LU83291A1 - In der estrichmasse eines fussbodens und in fertigteilelementen zu verlegendes rohr - Google Patents

Description

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In der Estrichmasse eines Fußbodens und in Fertigteilelementen zu j verlegendes Rohr i

Die Erfindung betrifft ein in der Estrichmasse eines Fußbodens und in Fertigteilelementen zu verlegendes Rohr zum Transport eines flüssigen Wärmeträgers, wie eines Heiz- oder Kühlmittels. Fertig- : teilelemente sind dabei im allgemeinen aus Kunststoff bestehende Montageplatten, die noppenförmige oder ähnliche Halterungen für die Rohre aufweisen. Ein Beispiel für eine solche Montageplatte zeigt die DE-PS 2 720 361.

Für das Erstellen einer Fußbodenheizung werden Rohre nach einem bestimmten errechneten Schema in hin- und hergehenden Schleifen auf dem Boden verlegt, und dieser wird dann mit Estrichmasse auf- ; i gefüllt. Für die hierfür verwendeten Rohre sind verschiedene Quer-' i schnitte bekannt oder vorgeschlagen worden. Die am häufigsten verwendeten Rohre haben kreisrunden Querschnitt. Rohre mit kreisrun- | dem Querschnitt lassen sich einfach herstellen. In ihren übrigen j

Eigenschaften, wie physikalischen und thermischen Eigenschaften, ! i erreichen Rohre mit kreisrundem Querschnitt mittlere bis gute Wer-!

te. Rohre mit ovalem Querschnitt sind ebenfalls bekannt. Der bei I

i ' ihnen gegenüber Rohren mit kreisrundem Querschnitt herausgestelltei Î Vorteil liegt darin, daß sie bei gleichem Innenquerschnitt bzw.

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Innenvolumen eine größere Oberfläche aufweisen. Dies verbessert den Wärmeübergang des durch sie durchströmenden Heizmittels, zum Beispiel warmen Wassers, auf den umgebenden Fußboden bzw. die Estrichmasse. Diese höhere Wärmeübertragung wird jedoch, wie im folgenden noch ausgeführt werden wird, mit starken anderen Nachteilen erkauft. Zum Erzielen einer noch größeren Oberfläche und i | damit einer noch besseren Wärmeübertragung wurde schließlich noch , F 41/364 j ein Rohr vorgeschlagen, das grundsätzlich kreisrunden Querschnitt

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« - 2 - ,aufweist, dessen Oberfläche Jedoch gewellt oder genutet ist.

Diese kurze Schilderung des Standes der Technik zeigt, daß man ausgehend von Rohren mit kreisrundem Querschnitt nach anderen Guer-4 schnittsformen gesucht und solche gefunden hat, die bei gleichem

Innenquerschnitt eine größere Oberfläche aufweisen und damit eine höhere Wärmeübertragung zulassen. Die größere Oberfläche läßt sich 1 mit einfachen mathematischen Formeln sofort errechnen. Die Wärmeübertragung ist der Oberfläche in erster Annäherung unmittelbar proportional. Vor Ort kann die Wärmeübertragung auch mit einfachen Einrichtungen schnell gemessen werden. Die Wärmeübertragung ist damit eine mit einfachen mathematischen und meßtechnischen Mitteln schnell und einfach bestimmbare physikalische Größe. Der Vorteil einer höheren Wärmeübertragung fällt sofort ins Auge. Bei der Berne ssung von Fußbodenheizungen kann und wird eine höhere Wärmeübertragung der verwendeten Rohrquerschnitte sofort berücksichtigt.

Sie kann dazu führen, daß man pro Flächeneinheit des Fußbodens mit weniger Rohrlänge auskommt und die Belegungsdichte sinkt. Die langjährige Beobachtung von Fußbodenheizungen, bei denen Rohre mit ovalem Querschnitt verwendet wurden, haben Jedoch zu der Erkenntnis geführt, daß diese zahlreiche Nachteile aufweisen. Insbesondere stellt die sich aus ihrer relativ größeren Oberfläche ergebende höhere Wärmeübertragung nur einen scheinbaren Vorteil dar. Die an- ! genommene höhere Wärmeübertragung wird durch andere Umstände auf- i gehoben und stellt überdies nur einen Kurzzeiteffekt dar.

Zusätzlich zu den thermischen Eigenschaften eines Rohres, wozu die Wärmeübertragung zählt, sind auch andere Eigenschaften zu berück- j sichtigen, wie die Verlegefreundlichkeit, die Statik oder die Sta- j ; bilität der die Rohre umschließenden Estrichmasse, und insbesonde-!

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* re die Konstanz der errechneten Werte, wie Wärmeübertragung, Innen-r I i

i querschnitt usw., während der gesamten Lebensdauer der Fußbodenheizung. Diese umfaßt einen Zeitraum von bis zu einigen Jahrzehnten. I

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I Von den mit herkömmlichen Radiatoren arbeitenden Zentralheizungen j i ist bekannt, daß sich diese nach einer Betriebsdauer von vielen J

| Jahren oder Jahrzehnten zusetzen. Die im Wasser enthaltenen Schwe- j F 41/364 j bestoffe, wozu auch der sogenannte Kesselstein gehört, setzen sich! « « i f i - 3 -

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im Laufe der Jahre ab. Insbesondere an Stellen, an denen das Heizwasser eine geringe Strömungsgeschwindigkeit aufweist, werden die ' Schwebestoffe ausgefällt und backen zum sogenannten Kesselstein oder Kalk zusammen. Damit verringert sich der wirksame Innenquer- ; * schnitt, und der Strömungswiderstand steigt. Eine Vorstufe dieser !

Kesselsteinbildung ist das Verschlammen. Bei diesem Verschlammen setzen sich Schwebestoffe schon nach kurzer Betriebsdauer an Stellen ab, an denen das Heizwasser das Rohr mit nur geringer Strömungsgeschwindigkeit durchströmt. Bei Rohren mit ovalem Querschnitt: sind dies die beiden sich verengenden Seiten des Innenquerschnit- ; tes. Rohre mit ovalem Querschnitt werden häufig auch so verlegt, daß ihre große Achse senkrecht steht. Eine solche sich verengende ' Seite bzw. ein geringer Innenquerschnitt liegt damit unten. Die Verschlammung wird damit noch dadurch gefördert, daß sich die Schwebestoffe bei stillstehender Anlage infolge ihrer Schwerkraft nach unten absetzen und dort zusammenbacken. Das heißt, daß sich der wirksame Innenquerschnitt von Rohren mit ovalem Querschnitt, die hochgestellt verlegt sind, schon nach kurzer Betriebsdauer verringert. Eine solche kurze Betriebsdauer Ist schon nach wenigen' Heizperioden erreicht. Entsprechend dem abnehmenden wirksamen Innenquerschnitt dieser Rohre mit ovalem Querschnitt sinkt die thermische Leistung der gesamten Fußbodenheizung. Der vermutete und während einer ersten kurzen Betriebszeit vorhandene Vorteil einer ; hohen Wärmeübertragung wird dadurch nicht nur aufgehoben, sondern ; i ; führt auch zu nachteiligen Folgen.

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Ein weiterer Nachteil der Rohre mit ovalem Querschnitt ergibt sich’ i daraus, daß sie entlang ihrer großen und kleinen Achse verschiede-! ; ne Widerstandsmomente aufweisen. Dies führt zu Schwierigkeiten beim Verlegen und macht sie wenig verlegefreundlich. Das Verlegen ; der Rohre in die vorgeschriebene Form der Schleifen usw. erfordert' Kraft, da sie sich infolge eines starken und entlang ihrer beiden j Achsen ungleichmäßigen Dralls jeder Formänderung widersetzen. Auch! der Estrich kann bei in ihm hochgestellt verlegten Rohren mit ova-| lern Querschnitt leiden. Die beiden oben und unten liegenden, sich ; verjüngenden Enden des Rohres wirken wie Keile. Insbesondere bei | niedriger Höhe des Estrich bricht dieser auf, und es entstehen F 41/364 ; Risse.

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Aus geometrischen Überlegungen folgt, daß Rohre mit ovalem Querschnitt in Richtung ihrer kurzen Achse eine kleinere Festigkeit als in Richtung ihrer großen Achse aufweisen. Damit sind sie Rohren mit kreisrundem Querschnitt unterlegen. Zum Ausgleich und zum Erzielen ausreichender Festigkeit werden die Rohre mit ovalem Querschnitt daher mit größerer Wandstärke gefertigt. Damit sinkt die sich an sich aus ihrer größeren Oberfläche ergebende größere Wärmeübertragung wieder ab. Infolge dieser höheren Wandstärke sind sie weiter weit steifer als Rohre mit kreisrundem Querschnitt und damit wenig verlegefreundlich. Sie lassen sich nicht entlang so enger Bögen wie Rohre mit kreisrundem Querschnitt verlegen. Daher müssen die parallelliegenden Stränge der einzelnen Rohrschleifen weiter auseinanderliegen, und die Belegungsdichte sinkt. Bei hochstehender Verlegung ergibt sich weiter eine höhere 3auhöhe. Die sie einschließende Estrichmasse erhält ein höheres Volumen. Damit muß mehr Estrichmasse auf geheizt werden, und der thermische Wirkungsgrad einer Fußbodenheizung sinkt.

Während demnach das Rohr mit ovalem Querschnitt gemäß der obigen Erläuterung anfangs den Vorteil einer vermeintlich etwas größeren ; Wärmeübertragung bringt, aber nach einer Betriebsdauer von nur we-; nigen Heizperioden überwiegend Nachteile aufweist, zeigen die Roh-! re mit kreisrundem Querschnitt bei sämtlichen Eigenschaften im we-sentlichen mittlere Werte. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einem auf dem Gebiet der Fußbodenheizung zu verwendenden ; Rohr einen solchen Quer- i i : i I ! i j i i F 41/364 _ * i : - 4 - schnitt zu geben, daß es in bezug auf seine Oberfläche, das heißt : der Wärmeübertragung, in bezug auf seinen wirksamen Innenquer- 1 schnitt, in bezug auf seine Verlegefreundlichkeit und auch in bezug auf die Stabilität des es aufnehmenden Estrichs nur optimale Werte zeigt. Insbesondere soll das erfindungsgemäße Rohr ein ehr- ; liches Produkt darstellen, das hohe Anfangswerte während der gesamten Betriebsdauer einer Fußbodenheizung unverändert beibehält. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich nach der Erfindung in überraschend einfacher Weise dann, wenn man dem Rohr einen quadratischen Querschnitt verleiht.

Ein Rohr mit quadratischem Querschnitt hat, mathematisch-geometrisch tetrachtet, im Vergleich zu seinem Innenquerschnitt eine ge-; ringere Oberfläche als ein Rohr mit ovalem Querschnitt. Dieser In-: nenquerschnitt bleibt aber nicht nur während der gesamten Betriebsdauer einer Fußbodenheizung, von der das Rohr einen Teil bildet, erhalten und völlig offen, sondern das Rohr mit quadratischem Querschnitt weist noch andere Eigenschaften auf, die zu einer besseren Wärmeübertragung führen. Dies liegt einmal an einer höheren Strahlung, Dies ergibt sich daraus, daß die volle Oberseite des Rohres, das heißt etwa 25 % seiner gesamten Oberfläche, nach oben zeigen und die Wärme unmittelbar nach oben abstrahlt. Eine bessere Wärme-: Übertragung ergibt sich weiter dadurch, daß bei Auflegen von Blechplatten auf die Rohre diese unmittelbar mit deren Oberseiten verklebt werden können. Damit ist ein unmittelbarer Wärmeabfluß von etwa 25 % der Gesamtoberfläche des Rohres direkt auf die Blechplat-: ten möglich. Ein solcher unmittelbarer Wärmeabfluß ist bei keinem anderen bekannten Querschnitt möglich. Die beiden senkrecht verlau-‘ fanden Seitenwände des Rohres sorgen weiter für eine intensive , seitliche Abstrahlung. Dies läßt größerer Rohrabstände zu.

i j Der freie Innenquerschnitt eines Rohres mit quadratischem Quer-j schnitt bleibt während dessen gesamter Betriebsdauer erhalten. Dieiä liegt daran, daß die Strömung an keiner Stelle des Querschnittes durch eine Verengung behindert und damit eine Ablagerung von Schlamm begünstigt wird. Es liegt weiter daran, daß sich aufgrund | der geraden Flächen Wirbel bilden und Feststoff teile damit entwe-F 41/364j der weggeschwemmt oder mindestens in Schwebe gehalten werden. Das - 5 - i * % ' letztere führt zu einem höheren spezifischen Gewicht des Heizwassers und damit zu einer besseren Wärmeübertragung.

Ein Rohr mit quadratischem Querschnitt ist auch sehr verlegefreundlich. Sein Widerstandsmoment ist entlang seiner beiden Achsen gleich. Es neigt daher beim Verlegen nicht dazu, eine Wellenform anzunehmen. Dadurch verändern sich die Abstände benachbarter Rohrstränge. Dies führt zu unterschiedlichen Flächenheizleistungen. Rohre mit quadratischem Querschnitt lassen sich auch einfach in Bögen verlegen. Ein Drall ist nicht vorhanden.

Ein Rohr mit quadratischem Querschnitt führt auch zu einer großen Estrichstabilität. Es weist keine Flächen oder Formen auf, die wie Keile wirken und die Estrichmasse spalten oder einkerben könnten. Die Statik einer solche Rohre enthaltenden Fußbodenheizung kann daher als sehr gut angesehen werden.

Insgesamt gesehen, vereinigt ein Rohr mit quadratischem Querschnitt in sich große Oberfläche und großen Innenquerschnitt. Be- j zogen auf seine Wärmeleistung hat es damit einen geringen Raumbe- | darf. Damit entfällt toter Raum,und die Übertragungsverluste blei-; ben gering.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Ek-ken an der Innen- und Außenwand des Rohres abgerundet sind. Durch die Abrundung an der Innenwand werden Stellen vermieden, an denen : • sich wegen geringer Strömung Feststoffe absetzen könnten. Durch ! i ; die Abrundung an der Außenwand wird eine Kerbwirkung auf die umge-i ! bende Estrichmasse vermieden. Für den Krümmungshalbmesser der Ab- ; i rundungen der Ecken der Innenwand hat sich ein Betrag von etwa j 25 % der lichten Weite des Innenquerschnittes als vorteilhaft her-| ausgestellt.

Die erfindungsgemäßen Rohre können aus einem flexiblen oder steifen Kunststoff oder auch aus Metall bestehen.

Im vorstehenden und auch in der folgenden Zeichnungsbeschreibung F 41/364 wird das erfindungsgemäße Rohr im Zusammenhang mit einer Fußboden- f '* · - 6 - i t ; heizung beschrieben. Seine vorteilhaften Eigenschaften kommen Jedoch auch dann zur Geltung, wenn das Rohr für andere Zwecke der Wärme- oder Kälteübertragung verwendet wird. Zum Beispiel kann es auch in Wand- und Deckenheizungen verlegt werden. Statt von Heiz-' wasser kann es auch von einem Kühlmittel durchströmt werden und dann Teil einer Klimaanlage bilden.

; Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen wer- ! . den nun Rohre des Standes der Technik, das erfindungsgemäße Rohr und Verlegebeispiele erläutert. In der Zeichnung ist: i

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht eines Rohres mit ovalem Querschnitt gemäß dem Stand der Technik, : Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht eines Rohres mit kreisrundem Querschnitt gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht des Rohres mit quadrati-| schem Querschnitt, '

Fig. 4 ein Querschnitt durch das erfindungsgemäße Rohr mit gleich-1 zeitiger Darstellung des Querschnittes eines Rohres mit kreisrundem Querschnitt, | Fig. 5 die perspektivische Darstellung eines willkürlich in «·» S- !

Form verlegten erfindungsgemäßen Rohres mit quadratischem j i Querschnitt, j

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Fig, 6 die perspektivische Teilansicht eines in eine Fußbodenhei- j zung mit Blechplatten eingebauten Rohres mit kreisrundem

Querschnitt und

Fig. 7 eine entsprechende Darstellung eines erfindungsgemäßen Rohres mit quadratischem Querschnitt.

In Fig. 1 ist schematisch ein Rohr 12 mit ovalem Querschnitt dargestellt. Seine große Achse verläuft senkrecht. Dies entspricht F 41/364 einem Einbau in hochgestellter Lage. Dabei ergibt sich eine Ein-

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! - 7 - ; « i ! tauhöhe h. Diese entspricht der Länge der großen Achse. Der Pfeil j deutet das durchströmende Heizwasser an. Am Boden des Rohres 12 j : bzw. an seinem sich verjüngenden unteren Ende, das einen sich ent-! | sprechend verengenden Querschnitt aufweist, setzt sich schon nach * ; verhältnismäßig kurzer Betriebsdauer Schlamm ab. Dieser Schlamm 14 ' ist schematisch dargestellt. In Fig. 2 ist perspektivisch und schematisch ein Rohr 12 herkömmlicher Bauart mit kreisrundem Querschnitt dargestellt. In Fig, 3 nun wird ein Rohr 12 mit erfindungsgemäßem quadratischen Querschnitt gezeigt. Auch dieses Rohr 12 hat die Einbauhöhe h. Durch die vier Pfeile soll angedeutet werden, daß das Heizwasser einen großen freien Innenquerschnitt vorfindet j und das Rohr bei entsprechend geringerem Strömungswiderstand schneller durchströmen kann. ; Für die folgende vergleichende Darstellung sei angenommen, daß die Bauhöhe h zehn Längeneinheiten beträgt. In der Praxis wird die Bauhöhe h bzw. der Durchmesser des Rohres 12 mit kreisrundem Querschnitt bei zum Beispiel 18 mm liegen. Mit h * 10 hat das Rohr 12 mit kreisrundem Querschnitt einen Umfang von 31 »4 und bei Vernach-: lässigung der Wandstärke einen freien Innenquerschnitt von 78,5.

Für das erfindungsgemäße Rohr mit quadratischem Querschnitt ergeben sich bei Vernachlässigung der Wandstärke und der Abrundung der Ecken ein Umfang von 40 Längeneinheiten und ein freier Innenquer- : schnitt von 100 Flächeneinheiten. Diese Zahlen liegen über denen des Rohres 12 mit kreisrundem Querschnitt. Zu beachten ist dabei, ! : daß sowohl der größere Materialaufwand, den das Rohr mit quadra- j ; tischem Querschnitt erfordert, als auch das größere Volumen, das ; es in der Estrichmasse einnimmt, zur Verfügung steht bzw. sogar j i von Vorteil ist. Auch dieses Zahlenbeispiel zeigt damit die Über- j ! legenheit des Rohres mit erfindungsgemäß quadratischem Querschnitt.

Bei einem Vergleich dieses Rohres mit dem Rohr 12 mit ovalem Quer-j j schnitt gemäß Fig. 1 ergeben sich noch bessere Zahlen.

f j [ Fig. 4 zeigt ineinandergezeichnet und in größerem Maßstab ein Rohr! I mit kreisrundem und ein Rohr mit quadratischem Querschnitt. Die j vier schraffierten Zwickel stellen die Fläche dar, um die der In- ; nenquerschnitt des Rohres mit quadratischem Querschnitt größer ist!.

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In Fig. 5 wird perspektivisch ein in die Form eines S gelegtes Rohr 12 mit quadratischem Querschnitt gezeigt. Die gezeigte Form enthält drei zueinander parallele Rohrabschnitte und zwei Bögen, j Mit dieser bewußt gewählten S-Form soll ausgedrückt werden, daß j ‘ sich das Rohr mit dem erfindungsgemäß quadratischen Querschnitt widerstandslos in Jede Form verlegen läßt und diese beibehält.

Dies gilt sowohl für zueinander parallele Strecken als auch für Bögen usw. Das Rohr zeigt weder einen Drall noch ein entlang sei- j ner beiden Achsen unterschiedliches Widerstandsmoment. j i

In den Figuren 6 und 7 sind in vergleichender Darstellung Rohre ' 12 mit kreisrundem und erfindungsgemäß quadratischem Querschnitt dargestellt. Beide Rohre 12 liegen in profilierten Kunststoffplatten 16 und werden mit Blechplatten 18 abgedeckt. Diese Kunststoff- platten 16 sind die eingangs genannten Fertigteilelemente bzw. Montageplatten. Die Rohre 12 liegen unter Zwischenlage eines Klebers 20 unmittelbar auf den Kunststoffplatten 14 und den Rohren 12 auf. Bei dem Rohr 12 mit kreisrundem Querschnitt gemäß Fig, 6 ! tritt zwischen Rohr 12 und Kleber 20 eine theoretisch nur linien- ; förmige Berührung auf. In der Praxis erfolgt eine Berührung entlang eines schmalen Streifens. Bei Fig. 7 berühren sich Rohr 12 und Kleber 20 jedoch über der gesamten Rohroberseite. Damit kann j die Wärme unmittelbar über einer großen Oberfläche In den Kleber j 20 bzw. die Blechplatte 18 einströmen. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Kleber 20 seine Wärmeleitfähigkeit erhöhende Zusätze enthält. Die Figuren zeigen somit, daß das Rohr mit erfindungsgemäß quadratischem Querschnitt bei der gezeigten Verlegeart eine weit- ! aus bessere Wärmeübertragung sicherstellt. Noch stärker als beim ! ; Vergleich zwischen den Figuren 7 und 6 würde es bei einem Ver-

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gleich mit einem hochstehend verlegten Rohr mit ovalem Querschnitt gelten.

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Claims (5)

1. In der Estrichmasse eines Fußbodens und in Fertigteilelementen : zu verlegendes Rohr zum Transport eines flüssigen Wärmeträgers ' (Heiz- oder Kühlmittel), dadurch gekennzeichnet, daß es einen quadratischen Querschnitt aufweist. i

2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken an seiner Innen- und Außenwand abgerundet sind.

3. Rohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Krüm- ; mungshalbmesser der Ecken der Innenwand vorzugsweise 25 % der i lichten Weite des Innenquerschnittes beträgt. f ]

4. Rohr nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß es aus ! einem flexiblen oder steifen Kunststoff besteht. i

5. Rohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Metall I besteht. 1 j j | ί ! F 41/364