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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vermeiden von Übertemperaturen beim Re- geln der Entnahmetemperatur von sekundärseitig in einem Wärmetauscher erwärmtem Brauch- wasser, welcher Wärmetauscher primärseitig in einem über eine Wärmequelle, insbesondere einen Pufferspeicher, führenden, mit einer in ihrer Drehzahl steuerbaren Umwälzpumpe ausgestatteten Heizkreis eingebunden ist, mittels welchem ein PID-Regler den Pumpenantrieb in Abhängigkeit vom Vergleich der gemessenen sekundärseitigen Austrittstemperatur des Wärmetauschers als Istwert mit einem vorgegebenen Temperatur-Sollwert ansteuert.
Zur Brauchwarmwassererzeugung ist es bekannt, das Brauchwasser sekundärseitig über ei- nen Wärmetauscher im Durchlauferhitzerprinzip zu erwärmen, welcher Wärmetauscher durch einen Primärkreis mit Umwälzpumpe und Wärmequelle, beispielsweise einem mit heissem Hei- zungswasser befüllten Pufferspeicher, wärmebeaufschlagt wird, wobei der Energieeintrag in den Wärmetauscher von der primärseitigen Durchflussmenge und damit von der Drehzahl der Umwälz- pumpe abhängt. Zur Regelung bzw. Konstanthaltung der Brauchwassertemperatur wird die Brauchwasseraustrittstemperatur am Wärmetauscher als Istwert gemessen und über einen PID- Regler (Proportional-Integral-Differentialregler) mit dem gewünschten Sollwert verglichen und dementsprechend die Umwälzpumpe in ihrer Drehzahl gesteuert.
Da die Regler eine bestimmte Dynamik besitzen und demnach die Pumpendrehzahl nur in einem begrenzten Bereich ordnungs- gemäss variieren können, wobei vor allem im unteren Drehzahlbereich eine empfindliche Überreak- tion bei der Regelung zustande käme, ist bisher die Pumpenantriebssteuerung durchgehend von Null bis zur Nenndrehzahl nicht möglich. Es ist notwendig, einen sekundärseitigen Durchfluss, also eine Warmwasserentnahme zu erkennen, wozu Strömungsschalter, Differenzdruckmesser, Was- seruhren u. dgl. dienen, und die Umwälzpumpe im Primärkreis abzuschalten, so lange es keinen sekundärseitigen Durchfluss gibt und erst dann einzuschalten, wenn ein solcher Durchfluss auftritt, also Brauchwasser entnommen wird.
Ist die Umwälzpumpe eingeschaltet, erfolgt dann die Rege- lung des Pumpenantriebes in einem Drehzahlbereich von ca. 30 bis 100 % der Nenndrehzahl, um den Energieeintrag in den Wärmetauscher zur Brauchwarmwassererzeugung zu beeinflussen.
Dieses Verfahren bringt allerdings nur eine geringe Regelgenauigkeit mit sich, reagiert langsam auf sekundärseitige Durchflussmengenänderungen und führt zu einem hohen Rücklauf in den Puffer- speicher mit der Gefahr von Durchmischungen innerhalb des Speichers. Zur Erklärung wird be- merkt, dass grosse Volumenstromänderungen, wie sie bei einer Erhöhung der Drehzahl aus dem Abschaltzustand auf mindestens 30 % der Nenndrehzahl auftreten, wegen der thermischen Träg- heit der Komponenten eine Thermostatfunktion mit hoher Hysterese ergeben. Bei einem entspre- chenden Einschalten der Pumpe aufgrund der Wärmeverluste durch die Isolierung wird rasch ein hohes Temperaturniveau im Wärmetauscher erreicht.
Es ergeben sich dadurch erhöhte Bereit- schaftsverluste und es dauert einige Zeit bis das Energieniveau im Wärmetauscher unter die Solltemperatur gesunken ist, wonach wieder wegen der Systemträgheit eine "Temperaturlücke", also eine Wasserabgabe unter der Solltemperatur auftritt. Nach einer "Einseifpause" bei Hand- wasch- und Badeeinrichtungen kann anderseits wieder eine Übertemperatur im abgegebenen Brauchwasser, die sogar mit einer Verbrühungsgefahr verbunden ist, auftreten. Dazu kommt noch der Aufwand für die Durchflusserkennung sowie die Störanfälligkeit der entsprechenden Einrichtun- gen und Geräte und deren Ansprechträgheit.
Regelverfahren mit PID-Reglern sind u. a. aus der US 4 214 300 A für die allgemeine Einstel- lung variabler Parameter in dynamischen Systemen bekannt. Nach der US 4 825 654 wird mit einem entsprechenden Regler die Ausgabetemperatur des Dampfes in einer Dampferzeugungsan- lage geregelt. Eine weitere Anwendung eines entsprechenden Reglers ergibt sich aus der US 4 603 668 A zur Regelung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine, wobei aus dem Vergleich des Istwertes der Maschinendrehzahl mit einem Sollwert der Differenzwert ermittelt und aus ihm ein Einstellsignal für die Ansteuerung der Maschine gewonnen wird. Schliesslich ist aus der DD 114 701 B die Verwendung eines PID-Reglers im Kursregler für Schiffe bekannt. Ferner ist.es z. B. aus der US 4 734 628 A allgemein bekannt, die Drehzahl einer Pumpe oder eines Kompres- sors einer Wärmepumpe temperaturabhängig zu regeln.
Nach der FR 23 554 519 A ist bei einer Heizungsanlage ein Wärmefühler vor der die Heizkreise versorgenden Pumpe vorgesehen und die Regelung der Pumpendrehzahl erfolgt zusätzlich in Abhängigkeit von der Aussentemperatur und der Raumtemperatur. Eine weitere Heizungsregelung ist aus der GB 2 068 596 A bekannt.
Schliesslich wird nach der DE 41 23 678 A die Drehzahl der Umwälzpumpe einer Fahrzeugheizung
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zur raschen Erzielung der gewünschten Solltemperatur angeregelt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art anzugeben, das auf rationelle Weise ein funktionssicheres und feinfühliges Regeln der Entnahme- temperatur von Brauchwasser erlaubt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass, wenn der PID-Regler zur Vermeidung der Sys- temträgheit, wie an sich bekannt, mit einer Reglerstufe für die Drehzahl Null ausgestattet ist, der Pumpenantrieb über den gesamten Drehzahlbereich nur in Abhängigkeit vom Ist-Sollwertvergleich angesteuert wird, und im Falle der Drehzahlstufe Null und eines erkennbaren Temperaturgradien- ten der Austrittstemperatur der I-Teil des PID-Reglers in seine Grundstellung zurückversetzt wird.
Ein elektronischer PID-Regler umfasst drei Regelteile, den Proportionalteil zur Verstärkung der Differenz zwischen Ist- und Sollwert, den Integralteil zum Ausgleichen der durch den Proportional- teil bleibenden Regelabweichung und den Differentialteil zur Beeinflussung der Reaktion des Reglerausganges in Abhängigkeit von der Steilheit des Gradienten des Istwertes. Dadurch gleicht der Integralteil langfristig die vom Proportionalteil bleibenden Regelabweichungen aus und der Differentialteil führt bei einer raschen Änderung des Istwertes zu einer Überreaktion des Reglers, um die Regelwirkung zu beschleunigen. In der Praxis wird unter einem Heranregeln an die Dreh- zahlstufe Null auch eine Regelung bis z. B. 5 % der Nenndrehzahl verstanden.
Erfindungsgemäss wird auf die Erkennung eines sekundärseitigen Durchflusses im Wärmetau- scher verzichtet und dafür beim Regler die Drehzahlstufe Null eingeführt, so dass aufgrund der immer gemessenen sekundärseitigen Austrittstemperatur des Wärmetauschers ein ständiger Bereitschaftsaufwand zur Brauchwarmwasserabgabe besteht und zudem für eine Konstanthaltung der Austrittstemperatur gesorgt ist. Nach der Beendigung einer Warmwasserentnahme wird se- kundärseitig die Austrittstemperatur am Wärmetauscher über den Sollwert steigen, wodurch der Regler die Pumpendrehzahl vermindert. Da aber ohne Brauchwasserentnahme eine Überhöhung des Istwertes bestehen bleibt, wird der Pumpenantrieb schliesslich bis zur Drehzahlstufe Null ange- steuert und die Umwälzpumpe stillgesetzt.
Sinkt die Austrittstemperatur aufgrund von Wärmever- lusten, wird der Regler die Pumpendrehzahl entsprechend dem Ist-Sollwertvergleich wieder erhö- hen, bis die vorgegebene Temperatur erreicht ist, was neuerlich zu einer gewissen Überhöhung der Austrittstemperatur in Folge der endlichen Wärmeübertragungsgeschwindigkeit und der Träg- heit der Temperaturmessung führt. Die Überhöhung der Austrittstemperatur, also des Istwertes, während des Bereitschaftszustandes erkennt ein PID-Regler als Regelabweichung, die den Integ- ralteil voll ausnützt, so dass der Integralteil wegen der nicht möglichen Reduzierung der Drehzahl unter die Drehzahlstufe Null, seinen negativen Wert bis zum Maximum absenkt.
Wird dann Brauchwasser entnommen, kommt es zwar rasch zu einem Absinken der Austrittstemperatur unter den Sollwert, aber da der Integralteil einen tiefen negativen Wert aufweist, würde trotz des hohen Differentialteils der Istwert dem Sollwert nur sehr langsam angeglichen werden. Um dies zu ver- meiden, wird daher bei Auftreten eines entsprechenden Gradienten der Austrittstemperatur der Integralteil in seine Grundstellung zurückversetzt, wodurch die vom Regler zum Wiederereichen des Normalzustandes benötigte Zeit wegfällt. Ein rasches Ausregeln ist daher bei Brauchwasser- entnahme gewährleistet.
Erfindungsgemäss kann ausserdem der Reglerausgang bei Überschreiten einer dem Sollwert gegenüber erhöhten Temperaturschwelle durch den Istwert abgeschaltet werden, wobei vorzugs- weise die Temperatur etwa 1-3 C über dem Sollwert liegt. Am Ende einer Warmwasserentnahme steigt der Istwert wegen des dann fehlenden Durchflusses nur langsam an, wodurch auch die Pumpendrehzahl nur langsam gegen Null geht und es im Heizkreis zu einem Rückpumpen heissen Speichermediums in den Pufferspeicher und damit zu einem Vermischen des unteren kalten Spei- chermediums mit dem heissen Speichermedium, also einer Entschichtung im Pufferspeicher käme.
Dies wird durch das Abschalten des Reglerausganges und damit das Abschalten der Umwälzpum- pe vermieden, wobei ein Unterschreiten der Temperaturschwelle durch den Istwert wieder zum Einschalten des Reglers bzw. der Pumpe führt.
Wird die primärseitige Eintrittstemperatur des Wärmetauschers durch einen im Heizkreis ein- gebundenen thermischen Mischer auf einen vorbestimmbaren Höchstwert begrenzt, kann das Regelverhalten in Folge der geringeren Regler- und Pumpendynamik verbessert werden. Ausser- dem lässt sich die Verkalkungsgefahr aufgrund der geringeren Temperaturen im Wärmetauscher verringern.
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In der Zeichnung ist das erfindungsgemässe Verfahren beispielsweise anhand eines Anlagen- schemas veranschaulicht.
Eine Brauchwarmwasseranlage 1 umfasst einen Heizkreis 2 mit einem Pufferspeicher 3 und ei- ner in ihrer Drehzahl steuerbaren Umwälzpumpe 4 sowie einen Brauchwasserkreis 5 mit einem Brauchwasserzulauf 6 und einem Brauchwasserablauf 7, wobei ein Wärmetauscher 8 primärseitig in den Heizkreis 2 und sekundärseitig in den Brauchwasserkreis 5 eingebunden ist und bedarfs- weise Brauchwasser im Durchlauferhitzerprinzip erwärmt. Zur Regelung der Entnahmetemperatur des Brauchwassers gibt es einen PID-Regler 9, der den Pumpenantrieb 10 in Abhängigkeit vom Vergleich der sekundärseitigen Austrittstemperatur des Wärmetauschers 8 als Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert ansteuert. Ein Temperaturfühler 11im Austrittsbereich des Brauchwasser- ablaufes aus dem Wärmetauscher 8 liest die entsprechenden Temperaturwerte in den Regler 9 ein.
Der Pumpenantrieb 10 wird über den gesamten Drehzahlbereich von Drehzahlstufe Null bis zur Nenndrehzahl ohne Erkennung eines Durchflusses durch den Brauchwasserkreis 5 vom Regler 9 angesteuert, so dass sich sowohl ein Bereitschaftszustand im Wärmetauscher 8 ergibt als auch die Entnahmetemperatur des Brauchwassers in engen Grenzen konstant halten lässt, wobei zur Beseitigung der Reglerträgheit aufgrund der Sättigungsdrift des Integralteiles dieser Integralteil bei Drehzahlstufe Null und bei einem bestimmten Temperaturgradienten der Austrittstemperatur in die Grundstellung zurückversetzt wird.
Zur Verbesserung des Regelverhaltens und zur Vermeidung von Verkalkungen im Wärmetau- scher 8 kann in den Heizkreis 2 ein thermischer Mischer 12 mit einer dem Pufferspeicher 3 über- brückenden Umgehungsleitung 13 eingebaut sein, so dass die primärseitige Eintrittstemperatur des Wärmetauschers 8 auf einen bestimmten Höchstwert begrenzt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Vermeiden von Übertemperaturen beim Regeln der Entnahmetemperatur von sekundärseitig in einem Wärmetauscher erwärmtem Brauchwasser, welcher Wärme- tauscher primärseitig in einem über eine Wärmequelle, insbesondere einen Pufferspeicher, führenden, mit einer in ihrer Drehzahl steuerbaren Umwälzpumpe ausgestatteten Heizkreis eingebunden ist, bei welchem ein PID-Regler den Pumpenantrieb in Abhängigkeit vom
Vergleich der gemessenen sekundärseitigen Austrittstemperatur des Wärmetauschers als
Istwert mit einem vorgegebenen Temperatur-Sollwert ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass wenn der PID-Regler zur Vermeidung der Systemträgheit, wie an sich bekannt, mit ei- ner Reglerstufe für die Drehzahl Null ausgestattet ist,
der Pumpenantrieb über den gesam- ten Drehzahlbereich nur in Abhängigkeit vom Ist-Sollwertvergleich angesteuert wird und im
Falle der Drehzahlstufe Null und eines erkennbaren Temperaturgradienten der Austritts- temperatur der I-Teil des PID-Reglers in seine Grundstellung zurückversetzt wird.