СПОСОБ РАБОТЫ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ И ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2023 года по МПК E03B7/04 

Изобретение относится к способу работы циркуляционной системы, а также циркуляционной системе, каждый раз согласно признакам преамбул независимых пунктов формулы изобретения.

Для того чтобы предотвратить рост микробов в сетях холодного водоснабжения, DIN EN 806, а также директива VDI 6023 требуют для установок питьевого водоснабжения в зданиях постоянного ограничения температуры холодной питьевой воды (PWC) на всех линиях установок до значения не более +25°C. Согласно DIN EN 806-2,3,6 температура воды в местах холодного водоснабжения не должна превышать +25°C в течение 30 секунд после полного открытия точки отбора. Кроме того, во избежание застоя воды, установка холодного водоснабжения должна быть спроектирована так, чтобы при нормальных условиях эксплуатации, питьевая вода регулярно пополнялась во всех линиях установки. Аналогичным образом, Директива VDI 6023 также содержит рекомендацию по поддержанию температуры питьевой воды как можно ниже +25°C. Естественно, ограничение температуры воды часто рассматривается как необходимое для других установок водоснабжения, таких как установки для промышленной технической воды.

Возникновению высоких температур PWC способствует единичное или комбинированное возникновение различных обстоятельств, включающих:

- высокие температуры PWC уже в бытовом разветвлении,

- тепловое воздействие на области установки, например, из-за положения и ориентации здания или областей установки внутри здания,

- недостаточную изоляцию трубопроводов PWC для защиты от тепла,

- установку трубопроводов PWC в помещениях и пространствах оборудования с источниками тепла, в общих областях установки, таких как шахты, каналы, подвесные потолки и стены установки с теплоносителями (например, трубопроводами системы отопления, питьевой горячей воды (PWH) и циркуляционной системы горячей питьевой воды (PWH-C), воздухозаборники и вытяжные каналы, лампы),

- фазы застоя в указанных областях установки,

- сильно разветвленные установки PWC с сопутствующими большими объемами установки,

- трубопроводы PWC сверхбольших размеров.

Способом предпочтения в усилиях по соблюдению предписанных правил в фазах застоя до сих пор является принудительная промывка установок для имитации желаемой работы в этих фазах.

Для обеспечения холодной питьевой водой уже предложены различные охлаждаемые циркуляционные системы для сети холодного водоснабжения.

Охлаждаемая циркуляционная система уже известна из патента EP 1 626 034 A1, в котором предложено контролируемое добавление дезинфицирующего средства в воду.

Из патента DE 10 2014 013 464 А1 известен способ работы циркуляционной системы с тепловым аккумулятором, циркуляционным насосом, регулирующим блоком и, по меньшей мере, двумя ответвлениями, и имеющей в остальном неизвестную структуру сети трубопроводов. Ответвления, каждое из которых имеет клапан, регулируемый приводным двигателем, согласованы с датчиками температуры, которые расположены перед каждой точкой смешения между ответвлениями. Приводные двигатели и/или циркуляционный насос соединены для обмена данными с регулирующим блоком беспроводным или проводным способом. Регулирующий блок предназначен для выполнения тепловой и гидравлической балансировки и тепловой дезинфекции путем ограничения диапазона измеряемых температур и/или адаптации мощности насоса в зависимости от разницы между фактическим значением температуры и заданным значением температуры.

Из патента DE 20 2015 007 277 U1 известно устройство снабжения питьевой водой и технической водой здания, имеющего бытовое разветвление для холодной воды, которое подключено к коммунальной распределительной сети. Устройство подачи содержит, по меньшей мере, один циркуляционный трубопровод, снабженный насосом, и который ведет, по меньшей мере, к одному потребителю. В циркуляционном трубопроводе предусмотрен теплообменник, отводящий тепло из воды.

Кроме того, в патенте EP 3 159 457 A1 описано устройство подачи питьевой воды и технической воды, известное из патента DE 20 2015 007 277 U1, в котором теплообменник образован накопителем скрытой теплоты и содержит промывочный клапан с электроприводом, предусмотренный в циркуляционном трубопроводе, соединенный к устройству управления для целей управления. Промывочный клапан расположен между накопителем скрытой теплоты и точкой входа бытового разветвления в циркуляционный трубопровод, находящейся ниже по потоку от накопителя скрытой теплоты в направлении потока.

Известные циркуляционные системы с охлаждением воды не гарантируют или не гарантируют эффективно, что температура воды остается ниже желаемой температуры для всех отдельных участков и в течение всего времени работы циркуляционной системы.

Проблемы, которые настоящее изобретение предлагает к решению, поэтому гарантируют эффективным способом, что температура воды остается ниже желаемой температуры для всех отдельных участков и в течение всего времени работы циркуляционной системы.

Задача решена согласно изобретению с признаками независимых пунктов формулы изобретения.

Способ согласно изобретению относится к циркуляционной системе, имеющей устройство охлаждения с входным портом и выходным портом для охлаждения воды, и имеющей трубопроводную систему с множеством ответвлений, содержащих один или несколько отдельных участков с заданной тепловым взаимодействием с окружающей средой и соединенных посредством узлов, при этом одна или несколько линий трубопроводной системы сконфигурированы как подающий трубопровод, по меньшей мере, одна как одна подающая линия, соединенная с точкой ответвления, и, по меньшей мере, одна линия сконфигурирована как циркуляционный трубопровод, соединенный к подающему трубопроводу или трубопроводам.

Способ работы циркуляционной системы согласно изобретению отличается тем, что изменение температуры воды между начальной областью и конечной областью определяется согласно модели осевого изменения температуры для первого отдельного участка, соединенного с выходным портом, начиная от начального значения температуры T_MA*<T_soll и начального значения объемного расхода V_z*, при этом изменение температуры воды между начальной областью и конечной областью определяется для каждого дополнительного заданного отдельного участка, соединенного с первым отдельным участком, согласно модели изменения температуры, при граничном условии, что температура воды в начальной области заданного отдельного участка равна температуре воды в конечной области отдельного участка, с которой заданный отдельный участок соединен в направлении потока воды, а значение температуры T_a воды и значение объемного расхода V_z в выходном порте выбираются таким образом, чтобы в конечной области каждого отдельного участка циркуляционной системы, температура воды была T_ME<T_soll, а во входном порте температура воды была установлена T_b<T_soll с T_soll-T_b<θ, где θ>0 является заданным значением.

Предпочтительно, определение заключается в вычислении согласно модели осевого изменения температуры воды между начальной областью и конечной областью отдельного участка, то есть соответствующей части трубопровода, на основе поглощения тепла из окружающей среды отдельного участка. Таким образом, начиная с первого отдельного участка, соединенного с охлаждающим устройством, двигаясь последовательно через всю систему отдельных участков и, таким образом, вычисляет температуру во всей системе.

Согласно изобретению, значение T_a температуры воды и значение V_z объемного расхода в выходном порте, для которого температура воды T_ME<T_soll в конечной области каждого отдельного участка циркуляционной системы и температура воды T_b<T_soll во входном порте составляет T_soll-T_b<θ, где θ>0 является заданным значением, определяются в способе посредством моделирования температуры и объемных расходов циркулирующей воды в трубопроводной системе, предпочтительно, путем расчета. Это, предпочтительно, выполнять для состояния с постоянным V_z.

Затем охлаждающее устройство и, возможно, циркуляционный насос циркуляционной системы регулируются таким образом, чтобы температура воды и объемный расход принимали установленные значения T_a и значение V_z.

Согласно изобретению, предлагается устанавливать температуру в выходном порте, и изменения температуры рассчитывать на ее основе и использовать для моделирования согласно характеристике пункта 1 формулы изобретения.

Преимущество вычислений заключается в том, что для измерения чего-либо не нужен датчик, и возможно оценивать и изменять факторы влияния, а также, возможно, делать прогнозы.

Расчет дает преимущество перед двухточечной системой регулирования и/или каскадным управлением этажами зданий или управлением по ответвлениям трубопровода, заключающееся в том, что требуется меньше точек измерения, а система, в целом, менее подвержена колебаниям.

Таким образом, регулирование согласно изобретению, в отличие от предшествующего уровня техники, осуществляется посредством операции задания установки в выходном порте, хотя конструкция регулятора основана на общей системе водопровода с распределенными параметрами и расчетом нескольких температур T_ME. Следовательно, в основном требуется только один регулятор и только одна установка температуры для обеспечения температуры T_a.

Проблема, аналогичная проблеме сети холодного водоснабжения, существует в случае сети горячего водоснабжения. Меняются только рабочие температуры, а вместо охлаждающего устройства используется нагреватель или резервуар. Температура в сети горячего водоснабжения составляет от 60°C на выходе из резервуара, до 55°C на входе в резервуар. В отличие от сети холодного водоснабжения, где повышение температуры происходит за счет поступления тепла из окружающей среды, потери тепла приводят к падению температуры в сети горячего водоснабжения.

Следующая формула верна как для падения температуры в сети горячего водоснабжения, так и для повышения температуры в сети холодного водоснабжения.

= удельный тепловой поток в Вт/м

Δϑ=ϑ начальная среда - ϑ конечная среда, горячая вода

Δϑ=ϑ конечная среда - ϑ начальная среда, холодная вода

Таким образом, изобретение также включает аналогичный пример сети горячего водоснабжения, в которой резервуар или нагреватель используется вместо охлаждающего устройства.

Кроме того, приведенные выше формулы справедливы и в сети холодного водоснабжения, если температура воды выше температуры окружающей среды.

Таким образом, в целом, изобретение охватывает, с соответствующими адаптациями формул, используемых для расчета согласно моделям, случай использования теплообменника вместо охлаждающего устройства, который может нагревать или охлаждать воду.

Термин ответвление означает линию, состоящую из отдельного участка или нескольких отдельных участков между двумя узлами, без дополнительных узлов, лежащих между ними. Ответвления связаны между собой узлами.

Предпочтительно, граничное условие, что температура воды в начальной области заданного отдельного участка равна температуре воды в конечной области отдельного участка, к которому соединен заданный отдельный участок, относится только к отдельным участкам соответствующего ответвления.

Температура и величина объемного расхода, выходящего из одного узла в смежный отдельный участок, зависят от температуры и величины входящих объемных расходов. Изобретение, предпочтительно, предполагает, что это обусловлено конструкцией трубопроводной системы.

Распределение объемных расходов, выходящих из узла, между различными отходящими линиями или отдельными участками, предпочтительно, предполагается изобретением как заданное конструкцией трубопроводной системы.

Предпочтительно, смешение температуры, когда ветви соединяются вместе, и температуры, когда ветви разделяются, рассчитываются на основе процентного распределения объемного расхода.

В способе согласно изобретению, трубопроводная система считается заданной, при этом подразумевается, что трубопроводная система спроектирована в соответствии с правилами DIN 1988-300 для проектирования трубопроводных сетей, с указанием, в частности, определенных номинальных размеров линии PWC (холодной питьевой воды) и значения тепловой связи (теплового взаимодействия) циркулирующей воды с окружающей средой. Подразумевается, что конструкции трубопроводной сети, указанные или рекомендованные в других странах или регионах, также могут быть приняты во внимание.

Предпочтительно, в качестве начального значения объемного расхода V_z* выбирается наивысшее допустимое значение в соответствии с конструкцией трубопроводной системы. Это значение уменьшается до тех пор, пока температура циркулирующей воды не станет близкой к T_soll, поскольку с уменьшением объемного расхода температура циркулирующей воды увеличивается, и, следовательно, температура во впускном порте увеличивается.

Предпочтительно, значение T_MA* варьируется, и выбирается максимальное значение T_a температуры воды, для которого температура воды во входном порте составляет T_b<T_soll с T_soll-T_b<θ, где θ>0 является заданным значением.

Учитывая T_soll-T_b<θ, гарантируется, что температура воды в циркуляционной системе не будет слишком низкой, и система не будет эксплуатироваться с низким энергопотреблением. Обычно θ находится в диапазоне от 1°C до 5°C, но он также может лежать в другом диапазоне.

Определение изменения температуры воды между начальной и конечной областью каждого отдельного участка может быть выполнено согласно моделям, которые сами по себе являются известными, например, путем имитационных расчетов или также соответствующих известных формул.

При реализации способа согласно изобретению, циркуляционная система, предпочтительно, работает в состоянии, в котором не происходит удаления воды и поглощения воды, потому что в этом состоянии можно ожидать большего нагрева воды, чем в состоянии, в котором происходит удаление воды, и, следовательно, запас прочности из состояния с нежелательно высокой температурой воды обеспечивается за счет использования параметров T_a и V_z, определенных данным способом.

Параметры T_a и V_z, определенные данным способом, используются преимущественно для моделирования данной циркуляционной системы, в которой трубопроводная система спроектирована в соответствии с юридическими спецификациями относительно номинальной ширины и теплового взаимодействия циркулирующей воды с окружающей средой, а также для работы так, чтобы выполнялись обязательные правила относительно температуры питьевой воды в циркуляционной системе.

Моделирование заявителя для уже существующих систем показало, что при использовании параметров, установленных в соответствии с изобретением: а) упомянутые законодательные требования выполняются, и b) достигается более высокая энергоэффективность работы системы.

Параметры T_a и V_z, определенные способом, используются, предпочтительно, для определения конструкции охлаждающего устройства с точки зрения его охлаждающей способности в данной циркуляционной системе, в которой трубопроводная система спроектирована в соответствии с юридическими спецификациями относительно номинальных ширины и теплового взаимодействия циркулирующей воды с окружающей средой. Кроме того, конструкция циркуляционного насоса может быть определена с учетом его мощности накачки.

Следующие ниже термины должны использоваться в этом тексте с определенным значением, при этом определение основано на стандарте DIN EN 806.

Циркуляционный трубопровод циркуляционной системы обозначает трубопровод ниже по потоку от точки ответвления в циркуляции, по которой вода течет от выходного порта охлаждающего устройства обратно к входному порту охлаждающего устройства, если к нему не подключена дополнительная точка ответвления этого трубопровода.

Термин узел используется для элемента трубопровода, с которым соединяются трубопроводы. Либо, по меньшей мере, два объемных расхода могут входить в узел, и ровно один объемный расход может выходить из него, либо может входить ровно один объемный расход и, по меньшей мере, два объемных расхода могут отходить от него. Узел соответствует точке ответвления.

Предпочтительно, ровно два объемных расхода входят в узел циркуляционной системы, и один объемный расход отходит от него, или входит ровно один объемный расход и от него отходят ровно два объемных расхода, например, в виде тройника.

Первый закон Кирхгофа применяется к узлам циркуляционной системы по аналогии с электрическими цепями, в соответствии с которыми сумма входящих объемных расходов равна сумме исходящих объемных расходов.

Предпочтительно, исходящие объемные расходы в каждом узле распределяются на исходящие объемные расходы равной величины. Следует понимать, что также возможны другие распределения.

Для узла с ровно одним исходящим объемным расходом с разными температурами и ровно одним входящим объемным расходом, предпочтительно, предполагается, что температура t_m и массовый расход m_m смешанной воды выходящего объемного расхода связаны следующим уравнением с температурой t_k и массой расхода m_k более холодного потока или температурой t_w и массовым расходом m_w более теплого потока:

где:

t_m=температура смешанной воды (°C)

t_k=температура холодной воды (°C)

t_w=температура теплой воды (°C)

m_m= масса/объем (расход) смешанной воды (кг; м³; кг/час; м³/час или%)

m_k= масса/объем (расход) холодной воды (кг; м³; кг/час; м³/час или%)

m_w= масса/объем (расход) теплой воды (кг; м³; кг/час; м³/час или%)

Для определения изменения температуры воды между начальной и конечной областью отдельного участка, наряду с длиной отдельного участка, предпочтительно, могут использоваться следующие параметры.

T_Luft=температура окружающего воздуха (°C)

K_r=коэффициент теплопередачи трубопровода (Вт/(м*К))

m_M=массовый расход воды в отдельном участке (кг/с)

C_p.m=удельная теплоемкость воды (Дж/(кг*К))

V_M=объемный расход воды в отдельном участке (м³/с)

P_M=плотность воды (кг/м³)

Предпочтительно, изменение температуры воды между начальной областью и конечной областью может быть определено для каждого отдельного участка циркуляционной системы во время стационарного объемного расхода, при этом температура воды в конечной области заданного отдельного участка выбирается равной температура воды в начальной области отдельного участка, к которому заданный отдельный участок присоединен в направлении потока циркулирующей воды. Следовательно, для каждого отдельного участка циркуляционной системы можно определить температуру воды в конечной области соответствующего отдельного участка, исходя из температуры в начальной области.

Предпочтительно, начиная с температуры в выпускном порте во время стационарного объемного расхода, можно определить температуру циркулирующей воды для каждого отдельного участка, то есть также возможно определить значение T_a температуры воды в выходном порте как начальную температуру отдельного участка, примыкающего к выходному порту, так, что температура воды представляет собой T_ME<T_soll для концевых областей всех отдельных участков.

В дополнительном варианте осуществления изобретения предлагается, чтобы значения T_a и V_z определялись в итерационной процедуре аппроксимации, при этом температура T_ME воды в конечной области вычисляется для каждого заданного отдельного участка, начиная с начального значения температуры T_MA*<T_soll и начального значения объемного расхода V_z* для первого отдельного участка, соединенного к выходному порту, причем температура воды T_MA' в начальной области следующего соединенного отдельного участка выбирается равной температуре T_ME воды в конечной области заданного отдельного участка.

В другом варианте осуществления изобретения предлагается, чтобы отдельные участки были спроектированы равномерно в осевом направлении с учетом их теплового взаимодействия с окружающей средой по длине между их начальной областью и их концевой областью, то есть они не изменяются в осевом направлении. Это позволяет упростить вычисления.

В другом варианте осуществления изобретения предлагается, чтобы температура T_ME воды концевой области, по меньшей мере, одного отдельного участка длиной L определялась посредством формулы:

= *

= =

где:

L= длина (m) равномерного отдельного участка (T_S1)

T_MA= температура воды в начальной области (°C)

T_ME= температура воды в конечной области (°C)

T_Luft=температура окружающего воздуха (°C)

k_R=коэффициент теплопередачи трубопровода (Вт/(v*К))

m_M=массовый расход воды в отдельном участке (кг/с)

C_p.m=удельная теплоемкость воды (Дж/(кг*К))

V_M=объемный расход воды в отдельном участке (м³/с)

P_M=плотность воды (кг/м³)

Эта формула позволяет хорошо аппроксимировать изменение температуры для равномерных отдельных участков.

В другом варианте осуществления изобретения, предлагается, что коэффициент теплопередачи отдельных участков определяется по формуле:

где:

= сопротивление теплопередачи трубопровода (м*K/Вт)

= коэффициент теплопередачи внутрь (Вт/(м²*K))

= тепловое сопротивление (м*K/Вт)

= коэффициент теплопередачи наружу (Вт/(м²*K))

= внешний диаметр (м)

= внутренний диаметр (м)

и

Далее уравнения 1-4 должны использоваться для определения изменений температуры и притока тепла в воде из-за разницы температур по сравнению с окружающей средой.

Для этого, уравнение 1 для теплового сопротивления вставляется в уравнение 2 и, таким образом, определяется сопротивление теплопередаче. Коэффициент теплопередачи (уравнение 3) рассчитывается с использованием обратной величины уравнения 2.

Тепловое сопротивление трубопровода, включая изоляцию

= · Уравнение 1, см. VDI 2055, 2008

Сопротивление тепловому переходу изолированного трубопровода

Уравнение 2, см. VDI 2055, 2008

·

Коэффициент теплопередачи UR изолированного трубопровода

U_R= Уравнение 3

Коэффициент теплопередачи является центральным компонентом уравнения 4 для расчета температуры в конце отдельного участка.

С помощью уравнения 4 находятся соответствующие начальная и конечная температуры холодной воды для всех соответствующих отдельных участков. Вывод формулы для осевого нагрева воды в трубопроводе начинается с уравнения 5:

Уравнение 4

Уравнение 5, см. VDI 2055, 2008

вставить и затем объединить.

При итерационном расчете с постепенным/ступенчатым увеличением объемного расхода, ищется тот объемный расход, который обеспечивает работу установки холодной воды с желаемым/заданным разбросом, например, 5 K (15°C/20°C).

С помощью этого решения, возможно, определить не только объемный расход циркуляционной системы, что является основным фактором, но также и температуру воды в любой заданной точке конкретной трубопроводной сети.

Предпочтительно, метод итерационной аппроксимации был известным поиском целевого значения Excel; см. Excel и VBA: введение в практическое применение в естественных науках, Франц Йозеф Мехр, Мария Тереза Мехр, Висбаден 2015, раздел 8.1.

Согласно изобретению, ключевые данные трубопроводной системы, включая указанные выше параметры отдельных участков, вводятся в программу, и поиск целевого значения используется для определения объемного расхода V_z, при котором достигается заданная температура T_b питьевой воды; например, следующим образом:

3.1.1. Значения материала, вода

№ Обозначение Величина/ MT Единицы MT1 Температура питьевой воды на входе после выходного порта 15,0°C MT2 Целевая температура питьевой воды 20,0°C MT3 Плотность воды при 17,5°C 998,8 кг/м³ MT4 Объемный расход V_z 0,022 м³/ч MT5 Удельная теплоемкость 1,163 Вт-ч/(кг*K)

3.1.2 Коэффициенты теплопередачи

№ Обозначение W (Вт/(м²*K)) Wi Коэффициенты теплопередачи наружу α_a 5 Wa Коэффициенты теплопередачи внутрь α_i 0

3.1.3 Температура окружающей среды

№ Обозначение Температура UT t_Luft в °C UT1 Котельная UT2 Ход в подвальном помещении UT3 Шахта UT4 Подвесной потолок прихожей UT5 Передняя стенка ванной комнаты UT6 Обратная шахта

3.1.4 Изоляция

№ Материал Thermal conductivity coefficient DA λ_DA в Вт/(м*K) DA1 Rockwool с ПВХ Котельная 0,035 DA2 Rockwool облицованный алюминием Ход в подвальном помещении 0,035 DA3 Rockwool облицованный алюминием Стояк 0,035 DA4 Rockwool облицованный алюминием Потолок прихожей 0,035 DA5 Flex EL-Conel 24×18 Передняя стенка ванной комнаты 0,032 DA6 с 9 мм изоляцией в полу Пол ванной комнаты 0,04

3.1.5 Материалы трубопроводов

№ Обозначение Номинальная толщина Толщина стены Коэффициент теплопроводности DA мм мм λ_R в Вт/(м*K) R1 Viega Raxofix 16×2,2 2,2 0,4 R2 Viega Raxofix 20×2,8 2,8 0,4 R3 Viega Raxofix 25×2,7 2,7 0,4 R4 Viega Raxofix 32×3,2 3,2 0,4 R5 Viega Raxofix с изоляцией 16×2,2 2,2 0,35 R6 Viega Raxofix с изоляцией 20×2,8 2,8 0,35 R7 Viega Raxofix с изоляцией 25×2,7 2,7 0,35 R8 Viega Raxofix с изоляцией 32×3,2 3,2 0,35 R9 Viega Sanpress 15×1,0 1 23 R10 Viega Sanpress 18×1,0 1 23 R11 Viega Sanpress 22×1,2 1,2 23 R12 Viega Sanpress 28×1,2 1,2 23 R13 Viega Sanpress 35×1,5 1,5 23 R14 Viega Sanpress 42×1,5 1,5 23 R15 Viega Sanpress 54×1,5 1,5 23 R16 Viega Sanpress 64×2 2 23

В этом примере, расчетный объемный расход V_z, для которого целевая температура T_b, равная 20°С, достигается для входной температуры T_a от 15°C, указывается в строке MT4.

В дополнительном варианте осуществления изобретения предполагается, что циркуляционный насос интегрирован в циркуляционную систему, чтобы желаемый объемный расход мог быть установлен.

Конечно, также может быть предусмотрено несколько охлаждающих устройств и/или циркуляционных насосов.

Далее будут описаны варианты осуществления со структурами трубопроводов, которые обычно используются для установок питьевого водоснабжения в зданиях.

Линия подключения представляет собой линию между линией подачи и установкой питьевой воды или циркуляционной системой.

Линия потребителя представляет собой линию, которая принимает воду из основного запорного клапана к узлам точек ответвления и, возможно, к приборам. Коллективная питающая линия представляет собой горизонтальную линию потребления между главным запорным клапаном и стояком. Стояк (отводящий стояк) ведет от одного этажа к другому, и от него отходят линии этажа здания или отдельные линии подачи. Линия этажа здания представляет собой линию, отходящую от стояка (отводящего стояка) внутри этажа здания, и от нее отходят отдельные линии подачи. Отдельная линия подачи представляет собой линию, ведущую к точке ответвления.

В одном варианте осуществления изобретения, предполагается, что, по меньшей мере, один подающий трубопровод соединен, по меньшей мере, с одной обводной линией.

В другом варианте осуществления изобретения, предполагается, что, по меньшей мере, одна ветвь циркуляционного трубопровода отходит, по меньшей мере, от одного подающего трубопровода.

В другом варианте осуществления изобретения, предполагается, что, по меньшей мере, одна ветвь, по меньшей мере, одного циркуляционного трубопровода отходит, по меньшей мере, от одной обводной линии.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, предполагается, что, по меньшей мере, один подающий трубопровод содержит, по меньшей мере, одну линию стояка и/или линию этажа здания.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, предполагается, что, по меньшей мере, один подающий трубопровод содержит общую питающую линию, которая соединена точкой разветвления с сетью водоснабжения.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, предполагается, что точка разветвления соединена, по меньшей мере, к одной соединительной линии и/или, по меньшей мере, к одной линии потребителя.

В дополнительном варианте осуществления изобретения предполагается, что, по меньшей мере, один статический или динамический делитель потока расположен, по меньшей мере, в одном подающем трубопроводе и/или, по меньшей мере, в одной обводной линии, посредством которого, предпочтительно, соединена одна точка ответвления для воды. Предпочтительно, выполняется процентное распределение объемных расходов 95% на выходе и 5% при прохождении.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, предполагается, что используется охлаждающее устройство для охлаждения циркулирующей воды для передачи тепловой энергии от циркулирующей воды другому потоку материала, предпочтительно, посредством теплопередачи, что может обеспечить оптимизацию процесса охлаждения за счет подходящего выбора потока другого материала, такого как пропан, и уменьшения энергии, необходимой для работы охлаждающего устройства.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, предполагается, что охлаждающее устройство термически связано с генератором холода, предпочтительно, тепловым насосом, водяным охладителем или сетью подачи холода, что аналогичным образом может обеспечить уменьшение энергии, необходимой для процесса охлаждения.

В другом варианте осуществления изобретения, предполагается определять потребительскую характеристику циркуляционного насоса в зависимости от подаваемого объемного расхода циркуляционного насоса и определять потребительскую характеристику охлаждающего устройства в зависимости от температуры воды в выходном порте, и регулировать объемный расход V_z и температуру T_a воды в выходном порте таким образом, чтобы потребляемая мощность циркуляционного насоса и охлаждающего устройства принимала относительное или абсолютное минимальное значение, тем самым, повышая энергоэффективность способа.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, намеренно предполагается, что значение 20°C +/- 5°C выбирается для температуры T_soll и значение 15°C +/- 5°C выбирается для температуры T_a воды в выходном порте.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, предполагается, что, по меньшей мере, один отдельный участок трубопроводной системы спроектирован как внешний циркуляционный трубопровод, поскольку внешние циркуляционные трубопроводы обычно устанавливаются, в частности, в уже существующих циркуляционных системах.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, предполагается, что, по меньшей мере, один отдельный участок спроектирован как внутренний циркуляционный трубопровод, поскольку они часто устанавливаются в более новых или новых циркуляционных системах.

Дополнительные преимущества будут очевидны из следующего описания чертежей.

На чертежах показаны примеры осуществления в спецификации. Чертеж, спецификация, и формула изобретения содержат множество признаков в сочетании. Квалифицированный специалист также рассмотрит признаки индивидуально и объединит их в дополнительные значимые комбинации.

Показаны в качестве примера:

Фиг.1: схематичное изображение циркуляционной системы согласно изобретению;

Фиг.2: дополнительный вариант осуществления циркуляционной системы согласно изобретению;

Фиг.3: дополнительный вариант осуществления циркуляционной системы согласно изобретению, в которой предусмотрен дополнительный теплообменник;

Фиг.4: дополнительный вариант осуществления циркуляционной системы согласно изобретению;

Фиг.5: дополнительный вариант осуществления циркуляционной системы согласно изобретению;

Фиг.6: дополнительный вариант осуществления циркуляционной системы согласно изобретению;

Фиг.7: дополнительный вариант осуществления циркуляционной системы согласно изобретению;

Фиг.8: дополнительный вариант осуществления циркуляционной системы согласно изобретению.

Циркуляционные системы, представленные на фигурах 1-8, являются просто примерами, изобретение не ограничивается этими системами. Во всех показанных системах, точно два объемных расхода входят в узел, и один объемный расход отходит от него, или точно один объемный расход входит и точно два объемных расхода отходят от него, например, в виде тройника. Однако, изобретение не ограничено системами с такими узлами. По сути, все линии, представленные между узлами, и между узлами и входным портом, а также узлами и выходным портом, могут состоять из одного или нескольких отдельных участков, как определено выше.

Аналогичные компоненты имеют одинаковые ссылочные позиции.

В циркуляционной системе, представленной на фиг.1, один узел K1 соединен через подающий трубопровод 4a с выходным портом 12b охлаждающего устройства 12. Охлаждающее устройство 12 имеет соединения со стороны охлаждения и охлаждающий насос 13.

В узле K1 предусмотрена точка разветвления к коллективной линии 4, соединительной линии к разветвлению 1 в сети водоснабжения, и к потребительской линии 3, причем последняя и соединительная линия не являются частью циркуляционной системы. Следовательно, в узле K1 не происходит пропорционального распределения объемного расхода.

Общая питающая линия 4 соединена со стояком 5, который входит в узел К2. Узел K2 разветвляется на линию 6 этажа здания и стояк 5, который входит в узел K3, и в котором происходит ответвление к линии 6 этажа здания и стояку 5, который соединен с линией 6 этажа здания, которая входит в узел K4. Узел K2 соединен линией 6 этажа здания с узлом K6. Узел K3 соединен линией 6 этажа здания с узлом K5.

Два отдельных участка TS1 и TS2, явно отличающиеся как таковые, соединены через узел K4, при этом TS1 представляет собой отдельный участок линии 6 этажа здания, а TS2 представляет собой циркуляционный трубопровод.

Кроме того, в узле K4 происходит разветвление через единую линию 7 подачи к точке 9 ответвления. Для упрощения предмета, отдельные линии подачи и точки ответвления, соединенные к узлам K2 и K3, не имеют ссылочных номеров. Поскольку циркуляционная система согласно изобретению используется для осуществления способа согласно изобретению в состоянии, в котором не происходит удаления воды, узлы, которые согласованы с точками ответвления, не рассматриваются ниже и, соответственно, на чертежах не указаны ссылочными номерами, за исключением узла К4.

Отдельный участок TS2 соединен с вертикальным циркуляционным трубопроводом 10a, который входит в узел K5. Узел K5 соединен с циркуляционным трубопроводом 10a, который входит в узел K6. Узел K6 соединен с вертикальным циркуляционным трубопроводом 10a, который соединен с горизонтальным циркуляционным трубопроводом 10a, который, в свою очередь, соединен через вертикальный циркуляционный трубопровод с циркуляционным насосом 10b.

Циркуляционная система, представленная на Фиг.2, имеет структуру, аналогичную системе на Фиг.1, но обводные линии предусмотрены в линиях 6 этажа здания, и для упрощения предмета ссылочный номер 8 используется только для самой верхней обводной линии, представленной на Фиг.2. Обводная линия 8 согласована с возможным делителем 8а потока. Обводные линии согласованы с узлами K21-K32. Понятно, что такие системы, в которых присутствует только одна обводная линия, также охватываются изобретением.

Фиг.3 показывает другую систему с узлами K31-K34, но здесь циркуляционные трубопроводы 10a, входящие в узлы K34 и K35, проходят параллельно линиям 6 этажа здания, отходящим от узлов K32 и K33.

Кроме того, возможное децентрализованное охлаждающее устройство 14 с входным портом 14a и выходным портом 14b расположено на линии 6 самого верхнего этажа здания, в то время как для упрощения представления существующие точки разветвления контура холодной стороны и соответствующего насоса не показаны.

Точно так же, дополнительные децентрализованные охлаждающие устройства могут быть размещены на других этажах здания.

В другом варианте осуществления, аналогичном показанному на фиг.3, теплообменник 12 может отсутствовать; в этом случае необходимо одно охлаждающее устройство 14 или несколько охлаждающих устройств 14.

Подобно варианту осуществления на фиг.3, охлаждающие устройства могут быть предусмотрены в стояках 5 и линии этажа здания в вариантах осуществления на фигурах 1, 2 и 4-8.

Фиг.4 показывает систему с узлами K41-K51, как на фиг.3, но обводные линии 8 предусмотрены в линиях этажей здания.

Фиг.5 показывает систему с узлами K51-K55, в которой циркуляционные трубопроводы 10 проходят параллельно стоякам 5, соединенным с узлами K52, K53.

Фиг.6 показывает систему с узлами K61-K69b, где между узлами K63, K64, K66, K67 и K68, K69 предусмотрены обводные линии.

Фиг.7 показывает систему с узлами K71-K75, где стояки 5 соединены с узлами K72 и K73.

Фиг.8 показывает систему с узлами K81-K89b, аналогичную фиг.7, но с обводными линиями, расположенными между узлами K89a, K89b, K88, K89 и K84 и K85.

Варианты осуществления, представленные на чертежах без ссылок под фигурами 1, 3, 5, 7, также могут обеспечивать циркуляцию только отдельных областей. Таким образом, отдельные участки могут также представлять установки, например, в жилых помещениях, которым не разрешается циркулировать вместе из-за различных требований (учета потребления воды). Здесь возможен обмен воды для поддержания желаемой температуры с помощью автоматической промывки.

Способ согласно изобретению реализуется в системах на фигурах 1-8 описанным выше образом: начиная с начального значения температуры T_MA*<T_soll и начального значения объемного расхода V_z* для первого отдельного участка, соединенного к выходному порту (12b), при этом изменение температуры воды между начальной областью и конечной областью определяется в соответствии с моделью изменения температуры.

Кроме того, изменение температуры воды между начальной областью и конечной областью для каждого последующего данного отдельного участка определяется в соответствии с моделью изменения температуры при граничном условии, что температура воды в начальной области заданного отдельного участка равна температуре воды в концевой области отдельного участка, к которому заданный отдельный участок присоединен.

Предпочтительно, использовать описанную выше модель осевого изменения температуры, согласно которой температура T_ME воды в конечной области отдельного участка длиной L рассчитывается по формуле:

= *

= =

Значение T_a температуры воды и значение V_z объемного расхода в выходном порте 12b выбираются таким образом, чтобы в конечной области каждого отдельного участка циркуляционной системы температура воды была T_ME<T_soll, а во входном порте 12а температура воды составляла T_b<T_soll с T_soll-T_b<θ, где θ>0 является заданным значением.

Понятно, что циркуляционный насос 10b не всегда работает с постоянным объемным расходом, то есть независимо от того, имеет ли температура на входе порта 12а точно заданное значение или даже ниже его.

Если температура на входе порта 12a по разным причинам должна составлять 17°C, например, при максимуме 20°C, объемный расход циркуляционного насоса 10b может быть уменьшен. Это может быть выполнено автоматически, например, при регулировании температуры. В результате будет достигнута экономия энергии.

Аналогичным образом, в таком случае объемный расход насоса 13 может быть уменьшен за счет регулирования температуры.

Если температура на входе порта по разным причинам должна составлять, например, 17°C (при, например, максимуме 20°C), температура подачи в холодильном контуре аналогичным образом может быть отрегулирована. В результате будет достигнута экономия энергии.

Список ссылочных позиций

1 Соединение с сетью водоснабжения

2 Соединительная линия

3 Линия потребителя

4 Коллективная линия подачи

5 Стояк (сливной трубопровод)

6 Линия этажа здания

7 Отдельная линия подачи

8 Обводная линия

8а Статическое или динамическое разделение потока

9 Точка ответвления

10 Циркуляционная система

10а Циркуляционный трубопровод

10b Циркуляционный насос

12 Охлаждающее устройство

12а Входной порт

12b Выходной порт

14 Теплообменник

14а Входной порт

14b Выходной порт

Группа изобретений относится к системам водоснабжения. Устанавливают температуру воды в выходном порте на значение T_a посредством охлаждающего устройства. Устанавливают объемный расход во входном порте на значение V_z. Определяют, в частности рассчитывают, изменение температуры воды между начальной областью и конечной областью согласно модели осевого изменения температуры для первого отдельного участка, соединенного к выходному порту, начиная с начального значения температуры T_MA*<T_soll и начального значения объемного расхода V_z*. Определяют, в частности рассчитывают, изменение температуры воды между начальной областью и конечной областью для каждого дополнительного заданного отдельного участка согласно модели изменения температуры при граничном условии, что температура воды в начальной области заданного отдельного участка равна температуре воды в конечной области отдельного участка, к которому заданный отдельный участок присоединен. Выбирают значение T_a температуры воды и значение V_z объемного расхода в выходном порте таким образом, чтобы в конечной области каждого отдельного участка температура воды была T_ME<T_soll, а во входном порте температура воды была установлена на T_b<T_soll с T_soll-T_b<θ, где θ>0 является заданным значением. Повышается энергоэффективность работы системы. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1. Способ работы циркуляционной системы (10), имеющей охлаждающее устройство (12, 14) с входным портом (12а, 14а) и выходным портом (12b, 14b) для охлаждения воды и имеющей трубопроводную систему с множеством ответвлений, содержащих один или несколько отдельных участков с заданным тепловым взаимодействием с окружающей средой и соединенных посредством узлов, при этом одна или несколько линий трубопроводной системы сконфигурированы как подающий трубопровод (4, 5, 6), по меньшей мере одна в качестве единой подающей линии (7), соединенной с точкой (9) ответвления, и по меньшей мере одна линия сконфигурирована в качестве циркуляционного трубопровода (10a), соединенного к подающему трубопроводу или трубопроводам (4, 5, 6), с этапами, при которых: устанавливают температуру воды в выходном порте (12b, 14b) на значение T_a посредством охлаждающего устройства (12, 14), устанавливают объемный расход во входном порте (12a) на значение V_z, отличающийся следующими этапами, при которых: определяют, в частности рассчитывают, изменение температуры воды между начальной областью и конечной областью согласно модели осевого изменения температуры для первого отдельного участка, соединенного к выходному порту (12b, 14b), начиная с начального значения температуры T_MA*<T_soll и начального значения объемного расхода V_z*, определяют, в частности рассчитывают, изменение температуры воды между начальной областью и конечной областью для каждого дополнительного заданного отдельного участка согласно модели изменения температуры при граничном условии, что температура воды в начальной области заданного отдельного участка равна температуре воды в конечной области отдельного участка, к которому заданный отдельный участок присоединен, и выбирают значение T_a температуры воды и значение V_z объемного расхода в выходном порте (12b, 14b) таким образом, чтобы в конечной области каждого отдельного участка температура воды была T_ME<T_soll, а во входном порте (12a, 14а) температура воды была установлена на T_b<T_soll с T_soll-T_b<ϴ, где ϴ>0 является заданным значением.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значения T_a и V_z определяют в итерационной процедуре аппроксимации, при этом изменение температуры воды между начальной областью и конечной областью вычисляется исходя из начального значения температуры T_MA*<T_soll и начального значения объемного расхода V_z* для первого отдельного участка, соединенного с выпускным портом (12b, 14b), для каждого дополнительного заданного отдельного участка при граничном условии, что температура воды в начальной области заданного отдельного участка равна температура воды в конечной области отдельного участка, к которому заданный отдельный участок присоединен.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что отдельные участки спроектированы равномерно в отношении их теплового взаимодействия с окружающей средой по длине между их начальной областью и их конечной областью.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что температура T_ME воды в конечной области по меньшей мере одного отдельного участка длиной L определяется посредством формулы

= *

= =

где

= длина равномерного отдельного участка (T_S1) (m)

= температура воды в начальной области (°C)

= температура воды в конечной области (°C)

= температура окружающего воздуха (°C)

= коэффициент теплопередачи трубопровода (Вт/(м*К))

= массовый расход воды в отдельном участке (кг/с)

= удельная теплоемкость воды (Дж/(кг*К))

= объемный расход воды в отдельном участке (м³/с)

= плотность воды (кг/м³).

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что коэффициент теплопередачи отдельных участков определяется по формуле

где

= сопротивление теплопередачи трубопровода (м*K/Вт)

= коэффициент внутренней теплопередачи (Вт/(м²*K))

= тепловое сопротивление (м*K/Вт)

= коэффициент внешней теплопередачи (Вт/(м²*K))

= внешний диаметр (м)

= внутренний диаметр (м)

и

.

6. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что циркуляционный насос (10b) интегрирован в циркуляционную систему (10).

7. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что охлаждающее устройство (12, 14) используется для охлаждения циркулирующей воды посредством передачи тепловой энергии от циркулирующей воды к потоку другого материала, предпочтительно, посредством теплоносителя.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что охлаждающее устройство (12, 14) термически соединено с генератором холода, предпочтительно тепловым насосом, водяным охладителем или сетью холодоснабжения.

9. Способ по одному из пп. 6-8, отличающийся этапами, при которых: определяют потребительскую характеристику циркуляционного насоса (10b) в зависимости от подаваемого объемного расхода циркуляционного насоса (10b); определяют потребительскую характеристику охлаждающего устройства (12, 14) в зависимости от температуры воды в выходном порте (12b, 14b); устанавливают объемный расход V_z и температуру T_a воды в выходном порте (12b, 14b) таким образом, чтобы потребляемая мощность циркуляционного насоса (10b) и охлаждающего устройства (12, 14) принимала относительное или абсолютное минимальное значение.

10. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что для температуры T_soll выбирают значение 20°C +/- 5°C, а для температуры T_a воды выбирают значение 15°C +/- 5°C в выходном порте (12b, 14b).

11. Циркуляционная система, имеющая охлаждающее устройство (12, 14) с входным портом (12a, 14a) и выходным портом (12b, 14b) для охлаждения воды и имеющая трубопроводную систему с множеством ответвлений, содержащих один или несколько отдельных участков с заданным тепловым взаимодействием с окружающей средой и соединенных посредством узлов, при этом для заданного распределения объемных расходов, выходящих из узлов, температура смешанной воды определяется из объемных расходов, выходящих из узлов в зависимости от объемных расходов, входящих в узлы, причем одна или несколько линий трубопроводной системы сконфигурированы как подающий трубопровод (4, 5, 6), по меньшей мере одна линия в качестве единой подающей линии (7), соединенной с точкой (9) ответвления, и по меньшей мере одна линия сконфигурирована в качестве циркуляционного трубопровода (10a), соединенного с подающим трубопроводом или трубопроводами (4, 5, 6), имеющая средство для установки температуры воды в выходном порте (12b, 14b) на значение T_a посредством охлаждающего устройства (12, 14), средство для установки стационарного объемного расхода циркулирующей воды во входном порте (12a, 14a) на значение V_z, отличающаяся средством устройства, предназначенным для определения изменения температуры воды между начальной областью и конечной областью каждого отдельного участка при граничном условии, что температура воды в конечной области заданного отдельного участка выбирается равной температуре воды в начальной области отдельного участка, соединенного с заданным отдельным участком в направлении потока циркулирующей воды, и средством устройства, предназначенным для выбора значения T_a температуры воды и значения V_z объемного расхода в выходном порте (12b, 14b) таким образом, чтобы в конечной области каждого отдельного участка температура воды была T_ME<T_soll, а во входном порте (12a, 14а) температура воды была установлена на T_b<T_soll с T_soll-T_b<ϴ, где ϴ>0 является заданным значением.

12. Циркуляционная система по п. 11, отличающаяся тем, что предусмотрено средство устройства для определения значений T_a и V_z в итерационной процедуре аппроксимации, в которой температура T_ME воды вычисляется для каждого заданного отдельного участка в его конечной области, начиная с начального значения температуры T_MA*<T_soll и начального значения объемного расхода V_z* для первого отдельного участка, соединенного к выходному порту (12b), при этом температура T_MA' воды в начальной области следующего присоединенного отдельного участка выбирается равной температуре T_ME воды в конечной области заданного отдельного участка.

13. Циркуляционная система по пп. 11, 12, отличающаяся тем, что отдельные участки спроектированы равномерно в отношении их теплового взаимодействия с окружающей средой по длине между их начальной областью и их конечной областью.

14. Циркуляционная система по пп. 11-13, отличающаяся тем, что циркуляционный насос (10b) интегрирован в циркуляционную систему (10).

15. Циркуляционная система по одному из пп. 11-14, отличающаяся тем, что по меньшей мере один подающий трубопровод (4, 5, 6) соединен по меньшей мере с одной обводной линией (8).

16. Циркуляционная система по одному из пп. 11-15, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна линия циркуляционного трубопровода (10а) отходит по меньшей мере от одного подающего трубопровода (4, 5, 6).

17. Циркуляционная система по одному из пп. 11-16, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна линия по меньшей мере одного циркуляционного трубопровода (10a) отходит по меньшей мере от одной обводной линии (8).

18. Циркуляционная система по одному из пп. 11-17, отличающаяся тем, что по меньшей мере один подающий трубопровод (4, 5, 6) содержит по меньшей мере один стояк (5) и/или линию (6) этажа здания.

19. Циркуляционная система по одному из пп. 11-18, отличающаяся тем, что по меньшей мере один подающий трубопровод (4, 5, 6) содержит общую питающую линию (4), которая соединена точкой (1) разветвления с сетью водоснабжения.

20. Циркуляционная система по одному из пп. 11-19, отличающаяся тем, что точка (1) разветвления соединена по меньшей мере к одной соединительной линии (2) и/или по меньшей мере к одной линии (3) потребителя.

21. Циркуляционная система по одному из пп. 11-20, отличающаяся тем, что по меньшей мере в одном подающем трубопроводе (4, 5, 6) и/или по меньшей мере в одной обводной линии (8) расположен по меньшей мере один статический или динамический делитель (8а) потока.

22. Циркуляционная система по одному из пп. 11-21, отличающаяся тем, что охлаждающее устройство (12, 14) используется для передачи тепловой энергии от циркулирующей воды к потоку другого материала, предпочтительно посредством теплопередающего агента.

23. Циркуляционная система по п. 22, отличающаяся тем, что охлаждающее устройство (12, 14) термически соединено с генератором холода, предпочтительно тепловым насосом, водяным охладителем или сетью холодоснабжения.

24. Циркуляционная система по п. 23, отличающаяся тем, что по меньшей мере один отдельный участок трубопроводной системы сконструирован в качестве внешнего циркуляционного трубопровода.

25. Циркуляционная система по п. 24, отличающаяся тем, что по меньшей мере один отдельный участок сконструирован в качестве встроенного циркуляционного трубопровода.

26. Циркуляционная система по одному из пп. 11-25, отличающаяся тем, что охлаждающее устройство (12) соединено своим выходным портом (12b) с подающим трубопроводом (4а) и своим впускным портом (12а) с вертикальным циркуляционным трубопроводом.

27. Циркуляционная система по одному из пп. 11-26, отличающаяся тем, что охлаждающее устройство (14) интегрировано в линию (5) стояка и/или линию (6) этажа здания.