JP7393012B2 - 循環システムの操作方法、および循環システム - Google Patents

Description

本発明は、毎回独立請求項の前文の特徴に従って、循環システムを操作するための方法ならびに循環システムに関する。

冷水ネットワークでの微生物増殖を防ぐために、ＤＩＮ ＥＮ ８０６ならびにＶＤＩガイドライン６０２３によれば、建物内の飲料水設備に対して、設備のすべてのラインでの冷水飲料水（ＰＷＣ）の温度を＋２５℃以下の値に常に制限することが必要である。ＤＩＮ ＥＮ ８０６－２、３．６によると、冷水箇所について水温は、タッピングポイントが完全に開いてから３０秒以内に＋２５℃を超えてならない。さらに、水の滞留を防ぐために、冷水設備は、通常の操作条件下で、飲料水が設備のすべてのラインで定期的に補充されるように設計される必要がある。同様に、ＶＤＩガイドライン６０２３には、飲料水の温度を可能な限り＋２５℃未満に保つという推奨事項も含まれている。当然のことながら、水の温度の制限は、工業用プロセス水用の設備など、他の水の設備にも必要であると見なされることが多い。

高いＰＷＣ温度の発生は、次のような様々な状況の単独または複合的な発生によって促進される。
・家庭の接合部においてすでに高いＰＷＣ温度、
・例えば、建物の位置および向き、または建物内の設備の領域による、設備の領域の熱的影響、
・熱を遮断するためのＰＷＣパイプラインの不十分な断熱、
・シャフト、ダクト、吊り天井、熱を発生する媒体（暖房システムのパイプライン、飲料温水（ＰＷＨ）、飲料温水循環システム（ＰＷＨ－Ｃ）、吸気および排気ダクト、ランプなど）を備えた設置壁などの一般的な設置領域で、熱源のある部屋および機器スペース内のＰＷＣパイプラインの設置、
・前述の設置地域における滞留段階、
・大型設置物容積に付随する高度に分岐したＰＷＣ設置、
・過度に大型のＰＷＣパイプライン。

滞留段階で義務付けられた規則を満たすための努力における優先方法は、これまでのところ、これらの段階での所望の操作をシミュレートするための設備の強制洗浄である。
冷温飲料水を提供するために、様々な冷却循環システムが冷水ネットワーク用にすでに提案されてきた。

冷却循環システムは、特許文献１からすでに知られており、水への消毒剤の制御された添加が提案されている。

特許文献２から、蓄熱、循環ポンプ、調整ユニット、および少なくとも２つの分岐を備え、さもなければ未知のパイプネットワーク構造を持つ循環システムを操作する方法が知られている。それぞれが駆動モータによって調整可能なバルブを備えている分岐は、分岐間の各混合点の上流に配置されている温度センサと一致している。駆動モータおよび／または循環ポンプは、データ交換のために無線または有線の方法で調整ユニットに接続されている。調整ユニットは、計測温度の範囲を制限することによって、および／または実際の温度値と目標温度値の差に応じてポンプ出力を調整することによって、熱および水力の均衡、ならびに熱消毒を実行するように設計されている。

特許文献３から、公共の供給ネットワークに接続されている、冷水用の家庭用接合部を備えた建物の飲料水および上水供給の配置が知られている。供給装置は、ポンプを備え、少なくとも１人の消費者につながる少なくとも１つの循環導管を含む。水から熱を抽出する熱交換器が、循環導管内に設けられている。

さらに、特許文献４には、特許文献３で知られている種類の飲料水および上水供給装置が記載されており、熱交換器は、潜熱蓄熱によって形成され、制御目的で制御装置に接続されている、循環導管内に提供される電動洗浄バルブを備える。洗浄バルブは、潜熱蓄熱と家庭用接合部が循環導管に入る点との間に配置され、潜熱蓄熱から下流の流れ方向に位置している。

水を冷却する既知の循環システムは、循環システムの動作中、すべての部分セクションについて、およびすべての時間について、水温が所望の温度を下回った状態であることを保証しないか、または効果的に保証しない。

欧州特許公開第１ ６２６ ０３４号公報 独国特許公開第１０ ２０１４ ０１３ ４６４号公報 独国実用新案第２０ ２０１５ ００７ ２７７Ｕ１号公報 欧州特許公開第３ １５９ ４５７号公報

したがって、本発明が解決することを提案する問題は、水温がすべての部分セクションについて、および循環システムの動作中のすべての時間について所望の温度を下回った状態であることを効果的な方法で保証することである。

この問題は、独立クレームの特徴を備えた本発明に従って解決される。
本発明による方法は、入力ポートおよび出力ポートを備えた、水を冷却するための冷却装置を有し、周囲に所与の熱結合を有し、ノードによって接続されている１つまたは複数の部分セクション（一部の区画）を備える複数の分岐を有するパイプラインシステムを有する循環システムに関し、パイプラインシステムの１つまたは複数のラインが、フローパイプとして構成され、少なくとも１つは単一の供給ラインとしてタッピングポイントに接続され、少なくとも１つのラインは、１つまたは複数のフローパイプに接続された循環導管として構成される。

循環システムを操作するための本発明による方法は、出力ポートに接続された第１の部分セクションの軸方向温度変化のモデルに従って、温度開始値Ｔ_ＭＡ＊＜Ｔ_ｓｏｌｌおよび体積流量開始値Ｖ_ｚ＊から開始して、初期領域と終了領域との間の水の温度変化が決定され、所与の部分セクションの初期領域における水温が、所与の部分セクションが水の流れ方向に接続される部分セクションの終了領域内の水温に等しいという境界条件下で、初期領域と終了領域との間の水の温度変化が、温度変化のモデルに従って、第１の部分セクションに接続されたさらなる各部分セクションについて決定され、循環システムの各部分セクションの終了領域において、水温がＴ_ＭＥ＜Ｔ_ｓｏｌｌであり、入力ポートで、水温がＴ_ｂ＜Ｔ_ｓｏｌｌに設定され、Ｔ_ｓｏｌｌ－Ｔ_ｂ＜θであり、ここで、θ＞０が所与の値であるように、出力ポートでの水温の値Ｔ_ａおよび体積流量の値Ｖ_ｚが、選択されることを特徴とする。

好ましくは、決定するステップは、モデルに従って、部分セクションの周囲からの熱吸収に基づいて、部分セクション、すなわち、対応する導管の初期領域と終了領域との間の水の軸方向の温度変化を計算するステップからなる。したがって、冷却装置に接続された第１の部分セクションから始めて、部分セクションのシステム全体を通って連続して移動し、したがってシステム全体の温度を計算する。

本発明によれば、循環システムの各部分セクションの終了領域において水温がＴ_ＭＥ＜Ｔ_ｓｏｌｌであり、入力ポートでの水温Ｔ_ｂ＜Ｔ_ｓｏｌｌはＴ_ｓｏｌｌ－Ｔ_ｂ＜θであり、ここで、θ＞０は所定の値である、出力ポートでの水温の値Ｔ_ａおよび体積流量の値Ｖ_ｚが、導管システム内の循環水の温度および体積流量のモデリングによる方法で、好ましくは計算によって決定される。これは、好ましくはＶｚが安定している状態で実行される。

次に、冷却装置と、場合によっては循環システムの循環ポンプが調整され、その結果、水温および体積流量が確認された値Ｔ_ａおよび値Ｖ_ｚを取る。
本発明によれば、温度が出力ポートで設定され、温度変化がこれに基づいて計算され、請求項１の特徴的な文脈に従って、モデリングに使用されることが提案される。
計算の利点は、何かを測定するためにセンサが不要であり、影響の要因を評価および多様にすることができ、場合によっては予測もできることである。
計算は、２点調整システムおよび／または建物の床のカスケード制御、またはパイプライン分岐による制御と比較して、必要な計測点が少なく、システム全体が変動しにくいという利点を提供する。

したがって、従来技術とは対照的に、本発明による調整は、出力ポートでの設定点操作によって達成されるが、調整器の設計は、分散パラメータを備えた全体的な水路システムおよび複数の温度ＴＭＥの計算に基づく。したがって、基本的に１つの調整器および１つの温度設定のみが、温度Ｔａを提供するために必要とされる。
冷水ネットワークの問題と同様の問題が、温水ネットワークの場合に存在する。動作温度のみが変更され、冷却装置の代わりにヒータまたは貯水槽が使用される。温水ネットワークの温度は、貯水槽の出口で６０℃から貯水槽の入口で５５℃の間である。周囲からの入熱により温度上昇が発生する冷水ネットワークとは異なり、熱損失により温水ネットワークの温度が低下する。

次の式は、温水ネットワークの温度低下と冷水ネットワークの温度上昇の両方に当てはまる。

ｑ＝Ｗ／ｍ単位の比熱流束
Δθ＝θ媒体開始－θ媒体終了 温水
Δθ＝θ媒体終了－θ媒体開始 冷水
したがって、本発明はまた、冷却装置の代わりに貯水槽またはヒータが使用される、温水ネットワークの同様の例を包含する。
さらに、上記の所与の式は、水の温度が周囲温度よりも高い場合、冷水ネットワークにも当てはまる。

したがって、一般に、本発明は、モデルによる計算に使用される式の対応する適応とともに、水を加熱または冷却することができる、冷却装置の代わりに熱交換器を使用する場合を包含する。

分岐という用語は、２つのノード間の１つまたは複数の部分セクションで構成され、ノード間にノードがないことを意味する。分岐はノードを横切って接続されている。
好ましくは、所与の部分セクションの初期領域の水温が、所与の部分セクションが接続されている部分セクションの終了領域の水温に等しいという境界条件は、それぞれの分岐の部分セクションにのみ関連する。

あるノードから隣接する部分セクションに現れる体積流量の温度および大きさは、流入する体積流量の温度および大きさに依存する。本発明は、好ましくは、これらがパイプラインシステムの設計によって与えられると想定されたい。

異なる流出ラインまたは部分セクションの間でノードから出る体積流量の配分は、好ましくは、パイプラインシステムの設計によって与えられるものとして本発明によって想定される。

好ましくは、分岐が一体に結合する場合の混合温度、および分岐が分割される場合の温度は、体積流量配分のパーセンテージに基づいて計算される。

本発明による方法では、パイプラインシステムは所与のように想定され、パイプラインシステムは、ある特定のＰＷＣ（Ｐｏｔａｂｌｅ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｌｄ）ラインの公称幅および循環水の周囲への熱結合の値を指定する、パイプネットワークの設計のためのＤＩＮ１９８８－３００の規則に従って設計されることを理解されたい。他の国または地域で指定または推奨されているパイプネットワークの設計も、一般的に留意され得ることを理解されたい。

好ましくは、パイプラインシステムの設計による最大許容値が、体積流量開始値Ｖｚ＊として選択される。この値は、循環水の温度がＴ_ｓｏｌｌに近づくまで減少するが、これは、体積流量の減少に伴い、循環水の温度が上昇し、したがって入力ポートの温度が上昇するためである。

好ましくは、入力ポートでの水温がＴ_ｂ＜Ｔ_ｓｏｌｌであり、Ｔ_{ｓｏｌｌ―}Ｔ_ｂ＜θであり、ここで、θ＞０は所定の値であることに対して、値Ｔ_ＭＡ＊が変化し、水温の最高値Ｔ_ａが選択される。

Ｔ_{ｓｏｌｌ―}Ｔ_ｂ＜θが与えられると、循環システムの水温が冷たくなり過ぎず、システムがエネルギー効率の悪い方法で動作しないことが保証される。通常、θは１℃～５℃の範囲にあるが、別の範囲にある可能性もある。

各部分セクションの初期領域と終了領域との間の水の温度変化の決定は、それ自体が既知のモデルに従って、例えばシミュレーション計算または適切な既知の式によって実施され得る。

本発明の方法を実施する場合、循環システムは、水の除去および水の取り込みが発生しない状態で動作することが好ましく、これは、この状態では、水の除去が発生する状態よりも水の加熱が大きくなることが予想でき、したがってこの方法によって決定されたパラメータＴ_ａおよびＶ_ｚを使用することにより、望ましくないほど高い水温の状態からの安全マージンが保証されるためである。

この方法によって決定されたパラメータＴ_ａおよびＶ_ｚは、パイプラインシステムが公称幅および循環水の周囲への熱結合に関する法的仕様に従って設計されている所与の循環システムをモデリングし、循環システム内の飲料水の温度に関する義務付けられた規則が満たされるように動作するために有利に使用される。

既存のシステムの出願人のシミュレーションにより、本発明に従って設定されたパラメータを使用することにより、ａ）上記の法的要件が満たされ、ｂ）システム動作のより大きなエネルギー効率が達成されることが明らかになった。

この方法によって決定されるパラメータＴ_ａおよびＶ_ｚは、パイプラインシステムが公称幅および循環水の幅と周囲への熱結合に関する法的仕様に従って設計されている所与の循環システムにおけるその冷却力に関して、冷却装置の設計を決定するために有利に使用される。さらに、循環ポンプの設計は、そのポンプ出力に関して決定され得る。

この文書では、次の用語を特定の意味で使用するものとし、この定義は、標準のＤＩＮ ＥＮ８０６に依存する。

循環システムの循環導管は、循環のタッピングポイントの下流の導管を示し、この導管にさらなるタッピングポイントが接続されていない場合、水は冷却装置の出力ポートから冷却装置の入力ポートに戻る。

ノードという用語は、導管が接続されている導管要素のために使用される。少なくとも２つの体積流量がノードに入ることができ、正確に１つの体積流量がノードから出るか、または正確に１つの体積流量がノードに入ることができ、少なくとも２つの体積流量がノードから出ることができる。ノードは分岐点に対応する。

好ましくは、正確に２つの体積流量が循環システムのノードに入り、１つの体積流量がそこから出るか、または正確に１つの体積流量が入り、正確に２つの体積流量が、例えば、Ｔピースの形態でそれから出る。
キルヒホッフの第１の法則は、電気回路と同様に、循環システムのノードに適用され、これにより、流入する体積流量の合計は、流出する体積流量の合計に等しくなる。
好ましくは、各ノードポイントでの流出体積流量は、同じサイズの流出体積流量に配分される。他の配分も可能であることを理解されたい。
異なる温度で正確に１つの流出体積流量および正確に１つの流入体積流量を有するノードの場合、流出体積流量の混合水の温度ｔ_ｍおよび質量流量ｍ_ｍは、次の式によって低温流の温度ｔｋおよび質量流量ｍｋ、または温水流の温度ｔｗおよび質量流量ｍｗに関連付けられると想定することが好ましい。

ｔ_ｍ＝混合水の温度（℃）
ｔ_ｋ＝冷水の温度（℃）
ｔ_ｗ＝温水の温度（℃）
ｍ_ｍ＝混合水の質量／体積（流量）（ｋｇ；ｍ^３；ｋｇ／ｈ；ｍ^３／ｈまたは％）
ｍ_ｋ＝冷水の質量／体積（流量）（ｋｇ；ｍ^３；ｋｇ／ｈ；ｍ^３／ｈまたは％）
ｍ_ｗ＝温水の質量／体積（流量）（ｋｇ；ｍ^３；ｋｇ／ｈ；ｍ^３／ｈまたは％）

部分セクションの初期領域と終了領域との間の水の温度変化を決定するために、部分セクションの長さとともに、好ましくは以下のパラメータが使用され得る。
Ｔ_Ｌｕｆｔ＝周囲空気の温度（℃）
ｋ_Ｒ＝パイプラインの熱伝達係数（Ｗ／（ｍ＊Ｋ））
ｍ_Ｍ＝部分セクション内の水の質量流量（ｋｇ／ｓ）
ｃ_ｐ，_ｍ＝水の比熱容量（Ｊ／（ｋｇ＊Ｋ）
Ｖ_Ｍ＝部分セクションの水の体積流量（ｍ^３／ｓ）
ｐ_Ｍ＝水の密度（ｋｇ／ｍ^３）

有利には、初期領域と終了領域との間の水の温度変化は、定常体積流量中に循環システムの各部分セクションについて決定することができ、所与の部分セクションの終了領域の水温が、循環水の流れ方向に所与の部分セクションが接続される部分セクションの初期領域内の水温に等しくなるように選択される。したがって、循環システムの各部分セクションについて、初期領域の温度から開始することによって、それぞれの部分セクションの終了領域の水の温度を決定することが可能である。

有利なことに、定常体積流量中の出力ポートでの温度から開始して、各部分セクションについて循環水の温度を決定することが可能であり、すなわち、すべての部分セクションの終了領域について水温がＴ_ＭＥ＜Ｔ_ｓｏｌｌになるように、出力ポートに隣接する部分セクションの初期温度として、出力ポートでの水温の値Ｔ_ａを決定することも可能である。

本発明のさらなる実施形態では、値Ｔ_ａおよびＶ_ｚが反復近似手順で決定されることが提案され、終了領域内の水温Ｔ_ＭＥが、出力ポートに接続された第１の部分セクションの温度開始値Ｔ_ＭＡ＊＜Ｔ_ｓｏｌｌおよび体積流量開始値Ｖ_ｚ＊から開始して、各所与の部分セクションについて計算され、次に接続された部分セクションの初期領域内の水温Ｔ_ＭＡ´が、所与の部分セクションの終了領域内の水温Ｔ_ＭＥに等しいように選択される。
本発明のさらなる実施形態では、部分セクションは、それらの初期領域とそれらの終了領域との間の長さに沿った周囲へのそれらの熱結合に関して軸方向に均一に設計され、すなわち、それらは軸方向に変化しないことが提案される。これにより、計算の簡素化が可能になる。

本発明のさらなる実施形態では、長さＬを有する少なくとも１つの部分セクションの終了領域における水温Ｔ_ＭＥが、式によって決定されることが提案される。

Ｌ＝均一部分セクション（Ｔ_Ｓ１）の長さ（ｍ）
Ｔ_ＭＡ＝初期領域の水温（℃）
Ｔ_ＭＥ ＝終了領域の水温（℃）
Ｔ_Ｌｕｆｔ＝周囲空気の温度（℃）
ｋ_Ｒ＝パイプラインの熱伝達係数（Ｗ／（ｍ＊Ｋ））
ｍ_Ｍ＝部分セクション内の水の質量流量（ｋｇ／ｓ）
ｃ_ｐ，_ｍ＝水の比熱容量（Ｊ／（ｋｇ＊Ｋ）
Ｖ_Ｍ＝部分セクションの水の体積流量（ｍ^３／ｓ）
ｐ_Ｍ＝水の密度（ｋｇ／ｍ^３）

この式により、均一な部分セクションの温度変化の適切な概算が可能である。
本発明の別の実施形態では、部分セクションの熱伝達係数は、式によって決定されることが提案されている。

１／ｋ_Ｒ＝パイプラインの熱貫流抵抗（ｍ＊Ｋ／Ｗ）
αｉ＝内部熱伝達係数（Ｗ／（ｍ^２＊Ｋ））
１／ΔＲ＝熱抵抗（ｍ＊Ｋ／Ｗ）
α_α＝外部熱伝達係数（Ｗ／（ｍ^２＊Ｋ））
ｄ_α＝外径（ｍ）
ｄ_ｉ＝内径（ｍ）

以下では、周囲との温度差による水中の温度変化および熱増加を決定するために、式１～４が使用されるものとする。
このため、熱抵抗の式１を式２に挿入して、それによって熱遷移抵抗が求められる。熱伝達係数、式３は、式２の逆数を使用して計算される。
断熱を含むパイプラインの熱抵抗１／λ_ｇｅｓ。

式１、ＶＤＩ２０５５、２００８を参照

絶縁パイプラインの熱遷移抵抗１／Ｕ_Ｒ
式２、ＶＤＩ２０５５、２００８を参照

断熱パイプラインの熱伝達係数Ｕ_Ｒ

方程式３

熱伝達係数は、部分セクションの終了での温度を計算するための式４の中心的な要素である。

式４を使用して、関連するすべての部分セクションについて、冷水のそれぞれの開始温度および終了温度が求められる。パイプライン内の水の軸方向加熱のための公式の導出は、式５から始まる。
式４

式５、ＶＤＩ２０５５、２００８を参照

Δθａ＝θＭＡ－θＬｕｆｔを挿入し、次いで統合する。

体積流量を徐々に／段階的に増加させる反復計算では、例えば、５Ｋ（１５℃／２０℃）の所望の／所与の広がりで冷水設備を操作する体積流量を求める。
この解決法の助けを借りて、主要な考慮事項である循環システムの体積流量だけでなく、特定のパイプラインネットワーク内の任意の所与のポイントについて水温も決定することが可能である。

好ましくは、反復近似法は、既知のエクセル目標値検索であり、Ｆｒａｎｚ Ｊｏｓｅｆ Ｍｅｈｒ、ＭａｒｉａＴｅｒｅｓａ Ｍｅｈｒ、Ｗｉｅｓｂａｄｅｎによる、ＥｘｃｅｌとＶＢＡ：自然科学における実用的なアプリケーションの紹介、２０１５、セクション８．１を参照されたい。

本発明によれば、例えば、次のように、部分セクションの上記に示すパラメータを含むパイプラインシステムの重要なデータがプログラムに入力され、目標値検索を使用して、飲料水目標温度Ｔ_ｂが達成される体積流量Ｖ_ｚが決定される。

この例では、１５℃の入力温度Ｔ_ａに対して２０°の目標温度Ｔｂが達成される計算された体積流量Ｖ_ｚが行ＭＴ４に示されている。

本発明のさらなる実施形態では、循環ポンプが循環システムに統合され、その結果、所望の体積流量が設定され得ることが提案される。
もちろん、いくつかの冷却装置および／または循環ポンプもまた提供され得る。

以下では、実施形態は、建物内の飲料水設備に通常使用されるようなパイプライン構造を用いて説明されるものとする。
接続ラインは、供給ラインと飲料水設備または循環システムとの間のラインである。
消費者ラインは、メインシャットオフバルブからタッピングポイント（栓の部分）の接合部、および任意選択で器具に水を運ぶラインである。集合供給ラインは、メインシャットオフバルブとライザーパイプとの間の水平な消費者ラインである。ライザーパイプ（ダウンパイプ）は１つのフロアから別のフロアに通じており、建物のフロアラインまたは単一の供給ラインがそこから分岐する。建物のフロアラインは、建物のフロア内のライザーパイプ（ダウンパイプ）から分岐するラインであり、単一の供給ラインがそこから分岐する。単一の供給ラインは、タッピングポイントにつながるラインである。

本発明の一実施形態では、少なくとも１つのフローパイプが少なくとも１つのループラインに接続されることが提案されている。
本発明のさらなる実施形態では、循環導管の少なくとも１つの分岐が少なくとも１つのフローパイプから出ることが提案される。
本発明のさらなる実施形態では、少なくとも１つの循環導管の少なくとも１つの分岐が少なくとも１つのループラインから出ることが提案される。
本発明のさらなる実施形態では、少なくとも１つのフローパイプが、少なくとも１つのライザーラインおよび／または建物のフロアラインを含むことが提案されている。
本発明のさらなる実施形態では、少なくとも１つのフローパイプが、接合部によって給水ネットワークに接続されている集合供給ラインを含むことが提案されている。
本発明のさらなる実施形態では、接合部が少なくとも１つの接続ラインおよび／または少なくとも１つの消費者ラインに接続されることが提案されている。

本発明のさらなる実施形態では、少なくとも１つの静的または動的分流器が、少なくとも１つのフローパイプおよび／または少なくとも１つのループラインに配置され、それによって、好ましくは水のための１つのタッピングポイントが接続されることが提案される。好ましくは、出口で９５％および通過する５％の体積流量のパーセンテージ配分が達成される。

本発明のさらなる実施形態では、循環水を冷却するための冷却装置を使用して、熱エネルギーを循環水から別の材料流に、好ましくは熱伝達剤によって伝達することが提案され、これにより、プロパンなどの他の材料の流れを適切に選択することによって冷却プロセスの最適化、および冷却装置の操作に必要なエネルギーの削減を達成することができる。
本発明のさらなる実施形態において、冷却装置は、冷温水機、好ましくはヒートポンプ、ウォータチラーまたは冷温供給ネットワークに熱的に結合されることが提案され、それによって同様に冷却プロセスに必要なエネルギーの低減を達成することができる。

本発明のさらなる実施形態において、循環ポンプの供給された体積流量に応じて循環ポンプの消費者特性を決定し、出力ポートでの水温に応じて冷却装置の消費者特性を決定し、循環ポンプおよび冷却装置の消費電力が相対的または絶対的な最小値をとり、それによって方法のエネルギー効率を改善するように、出力ポートでの体積流量Ｖ_ｚおよび水温Ｔ_ａを調整することが提案される。

本発明のさらなる実施形態では、温度Ｔ_ｓｏｌｌについては２０℃＋／－５℃の値が選択され、出力ポートでの水温Ｔ_ａについては１５℃＋／－５℃の値が選択されることが熟慮の上で提案される。

本発明のさらなる実施形態では、パイプラインシステムの少なくとも１つの部分セクションが外部循環導管として設計されることが提案されるが、外部循環導管は通常、特に既存の循環システム内に設置されるからである。

本発明のさらなる実施形態では、少なくとも１つの部分セクションがインライナ循環導管として設計されることが提案されるが、これらはしばしば、より新しい、または新しい循環システム内に設置されるからである。

以下の図面の説明から、さらなる利点が明らかになるであろう。
図面は、本明細書における例示的な実施形態を示している。図面、明細書、および特許請求の範囲には、多くの機能が組み合わされて含まれる。当業者はまた、熟慮のうえで機能を個別に検討し、それらをさらなる意味のある組み合わせに組み合わせる。
例として、以下を示す。

本発明による循環システムの概略図である。 本発明による循環システムの追加の実施形態である。 追加の熱交換器が提供される、本発明による循環システムの追加の実施形態である。 本発明による循環システムの追加の実施形態である。 本発明による循環システムの追加の実施形態である。 本発明による循環システムの追加の実施形態である。 本発明による循環システムの追加の実施形態である。 本発明による循環システムの追加の実施形態である。

図１～図８に示される循環システムは単なる例であり、本発明はこれらのシステムに限定されない。図示されるすべてのシステムで、正確に２つの体積流量がノードに入り、１つの体積流量がそこから出るか、または正確に１つの体積流量が入り、正確に２つの体積流量が、Ｔピースの場合のように、それから出る。しかしながら、本発明は、そのようなノードを備えたシステムに限定されない。基本的に、ノード間、ノードと入力ポートとの間、ならびにノードと出力ポートとの間で表されるすべてのラインは、上記で定義したように、１つまたは複数の部分セクション（一部の区画）で構成することができる。

同様の構成要素には同じ参照符号が付されている。
図１に示される循環システムでは、１つのノードＫ１が、フローパイプ４ａを横切って、冷却装置１２の出力ポート１２ｂに接続されている。冷却装置１２は、冷却側および冷却ポンプ１３に接続部を有する。

ノードＫ１には、集合ライン４への分岐点、給水ネットワークでの接合部１への接続ライン、および消費者ライン３が提供され、消費者ラインおよび接続ラインは循環システムの一部ではない。したがって、ノードＫ１では体積流量の配分は発生しない。

集合供給ライン４は、ノードＫ２内に空になるライザーパイプ５に接続されている。ノードＫ２は、建物のフロアライン６およびライザーパイプ５に分岐し、ノードＫ３に空になり、そのノードＫ３で、建物のフロアライン６およびライザーパイプ５への分岐が発生し、それが建物のフロアライン６に接続され、ノードＫ４に空になる。ノードＫ２は、建物のフロアライン６によってノードＫ６に接続されている。ノードＫ３は、建物のフロアライン６によってノードＫ５に接続されている。

そのように明示的に特徴付けられる２つの部分セクションＴＳ１およびＴＳ２は、ノードＫ４を横切って接続され、ＴＳ１は建物のフロアライン６の部分セクションを表し、ＴＳ２は循環導管を表す。

さらに、ノードＫ４では、単一の供給ライン７を横切ってタッピングポイント９への分岐が発生する。問題を簡単にするために、ノードＫ２およびＫ３に接続された単一の供給ラインおよびタッピングポイントには参照符号が付されてない。本発明による循環システムは、水除去が発生しない状態で本発明による方法を実施するために動作するため、以下では、タッピングポイントと協調するノードは考慮されず、したがってノードＫ４以外は、図面には参照符号が付されてない。

部分セクションＴＳ２は、ノードＫ５に空になる垂直循環導管１０ａに接続されている。ノードＫ５は、ノードＫ６に空になる循環導管１０ａに接続されている。ノードＫ６は、垂直循環導管１０ａに接続され、垂直循環導管１０ａは水平循環導管１０ａに接続され、次いで水平循環導管１０ａは、垂直循環導管を横切って循環ポンプ１０ｂに接続される。

図２に示す循環システムは、図１のシステムと同様の構造を有するが、建物のフロアライン６にループラインが提供され、簡単にするために、図２に示す最上部のループラインにのみ参照符号８が使用される。ループライン８は、任意選択の分流器８ａと協働する。ループラインはノードＫ２１からＫ３２までと協働する。ループラインが１つだけ存在するそのようなシステムもまた、本発明によって包含されることを理解されたい。

図３は、ノードＫ３１からＫ３４を有する別のシステムを示しているが、ここでは、ノードＫ３４およびＫ３５に空になる循環導管１０ａが、ノードＫ３２およびＫ３３から流出する建物のフロアライン６と平行に導かれている。

さらに、入力ポート１４ａおよび出力ポート１４ｂを備えた任意選択の分散型冷却装置１４は、最上階の建物のフロアライン６に配置されているが、表示を簡単にするために、冷却側回路および対応するポンプの既存の接合部は図示されていない。

同様に、追加の分散型冷却装置は、他の建物のフロアラインに配置され得る。
図３と同様の別の実施形態では、熱交換器１２を省略することができ、この場合、１つの冷却装置１４または複数の冷却装置１４が必要である。
図３の実施形態と同様に、冷却装置は、図１、図２および図４から図８までの実施形態のライザーパイプ５および建物のフロアラインに提供され得る。
図４は、図３のようにノードＫ４１からＫ５１を備えたシステムを図示するが、建物のフロアラインにはループライン８が設けられている。
図５は、ノードＫ５１からＫ５５を備えたシステムを図示するが、循環導管１０は、ノードＫ５２、Ｋ５３に接続されたライザーパイプ５と平行に導かれている。
図６は、ノードＫ６１からＫ６９ｂを備えたシステムを図示しており、ここでは、ノードＫ６３とＫ６４との間、Ｋ６６とＫ６７との間、およびＫ６８とＫ６９との間にループラインが提供されている。
図７は、ノードＫ７１からＫ７５を備えたシステムを図示しており、ここでは、ライザーパイプ５はノードＫ７２およびＫ７３に接続されている。
図８は、図７と同様のノードＫ８１からＫ８９ｂを備えたシステムを図示しているが、ノードＫ８９ａとＫ８９ｂとの間、Ｋ８８とＫ８９との間、およびＫ８４とＫ８５との間にループラインが配置されている。

図１、図３、図５、図７の下でクリーンな図面に示されている実施形態もまた、部分的な領域のみが循環を有することができることも可能である。したがって、部分セクションは、例えば、異なる要件（水消費量の取引調量）のために一緒に循環することが許可されていない住居の設備を表す場合もある。ここでは、自動洗浄を使用して、目的の温度を維持するための水交換が可能である。

本発明による方法は、上述のように図１から図８のシステムで実施され、出力ポート（１２ｂ）に接続された第１の部分セクションのために、温度開始値Ｔ_ＭＡ＊＜Ｔ_ｓｏｌｌおよび体積流量開始値Ｖ_ｚ＊から開始して、初期領域と終了領域との間の水の温度変化が、温度変化のモデルに従って決定される。

さらに、所与の部分セクションの初期領域の水温が、所与の部分セクションが接続される部分セクションの終了領域内の水温に等しいという境界条件下で、温度変化のモデルに従って、さらなる所与の各部分セクションの初期領域と終了領域との間の水の温度変化が決定される。

好ましくは、軸方向温度変化の上記モデルを使用し、それによれば、長さＬの部分セクションの終了領域における水温Ｔ_ＭＥは、式によって計算される。

循環システムの各部分セクションの終了領域で、水温がＴ_ＭＥ＜Ｔ_ｓｏｌｌであり、入力ポート１２ａで、水温がＴ_ｂ＜Ｔ_ｓｏｌｌであり、Ｔ_ｓｏｌｌ－Ｔ_ｂ＜θであり、ここで、θ＞０が所与の値であるように、出力ポート１２ｂでの水温の値Ｔ_ａおよび体積流量の値Ｖ_ｚが選択される。

循環ポンプ１０ｂは、常に一定の体積流量で動作するわけではなく、すなわち、ポート入口温度１２ａが正確に設定値を有するか、またはそれより下にあるかどうかに関係ないことを理解されたい。

様々な理由でポート入口温度１２ａが１７℃にある必要がある場合、例えば、最大２０℃が所与である場合、循環ポンプ１０ｂの供給体積流量を減らすことができる。これは、例えば温度制御下で自動的に実行され得る。その結果、省エネが達成される。

同様に、そのような場合、ポンプ１３の供給体積流量を温度制御によって減らすことができる。
様々な理由でポート入口温度を例えば１７℃にする必要がある場合（例えば、最大２０℃が所与である場合）、冷却回路のフロー温度も同様に調整され得る。その結果、省エネが達成されるであろう。

１給水ネットワークへの接続
２接続ライン
３消費者ライン
４集合供給ライン
５ライザー（ダウンパイプ）
６建物のフロアライン
７単一の供給ライン
８ループライン
８ａ静的または動的な流れの分割
９タッピングポイント
１０循環システム
１０ａ循環導管
１０ｂ循環ポンプ
１２冷却装置
１２ａ入力ポート
１２ｂ出力ポート
１４熱交換器
１４ａ入力ポート
１４ｂ出力ポート

Claims (23)

1. 入力ポート（１２ａ、１４ａ）および出力ポート（１２ｂ、１４ｂ）を備えた、水を冷却するための冷却装置（１２、１４）を有し、周囲に所与の熱結合を有し、ノードによって接続されている１つまたは複数の部分セクションを備える複数の分岐を有するパイプラインシステムを有する循環システム（１０）を操作する方法であって、パイプラインシステムの１つまたは複数のラインが、フローパイプ（４、５、６）として構成され、少なくとも１つは単一の供給ライン（７）としてタッピングポイント（９）に接続され、少なくとも１つのラインは、１つまたは複数のフローパイプ（４、５、６）に接続された循環導管（１０ａ）として構成されており、
   前記熱結合とは、前記パイプラインシステムのラインを介した周囲への熱伝達であり、
   －前記冷却装置（１２、１４）を使用して、前記出力ポート（１２ｂ、１４ｂ）の水温を値Ｔａに設定するステップと、
   －前記入力ポート（１２ａ）の体積流量を値Ｖｚに設定するステップとを含む方法であって、
   以下のステップ、
   －温度開始値ＴＭＡ＊＜Ｔｓｏｌｌおよび体積流量開始値Ｖｚ＊から開始して、前記出力ポート（１２ｂ、１４ｂ）に接続された第１の部分セクションの軸方向温度変化のモデルに従って、初期領域と終了領域との間の水の温度変化を決定し、特に計算するステップと、
   －前記所与の部分セクションの前記初期領域の前記水温が、該所与の部分セクションが接続される前記部分セクションの終了領域内の前記水温に等しいという境界条件下で、前記温度変化の前記モデルに従って、さらなる所与の各部分セクションの初期領域と終了領域との間の水の温度変化を決定し、特に計算するステップと、
   －各部分セクションの前記終了領域で、前記水温がＴＭＥ＜Ｔｓｏｌｌであり、前記入力ポート（１２ａ、１４ｂ）で、前記水温がＴｂ＜Ｔｓｏｌｌに設定され、Ｔｓｏｌｌ－Ｔｂ＜θであり、ここで、θ＞０が所与の値であるように、前記出力ポート（１２ｂ、１４ｂ）での前記水温の値Ｔａおよび体積流量の値Ｖｚを選択するステップと、
   を含むことを特徴とする、方法。
2. 前記値ＴａおよびＶｚが反復近似手順で決定されることを特徴とする方法であって、前記所与の部分セクションの前記初期領域の前記水温が、前記所与の部分セクションが接続される前記部分セクションの前記終了領域内の前記水温に等しいという前記境界条件下で、前記初期領域と前記終了領域との間の水の前記温度変化が、さらなる所与の各部分セクションの前記出力ポート（１２ｂ、１４ｂ）に接続された前記第１の部分セクションの温度開始値ＴＭＡ＊＜Ｔｓｏｌｌ、および体積流量開始値Ｖｚ＊から開始して計算される、請求項１に記載の方法。
3. 前記部分セクションが、それらの初期領域とそれらの終了領域との間の長さに沿った周囲へのそれらの熱結合に関して均一に設計されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 長さＬを有する少なくとも１つの部分セクションの終了領域における前記水温ＴＭＥが式
   によって決定されることを特徴とする方法であって、
   Ｌ＝前記均一部分セクションの長さ（ＴＳ１）（ｍ）
   ＴＭＡ＝前記初期領域の水温（℃）
   ＴＭＥ＝前記終了領域の水温（℃）
   ＴＬｕｆｔ＝前記周囲空気の温度（℃）
   ｋＲ＝前記パイプラインの熱伝達係数（Ｗ／（ｍ＊Ｋ））
   ｍＭ＝前記部分セクション内の水の質量流量（ｋｇ／ｓ）
   Ｃｐ，ｍ＝水の比熱容量（Ｊ／（ｋｇ＊Ｋ））
   ＶＭ＝前記部分セクション内の水の体積流量（ｍ３／ｓ）
   ｐＭ＝前記水の密度（ｋｇ／ｍ３）である、請求項３に記載の方法。
5. 前記部分セクションの熱伝達係数が、
   １／ｋＲ＝前記パイプラインの熱貫流抵抗（ｍ＊Ｋ／Ｗ）
   αｉ＝内部熱伝達係数（Ｗ／（ｍ２＊Ｋ））
   １／ΔＲ＝熱抵抗（ｍ＊Ｋ／Ｗ）
   αα＝外部熱伝達係数（Ｗ／（ｍ２＊Ｋ））
   ｄα＝外径（ｍ）
   ｄｉ＝内径（ｍ）である、
   
   式
   と、
   と、
   によって決定されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 循環ポンプ（１０ｂ）が前記循環システム（１０）に統合されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記冷却装置（１２、１４）が、前記循環水から別の材料流に熱エネルギーを伝達することによって循環水を冷却するために使用されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記冷却装置（１２、１４）が、冷温水機に熱的に結合されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. －前記循環ポンプ（１０ｂ）の供給された体積流量に応じて前記循環ポンプ（１０ｂ）の特性を決定するステップと、
   －前記出力ポート（１２ｂ、１４ｂ）での水温に応じて前記冷却装置（１２、１４）の特性を決定するステップと、
   －前記循環ポンプ（１０ｂ）および前記冷却装置（１２、１４）の消費電力が相対的または絶対的な最小値になるように、前記出力ポート（１２ｂ、１４ｂ）での体積流量Ｖｚおよび水温Ｔａを設定するステップと、を特徴とする、請求項６に記載の方法。
10. 温度Ｔｓｏｌｌについては２０℃＋／－５℃の値が選択され、出力ポート（１２ｂ、１４ｂ）での水温Ｔａについては１５℃＋／－５℃の値が選択されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 入力ポート（１２ａ、１４ａ）および出力ポート（１２ｂ、１４ｂ）を備えた、水を冷却するための冷却装置（１２、１４）を有し、周囲に所与の熱結合を有し、ノードによって接続されている１つまたは複数の部分セクションを備える複数の分岐を有するパイプラインシステムを有する循環システムであって、
    －前記ノードから出る体積流量の所与の配分について、混合水温は、前記ノードに流入する体積流量に応じて、前記ノードから出る体積流量から決定可能であり、
    －前記パイプラインシステムの１つまたは複数のラインは、フローパイプ（４、５、６）として構成され、少なくとも１つは、タッピングポイント（９）に接続された単一の供給ライン（７）として構成され、少なくとも１つのラインは、１つまたは複数のフローパイプ（４、５、６）に接続された循環導管（１０ａ）として構成され、
    
    －前記冷却装置（１２、１４）によって、前記出力ポート（１２ｂ、１４ｂ）での水温を値Ｔａに設定する手段と、
    －前記入力ポート（１２ａ、１４ａ）での循環水の定常体積流量を値Ｖｚに設定する手段と、
    を有し、
    －所与の部分セクションの終了領域の水温が、前記循環水の前記流れ方向に前記所与の部分セクションに接続される前記部分セクションの初期領域内の水温に等しいという境界条件下で、各部分セクションの前記初期領域と前記終了領域との間の水の温度変化を決定するための装置手段と、
    －各部分セクションの前記終了領域で、前記水温がＴＭＥ＜Ｔｓｏｌｌであり、前記入力ポート（１２ａ、１４ｂ）で、水温がＴｂ＜Ｔｓｏｌｌに設定され、Ｔｓｏｌｌ－Ｔｂ＜θであり、ここで、θ＞０が所与の値であるように、前記水温の前記値Ｔａおよび前記出力ポート（１２ｂ、１４ｂ）での前記体積流量の前記値Ｖｚを選択するための装置手段と、
    を含むことを特徴とする、循環システム。
12. 装置手段が前記値ＴａおよびＶｚが反復近似手順で決定されるために提供されることを特徴とする循環システムであって、前記水温ＴＭＥが、前記出力ポート（１２ｂ）に接続された第１の部分セクションの温度開始値ＴＭＡ＊＜Ｔｓｏｌｌおよび体積流量開始値Ｖｚ＊から開始して計算され、次に取り付けられた部分セクションの前記初期領域内の水温ＴＭＡ´が、前記所与の部分セクションの前記終了領域内の水温ＴＭＥに等しいように選択される、請求項１１に記載の循環システム。
13. 前記部分セクションが、それらの初期領域とそれらの終了領域との間の長さに沿った周囲へのそれらの熱結合に関して均一に設計されることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の循環システム。
14. 循環ポンプ（７）が前記循環システム（１０）に統合されることを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の循環システム。
15. 少なくとも１つのフローパイプ（４、５、６）が少なくとも１つのループライン（８）に接続されていることを特徴とする、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の循環システム。
16. 前記循環導管（１０ａ）の少なくとも１つのラインが前記少なくとも１つのフローパイ
    プ（４、５、６）から出ることを特徴とする、請求項１１から１５のいずれか一項に記載の循環システム。
17. 前記少なくとも１つの循環導管（１０ａ）の少なくとも１つのラインが前記少なくとも１つのループライン（８）から出ることを特徴とする、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の循環システム。
18. 前記少なくとも１つのフローパイプ（４、５、６）が少なくとも１つのライザーライン（５）および／または建物フロアライン（６）を備えることを特徴とする、請求項１１から１７のいずれか一項に記載の循環システム。
19. 前記少なくとも１つのフローパイプ（４、５、６）が、公共の給水ネットワークへの接合部（１）によって接続されている集合供給ライン（４）を備えることを特徴とする、請求項１１から１８のいずれか一項に記載の循環システム。
20. 前記接合部（１）が少なくとも１つの接続ライン（２）および／または少なくとも１つの消費者側へ給水するライン（３）に接続されていることを特徴とする、請求項１９に記載の循環システム。
21. 少なくとも１つの静的または動的分流器（８ａ）が前記少なくとも１つのフローパイプ（４、５、６）および／または前記少なくとも１つのループライン（８）に配置されることを特徴とする、請求項１１から２０のいずれか一項に記載の循環システム。
22. 前記冷却装置（１２、１４）が、前記循環水から別の材料流に熱エネルギーを伝達するために使用されることを特徴とする、請求項１１から２１のいずれか一項に記載の循環システム。
23. 前記冷却装置（１２、１４）が、冷温水機に熱的に結合されることを特徴とする、請求項２２に記載の循環システム。

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