that, in the end region of each partial section, the water temperature is TME < Tsoll and at the input port (12a, 14b) the water temperature is set at Tb < Tsoll with Tsoll - Tb < θ, where θ>0 is a given value. - The circulation system according to claim 11, characterized in that device means are provided for determining the values Ta and Vz in an iterative approximation procedure, wherein the water temperature TME is calculated for each given partial section in its end region, starting from a temperature start value TMA* < Tsoll and a volume flow start value Vz* for the first partial section connected to the output port (12b), wherein the water temperature TMA' in the initial region of the next attached partial section is chosen equal to the water temperature TME in the end region of the given partial section.
- The circulation system according to claims 11 to 13, characterized in that the partial sections are designed uniformly in regard to their thermal coupling to the surroundings along the length between their initial region and their end region.
- The circulation system according to claims 11 to 13, characterized in that a circulation pump (7) is integrated in the circulation system (10).
- The circulation system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one flow pipe (4, 5, 6) is connected to at least one loop line (8).
- The circulation system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one line of the circulation conduit (10a) departs from the at least one flow pipe (4, 5, 6).
- The circulation system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one line of the at least one circulation conduit (10a) departs from the at least one loop line (8).
- The circulation system according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one flow pipe (4, 5, 6) comprises at least one riser line (5) and/or a building floor line (6).
- The circulation system according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one flow pipe (4, 5, 6) comprises a collective feed line (4), which is connected by a junction (1) to a water supply network.
- The circulation system according to one of the preceding claims, characterized in that the junction (1) is connected to at least one connection line (2) and/or at least one consumer line (3).
- The circulation system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one static or dynamic flow divider (8a) is arranged in the at least one flow pipe (4, 5, 6) and/or the at least one loop line (8).
- The circulation system according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling device (12, 14) is used to transfer thermal energy from the circulating water to another material flow, preferably by means of a heat transfer agent.
- The circulation system according to claim 22, characterized in that the cooling device (12, 14) is thermally coupled to a cold generator, preferably a heat pump, a water chiller or a cold supply network.
- The circulation system according to claim 23, characterized in that at least one partial section of the pipeline system is designed as an outer circulation conduit.
- The circulation system according to claim 24, characterized in that at least one partial section is designed as an inliner circulation conduit.
- The circulation system according to one of claims 11 to 25, characterized in that the cooling device (12) is connected by its output port (12b) to a flow pipe (4a) and by its input port (12a) to a vertical circulation conduit.
- The circulation system according to one of claims 11 to 26, characterized in that the cooling device (14) is integrated in a riser line (5) and/or a building floor line (6).
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