Geschlossene, hydraulische Rohrnetzstruktur für ein Heizungs- oder Kühlsystem

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine geschlossene, hydraulische Rohrnetzstruktur (1) für ein Heizungs- oder Kühlsystem mit zumindest einer zentralen Pumpe (2), mit der ein Fördermedium in einen zentralen Vorlaufstrang (3) förderbar ist. Von dem Vorlaufstrang (3) gehen mehrere Verbraucherstränge (6, 7, 8, 9) zu jeweils einem Verbraucher ab, in denen jeweils eine dezentrale Pumpe (12) angeordnet ist. Die Verbraucherstränge (6, 7, 8, 9) münden in eine gemeinsame Sammelleitung münden, die in einen zentralen Rücklaufstrang (4) übergeht, der mit der zentralen Pumpe (2) verbunden ist. Parallel zu dem zur zentralen Pumpe nächstliegenden Verbraucherstrang (9) und parallel zu dem entferntesten Verbraucherstrang (8) liegt quer zum Vorlaufstrang (3) und der Sammelleitung (5) jeweils eine Bypassleitung (10). Zusätzlich liegt wenigstens zu einem weiteren Verbraucherstrang (7) zwischen dem nächstliegenden und dem entferntesten Verbraucherstrang (8, 9) eine parallele Bypassleitung (10).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine geschlossene, hydraulische Rohrnetzstruktur für ein Heizungs- oder Kühlsystem mit einer zentralen Pumpe, mit der ein Fördermedium in einen zentralen Vorlaufstrang förderbar ist, von dem mehrere Verbraucherstränge zu jeweils einem Verbraucher abgehen, in denen jeweils eine dezentrale Pumpe angeordnet ist und die in eine gemeinsame Sammelleitung münden, wobei die Sammelleitung in einen zentralen Rücklaufstrang übergeht, der mit der zentralen Pumpe verbunden ist, und wobei parallel zu dem zur zentralen Pumpe nächstliegenden Verbraucherstrang und entferntesten Verbraucherstrang quer zum Vorlaufstrang und der Sammelleitung jeweils eine Bypassleitung liegt.

[0002] Eine derartige Rohrnetzstruktur ist aus der internationalen Patentanmeldung PCT/GR2006/00051 bekannt. Nach dem allgemeinen Stand der Technik werden in Heizungs- und Kühlungsanlagen geschlossenen hydraulische Netze benutzt, um die entsprechenden Wärme- bzw. Kältetransport zu gewährleisten. Das Wärmetransportmittel, welches in der Regel Wasser ist, zirkuliert in einem solchen hydraulischen Netz. Diese Zirkulation wird durch Pumpen bewirkt, wobei der Druckverlust im Rohrnetz durch die Pumpenförderhöhe kompensiert wird.

[0003] Es sind verschiedene Netzstrukturen bekannt, von denen beispielhaft vier verschiedene Strukturen in den Figuren 1 bis 4 dargestellt sind. Bei jeder Netzstruktur gehen von einem zentralen Vorlaufstrang mehrere Verbraucherstränge zu jeweils einem oder mehreren Verbrauchern ab, wobei in jedem Verbraucherstrang eine den Volumenstrom durch diesen Strang regulierende Anordnung integriert ist-Eine solche Anordnung kann beispielsweise ein Stellventil oder eine drehzahlgeregelte Pumpe sein. Dies sind die grundlegenden Netzstrukturen, wobei natürlich noch weitere Varianten existieren. Solche Varianten können Zwei-, Drei- oder Vierwegeventile, sowie auch mehrere dezentrale Pumpen enthalten.

[0004] Die Rohrnetzstruktur 1 in Figur 1 ist die am häufigsten verwendete Form. Sie umfasst mindestens eine zentrale Pumpe 2, mit der ein Fördermedium in einen zentralen Vorlaufstrang 3 förderbar ist, von dem mehrere Verbraucherstränge 6 zu jeweils einem nicht dargestellten Verbraucher abgehen. In jedem Verbraucherstrang ist ein Stellventil 13 angeordnet, das den jeweiligen Volumenstrom zum Verbraucher einstellt oder regelt. Die Verbraucherstränge 6 münden alle in einen zentralen Rücklaufstrang 4, der mit der zentralen Pumpe 2 verbunden ist. Die Dreiecke in der Figur sowie in den weiteren Figuren zeigen die Flussrichtung des Fördermediums an.

[0005] In der Rohrnetzstruktur nach Figur 2 sind die Stellventile 13 durch dezentrale Pumpen 12 ersetzt, die den Volumenstrom zum Verbraucher einstellen bzw. regeln. Zusätzlich ist in jedem Strang eine Schwerkraftbremse 11 integriert, damit das Fördermedium bei einer deaktivierten dezentralen Pumpe 12 nicht in die entgegensetzte Richtung fließt. Da diese Pumpen 12 selbst aktiv das Fördermedium antreiben, kann eine zentrale Pumpe entfallen. Um eine Grundzirkulation zu erreichen und damit einen Grunddruck in Strömungsrichtung vor den dezentralen Pumpen 12 zu erreichen, kann jedoch zusätzlich eine zentrale Pumpe 2 vorhanden sein. Dies ist in Figur 3 dargestellt. Zusätzlich können auch mehrere zentrale Pumpen 2 verwendet werden. Bei der Verwendung einer oder mehrerer zentraler Pumpen 2 ist es dann notwendig, dass eine Bypassleitung 10 zwischen Vorlaufleitung 3 und Rücklaufleitung 4 liegt, durch die das Fördermedium zirkulieren kann, wenn die dezentralen Pumpen 12 ausgeschaltet sind oder nur gering fördern. Diese Bypassleitung 10 ist am -von der zentralen Pumpe 2 aus gesehenentferntesten Ende des Vorlaufstranges 3 zum Rücklaufstrang 4 vorzusehen. Bei der Netzstruktur 1 gemäß Figur 3 handelt es sich um einen verlustarmen Verteilter, der eine hydraulische Abtrennung zwischen den einzelnen Verbrauchern schafft.

[0006] Figur 4 zeigt eine weitere grundlegende Rohrnetzstruktur 1 für ein Heizungs- oder Kühlsystem, die als "reverse-return" oder auch als Tichelmann-Struktur bekannt ist. Sie umfasst in diesem Beispiel eine zentrale Pumpe 2, mit der das Fördermedium in einen zentralen Vorlaufstrang 3 gefördert wird. Von diesem gehen mehrere Verbraucherstränge 6, 8 zu jeweils einem nicht dargestellten Verbraucher ab, in denen jeweils ein Stellventil 13 zur Einstellung oder Regelung des Förderstroms zu dem entsprechenden Verbraucher angeordnet ist. Die einzelnen Verbraucherstränge 6, 8 münden in eine gemeinsame Sammelleitung 5, die in den zentralen Rücklaufstrang 4 übergeht. Dies erfolgt, aus Sicht der zentralen Pumpe 2, am letzten Verbraucherstrang 8. Der Rücklaufstrang 4 ist mit der Saugseite der zentralen Pumpe 2 verbunden.

[0007] Der wesentliche Vorteil und entscheidende Unterschied dieser Netzstruktur 1 gegenüber den Strukturen 1 in den Figuren 1 bis 3 besteht darin, dass die Verbraucherstränge 6, 8 alle dieselbe hydraulische Länge besitzen, d.h. alle möglichen Kreisläufe von der zentralen Pumpe 2 über einen Verbraucherstrang 6, 8 und durch den Rücklaufstrang 4 zurück zur zentralen Pumpe 2 alle gleich lang sind. Bei der konventionellen Rohrnetzstruktur nach den Figuren 1 bis 3 besitzt hingegen jeder Kreislauf von der zentralen Pumpe 2 über einen Verbraucherstrang 6 und durch den Rücklaufstrang 4 zurück zur zentralen Pumpe 2 eine andere Länge, die umso größer ist, je weiter der entsprechende Verbraucherstrang 6 von der zentralen Pumpe 2, respektive von der zentralen Heizungseinheit mit Brenner entfernt ist. Bei dieser Netzstruktur kann es vorkommen, dass naheliegende Verbraucher überversorgt und entfernt liegende Verbraucher unterversorgt werden. Dies wird bei der Netzstruktur nach Figur 4 aufgrund der gleichen Verbraucherstranglängen vermieden. Das gleiche gilt für die Netzstruktur in Figur 5, in der die Stellventile 13 und die zentrale Pumpe 2 durch dezentrale Pumpen 12 in den Verbrauchersträngen 6, 8 ersetzt sind.

[0008] Bei allen vorgenannten Rohrnetzstrukturen ergeben sich Interferenzphänomene, die sich als Volumenstromänderungen im Netz bemerkbar machen. Dies bedeutet, dass sich die Stellventile oder dezentralen Pumpen aufgrund ihrer autonomen Regelung des Volumenstroms in einem Verbraucherstrang zumindest geringfügig gegenseitig beeinflussen, da ein Erhöhen des Volumenstroms in einem Strang zu einer Volumenstromverringerung in den anderen Verbrauchersträngen führt und eine Verringerung des Volumenstroms in einem Strang zu einer Volumenstromerhöhung in den anderen Verbrauchersträngen führt. Dies hat zur Folge, dass alle anderen Stellventile oder dezentrale Pumpen nachregeln müssen. Insbesondere ergeben sich Interferenzen aber dann, wenn ein Stellglied oder eine dezentrale Pumpe aktuell einen Regelungsvorgang durchführt, um den Volumenstrom und damit die Wärmeleistung oder Kälteleistung des von ihm versorgten Verbrauchers einstellt, und gleichzeitig kleinere oder auch größere Volumenstromänderungen bei Stellgliedern oder dezentralen Pumpen anderer Verbraucher bzw. Verbraucherstränge vorkommen.

[0009] Das Thema der Interferenz in Rohrnetzen ist sehr bedeutend und kritisch für den normalen und effizienten Betrieb einer Heizungsanlage oder Kühlanlage, und kann zu Funktionsstörungen und zu einer großen Energieverschwendung im Rohrnetz führen, wie der Stand der Technik z.B. in "Total Hydronic Balancing" von Robert Petitjean oder "Hydraulik der Wasserheizung" von H. Roos lehren.

[0010] Ein verbessertes Rohrnetz der Tichelmann-Struktur, das auch als Dreirohrsystem bezeichnet werden kann, ist in der internationalen Patentanmeldung PCT/GR2006/00051 des Erfinders beschrieben und in Figur 6 dargestellt. Es sieht vor, die einzelnen Verbraucherstränge dadurch stärker voneinander zu entkoppeln, dass Bypassleitungen parallel zum ersten und zum letzten Verbraucherstrang angeordnet werden. Hierdurch wird das hydraulische Verhalten im Rohrnetz deutlich verbessert und stabilisiert, wobei die Interferenzphänomene erheblich zurücktreten. Dieses neue Dreirohrsystem ist geeignet für kleine, nicht weit ausgedehnte Netze. Erfahrungen zeigen, dass seine Vorteile bei ausgedehnten Netzen hingegen zurück treten, weil die Bypassleitungen zu weit voneinander entfernt sind, als dass sie einen entkoppelnden Einfluss besitzen. Dort sind die Interferenzen trotz Bypassleitungen weiterhin vorhanden.

[0011] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rohrnetz nach der Tichelmann-Struktur weiter zu verbessern und Interferenzphänomene noch stärker zu unterdrücken, so dass auch eine Anwendung bei weit ausgedehnten hydraulischen Netzen effektiv möglich ist.

[0012] Diese Aufgabe wird durch ein Rohrnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben und werden nachfolgend erläutert.

[0013] Erfindungsgemäß wird eine geschlossene, hydraulische Rohrnetzstruktur für ein Heizungs- oder Kühlsystem vorgeschlagen, mit zumindest einer zentralen Pumpe, mit der ein Fördermedium in einen zentralen Vorlaufstrang förderbar ist, von dem mehrere Verbraucherstränge zu jeweils einem Verbraucher abgehen, in denen jeweils eine dezentrale Pumpe angeordnet ist und die in eine gemeinsame Sammelleitung münden, wobei die Sammelleitung in einen zentralen Rücklaufstrang übergeht, der mit der zentralen Pumpe verbunden ist, und wobei parallel zu dem zur zentralen Pumpe nächstliegenden Verbraucherstrang und parallel zu dem entferntesten Verbraucherstrang quer zum Vorlaufstrang und der Sammelleitung jeweils eine Bypassleitung liegt, und zusätzlich wenigstens zu einem weiteren Verbraucherstrang zwischen dem nächstliegenden und dem entferntesten Verbraucherstrang eine parallele Bypassleitung liegt.

[0014] Durch die zumindest eine zusätzliche Bypassleitung zwischen dem -aus Sicht der zentralen Pumpe- nächstliegenden, d.h. ersten, und dem entferntesten, d.h. letzten Verbraucherstrang, werden die Verbraucherstränge insgesamt zusätzlich von einander entkoppelt, so dass Interferenzen weiterhin deutlich verringert werden.

[0015] Vorzugsweise kann zwei benachbarten Verbrauchersträngen zwischen dem nächstliegenden und dem entferntesten Verbraucherstrang eine Bypassleitung zugeordnet sein, die parallel zu diesen liegt. Unter benachbart sind im Sinne der Erfindung zwei Verbraucherstränge zu verstehen, die in Bezug zu ihrem Abstand zur zentralen Pumpe nebeneinander liegen, d.h. dass zwischen den beiden benachbarten Verbrauchersträngen kein weiterer Verbraucherstrang liegt.

[0016] Erfindungsgemäß kann auch mehreren, zu einander benachbarten zwei Verbrauchersträngen jeweils ein Bypass zugeordnet sein, der parallel zu diesen liegt. Noch weiter verringert werden die Interferenzen, wenn zu jedem Verbraucherstrang zwischen dem ersten und dem letzten Verbraucherstrang eine parallele Bypassleitung liegt.

[0017] Vorzugsweise kann in jedem Verbraucherstrang eine Schwerkraftbremse oder ein Elektroventil angeordnet sein, die bzw. das den Rückfluss des Fördermediums verhindert. Die Schwerkraftbremse oder das Elektroventil kann Teil der dezentralen Pumpe des jeweiligen Strangs sein, d.h. direkt in die Pumpe integriert sein.

[0018] Weiterhin von Vorteil ist es, wenn auch in zumindest einem der Bypassleitungen, in zwei oder mehreren oder in allen Bypassleitungen eine Schwerkraftbremse oder ein Elektroventil angeordnet ist.

[0019] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen und den Figuren 7 und 8 näher erläutert.

[0020] Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein erweitertes Dreirohrsystem zur Verfügung zu stellen, bei dem Bypässe nicht nur am Anfang und am Ende des hydraulischen Netzes benutzt werden, wie dies beim Dreirohrsystem gemäß PCT/GR2006/00051 der Fall ist, sondern zusätzlich auch intern im Rohrnetz.

[0021] Figur 7 zeigt eine geschlossene, hydraulische Rohrnetzstruktur 1 für ein Heizungs- oder Kühlsystem mit einer zentralen Pumpe 2, mit der ein Fördermedium in einen zentralen Vorlaufstrang 3 förderbar ist bzw. im Betrieb des Systems gefördert wird. Anstelle einer einzelnen Umwälzpumpe können auch mehrere Pumpen parallel arbeiten und beispielsweise in der Art einer Druckerhöhungsanlage zusammengefasst sein. Von dem Vorlaufstrang 3 gehen mehrere Verbraucherstränge 6, 7, 8, 9 zu jeweils einem nicht dargestellten Verbraucher ab. Die Verbraucherstränge 6, 7, 8, 9 besitzen alle einen unterschiedlichen hydraulischen Abstand zur zentralen Pumpe 2, die beispielsweise im Keller eines Wohnhauses angeordnet sein kann. Der hydraulische Abstand ist durch die hydraulische Weglänge von einem Verbraucher zur zentralen Pumpe 2 bestimmt.

[0022] In jedem Verbraucherstrang 6, 7, 8, 9 ist jeweils eine dezentrale Pumpe 12 angeordnet, die den entsprechenden Verbraucher mit dem Fördermedium versorgt. Die dezentralen Pumpen 12 sind geregelt. Jeder Verbraucherstrang 6, 7, 8 mündet in eine gemeinsame Sammelleitung 5, die in einen zentralen Rücklaufstrang 4 übergeht. Dieser Übergang liegt am Ende des letzten Verbraucherstrangs 8, d.h. desjenigen Verbraucherstrangs 6, 7, 8, 9 der am weitesten entfernt von der zentralen Pumpe 2 liegt. Der Rücklaufstrang 4 ist mit der zentralen Pumpe 2 verbunden, so dass sich ein geschlossenes Rohrnetz 1 ergibt.

[0023] Parallel zu dem zur zentralen Pumpe 2 nächstliegenden Verbraucherstrang 9 und parallel zu dem entferntesten Verbraucherstrang 8 liegt quer zum Vorlaufstrang 3 und der Sammelleitung 5 jeweils eine Bypassleitung 10. Diese überbrücken den ersten und den letzten Verbraucherstrang 8, 9. Zusätzlich ist zu einem weiteren Verbraucherstrang 7 zwischen dem nächstliegenden und dem entferntesten Verbraucherstrang 8, 9, der etwa in der Mitte des hydraulischen Rohrnetzes 1 liegt, eine parallele Bypassleitung 10 vorgesehen, die den besagten weiteren Verbrauchstrang 7 überbrückt. Das verbesserte Dreirohrsystem weist somit zumindest drei Bypässe auf, einen am Anfang, einen am Ende und einen intern im Rohrnetz 1. Innere Bypässe können so viele vorhanden sein, wie es Verbraucher gibt. Die Bypässe bewirken einen Druckausgleich und damit einen Ausgleich des Überschusses an Volumenstrom zwischen den zentralen Strängen.

[0024] Hinter jeder dezentralen Pumpe ist eine Schwerkraftbremse 11 oder ein on/off Elektroventil 11 installiert, die bzw. das den Rücklauf von Fördermedium verhindert.

[0025] Im Betrieb versorgt die zentrale Pumpe 2 den zentralen Vorlaufstrang 3 mit Fördermedium. In entsprechender Weise versorgen die dezentralen Pumpen 12 die entsprechenden Verbraucher gemäß ihrem jeweiligen Wärme- oder Kältebedarf. Jeder Überschuss an Volumenstrom wird von den Bypässen übernommen und durch die Bypassleitungen 10 abgeführt. Die Zahl der benötigten Bypässe hängt von dem Rohrnetz 1 und seiner Ausdehnung ab. Die Wärmeleistungsregelung zu den Verbrauchern findet durch die Drehzahländerung und -regelung an den dezentralen Pumpen 12 statt.

[0026] Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rohrnetzstruktur 1 in schematischer Darstellung. In dieser Rohrnetzstruktur 1 sind fünf Bypassleitungen 10 vorhanden. Zusätzlich zu der Bypassleitung 10 am ersten und am letzten Verbraucherstrang 8, 9 sind drei Bypassleitungen 10 intern im Netz 1 vorhanden, wobei diese jeweils zwei benachbarten Verbrauchersträngen 6, 7 zugeordnet sind und parallel zu diesen liegen.

[0027] Das erfindungsgemäße Dreirohrsystem ist für alle Heizungs- und Kühlsysteme anwendbar, insbesondere bei weit ausgedehnten oder nicht weit ausgedehnten Systemen. Seine Dimensionierungen hinsichtlich des notwendigen Wärme- bzw. Kühlbedarfs der einzelnen Verbraucher kann nach dem allgemeinen Stand der Technik erfolgen.

Ansprüche

1. Geschlossene, hydraulische Rohrnetzstruktur (1) für ein Heizungs- oder Kühlsystem mit zumindest einer zentralen Pumpe (2), mit der ein Fördermedium in einen zentralen Vorlaufstrang (3) förderbar ist, von dem mehrere Verbraucherstränge (6, 7, 8, 9) zu jeweils einem Verbraucher abgehen, in denen jeweils eine dezentrale Pumpe (12) angeordnet ist und die in eine gemeinsame Sammelleitung (5) münden, wobei die Sammelleitung (5) in einen zentralen Rücklaufstrang (4) übergeht, der mit der zentralen Pumpe (2) verbunden ist, und wobei parallel zu dem zur zentralen Pumpe nächstliegenden Verbraucherstrang (9) und parallel zu dem entferntesten Verbraucherstrang ( 8) quer zum Vorlaufstrang (3) und der Sammelleitung (5) jeweils eine Bypassleitung (10) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zu einem weiteren Verbraucherstrang (7) zwischen dem nächstliegenden und dem entferntesten Verbraucherstrang (8, 9) eine parallele Bypassleitung (10) liegt.

2. Rohrnetzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarten Verbrauchersträngen (6, 7) zwischen dem nächstliegenden und dem entferntesten Verbraucherstrang (8, 9) eine Bypassleitung (10) zugeordnet ist, die parallel zu diesen liegt.

3. Rohrnetzstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren, zu einander benachbarten Verbrauchersträngen (6, 7) jeweils eine Bypassleitung (10) zugeordnet ist, die parallel zu diesen liegt.

4. Rohrnetzstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Verbraucherstrang (6, 7) zwischen dem nächstliegenden und dem entferntesten Verbraucherstrang (8, 9) eine parallele Bypassleitung (10) liegt.

5. Rohrnetzstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Verbraucherstrang (6, 7, 8) eine Schwerkraftbremse (11) oder ein Elektroventil (11) angeordnet ist.

6. Rohrnetzstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwerkraftbremse (11) oder das Elektroventil (11) Teil der dezentralen Pumpe (12) des jeweiligen Verbraucherstrangs (6, 7, 8, 9) ist.

7. Rohrnetzstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der Bypassleitungen (10), in zwei oder mehreren oder in allen Bypassleitungen(10) eine Schwerkraftbremse (11) oder ein Elektroventil (11) angeordnet ist.

Zeichnung