EP4007832A1 - Verfahren zum betrieb eines temperierten zirkulationssystem sowie temperiertes zirkulationssystem - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines temperierten zirkulationssystem sowie temperiertes zirkulationssystem

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EP4007832A1
EP4007832A1 EP19868154.6A EP19868154A EP4007832A1 EP 4007832 A1 EP4007832 A1 EP 4007832A1 EP 19868154 A EP19868154 A EP 19868154A EP 4007832 A1 EP4007832 A1 EP 4007832A1
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EP
European Patent Office
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temperature
water
line
section
value
Prior art date
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EP19868154.6A
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EP4007832B1 (de
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Roberto BAWEY
Patric OPITZ
Olaf HEINECKE
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Ltz Zentrum Fuer Luft und Trinkwasserhygiene GmbH
Original Assignee
Ltz Zentrum Fuer Luft und Trinkwasserhygiene GmbH
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Publication date
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Publication of EP4007832B1 publication Critical patent/EP4007832B1/de
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E03—WATER SUPPLY; SEWERAGE
    • E03B—INSTALLATIONS OR METHODS FOR OBTAINING, COLLECTING, OR DISTRIBUTING WATER
    • E03B7/00—Water main or service pipe systems
    • E03B7/04—Domestic or like local pipe systems
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E03—WATER SUPPLY; SEWERAGE
    • E03B—INSTALLATIONS OR METHODS FOR OBTAINING, COLLECTING, OR DISTRIBUTING WATER
    • E03B7/00—Water main or service pipe systems
    • E03B7/04—Domestic or like local pipe systems
    • E03B7/045—Domestic or like local pipe systems diverting initially cold water in warm water supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D17/00—Domestic hot-water supply systems
    • F24D17/0078—Recirculation systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1051—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for domestic hot water
    • F24D19/1054—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for domestic hot water the system uses a heat pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D17/00—Domestic hot-water supply systems
    • F24D17/0073—Arrangements for preventing the occurrence or proliferation of microorganisms in the water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D17/00—Domestic hot-water supply systems
    • F24D17/02—Domestic hot-water supply systems using heat pumps

Definitions

  • 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.
  • 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.
  • PWC cold drinking water
  • the water temperature for cold water points should not exceed + 25 ° C 30 seconds after a tapping point has been fully opened.
  • 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.
  • VDI guideline 6023 also includes 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 also seen as necessary for other water installations, for example for installations of industrial water.
  • heat-emitting media e.g. heating pipes, domestic hot water (PWH) and domestic hot water - circulation systems (PWH-C), supply air and exhaust air ducts, lamps
  • PWH domestic hot water
  • PWH-C domestic hot water - circulation systems
  • a cooled circulation system is already known from EP 1 626 034 A1, in which a controlled addition of a disinfectant to the water is provided.
  • a method for operating a circulation system with a heat accumulator, a circulation pump, a control unit and at least two lines and with an otherwise unknown pipe network structure is known.
  • the strands which each have a valve that can be adjusted via a motor drive, correspond to temperature sensors that are arranged between the strands in front of each mixing point.
  • the motor drives and / or the circulation pump are connected to the control unit in a wireless or wired manner for data exchange.
  • the control unit is designed to carry out thermal hydraulic balancing and thermal disinfection by limiting the stroke of measured temperatures and / or adjusting the pump output as a function of a difference between an actual temperature value and a target temperature value.
  • a drinking and industrial water supply device for a building with a house connection for cold water, which is connected to the public supply network comprises at least one circulation line which is provided with a pump and leads to at least one consumer.
  • a heat exchanger is provided in the circulation line to extract heat from the water.
  • EP 3 159 457 A1 also describes a drinking and service water supply device of the type known from DE 20 2015 007 277 U1, the heat exchanger being formed by a latent heat accumulator and a motor-operated flushing valve provided in the circulation line, which is connected to a control device in terms of control is has.
  • the flushing valve is arranged between the latent heat accumulator and an opening of the house connection in the circulation line and is arranged downstream of the latent heat accumulator in the flow direction.
  • the operating temperatures change in the process, with a memory or heater being used instead of a cooling device.
  • the temperatures in the hot water network should be between 60 ° C at the storage tank outlet and 55 ° C at the storage tank inlet.
  • heat losses lead to a temperature decrease in the hot water network.
  • the object of the present invention is therefore to achieve in an effective manner that the water temperature remains in a desired temperature range for all sections and for all times during the operation of a circulation system.
  • the invention therefore also includes the case that instead of a cooling device, a temperature control device, for example a heat exchanger, is used that can heat or cool the water.
  • a temperature control device for example a heat exchanger
  • the temperature control device is preferably designed as a heating device.
  • the method according to the invention relates in particular to a circulation system with a temperature control 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, wherein one or more of the lines of the line system are designed as a feed line, at least one individual feed line connected to a withdrawal point and at least one line designed as a circulation line is connected to the feed line or lines.
  • 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 of each section track the water temperature of the circulation system T ME ⁇ T soll and at the inlet port the water temperature T b ⁇ T soll with T soll - T b ⁇ q, where q> 0 is a predetermined value.
  • 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 to say of the corresponding line section, based on heat absorption from the surroundings of the section.
  • the entire system of sections is successively run through and the temperature in the entire system is therefore calculated.
  • the value T a of the water temperature and the value V z of the volume flow at the output port are determined in the method, in which it is achieved that the water temperature in the end area of each section of the circulation system T ⁇ T soll and at the inlet port the water temperature T b ⁇ T soll with T soll - T b ⁇ q, where q> 0 is a predetermined value, determined, preferably calculated, by modeling the temperature and volume flows of the water circulating in the pipe system . This is preferably done for a state with a stationary Vz.
  • the temperature control device and possibly a circulation pump of the circulation system are then set so that the water temperature and the volume flow assume the values T a and the value V z determined .
  • a temperature is set at an output port, temperature changes are calculated based thereon and used for modeling according to the specifications of the characterizing part of claim 1.
  • 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.
  • the calculation offers the advantage that fewer measuring points are required and the system is less susceptible to vibrations overall.
  • the regulation according to the invention takes place by means of a control 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 large number of temperatures TME. Basically, only one controller and only one temperature setting are required to provide the temperature Ta. The following formula applies both to the temperature drop in a hot water network and to the temperature rise in a cold water network.
  • the invention therefore also includes the analogous case of a hot water network, a storage tank or heater being used instead of a temperature control device.
  • the o.g. Formula also valid in a cold water network if the temperature of the water is higher than the ambient temperature.
  • the invention includes the case that a heat exchanger is used instead of a temperature control device, which can heat or cool the water.
  • line refers to a line consisting of one or more sections between two nodes, between which there is no other node.
  • the strands are connected by knots.
  • 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.
  • the temperature and size of the volume flow flowing out of a node into a subsequent section depends on the temperatures and sizes of the incoming volume flows.
  • the invention preferably assumes that these are given by the design of the line system.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • PWC Personal Water Cold
  • 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 as the volume flow decreases and the temperature at the inlet port therefore increases.
  • the value is T MA varies * and the highest value T a selected water temperature, wherein at the input port, the water temperature T b ⁇ T Soll with T - T b ⁇ q where q> 0 is a predetermined value.
  • T soll - T b ⁇ q 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.
  • q lies in a range between 1 ° C and 5 ° C, but can also lie in a different range.
  • the determination of the temperature change of the water between the start and end area 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.
  • the circulation system is preferably operated in a state in which no water is withdrawn or absorbed, because in this state a higher level of heating of the water is to be expected than in a state in which water is withdrawn and thus, when using the parameters T a and V z determined according to the method, a safety margin from a state with an undesirably high water temperature is ensured.
  • 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.
  • T a and V z determined by means of the method are advantageously used to design the temperature control device with regard to its cooling capacity in 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.
  • a line downstream of an extraction point in the circuit in which water runs from the output port of a temperature control device back to the input port of the temperature control device is referred to as a circulation line of the circulation system if no other extraction point is connected to this line.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the temperature t m and the mass flow m m of the mixed water of the outgoing volume flow have the following relationship with temperature tk and mass flow mk of the colder or temperature tw and mass flow mw of the warmer flow are related:
  • ⁇ k temperature of colder 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%)
  • the following parameters are preferably used to determine the temperature change in the water between the start and end of a section
  • T air ambient air temperature (° G)
  • k R heat transfer coefficient of the pipeline (W / (m * K))
  • m M mass flow of the water in the section (kg / s)
  • V M volume flow of the water in the section (m 3 / s)
  • a temperature change of the water between its starting range and can be advantageous for each section of the circulation system with a stationary volume flow their end area can be determined, the water temperature in the end area of a given section is selected to be equal to the water temperature in the start area of the section connected to the given section in the direction of flow of the circulating water. 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.
  • the temperature of the circulating water can advantageously be determined on the basis of a temperature at the output port with a steady 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 .
  • 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, 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.
  • the partial sections are designed to be axially uniform over the length between their starting area and their end area with regard to their thermal coupling with the environment, and therefore do not change axially. This enables the calculations to be simplified.
  • T MA water temperature in the initial area (° c)
  • T ME water temperature in the end area (° G)
  • T air ambient air temperature (° C)
  • V M volume flow of the water in the section (m 3 / s)
  • p M density of the water (kg / m 3 )
  • 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.
  • Equation 1 is used for the thermal resistance in equation 2 and thus the thermal resistance is determined.
  • Equation 2 the heat transfer coefficient Equation 3 is calculated.
  • the heat transfer coefficient is a central component of equation 4 for calculating a temperature at the end of a section.
  • 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.
  • key data of the pipeline system including the above-mentioned parameters of the sections are entered into the program and the volume flow V z at which the target drinking water temperature T b is reached is determined by means of the target value search; for example as follows
  • 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 circulation pump is integrated into the circulation system, with which a desired volume flow can be set.
  • 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 provides water from the main shut-off valve to the tapping connections and, if necessary, routes 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. In one embodiment of the invention it is provided that at least one feed line is connected to at least one ring line.
  • 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 line and / or one floor line.
  • the at least one feed line comprises a collecting 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, whereby an optimization of the cooling process by 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 of the circulation pump as a function of the conveyed volume flow of the circulation pump and the determination of a consumption characteristic of the cooling device as a function of a water temperature at the output port and the setting of a volume flow 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 in particular 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 installed in newer or new circulation systems.
  • FIG. 1 a a schematic representation of a circulation system
  • Figure 1b an illustration of a circulation system according to the invention
  • Figure 2 another embodiment of a circulation system
  • FIGS. 3a-3c further embodiments of a circulation system
  • Figure 4 a further embodiment of a circulation system
  • Figure 5 a further embodiment of a circulation system
  • Figure 6 another embodiment of a circulation system
  • FIG. 7 a further embodiment of a circulation system
  • FIG. 8 a further embodiment of a circulation system
  • FIG. 9 another embodiment of a circulation system according to the invention
  • FIG. 10 another embodiment of a circulation system according to the invention
  • all the lines shown between nodes and between nodes and input port as well as nodes and output port consist of one or more sections, as defined above.
  • Feed line 4a is connected to an output port 12b of a cooling device 12.
  • 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.
  • TS1 and TS2 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. At node K4, there is also a branch via a single feed line 7 to an extraction point 9. For the sake of simplicity, the individual feed lines and tapping points connected to nodes K2 and K3 are not provided with reference symbols. Since that
  • 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, in the following those nodes that are assigned to withdrawal points are excluded from consideration and, with the exception of node K4, are accordingly not shown in the drawings
  • 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.
  • the inventive circulation system for warm drinking water PWC shown in FIG. 1b has an analogous structure to the system shown in FIG. 1a, but the reference number 12 denotes a heating device which is connected to the input port 12a via a connection line 4 'for cold drinking water PWC.
  • the output port 12b is connected to a riser 5.
  • Reference number 9 designates the last tapping point for warm water PWH.
  • the heating device is connected to the input port 12a via the circulation pump 10b.
  • the heating device has connections on the heating circuit side and a pump 13 on the heating circuit side.
  • a valve is provided at node K1 in FIG. 1a, which can temporarily block the water supply from connection 1, whereby drinking water can be heated, reference numeral 12 denoting a heating device or a temperature control device.
  • the circulation system shown in FIG. 2 has an analogous structure to the system of FIG. 1 a, but 6 ring lines are provided in the floor lines, a reference number 8 being used only for the top ring line shown in FIG. 2 for simplification.
  • An optional flow divider 8a is assigned to the ring line 8.
  • Ring lines are assigned to nodes K21 to K32. It goes without saying that such
  • FIG. 3 shows a further system with nodes K31 to K34, in which, however, the circulation lines 10a opening into nodes K34 and K35 are routed parallel to the floor lines 6 emanating from 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, with existing connections of a cold-side circuit as well as a
  • Cooling devices 14 are mandatory, as shown in Figure 3b.
  • cooling devices can be provided in the risers 5 or the floor pipes of the embodiments of FIGS. 1, 2 and 4 to 8, for example as in FIG. 3 with a cooling device 12 '.
  • FIG. 4 shows a system with nodes K41 to K51 as in FIG. 3, but with the
  • FIG. 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.
  • FIG. 6 shows a system with nodes K61 to K69b, ring lines being provided between nodes K63, K64, K66, K67 and K68, K69.
  • FIG. 7 shows a system with nodes K71 to K75, with risers 5 being connected to nodes K72 and K73.
  • FIG. 8 shows a system with nodes K81 to K89b analogous to that in FIG. 7, but with ring lines arranged between nodes K89a, K89b, K88, K89 and K84 and K85.
  • Figure 9 shows a system with a device 12 ', which via a line 2' with the
  • Inlet port 12a is connected to a water supply 1.
  • the output port 12b is connected to the node K91 and risers 5 by a collecting line 4a.
  • the circulation line 10a is connected to the input port 12a ‘.
  • Figure 10 shows a system with a device 20, which via a line 2 'with the
  • Inlet port 20a ' is connected to a water supply 1.
  • the output port 20b is connected by a collecting line 4 to the node K101 and risers 5.
  • the circulation line 10a is connected downstream of the output port 20b ‘.
  • the device 20 can be designed as a cooling device, heating device or temperature control device.
  • the system further comprises the device 12, the output port 12b of which has a
  • Manifold 4a connected to node K101 and risers 5.
  • the circulation line 10a is connected to the input port 12a.
  • the device 12 can be designed as a cooling device, heating device or temperature control device.
  • inventions shown in Figures 1, 3, 5, 7 can also only allow partial areas to circulate. So the sections can also z. B. represent installations in apartments that are not allowed to circulate due to various requirements (billing of water consumption). An exchange of water to maintain the desired temperature would be possible here using automatic washing machines.
  • the method according to the invention is carried out in the systems of FIGS. 1 to 8 in the manner described above, starting from a temperature start value T MA * ⁇ T soll and a volume flow start value V z * for the first connected to the output port (12b) Section a temperature change of the water between the starting area and the end area is determined according to a model of the temperature change.
  • a temperature change of the water between the start area and the end area for each given further section is calculated 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 above-described model of the axial temperature change is preferably used, according to which the water temperature T ME in the end region of a section of length L is determined using the formula
  • the value T a of the water temperature and the value V z of the volume flow at the output port 12b are chosen so that the water temperature T ME ⁇ T soll 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 ⁇ q, where q> 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 be done 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.
  • the flow temperature in the cooling circuit could also be adjusted. The result would be energy savings.

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Zirkulationssystem (10) mit einer Heizvorrichtung mit einem Eingangsport und einem Ausgangsport zur Temperierung 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 (4, 5, 6) ausgebildet sind, zumindest eine mit einer Entnahmestelle (9) verbundene Einzelzuleitung (7) und zumindest eine als Zirkulationsleitung (10a) ausgebildete Leitung mit der oder den Vorlaufleitungen (4, 5, 6) verbunden ist, mit den Schritten - Einstellen einer Wassertemperatur am Ausgangsport auf einen Wert Ta mittels der Heizvorrichtung - Einstellen eines Volumenstroms am Eingangsport auf einen Wert Vz und mit folgenden Schritten - Ermitteln, insbesondere Berechnen, einer Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangsbereich und Endbereich entsprechend einem Modell der axialen Temperaturänderung für die erste an den Ausgangsport angeschlossene Teilstrecke, ausgehend von einem Temperatur - Startwert TMA* und einem Volumenstrom - Startwert Vz*, - Ermitteln, insbesondere Berechnen, einer Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangsbereich und Endbereich für jede weitere gegebene Teilstrecke entsprechend dem Modell der Temperaturänderung, 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 und - Wählen des Wertes Ta der Wassertemperatur und des Wertes Vz des Volumenstroms am Ausgangsport, derart, dass im Endbereich jeder Teilstrecke die Wasser - Temperatur TME in einem vorgegeben Temperaturintervall um Tsoll liegt, insbesondere sich am Eingangsport (12a, 14b) die Wassertemperatur Tb < Tsoll mitTsoll - Tb < Θ einstellt, wobei Θ > 0 ein vorgegebener Wert ist. Darüber hinaus gibt es auch ein Zirkulationssystem zur Ausführung des Verfahrens.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines temperierten Zirkulationssystem sowie temperiertes
Zirkulationssystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Zirkulationssystem sowie ein Zirkulationssystem, jeweils gemäß den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche.
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.
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-lnstallationen mit einhergehenden großen
Anlagenvolumina,
● zu groß dimensionierte PWC-Rohrleitungen.
1
BESTÄTIGUNGSKOPIE 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.
Um kaltes Trinkwasser zur Verfügung zu stellen sind für das Kaltwassernetz bereits verschiedene gekühlte Zirkulationssysteme vorgeschlagen worden.
Aus der EP 1 626 034 A1 ist bereits ein gekühltes Zirkulationssystem bekannt, bei dem eine kontrollierte Zugabe eines Desinfektionsmittels zum Wasser vorgesehen ist.
Aus der DE 10 2014 013 464 A1 ist Verfahren für den Betrieb einer Zirkulationsanlage mit einem Wärmespeicher, einer Zirkulationspumpe, einer Regeleinheit und wenigstens zwei Strängen und mit im Übrigen unbekannter Rohrnetzstruktur bekannt. Zu den Strängen, die jeweils ein über ein Motorantrieb einstellbares Ventil besitzen, korrespondieren Temperatur - Sensoren, die vor jeder Mischungsstelle zwischen den Strängen angeordnet sind. Die Motorantriebe und/oder die Zirkulationspumpe sind zum Datenaustausch mit der Regeleinheit kabellos oder kabelgebunden verbunden. Die Regeleinheit ist dazu ausgebildet, einen thermischen hydraulischen Abgleich und eine thermische Desinfektion durch eine Hubbegrenzung von gemessenen Temperaturen und/oder eine Anpassung der Pumpleistung in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einem Temperatur Ist-Wert und Temperatur Soll- Wert durchzuführen.
Aus der DE 20 2015 007 277 U1 ist eine Trink- und Brauchwasserversorgungseinrichtung eines Gebäudes mit einem Hausanschluss für kaltes Wasser, der an das öffentliche Versorgungsnetz angeschlossen ist, bekannt. Die Versorgungseinrichtung umfasst zumindest eine Zirkulationsleitung, die mit einer Pumpe versehen ist, und zu zumindest einem Verbraucher führt. In der Zirkulationsleitung ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der dem Wasser Wärme entzieht.
In der EP 3 159 457 A1 ist ferner eine Trink- und Brauchwasserversorgungseinrichtung der aus der DE 20 2015 007 277 U1 bekannten Art beschrieben, wobei der Wärmetauscher durch einen Latentwärmespeicher gebildet wird und ein in der Zirkulationsleitung vorgesehenes motorbetriebenes Spülventil, das steuerungsmäßig mit einer Steuervorrichtung verbunden ist aufweist. Das Spülventil ist zwischen dem Latentwärmespeicher und einer Mündung des Hausanschlusses in der Zirkulationsleitung angeordnet und in Strömungsrichtung dem Latentwärmespeicher nachgeordnet. 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 der PCT/EP2019/062547 der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung ist bereits ein Verfahren zum Betrieb eines Zirkulationssystems mit einer Kühlvorrichtung beschrieben, mit den Schritten:
Ermitteln, insbesondere Berechnen, einer Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangsbereich und Endbereich entsprechend einem Modell der axialen Temperaturänderung für die erste an den Ausgangsport (12b, 14b) angeschlossene Teilstrecke, ausgehend von einem Temperatur - Startwert TMA* < T soll und einem Volumenstrom - Startwert Vz *,
Ermitteln, insbesondere Berechnen, einer Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangsbereich und Endbereich für jede weitere gegebene Teilstrecke entsprechend dem Modell der Temperaturänderung, 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 und
Wählen des Wertes Ta der Wassertemperatur und des Wertes Vz des Volumenstroms am Ausgangsport (12b, 14b), derart, dass im Endbereich jeder Teilstrecke die Wasser - Temperatur TME < Tsoll beträgt und sich am Eingangsport (12a, 14b) die Wassertemperatur Tb < Tsoll mit Tsoll - Tb < q einstellt, wobei q>0 ein vorgegebener Wert ist.
Der Inhalt der oben genannte PCT/EP2019/062547 wird durch Bezugnahme vollständig in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung übernommen.
Ein ähnliches Problem wie für ein Kaltwassernetz besteht bei einem Warmwassernetz. Dabei ändern sich die Betriebstemperaturen, wobei statt einer Kühlvorrichtung ein Speicher oder Heizer eingesetzt wird. Die Temperaturen im Warmwassernetz sollen zwischen 60 °C am Speicheraustritt und 55 °C am Speichereintritt liegen. Im Gegensatz zum Kaltwassernetz, bei dem es zu einer Temperaturerhöhung infolge von Wärmegewinnen aus der Umgebung kommt, führen Wärmeverluste zu einer Temperaturabnahme im Warmwassernetz. 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 in einem gewünschten Temperaturbereich bleibt.
Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung auf effektive Weise zu erreichen, dass für alle Teilstrecken und für alle Zeiten während des Betriebs eines Zirkulationssystems die Wassertemperatur über einer Soll - Temperatur bleibt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Allgemein umfasst die Erfindung daher mit entsprechenden Anpassungen der zur Berechnung gemäß dem Modell eingesetzten Formeln auch den Fall, dass statt einer Kühlvorrichtung, eine Temperiervorrichtung, beispielsweise ein Wärmetauscher eingesetzt wird, der das Wasser erwärmen oder kühlen kann. Vorzugsweise ist die Temperiervorrichtung als Heizvorrichtung ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich insbesondere auf ein Zirkulationssystem mit einer Temperiervorrichtung 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.
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 < q ist, wobei q>0 ein vorgegebener Wert ist.
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 Temperiervorrichtung angeschlossenen Teilstrecke wird somit das sukzessiv das gesamte System der Teilstrecken durchlaufen und daher die Temperatur im gesamten System berechnet.
Erfindungsgemäß werden bei dem Verfahren, der Wert Ta der Wassertemperatur und der Wert Vz des Volumenstroms am Ausgangsport ermittelt, bei denen erreicht wird, dass im Endbereich jeder Teilstrecke des Zirkulationssystems die Wasser - Temperatur T < Tsoll beträgt und am Eingangsport die Wassertemperatur Tb < Tsoll mit Tsoll - Tb < q ist, wobei q>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.
Die Temperiervorrichtung 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.
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.
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.
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.
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. Die nachfolgende Formel gilt sowohl für den Temperaturabfall in einem Warmwassernetz als auch für den Temperaturanstieg in einem Kaltwassernetz.
Die Erfindung umfasst daher auch den analogen Fall eines Warmwassernetzes, wobei statt einer Temperiervorrichtung ein Speicher oder Heizer eingesetzt wird.
Ferner sind die o.g. Formel auch in einem Kaltwassernetz gültig, falls die Temperatur des Wassers höher als die Umgebungstemperatur ist.
Allgemein umfasst die Erfindung, wie bereits erwähnt mit entsprechenden Anpassungen der zur Berechnung gemäß dem Modell eingesetzten Formeln den Fall, dass statt einer Temperiervorrichtung ein Wärmetauscher eingesetzt wird, der das Wasser erwärmen oder kühlen kann.
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.
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.
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. 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.
Vorzugsweise werden Mischtemperaturen bei Strangvereinigung sowie die Temperaturen bei Strangteilung ausgehend von einer prozentualen Volumenstromaufteilung errechnet.
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.
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.
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 < q ist, wobei q>0 ein vorgegebener Wert ist.
Durch die Vorgabe Tsoll - Tb < q wird gewährleistet, dass die Wassertemperatur im Zirkulationssystem nicht zu kalt eingestellt wird und das System energetisch ineffektiv betrieben wird. Typischerweise liegt q in einem Bereich zwischen 1 °C und 5°C, kann aber auch in einem anderen Bereich liegen.
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.
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.
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.
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.
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 Temperiervorrichtung hinsichtlich ihrer Kühlleistung zu bestimmen. Ferner kann ggfs die Auslegung eine Zirkulationspumpe hinsichtlich ihrer Pumpleistung bestimmt werden.
Folgende Begriffe werden in diesem Text mit einer spezifischen Bedeutung verwendet, wobei die Definition an der Norm DIN EN 806 orientiert ist.
Als Zirkulationsleitung des Zirkulationssystems wird eine Leitung stromabwärts einer Entnahmestelle in dem Kreislauf bezeichnet, in dem Wasser von dem Ausgangsport einer Temperiervorrichtung zurück zum Eingangsport der Temperiervorrichtung läuft, falls an diese Leitung keine weitere Entnahmestelle angeschlossen ist.
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.
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. 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.
Vorzugsweise sind an jedem Knotenpunkt die auslaufenden Volumenströme in gleichgroße abgehende Volumenströme aufgeteilt. Es versteht sich, dass auch andere Aufteilungen möglich sind.
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:
†m = Temperatur Mischwasser (°C)
†k = Temperatur kälteres Wasser (°C)
†w = Temperatur wärmeres Wasser (°C)
mm = Masse/Volumen (-ström) Mischwasser (kg; m3; kg/h; m3/h oder %)
mk = Masse/Volumen (-ström) Kaltwasser (kg; m3; kg/h; m3/h oder %)
mw = Masse/Volumen (-ström) Warmwasser (kg; m3; kg/h; m3/h oder %)
Für die Ermittlung der Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangs- und Endbereich einer Teilstrecke werden neben der Länge der Teilstrecke vorzugsweise folgende Parameter verwendet
T L uft = Temperatur Umgebungsluft (°G)
k R = Wärmedurchgangskoeffizient der Rohrleitung (W/(m*K)) m M = Massenstrom des Wassers in der Teilstrecke (kg/ s)
c P,m = spez. Wärmekapazität des Wassers (J/(kg*K)
V M = Volumenstrom des Wassers in der Teilstrecke (m3/s)
p M = Dichte des Wassers (kg/m3)
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.
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.
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 T MA* < 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 T MA‘ im Anfangsbereich der nächsten angeschlossenen Teilstrecke gleich der Wasser - Temperatur TME im Endbereich der gegebenen Teilstrecke, als gewählt ist.
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.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass im Endbereich zumindest einer Teilstrecke der Länge L die Wasser - Temperatur TME mittels der Formel
bestimmt wird, wobei gilt
L = Länge (m) der uniformen Teilstrecke (TS1)
T MA = Wassertemperatur im Anfangsbereich (°c) TME = Wassertemperatur im Endbereich (°G)
TLuft = Temperatur Umgebungsluft(°C)
k R = Wärmedurchgangskoeffizient der Rohrleitung (W/(m*K)) mM = Massenstrom des Wassers in der Teilstrecke (kg/ s) c p,m = spez. Wärmekapazität des Wassers (J/(kg*K)
V M = Volumenstrom des Wassers in der T eilstrecke (m3/s) p M = Dichte des Wassers (kg/m3)
Diese Formel ermöglicht eine gute Näherung der Temperaturänderung für uniforme Teilstrecken.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmedurchgangskoeffizient der Teilstrecken nach der Formel bestimmt ist, wobei
Zur Ermittlung der Temperaturveränderungen und des Wärmegewinns im Wasser infolge des Temperaturunterschieds zur Umgebung werden im Folgenden die Gleichungen 1-4 verwendet.
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. Wärmedurchlasswiderstand einer Rohrleitung inkl. Dämmung
Gleichung 1 , siehe VDI 2055, 2008
Wärmedurchgangswiderstand der isolierten Rohrleitung
Gleichung 2, siehe VDI 2055, 2008
Wärmedurchgangskoeffizient UR der isolierten Rohrleitung Gleichung 3
Der Wärmedurchgangskoeffizient ist zentraler Bestandteil von Gleichung 4 zur Berechnung einer Temperatur am Ende einer Teilstrecke.
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.
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.
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.
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 folgt
3.1 .1 Stoffwerte Wasser 3.1.2 Wärmeübergangskoeffizienten
3.1.3 Umgebungstemperaturen
3.1.4 Dämmungen
3.1.5 Rohrwerkstoffe
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.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in das Zirkulationssystem eine Zirkulationspumpe integriert ist, womit ein gewünschter Volumenstrom eingestellt werden kann.
Es versteht sich, dass auch mehrere Temperiervorrichtungen und/oder Zirkulationspumpen vorgesehen sein können.
Im folgenden werden Ausführungsformen mit Leitungsstrukturen beschrieben, wie sie typischerweise bei Trinkwasserinstallationen in Gebäuden eingesetzt werden.
Eine Anschlussleitung ist eine Leitung zwischen einer Versorgungsleitung und einer Trinkwasserinstallation beziehungsweise dem Zirkulationssystem.
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. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Vorlaufleitung mit mindestens einer Ringleitung verbunden ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Zweig der Zirkulationsleitung von der mindestens eine Vorlaufleitung abgeht.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Zweig der mindestens einen Zirkulationsleitung von der mindestens eine Ringleitung abgeht.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Vorlaufleitung mindestens eine Steigleitung und/oder eine Stockwerksleitung umfasst.
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.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anschluss mit mindestens einer Anschlussleitung und/oder mindestens einer Verbrauchsleitung verbunden ist.
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.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels der Temperiervorrichtung 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.
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. 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.
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.
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.
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.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
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.
Es zeigen beispielhaft:
Figur 1 a: in schematischer Darstellung ein Zirkulationssystem
Figur 1 b: eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Zirkulationssystem
Figur 2: eine weitere Ausführungsform eines Zirkulationssystem
Figur 3a - 3c: weitere Ausführungsformen eines Zirkulationssystem
Figur 4: eine weitere Ausführungsform eines Zirkulationssystem
Figur 5: eine weitere Ausführungsform eines Zirkulationssystem
Figur 6: eine weitere Ausführungsform eines Zirkulationssystem
Figur 7: eine weitere Ausführungsform eines Zirkulationssystem
Figur 8: eine weitere Ausführungsform eines Zirkulationssystem Figur 9: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zirkulationssystem Figur 10: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zirkulationssystem
Die in den Figuren dargestellten Zirkulationssysteme stellen nur Beispiele dar, ohne dass damit die Erfindung auf diese Systeme beschränkt ist. Bei allen dargestellten Systemen laufen in einen Knoten 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. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Systeme mit derartigen Knoten beschränkt.
Grundsätzlich bestehen alle dargestellten Leitungen zwischen Knoten und zwischen Knoten und Eingangsport sowie Knoten und Ausgangsport aus einer oder mehr Teilstrecken, wie oben definiert.
Gleichartige Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Zunächst wird zum besseren Verständnis der Erfindung kontrastierend ein bereits in der PCT/EP2019/062547 beschriebenes Zirkulationssystem gemäß Figur 1a beschrieben.
Bei dem in Figur 1 a dargestellten Zirkulationssystem ist ein Knoten K1 ist über eine
Vorlaufleitung 4a an einen Ausgangsport 12b einer Kühlvorrichtung 12 angeschlossen. Die Kühlvorrichtung 12 hat kältekreisseitige Anschlüsse sowie eine kältekreisseitige Pumpe 13.
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.
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.
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. 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.
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.
Das in Figur 1b dargestellte erfindungsgemäße Zirkulationssystem für warmes Trinkwasser PWC hat eine analoge Struktur, wie das in Figur 1a dargestellte System, jedoch bezeichnet die Bezugsziffer 12 eine Heizvorrichtung, die über eine Anschlussleitung 4' für kaltes Trinkwasser PWC mit dem Eingangsport 12a verbunden ist. Der Ausgangsport 12b ist an eine Steigleitung 5 angeschlossen. Bezugsziffer 9 bezeichnet die letzte Entnahmestelle für warmes Wasser PWH. Die Zirkulationsleitung 10a der Zirkulationssystems PWH-C
ist über die Zirkulationspumpe 10b mit dem Eingangsport 12a verbunden. Die Heizvorrichtung hat wärmekreisseitige Anschlüsse sowie eine wärmekreisseitige Pumpe 13. /
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 1a im Knotenpunkt K1 ein Ventil vorgesehen, welches temporär die Wasserzufuhr vom Anschluss 1 sperren kann, wobei Trinkwasser erwärmt werden kann, wobei Bezugsziffer 12 eine Heizvorrichtung oder eine Temperiervorrichtung bezeichnet.
Das in Figur 2 dargestellte Zirkulationssystem hat eine analoge Struktur, wie das System der Figur 1 a, wobei jedoch in den Stockwerksleitungen 6 Ringleitungen vorgesehen sind, wobei zur Vereinfachung lediglich bei der obersten in Figur 2 dargestellten Ringleitung ein Bezugszeichen 8 verwendet wird. Der Ringleitung 8 ist ein optionaler Strömungsteiler 8a zugeordnet.
Ringleitungen sind Knoten K21 bis K32 zugeordnet. Es versteht sich, dass auch solche
Systeme, bei denen lediglich eine Ringleitung vorhanden ist, von der Erfindung umfasst werden. In Figur 3 ist ein weiteres System mit Knoten K31 bis K34 dargestellt, bei dem jedoch die in die Knoten K34 und K35 mündenden Zirkulationsleitungen 10a parallel zu den von den Knoten K32 und K33 ausgehenden Stockwerksleitungen 6 geführt sind.
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.
Analog können weitere dezentrale Kühlvorrichtungen in den anderen Stockwerksleitungen angeordnet sein, wie in Figur 3a dargestellt ist..
In einer weiteren Ausführungsform analog der Figur 3 kann der Wärmetauscher 12
weggelassen sein, wobei in diesem Fall eine Kühlvorrichtung 14 oder mehrere
Kühlvorrichtungen 14 obligatorisch sind, wie in Figur 3b dargestellt ist.
Analog der Ausführungsform der Figur 3 können Kühlvorrichtungen in den Steigleitungen 5 bzw. den Stockwerksleitung der Ausführungsformen der Figuren 1 , 2 sowie 4 bis 8 vorgesehen sein, beispielsweise wie in Figur 3 mit einer Kühlvorrichtung 12'.
Figur 4 zeigt ein System mit Knoten K41 bis K51 wie in Figur 3, wobei jedoch in den
Stockwerksleitungen Ringleitungen 8 vorgesehen sind.
Figur 5 zeigt ein System mit Knoten K51 bis K55 , bei dem Zirkulationsleitungen 10 parallel zu den an die Knoten K52, K53 angeschlossenen Steigleitungen 5 geführt sind.
Figur 6 zeigt ein System mit den Knoten K61 bis K69b, wobei zwischen den Knoten K63, K64, K66, K67 sowie K68, K69 Ringleitungen vorgesehen sind.
Figur 7 zeigt ein System mit den Knoten K71 bis K75, wobei Steigleitungen 5 mit den Knoten K72 und K73 verbunden sind.
Figur 8 zeigt ein System mit Knoten K81 bis K89b analog wie in Figur 7 jedoch mit zwischen den Knoten K89a, K89b, K88, K89 sowie K84 und K85 angeordneten Ringleitungen. Figur 9 zeigt ein System mit einer Vorrichtung 12‘, die über eine Leitung 2‘ mit dem
Eingangsport 12a‘ an eine Wasserversorgung 1 angeschlossen ist. Der Ausgangsport 12b‘ ist mit einer Sammelleitung 4a mit dem Knoten K91 und Steigleitungen 5 verbunden.
Die Zirkulationsleitung 10a ist am Eingangsport 12a‘ angeschlossen.
Die Vorrichtung 12' kann als Kühlvorrichtung, Heizvorrichtung oder Temperiervorrichtung ausgebildet sein.
Figur 10 zeigt ein System mit einer Vorrichtung 20, die über eine Leitung 2' mit dem
Eingangsport 20a' an eine Wasserversorgung 1 angeschlossen ist. Der Ausgangsport 20b‘ ist mit einer Sammelleitung 4 mit dem Knoten K101 und Steigleitungen 5 verbunden.
Die Zirkulationsleitung 10a ist stromabwärts des Ausgangsports 20b‘ angeschlossen.
Die Vorrichtung 20 kann als Kühlvorrichtung, Heizvorrichtung oder Temperiervorrichtung ausgebildet sein.
Ferner umfasst die das System die Vorrichtung 12, deren Ausgangsport 12b mit einer
Sammelleitung 4a mit dem Knoten K101 und Steigleitungen 5 verbunden.
Die Zirkulationsleitung 10a ist am Eingangsport 12a angeschlossen.
Die Vorrichtung 12 kann als Kühlvorrichtung, Heizvorrichtung oder Temperiervorrichtung ausgebildet sein.
Die in den Figuren 1 , 3, 5, 7 dargestellten Ausführungsformen können auch nur Teilbereiche zirkulieren lassen. So können die Teilstrecken auch z. B. Installationen in Wohnungen darstellen, die aufgrund diversere Anforderungen (Abrechnung des Wasserverbrauchs) nicht mitzirkulieren dürfen. Ein Wasseraustausch zur Haltung der gewünschten Temperatur wär hier durch Spülautomaten möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei den Systemen der Figuren 1 bis 8 in der oben beschriebenen Weise ausgeführt, wobei ausgehend von einem Temperatur - Startwert TMA* < Tsoll und einem Volumenstrom - Startwert Vz* für die erste an den Ausgangsport (12b) angeschlossene Teilstrecke eine Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangsbereich und Endbereich entsprechend einem Modell der Temperaturänderung ermittelt wird.
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.
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
errechnet.
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 < q ist, wobei q>0 ein vorgegebener Wert ist.
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.
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.
Ebenso kann in einem solchen Fall der Fördervolumenstrom der Pumpe 13, temperaturgesteuert reduziert werden.
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.
23
BLATT EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6) Tabelle 1
Bezugszeichenliste 1 Anschluss an ein Wasserversorgungsnetz
2 Anschlussleitung
3 Verbrauchsleitung
Sammelzuleitung
a Sammelzuleitung
5 Steig- (Fall) Leitung
6 Stockwerksleitung
7 Einzelzuleitung
8 Ringleitung
8a statische oder dynamische Strömungsteilung
Entnahmestelle
10 Zirkulationssystem
10a Zirkulationsleitung
10b Zirkulationspumpe
12 Temperiervorrichtung, Kühlvorrichtung, Wärmetauscher 12a Eingangsport
12b Ausgangsport
Temperiervorrichtung, Kühlvorrichtung, Wärmetauscher 12a' Eingangsport
12b' Ausgangsport
13 Pumpe
3 Pumpe
14 Temperiervorrichtung, Kühlvorrichtung, Wärmetauscher 14a Eingangsport
14b Ausgangsport
14' Temperiervorrichtung, Kühlvorrichtung, Wärmetauscher 15 Pumpe
0 Temperiervorrichtung, Kühlvorrichtung, Wärmetauscher 20a Eingangsport
20b Ausgangsport
Pumpe
21a Eingangsport
21b Ausgangsport

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Zirkulationssystem (10) mit einer Heizvorrichtung mit einem Eingangsport und einem Ausgangsport zur Temperierung 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 (4, 5, 6) ausgebildet sind, zumindest eine mit einer Entnahmestelle (9) verbundene Einzelzuleitung (7) und zumindest eine als Zirkulationsleitung (10a) ausgebildete Leitung mit der oder den Vorlaufleitungen (4, 5, 6) verbunden ist, mit den Schritten
Einstellen einer Wassertemperatur am Ausgangsport auf einen Wert Ta mittels der Heizvorrichtung
Einstellen eines Volumenstroms am Eingangsport auf einen Wert Vz gekennzeichnet durch folgende Schritte
Ermitteln, insbesondere Berechnen, einer Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangsbereich und Endbereich entsprechend einem Modell der axialen Temperaturänderung für die erste an den Ausgangsport angeschlossene Teilstrecke, ausgehend von einem Temperatur - Startwert TMA* und einem Volumenstrom - Startwert Vz*,
Ermitteln, insbesondere Berechnen, einer Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangsbereich und Endbereich für jede weitere gegebene Teilstrecke entsprechend dem Modell der Temperaturänderung, 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 und
Wählen des Wertes Ta der Wassertemperatur und des Wertes Vz des Volumenstroms am Ausgangsport, derart, dass im Endbereich jeder Teilstrecke die Wasser - Temperatur TME in einem vorgegeben Temperaturintervall um Tsoll liegt, insbesondere sich am Eingangsport (12a, 14b) die Wassertemperatur Tb < Tsoll mit Tsoll - Tb < q einstellt, wobei q>0 ein vorgegebener Wert ist..
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Werte Ta und Vz in einem iterativen Näherungsverfahren bestimmt werden, bei dem ausgehend von einem Temperatur - Startwert TMA* und einem Volumenstrom - Startwert Vz * für die erste an den Ausgangsport (12b, 14b) angeschlossene Teilstrecke, für jede gegebene weitere Teilstrecke die Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangsbereich und Endbereich berechnet 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 angeschlossenen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrecken über die Länge zwischen ihrem Anfangsbereich und ihrem Endbereich hinsichtlich ihrer Wärme - Kopplung mit der Umgebung uniform ausgebildet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Endbereich zumindest einer Teilstrecke mit der Länge L die Wasser - Temperatur TME mittels der Formel
bestimmt wird, wobei gilt
L = Länge der uniformen Teilstrecke (TS1) (m)
T = Wassertemperatur im Anfangsbereich (°C)
TM E = Wassertemperatur im Endbereich (°C)
T L uft = Temperatur Umgebungsluft(°C}
k R = Wärmedurchgangskoeffizient der Rohrleitung (W/(m*K)) m M = Massenstrom des Wassers in der Teilstrecke (kg / s)
c p,m = spez. Wärmekapazität des Wassers (J/(kg*K)
V M = Volumenstrom des Wassers in der Teilstrecke (m3/s)
p M = Dichte des Wassers (kg/m3)
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
Wärmedurchgangskoeffizient der Teilstrecken nach der Formel
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Zirkulationssystem (10) eine Zirkulationspumpe (10b) integriert ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Temperiervorrichtung (12, 14) zur Temperierung des zirkulierenden Wassers thermische Energie von dem zirkulierenden Wasser zu einem anderen Stoffstrom, vorzugsweise mittels eines Wärmeübertragers übertragen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung
(12, 14) thermisch an einen Kälteerzeuger, vorzugsweise eine Wärmepumpe, einen Kaltwassersatz oder ein Kälteversorgungsnetz gekoppelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet, durch
Ermitteln einer Verbrauchs - Kennlinie der Zirkulationspumpe (10b) in Abhängigkeit vom geförderten Volumenstrom der Zirkulationspumpe (10b) Ermitteln einer Verbrauchs - Kennlinie der Temperiervorrichtung (12, 14) in Abhängigkeit von einer Wassertemperatur am Ausgangsport (12b, 14b)
Einstellen eines Volumenstroms Vz und einer Wassertemperatur Ta am Ausgangsport (12b, 14b) so dass die Leistungsaufnahme von Zirkulationspumpe (10b) und Temperiervorrichtung (12, 14) einen relativen oder absoluten Minimalwert annimmt.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Temperatur Tsoll ein Wert von 20°C gewählt und für die Wassertemperatur Ta am Ausgangsport (12b, 14b) ein Wert von 15°C gewählt wird.
11. Zirkulationssystem mit einer Temperiervorrichtung (12, 14) mit einem Eingangsport
(12a, 14a), einem Ausgangsport (12b, 14b) und mit einem Leitungssystem mit mehreren Strängen, welche eine oder mehrere Teilstrecken mit gegebener Wärme - Kopplung mit einer Umgebung aufweisen und mittels Knoten gekoppelt sind, wobei bei vorgegebener Aufteilung der aus den Knoten herauslaufenden Volumenströme eine Mischwassertemperatur der aus den Knoten herauslaufenden Volumenströme in Abhängigkeit von den in die Knoten einlaufenden Volumenströmen ermittelbar ist, wobei eine oder mehrere der Leitungen des Leitungssystems als Vorlaufleitung (4, 5, 6) ausgebildet sind, zumindest eine mit einer Entnahmestelle (9) verbundene Einzelzuleitung (7) und zumindest eine als Zirkulationsleitung (10a) ausgebildete Leitung mit der oder den Vorlaufleitungen (4, 5, 6) verbunden ist, mit
Mitteln zum Einstellen der Wassertemperatur am Ausgangsport (12b, 14b) auf einen Wert Ta mittels der Temperiervorrichtung (12, 14)
Mitteln zum Einstellen eines stationären Volumenstroms von zirkulierendem Wasser am Eingangsport (12a, 14a) auf einen Wert Vz gekennzeichnet durch,
Vorrichtungsmittel zum Ermitteln einer Temperaturänderung des Wassers zwischen Anfangsbereich und Endbereich jeder Teilstrecke unter der Randbedingung, dass die Wassertemperatur im Endbereich einer gegebenen Teilstrecke gleich der Wassertemperatur im Anfangsbereich der in Strömungsrichtung des zirkulierenden Wassers an die gegebene Teilstrecke angeschlossenen Teilstrecke gewählt ist und
Vorrichtungsmittel zum Wählen des Wertes Ta der Wassertemperatur und des Wertes Vz des Volumenstroms am Ausgangsport (12b, 14b), derart, dass im Endbereich jeder Teilstrecke die Wasser - Temperatur TME in einem vorgegebenen Intervall um Tsoll liegt, insbesondere sich am Eingangsport (12a, 14a) die Wassertemperatur Tb < Tsoll mit Tsoll - Tb < q einstellt, wobei q>0 ein vorgegebener Wert ist.
12. Zirkulationssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Vorrichtungsmittel vorgesehen sind, um die Werte Ta und Vz in einem iterativen Näherungsverfahren zu bestimmen, bei dem ausgehend von einem Temperatur - Startwert TMA* < Tsoll und einem Volumenstrom - Startwert Vz* für die erste an den Ausgangsport (12b) 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.
31
BLATT EI N BEZOC EN DU RCH VERWEIS (REG EL 20.6)
13. Zirkulationssystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrecken über die Länge zwischen ihrem Anfangsbereich und ihrem Endbereich hinsichtlich ihrer Wärme - Kopplung mit der Umgebung uniform ausgebildet sind.
14. Zirkulationssystem nach Ansprüchen 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in das Zirkulationssystem (10) eine Zirkulationspumpe (7) integriert ist.
15. Zirkulationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorlaufleitung (4, 5, 6) mit mindestens einer Ringleitung (8) verbunden ist.
33
BLATT EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6)
16. Zirkulationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Leitung der Zirkulationsleitung (10a) von der mindestens eine Vorlaufleitung (4, 5, 6) abgeht.
17. Zirkulationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Leitung der mindestens eine Zirkulationsleitung (10a) von der mindestens eine Ringleitung (8) abgeht.
18. Zirkulationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorlaufleitung (4, 5, 6) mindestens eine Steigleitung (5) und/oder eine Stockwerksleitung (6) umfasst.
19. Zirkulationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorlaufleitung (4, 5, 6) eine Sammelzuleitung (4) umfasst, die mit einem Anschluss (1) an ein
Wasserversorgungsnetz verbunden ist.
20. Zirkulationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss (1) mit mindestens einer Anschlussleitung (2) und/oder mindestens einer Verbrauchsleitung (3) verbunden ist.
21. Zirkulationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens eine Vorlaufleitung (4, 5, 6) und/oder der mindestens eine Ringleitung (8) mindestens ein statischer oder dynamischer Strömungsteiler (8a) angeordnet ist.
22. Zirkulationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Temperiervorrichtung (12, 14) thermische Energie von dem zirkulierenden Wasser zu einem anderen Stoffstrom, vorzugsweise mittels eines Wärmeüberträgers übertragen wird.
23. Zirkulationssystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (12, 14) thermisch an einen Kälteerzeuger, vorzugsweise eine Wärmepumpe, einen Kaltwassersatz oder ein Kälteversorgungsnetz gekoppelt ist.
24. Zirkulationssystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilstrecke des Leitungssystem als Außen - Zirkulationsleitung ausgebildet ist.
25. Zirkulationssystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilstrecke als Inliner - Zirkulationsleitung ausgebildet ist.
26. Zirkulationssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (12) mit ihrem Ausgangsport (12b) an eine Vorlaufleitung (4a) und mit ihrem Eingangsport (12a) an eine vertikale Zirkulationsleitung angeschlossen ist.
27. Zirkulationssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (14) in eine Steigleitung (5) und/oder eine Stockwerksleitung (6) integriert ist.
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