DE2128331A1

DE2128331A1 - In einem fussboden, einer wand oder einer decke zu verlegender rohrstrang

Info

Publication number: DE2128331A1
Application number: DE2128331A
Authority: DE
Inventors: Hermann Lohoff
Original assignee: CTC GmbH
Current assignee: CTC GmbH
Priority date: 1971-06-08
Filing date: 1971-06-08
Publication date: 1973-01-04
Also published as: ZA723116B; US3782132A

Description

Anmelder:

Hermann Lohoff, 463 Bo chum, Wasserstr. 424

"Tn einen Fußboden, einer Wand oder .einer Decke zu verlegender Rohrstrang"

(Zusatz zur Patentanmeldung P 19 02 688.1-16)

Gegenstand der Patentanmeldung P 19 02 688.1-16 ist ein Rohrstrang, bestehend aus einem in der Bautorperschicht eines Fußbodens, einer -/and oder einer Decke in Form einer kontinuierllichen Rohrschlange bzw. Rohrspirale zu verlegenden Vorlauf- und "Rücklaufstrang, deren gleich große Durchflußkanäle paral-IeI zueinander angeordnet, im Gegenstrom von einem Wassersatz zu durchströmen sind und über ihre gesamte Länge eine gemeinsame Berührungsfläche <3um gegenseitigen Wärmeaustausch besitzen.

Dieser Rohrstrang zeichnet sich gegenüber allen anderen bekannten und dem gleichen Verwendungszweck dienenden Rohrsträngen dadurch aus, daß er bei Beschickung mittels eines Warmwassersatzes eine völlig gleichmäßige Oberflächentemperatur der betreffenden Baukörperschicht zu erzeugen vermag tmd dadurch der Baukörper rait geringeren Wärmebedarfswerten auskömmt als bei Beheizung mit herkömmlichen Heizungsanlagen.

Es wurde nun gefunden, daß der vorerwähnte Rohrstrang nach der Hauptanmeldung P 19 02 688.1-16 sich nicht nur zur Beheizung, sondern auch zur Kühlung von Baukörperschichten ausgezeichnet eignet. Zu diesem Zweck ist der Rohrstrang zur Kühlung eines Raumes von einer Kaltv/assermenge zu durchströmen. Hierbei ist

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wesentlich, daß die Cberflächentemperatur der Bpukörperpchicht je nach Rsumluftzustsnd diejenige Grenztemperetur nicht unterschreiten darf, bei welcher sich der in der Luft enthaltene Wasserdampf an der Baukörperoberfläche pitszukonr)^rnieren bpginnt.

Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß auch schein im Fußboden verlegte Rohrstreinge zur Kühlung bekannt sind. Diese Rohrstränge werden von Stadt- oder Brunnenwasser durchströmt, des in unse— ■ reii Breiten eine Temperatur von beispielsweise 8 bis 14 Ό besitzt'. Bei 'fassertemperaturen von beispielweise 14-⁰G und der daraus resultierenden Oberflächentemperatur von "l^'O wird die vorerwähnte G-r en ζ temperatur an zahlreichen Tagen im Jahr bereits unterschritten. Um dies zu verhindern, muß entweder an diesen Tagen ganz auf eine Kühlung verzichtet oder das Wasser aufgeheizt oder mit warmem Wasser vermischt werden, was nicht nur aufwendig ist, sondern such hohe Betriebskosten verursacht. Ein weiterer Nachteil ist, daß der Boden nur ungleichmäßig gekühlt werden kannj wodurch Baukörperrisse sowie ein Absinken des Behaglichkeitsgrädes unvermeidlich sind_o All diese Nachtei-.Ie werden durch die Anordnung der vorliegenden Zusatzerfindung behoben, da durch deren G-egenstromwarmeaustauschprinzip in der Umgebung des gesamten Rohrstranges¹- eine völlig gleichmäßige Temperatur aufgebaut und auch eine Vo rl auf temperatur der, Kühlwassers erlaubt wird, die unterhalb der bisherigen kritischen Vorlauftemperatur liegen kann, wodurch wiederum der G-esamtwir— kungsgrad des Kühlsystems ansteigt.

Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung steht der Vorlaufstrang mit einem Wärme aus tauscher in Verbindung, d<=r aus ein^r im Erdreich verlegten, direkt von dem Vorlaiifwasser zu durch-

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strömenden" Rohrschlange, vorzugsweise nur Kunststoff, gebildet wird oder anr? ein^r" -Kühlturm besteht, der direct an den Vorlauf angeschlossen int. Die erste Alternative bat hiervon den Vorzug, daß sie keine zusätzlichen Betriebskosten erfordert, während die zweite Alternative sich bei großen Kühlleistungen beehrt, zumal mit ihr bei einer Außenlufttemperatur von 32°0und 4-O?orelativer Luftfeuchtigkeit noch eine Kühlwassertemperatur von 21⁰G erzielt werden kann.

Wach einem besonders vorteilhaften Merkmal der Erfindung besteht d.PT Tärraeaustauscher aus dem Verdampfer einer Wärmepumpe, deren

Kondensator als im Erdreich verlegte Rohrschlange ebenfalls voraus
zugsweise aus Funststoff gebildet wird, wobei zur wahlweisen Heizung bzw. Kühlung der Baukörperschicbt der Kältemittelkreislanf der "Järmepunpe wahlweise zu einem als Kalt em? s chine arbeitender Kreislauf umzuschalten ist. Der besondere Vorteil dieser Anlage beruht in den niedrigen Energiekosten, die lediglich durch die zum Antrieb des Kompressors der Wärmepumpe bzw. Kältemaschine notwendigen elektrischen Energie gebildet wird, wehrend die uip ein mehrfaches höhere Kühl- bzw. Heizleistung st^tp der¹. Er^r^ieh entnommen werden.

Als besonder? vorteilhaft hat sich das Kühlsystem herausgestellt, wenn der Innendurchmesser des Vorlauf- und des R¹"cklaitfstranges höchstens P? I¹^n beträgt und die !Teilung zwischen zwei Rohrsträngen nicht vr'^Bev als 18 cm ist.

Hehrere Ausfübrungsbeispiele d^r Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigen:

T?-i-._# -j p,-;-p ."'f>h«lt.schema gemäß der Erfindung mit drei verschie denen Kühl ungsarten des Vorinrifvinss^rs ,

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Fig. 2 eine weitere Ausführungsform, zur wahl weis en Kühlung und Beheizung des Rohrstranges und

ig. 3 ein Mdlier i-x-Diagramm für feuchte Luft, mit der hier interessierenden Grenzkurve.

In Fig. 1 ist in der Baukörperschicht 2 eines Fußbodens der erfindungsgemäße Rohrstrang 1 dargestellt, dessen Vorlaufstrang 1' gestrichelt und dessen Rücklaufstrang 1" mit einer durchgezogenen Linie eingezeichnet sind. Die Baukörperschicht 2 besteht dabei beispielsweise aus einem Zement- oder Kunstharzestrich, in den auf einer Baustahlmatte 2' der Rohrstrang 1 allseitig eingebettet ist. Zwischen der Baukörperschicht 2 und dem festen Bauuntergrund, Z₀B. einer Betonschicht 3» befindet sich eine Zwischenlage 2" zur Wärmedämmung, Feuchtigkeitssperrung und * Trittschall-Isolation. Der Vorlaufstrang 1! und der Rücklaufstrang 1" sind über einen Sammler 1"¹ bzw. 1 mit einem Heizkessel 4 verbunden, der im dargestellten Fall mit einem geschlossenen Ausdehnungsgefäß 4' und einem Sicherheitsventil 4" versehen ist. In den Vorlaufs tr ang, 1' ist eine Wasserpumpe 5 h sowie ein Dreiwege-Mischventil 6 geschaltet, das über eine Zwischenleitung 6¹ mit dem Rücklaufstrang 1" verbunden ist.

Im dargestellten Fall sind an dem Vorlaufstrang 3¹ vier verschiedene Ausführungsformen 7j8,9»20 zur Kühlung des Vorlaufwassers dargestellt, die getrennt oder auch wahlweise kombiniert verwendet werden können. Hierbei ist mit 7 eine im Erdreich 7¹ verlegte Rohrschlange, vorzugsweise aus Kunststoff, bezeichnet, die über die Vorlaufleitung 7" und die Rücklaufleitung 7^IM sowie über die Ventile 10, 10' mit der Vorlaufleitung 1' in Verbindung steht. Soll mit diesem Kühlsystem das Vor-

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•laufwasser gekühlt werden, so wird das Ventil 11 geschlossen, während die beiden Ventile 10, 10* geöffnet werden. Alsdann driioiEt die Pumpe 5 das Vorlaufwasser über das Ventil 10 und die Vorlaufleitung 7" in die Rohrschlange 7j in der es gekühlt wird, von dort über die Rücklaufleitung 7^IM und das Rücklaufventil 10' wieder in die Vorlaufleitung 1' und dann in den in der Baukörperschicht; 2 verlegten Teil der Vorlaufleitung. Nach Durchlaufen des gesamten Rohrstranges 1 gelangt das nunmehr erwärmte Kühlwasser über die Rücklaufleitung 1" in den Rücklaufs ammler 1 und über die Zwischenleitung 6¹ zur Pumpe 5» wo der Kreislauf nunmehr von neuem beginnt. Der besondere Vorteil dieser Anlage ist, daß keine zusätzlichen Betriebskosten, beispielsweise zum Betrieb eines Ventilators, entstehen und die Rohrschlange 7 selbst, soweit sie au3 Kunststoff besteht, korrosionsfest ist und keiner Wartung bedarf.

Das »weite Kühlsystem besteht aus einem Kühlturm 8, der über die Vorlaufleitung 8¹ und die Rücklaufleitung -8" sowie über die Ventile 8"¹ und 8 mit dem Vorlaufstrang 1¹ in Verbindung steht. Dl· in diesem Fall bei 5¹ in den Vorlaufstrang 1¹ eingesetzte Pumpe entzieht über die Leitung 8" dem Kühlturm 8 das Kühlwasser und drückt es in der vorbeschriebenen Weise über den Vor-» !«Ufsamaler 1"' in den Rohrstrang 1, wo es über den Rücklaufs «Miller 1 j die Rückl auf leitung 1", die Zwischenleitung 6' über 4*« tentil $'" in die Leitung 8¹ und: von dort in den Kühlturm 8 ■ur emeuteiji Kühlung zurückgedrückt wird. Der besondere Vorteil dieses Kühliurms ist, daß er exakt auf die Qröße der maximalen Kiülllaet Ausgelegt werden kann und mit ihm noch eine Kühlwasservorlauftemperatur von 21⁰O bei einem Außenluftzustand von 32⁰O und 4€flf relativer Luftfeuchtigkeit erzielt werden kann. Ein sol-

eher Kühlturm kommt insbesondere dort in Betracht, wo in großen Büroräumen, Hotels oder dergleichen große Kühllasten auftreten.

Eine dritte Möglichkeit zur Kühlung des Wassers im Vorlaufstrang 1¹ ist ein Wärmepumpenkreislauf 9> der. im wesentlichen aus dem Verdampfer 9'i einem Kompressor 9-"» einem Kondensator 9"' und einem .Druckreduzierventil 9 besteht. Im Verdampfer 9¹ wird dem Vorlaufwasser durch das Kältemittel Wärme entzogen, das dadurch verdampft. Dieser Kältemitteldampf wird von dem Kompressor 9" abgesaugt und auf eine entsprechend hohe Temperatur komprimiert. Dieser Kältemitteldampf von höher Temperatur wird in dem mit einer großen äußeren Wärmeaustauschfläche versehenen Kondensator 9"' von einem Luftstrom heruntergekühlt, von

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wo er über das Druckreduzierventil 9 wiederum als Kältemittelkondensat zum Verdampfer 9' gelangt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsfoirm des letztgenannten Kühlsyatems ist in Fig. 2 dargestellt. Darin ist der Kondensa9¹" der Pig. 1 durch eine im Erdreich verlegte oder von Brunn

Brunnen- oder Flüßwasser umspülte Rohrschlange 9 ersetzt worden. Weiterhin ist zwischen dem Verdampfer 9¹ und dem Kompressor 9" ein Vierwege-Ventil 15 angeordnet und zwischW der Rohrschlange 9 und dem Verdampfer 9' zwei Druckreduzierventile 13 und 14 geschaltet, von denen mittels der Ventile 13 ^ι _ί'Ί3" sowie 14', 14" einmal das eine 14 und einmal das andere Λ3 als Druckreduzierventil arbeiten können. Bei Sommerbetrieb arbeitet der Kältemittelkreislauf als Kältemaschine und wird in der von den durchzogenen Pfeilen angedeuteten Richtung durchströmt, wobei der Wärmeaustauscher 9¹ als Verdampfer und die Rohrschlange

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9 °.ls Kondensator arbeiten. Im Winter kann dieser Kältemittelkreislauf durch Umschalten des Vierwege-Ventils 15 den in Fig.1 dargestellten Heizkessel 4 ersetzen. Nunmehr arbeitet die Rohrschlange 9 als Verdampfer und der Wärmeaustauscher 9' als Kondensator. Dabei wird dem Erdreich über die Rohrschlange 9 Wärme entzogen, mittels des Kompressors 9" auf ein hohes Temperaturniveau angehoben und über den Kondensator 9¹ auf den Vorlaufstrang 1' übertragen. Da "die Oberflächentemperatur des in Fig.1 dargestellten !Fußbodens zur Vermeidung von Baukörperrissen sowie zur Erhaltung des Behaglichkeitsgrades eine Temperatur von

27 - 28 G nicht übersteigen darf und demzufolge auch die Wassertemperatur im Vorlaufstrang dementsprechend niedrig sein kann, arbeitet das Gesamtsystem mit einer hohen Leistungsziffer. Das gleiche gilt umgekehrt auch für die Kühlung bei "Sommerbetrieb".

Die vierte Möglichkeit zur Kühlung des Wassers im Vorlaufstrang 1' ist ein Grundwasserkreislauf 20, der im wesentlichen aus einem von Brunnenwasser beaufschlagten Behälter 20' und einem darin eingesetzten Rohrbündel 20" besteht, durch welches das Vorlaufwasser des Rohrstranges 1 ' nach Schließen des Ventils 22 und Öffnen des Mischventils 22' gedrückt wird. Zugleich saugt eine Tauchpumpe 25 aus dem Grundwassersumpf des Erdreiches 7¹ die zur Kühlung notwendige Grundwassermenge an und drückt diese über die Vorlaufleitung 23' in den Behälter 20', von wo es über die Rücklaufleitung 25" wieder in den Grundwassersumpf gelangt. Auf diese Weise bleibt die Höhe des Grundwasserspiegels erhalten, wobei es pich versteht, daß die Vorlauf- 2J' und· die Rücklauf-, leitung; 2?" sur Vermeidung von Zirkulationen einen entsprechenden Abstand voneinander aufweisen. Der Vorteil dieser Ausfüh-

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rungsform ist, daß das in dem leicht zugänglich angeordneten Behälter 20' befindliche Rohrbündel 20" wie auch der Behälter 20' leicht gereinigt werden können und durch das Mischventil 22' eine Beimischung erfolgen kann.

Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Rohrstranges zur Kühlung lassen sich aus Fig. 3 ersehen. Die in dem dargestellten MoEier-Diagramm eingezeichnete Kurve a gibt die in unseren Breiten sommertags vorkommenden Außenluftzustände an. Das bedingt beispielsweise bei einer Frischluftbelüftung einen Raumluftzustand im Punkt A von 32⁰C und 4-0% relativer Luftfeuchte

W eine Taupunkttemperatur von etwa 16,8°C. Daraus folgt wiederum, daß die Oberflächentemperatur der Baukörperschicht 2 in Fig. 1 diese Temperatur nicht erreichen darf, da andernfalls der in der Raumluft vorhandene Wasserdampf auszukondensieren beginnt und der Fußboden feucht werden würde. Nun hat es sich aber bei dem erfindungsgemäßen Rohrstrang überraschend gezeigt, daß die Vor— lauftemperatur des Wassers sogar noch unter dem Taupunkt der Raumluft liegen darf,-da aufgrund des Gegenstromprinzips des Vorlaufstranges 1 bei nicht zu starker Unterschreitung der Taupunkttem-

. peratur die unmittelbare Umgebungstemperatur des Rohrstranges 1 dennoch über der Taupunkttemperatur liegt, und zwar selbst dann, wenn die betreffenden Räume mit einer direkten Außenbelüftung versehen sind.

Bei Räumen hingegen, die bereits mit einer Entfeuchtungsanlage versehen sind und im Umluftbetrieb gefahren werden, ist Je nach RHumluftzustand, z.B. bei 25°0 und 50-60% relativer Feuchte bei dem erfindungsgemäßen Rohrstrang 1 eine Kühlwasservorlauftemperatur von,12,,^⁰O.bis 15,5°0 und noch etwas darunter erlaubt, ohne daß die den Raum kühlende Fußbodenoberfläche die kritische

Taupunkttemperatur des jeweiligen Raumluftzustandes erreichen würde (s. Kurve b in Fig. 3)·

Ein weiterer Vorteil dieser Kühlung mittels des erfindungsgemäßen Rohrstranges ist der, daß die behagliche Raumtemperatur hierbei höher als bei einem mit herkömmlicher Klimaanlage gekühlten Baum liegt. Das aber wiederum bedeutet, daß dieses Kühlsystem ohne Entfeuchtungseinrichtung in der Lage ist, eine behagliche Raumtemperatur zu schaffen, wobei selbst bei maximaler Kühllast die kritische Oberflächentemperatur der Baukörperschicht 2, wenn überhaupt, so nur an sehr wenigen Tagen im Jahr erreicht wird. So hat es sich beispielsweise gezeigt, daß bei einer Vorlauftemperatur des Wassers im Vorlaufstrang 1^r von 20°0 und bei einer Oberflächentemperatur der Baukörperschicht 2 von etwa 23 - 24·°σ eine behagliche Raumtemperatur von 2?-28°G erreicht werden konnte.

Zum wirtschaftlichen Betrieb erfindungsgemäßen Rohrstranges in Großgebäuden empfiehlt es sich, mittels einer individuellen Zondükühlung bzw*-Heizung zur Abstimmung der unterschiedlichen, durch Ausrichtung des Gebäudes nach den einzelnen Himmelsrichtungen auftretenden Kühl- bzw. Heizlaaten mehrere Rohrstränge 1*, 1% 21' 21" zueinander parallel zu schalten.

Patentansprüche t

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Claims

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Pat, ent anspräche :

^f1.\ Rohrstrang, bestehend aus einem in der Baukörpersehicht eines Fußbodens, einer Wand oder einer Decke in !Form einer kontinuierlichen Rohrschlange bzw. Rohrspirale zu verlegenden Vorlauf- und Rücklaufstrang, deren gleich große Durchflußkariäle parallel zueinander angeordnet, im Gegenstrom von einem Wassers at ζ zu durchströmen sind und über ihre gesamte w Länge eine gemeinsame Berührungsfläche zum direkten Wärmeaustausch besitzen, nach Patentanmeldung P 19 02 688.1-16, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrstrang (1) zur Kühlung eines Raumes von einer Kühlwassermenge zu durchströmen ist,
2. Rohrstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorlauf strang (1') des Rohrstranges (1) mit einem Wärmeaustauscher (7,8,9*) in Verbindung steht. (Fig. D

3· Rohrstrang nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e kennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher von einer im Erdreich (7¹) verlegten, direkt von dem Vorlaufwasser zu durchströmenden Rohrschlange (7) gebildet wird, die vorzugsweise aus Kunststoff besteht. (Fig. 1) =

4. Rohrstrang nach den Ansprüchen 1 und 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher aus einem Kühlturm (8) besteht, der direkt an den Vorlaufstrang (1') des Rohrstranges (1) angeschlossen ist. (Fig. 1).

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5. Rohrstrang nach den Ansprüchen 1 und 2,dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher aus dem Verdampfer (9¹) einer ?ifärmepumpe (9) besteht, deren Kondensator (9 ) als im Erdreich verlegte Rohrschlange, vorzugsweise aus Kunststoff, ausgebildet ist. (Fig. 2)

6. Rohrstrang nach Anspruch 5 zur wahlweisen Heizung und Kühlung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe (9) wahlweise zu einem als Kältemaschine arbeitenden Kreislauf umschaltbar ist. (PiS- 2)

7. Rohrstrang nach den Ansprüchen 1 und 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher aus einem von Grundwasser beaufschlagten Behälter (2O')> vorzugsweise aus Kunststoff, und einem darin eingesetzten und vom Grundwasser umspülten Rohrbündel (20") besteht, durch welches das Vorlaufwasser des Rohrstr.anges (1') geleitet ist. (s. Fig.1)

8. Rohrstrang nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher aus einem Verdampfer (9')> einer Wärmepumpe (9) besteht^ deren Kondensator (9^IM) von einem Luftstrom beaufschlagt ist,(Fig„1)

9. Rohrstrang nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des in der Baukörperschicht (2) verlegten Vorlauf- und Rücklaufstranges (1', 1") höchstens 25 mm beträgt und die Teilung (t) .zwischen zwei Rohrsträngen (1) nicht größer als 18 cm ist. (Fig.- 1)

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10. Rohrstrang .nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 5 insbesondere zur Verlegung in Großgebäuden, dadurch ge k e η ή ζ e i c h η e t, daß zum Vorlaufstrang (1')
und zum Rücklaufstrang (1") weitere Rohrstränge (21', 21") für eine individuelle Zonenbeheizung bzw. Zonenkühlung des Gebäudes parallel geschaltet sind. (Fig. 1)

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